“雙碳”目標下鋼鐵企業煤氣發電技術發展及影響

唐 磊，黃欣婷，曾祥耀，曾 芳

（中國能建湖南省電力設計院有限公司，湖南長沙 410007）

前言

我國是世界最大的鋼鐵生產國，根據世界鋼鐵協會統計，2022 年粗鋼產量約占世界總產量的53.9%。目前中國鋼鐵行業的二氧化碳排放量約占世界鋼鐵總排放量的72.5%，約占全國二氧化碳排放總量的15%，是僅次于電力行業的第二大碳排放行業。2023 年4 月18 日和4 月25 日，歐洲議會和歐盟理事會分別批準通過了新的歐盟碳邊境調節機制（CBAM），形成了基于碳排放的國際貿易壁壘。鋼鐵行業已成為我國實現“雙碳”戰略以及有效應對國際貿易壁壘的橋頭堡和攻堅區。

鋼鐵生產過程涉及的工序、原料、能源眾多，導致碳排放形式和結構繁雜多樣，為行業推進低碳化發展帶來了挑戰。鋼鐵工業碳排放主要來源是燃料燃燒和外購電力碳排放。在主流的高爐-轉爐長流程鋼鐵生產過程中，能源利用率僅為27%，其余73%主要以余能余熱的形式存在。這些余熱余能資源中，副產煤氣占比達到約74.6%［1］。相關研究表明，對于年產1 000 萬t 鋼鐵的企業，除去鋼鐵生產過程各工序自用外，日歷小時富余煤氣量（折熱值3 300 kJ∕m3）為105 萬m3∕h［2］，如利用該部分余能進行鋼-電耦合發電，將極大地推動鋼鐵企業“雙碳”目標的實現。

盡管目前已有大量學者針對鋼鐵行業實現碳達峰從技術、政策、核算方法、路線圖、鋼鐵國際貿易壁壘等不同角度進行研究［3-11］，但作為推動鋼鐵行業“雙碳”目標重要手段的鋼鐵企業煤氣鍋爐發電技術的發展及其影響研究還未見諸文獻。因此，基于跨行業協同（耦合）的思路，論述了“雙碳”目標下鋼鐵企業煤氣鍋爐發電技術發展及其特點，并詳細分析了新型超超臨界參數煤氣鍋爐發電技術對我國鋼鐵企業碳排放的影響以及在應對國際鋼鐵貿易壁壘中的作用，為推進鋼鐵行業節能降碳提供參考。

1 鋼鐵企業煤氣鍋爐發電技術發展及其特點

鋼鐵企業煤氣鍋爐發電技術受副產煤氣熱值、富余煤氣量以及企業電力調度靈活性的影響，在2013 年以前一直是采用中溫中壓參數或高溫高壓參數，單機容量一般在50 MW 及以下，機組熱效率不超過32%。自2013 年華菱湘潭鋼鐵有限公司135 MW 高溫超高壓、一次中間再熱煤氣鍋爐發電機組投產開始，具有大容量、高參數、高效率、低排放等特點的高溫超高壓參數煤氣鍋爐發電機組、亞臨界超高溫參數煤氣鍋爐發電機組以及新型超超臨界參數煤氣鍋爐發電機組陸續在鋼鐵企業推廣應用，煤氣發電技術熱效率得到進一步提升，助力鋼鐵企業富余煤氣余能高效利用，并向節能低碳方向發展。不同時期、不同類型主流鋼鐵企業煤氣鍋爐發電技術參數見表1（煤氣熱值按3 300 kJ∕m3）。

表1 不同時期、不同類型鋼鐵企業煤氣鍋爐發電技術參數

由表1 可以看出，隨著鋼鐵企業煤氣鍋爐發電技術的不斷進步，富余煤氣的利用效率越來越高。這意味著鋼鐵企業在保持鋼鐵生產工序條件不變的前提下，對富余煤氣的回收利用可產生更多的電能，減少外購電量，進而減少鋼鐵企業間接碳排放。

2 新型超超臨界參數煤氣鍋爐發電技術對鋼鐵企業碳排放的影響

2.1 鋼鐵企業碳排放核算及其組成

根據《溫室氣體排放核算與報告要求 第5 部分：鋼鐵生產企業》（GB∕T 32151.5—2015）要求，鋼鐵行業溫室氣體排放量E計算公式如下：

式中：E—二氧化碳排放總量，tCO2；

E燃燒—燃料燃燒排放量，tCO2；

E過程—過程排放量，tCO2；

E購入電—購入的電力消費對應的排放量，tCO2；

E購入熱—購入的熱力消費對應的排放量，tCO2；

R固碳—企業固碳產品隱含的排放量，tCO2；

E輸出電—輸出的電力對應的排放量，tCO2；

E輸出熱—輸出的熱力對應的排放量，tCO2。

鋼鐵企業煤氣鍋爐發電機組熱效率與E購入電、E輸出電息息相關，其效率高低將極大影響鋼鐵企業二氧化碳的排放量。

2.2 新型超超臨界參數煤氣鍋爐發電技術的降碳效果分析

基于同一生產規模和生產工序，鋼鐵企業采用新型超超臨界參數煤氣鍋爐發電技術可以更高效地回收利用富余煤氣，為企業提供更多的自發電量。以年產1 000 萬t 鋼鐵的企業為例，設定條件如下：

（1）以高溫超高壓參數機組發電量為基準；

（2）單機容量均按135 MW 考慮，廠用電率按6.5%考慮；

（3）鋼鐵企業年連續額定生產小時數為8 000 h；

（4）由于鋼鐵企業一般會設置煤氣柜進行調節，因此僅考慮煤氣鍋爐額定負荷連續運行工況；

（5）根據《關于做好2022 年企業溫室氣體排放報告管理相關重點工作的通知》（環辦氣候函［2022］111號），電網排放因子為0.581 tCO2∕MWh。

基于以上設定，不同類型的煤氣鍋爐發電技術產生的電量及碳減排量見表2。

表2 不同類型煤氣鍋爐發電技術產生的電量及碳減排量對比

從表2可以看出，年產1 000 萬t鋼鐵的企業，采用新型超超臨界參數煤氣鍋爐發電技術較采用高溫超高壓參數煤氣鍋爐發電技術年減碳量可增加25.61 萬tCO2，年相對減碳量增幅也達到了15.71%。可見，新型超超臨界煤氣鍋爐發電機組是進一步推動鋼鐵行業“雙碳”目標實現的有效途徑。

3 歐盟碳邊境調節機制下新型超超臨界參數煤氣鍋爐發電技術對我國鋼鐵行業的影響

根據歐盟最新發布的碳邊境調節機制文本，鋼鐵進口商從2024 年12 月31 日開始申請CBAM 報關員，2026年1月1日必須購買“CBAM證書”以獲得鋼鐵產品的進口權。該證書的價格將與拍賣平臺上歐盟排放交易體系（ETS）配額的平均收盤價（或最后一周的歐盟排放交易體系配額收盤價的平均值）一致。同時，進口商需要每年上報其所有進口產品的嵌入式排放量，并提交相應數量的CBAM證書。

碳邊境調節機制第7條提出鋼鐵嵌入式排放量只需計算和考慮直接排放量，而不需要考慮消耗電力帶來的間接排放。我國鋼鐵行業總體上CO2排放強度約為2 tCO2∕t 鋼［12］；中國 鋼鐵工業協會統計2022 年中鋼協會員單位電耗為466.06 kWh∕t 鋼，折算CO2排放量為0.27 tCO2∕t鋼，扣除電力消耗產生的鋼鐵嵌入式排放量，實際為1.73 tCO2∕t 鋼。同時從歐盟碳價80 歐元∕tCO2（折合人民幣555 元∕tCO2）［11］里扣除2022 年我國碳市場碳配額交易加權平均價55.3 元∕tCO2進行測算，每噸鋼鐵出口成本將增加864.5 元。而采用煤氣鍋爐發電技術回收的鋼鐵生產過程中產生的副產煤氣余能不屬于鋼鐵生產外部輸入電力，需計入到鋼鐵嵌入式碳排放量中。結合表2，不同參數的煤氣鍋爐發電技術對我國鋼鐵出口成本影響見圖1。

圖1 煤氣鍋爐發電技術對我國鋼鐵出口成本影響

由圖1 可以看出，我國鋼鐵企業利用新型超超臨界參數煤氣鍋爐發電機組回收鋼鐵生產過程中的副產煤氣余熱時，在歐盟碳邊境調節機制下，鋼材出口成本為770.3 元∕t，相較目前行業總體水平下鋼材出口成本可降低94.2 元∕t，相對降幅可達10.9%。因此，新型超超臨界參數煤氣鍋爐發電技術可有效提高我國鋼鐵企業應對國際貿易壁壘的能力。

4 結論

作為鋼鐵生產過程中富余煤氣余能回收利用的有效途徑，鋼鐵企業煤氣鍋爐發電技術正朝著高參數、高效率方向發展。鋼鐵企業煤氣鍋爐發電技術的發展，尤其是新型高效超超臨界參數煤氣鍋爐發電技術的出現，極大地提高了鋼鐵企業富余煤氣利用效率，進而增加了企業自發電量，減少外購電量，間接提升了鋼鐵企業碳減排能力，有助于鋼鐵企業實現“雙碳”目標并增強其應對歐盟碳邊境調節機制下國際鋼鐵貿易壁壘的能力。