高炉CO₂排放量的计算方法探讨

邹忠平¹，郭宪臻²，王刚¹，项钟庸¹，王瑞玲²

(1. 中冶赛迪工程技术股份有限公司 炼铁事业部，重庆，401122；

2. 安阳钢铁集团公司，河南 安阳，455004)

摘 要：

协CO₂排放计算方法，提出高炉CO₂排放计算应采用实测的CO₂排放因子，并分为工序CO₂排放和吨铁CO₂排放2种算法，前者为高炉工序直接的排放，而后者包括焦化、烧结等上游工序的间接排放。这2种算法可用于不同的用途，以满足钢铁厂和行业的不同需要。按照该计算方法，国内某2000级高炉的工序CO₂排放量为1 185.9 kg/t铁，吨铁CO₂排放量为1 666.9 kg。

关键词：

高炉；碳排放；排放因子；

中图分类号：F426.3            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)S1-0257-05

Discussion of calculation method of BF’s CO₂ emission

ZOU Zhong-ping¹, GUO Xian-zhen², WANG Gang¹, XIANG Zhong-yong¹, WANG Rui-ling²

 (1. Iron Making Department, CISDI Engineering Co. Ltd., Chongqing 401122, China;

2. Anyang Iron and Steel Group Co., Ltd., Anyang 455004, China)

Abstract: By comparing the international calculation method of CO₂ emission, it is proposed that measured values of emission factors should be taken and the calculate methods should be divided in two ways which are process CO₂ emission and CO₂ emission per ton iron. The former is the direct emission of the BF process, while the latter includes the indirect emission of the upstream processes like coking and sintering. The two calculation methods can be applied in different purposes, to meet the different needs of steel companies and industries. According to the methods, the process CO₂ emission of a domestic 2000 BF is 1 185.9 kg/t iron, while the CO₂ emission per ton iron is 1 666.9 kg.

Key words: blast furnace; CO₂ emission; emission factor
 

我国钢铁工业能耗约占全国能源消费总量的15%，而高炉工序能耗约占钢铁全流程能耗的60%。高炉既是钢铁行业的能耗大户，也是排放大户，但是，国内目前并没有统一的碳排放计算标准，而国际上通用的算法在我国的适用性也存在一定的偏差。本文作者尝试就如何计算这一世界上最大的耗能单体的CO₂排放量进行相关计算、分析和讨论。

1  WSA的CO₂排放计算方法

1996年国际钢铁协会(World steel association)进行了从“摇篮到大门”的全生命周期(LCI)研究，其研究包括从原燃料开采、运输、钢厂内的产品生产过程，并考虑了副产品在钢厂外部回收再利用的抵扣，但不包括下游产品的制造、使用和废钢回收等。它是以各个分工序为单位，配以全厂物料衡算予以验证。此后，国际钢铁协会又推出了简化后的CO₂排放计算版本，它是在整个企业层次上来考虑输入输出的，即：CO₂排放总量=直接排放+间接排放-碳排放权抵扣。其中，直接排放是指排放源由报告实体所有或控制的在生产过程中排放的CO₂，即企业自身化石燃料和熔剂等消耗所产生的CO₂排放。间接排放是指报告实体活动所使用的，但是排放是发生在其它实体所控制的排放源上，如电力，其排放是由电力生产部门所产生的，在钢铁企业使用外购电时计算其CO₂排放即为间接排放。碳排放权抵扣是指副产品的外售(如焦油、粗苯)或冶金渣用作水泥等引起的CO₂排放权抵扣量^[1-6]。

WSA对钢铁行业部分物料和能源的直接排放因子和间接排放因子进行了统计规定，如表1和表2所   列^[7]。

表1  WSA直接排放因子^[7]

Table 1  Direct emission factors of WSA^[7]

WSA的计算边界往往为整个钢铁企业，包括企业全部的工序以及运输、外购等环节。WSA的计算边界如图1所示。

对于计算国内高炉的CO₂排放，利用WSA的计算方法主要存在2点不足：一是其计算体系更适合计算钢铁厂全流程的排放，而在计算单一工序时存在高炉煤气等二次能源分界不清等问题；二是其排放因子是国际的平均水平，并不能反映国内各钢厂的真实值。因此，需要研究适合于我国高炉的CO₂排放计算方法。

表2  WSA间接排放因子^[7]

Table 2  Upstream emission factors of WSA^[7]

2  适用于我国高炉的CO₂排放计算 方法

2.1  制定工序CO₂排放和吨铁CO₂排放两种算法

目前，采用碳平衡的原理对CO₂排放计算的方法得到了公认，但对于要不要计算间接排放的问题存在争论，事实上应根据计算目的的不同而采取不同的计算方法。第一种为计算高炉的工序CO₂排放(直接排放)，其目的是计算高炉工序范围内所引起的排放，方便各炼铁厂掌握高炉本工序的排放数据以及进行不同高炉之间的对标，该计算不包括上游工序的间接排放；第二种为计算高炉的CO₂完全排放，也可叫做吨铁CO₂排放，该计算包括焦化、烧结、球团、发电等上游工序的间接排放，可以方便国家和行业对高炉、非高炉等不同的炼铁工艺进行碳排放评价，为节能减排、淘汰落后提供依据。

图1  WSA计算钢铁厂CO₂排放量的边界

Fig.1  CO₂ emissions calculation boundary of WSA 

2.2  采用排放因子的实测值

WSA虽然制定了一套排放因子，但是存在两个问题：一是排放因子不全，如没有鼓风、压缩空气、煤气灰等排放因子；二是这套因子是国际的平均值，由于中国和国外的能源结构、能源品质不同、发电方式存在较大差异等原因，部分排放因子并不适用于我国。因此，为使计算更加准确，应采用排放因子的实测值。具体方法如下。

2.2.1 第Ⅰ类排放因子

对于具有实际碳含量的物料和能源，通过测定碳含量来得到其CO₂排放因子。其CO₂排放因子=碳含量%×44/12。对于高炉而言，这类物料和能源一般包括焦炭、煤粉、BFG、COG、煤气灰、铁水6项。

需要说明的是BFG的排放因子。在高炉工序，BFG是作为排放权抵扣计算的。而高炉煤气中仅含有22%~25%的CO可以作为二次能源继续使用，应当抵扣一部分CO₂排放。由于1 mol的CO燃烧生成CO₂的热值为283.4 kJ，而1 mol的C燃烧生成CO₂的热值为393.8 kJ，所以CO作为碳排放抵扣只相当于C的283.4/393.8。因此，BFG作为碳排放权抵扣的排放因子为φ(CO)×44/22.4×283.4/393.8。

2.2.2 第Ⅱ类排放因子

有些物料和能源，并不能直接测定其碳含量，但由于其主要消耗电力，因此应以其消耗的电力来作为计算依据。这类物料和能源一般为动力介质，包括电力、蒸汽、氧气、氮气、压缩空气、水、鼓风7项。

以上为实测值的直接排放因子，对应计算高炉的工序CO₂排放。若要计算吨铁CO₂排放，则还需要间接排放因子。煤粉、铁水、BFG、COG和煤气灰没有上游工序的间接排放，因此，间接排放因子仅包含烧结矿、球团矿、焦炭和7项动力介质。7项动力介质都以电力作为计算标准，所以，计算吨铁CO₂排放时，应当考虑电厂的间接排放。

根据排放因子实测值的计算方法，国内某2000级高炉的排放因子如表3所示。

2.3  高炉CO₂排放计算模型的建立

对于计算高炉的工序CO₂排放，应利用碳平衡的原理，排放的碳应为输入的碳总量减去产品和副产品中的碳排放权抵扣，即：工序CO₂排放=输入端的CO₂折合量-输出端的碳排放权抵扣，如图2所示。

表3  国内某2000级高炉各物料和能源的排放因子实测值

Table 3  Measured emission factors of materials and energy of a domestic BF

需要注意的是，在计算高炉煤气的排放权抵扣时只应计算并入管网的BFG，热风炉和喷煤是包含在高炉工序内的，大约各消耗40%和1%的BFG，应加以扣除。

图2  高炉的工序CO₂排放计算模型

Fig.2  Process CO₂ emissions calculation model of BF

而对于计算吨铁CO₂排放，则须在输入端加上焦炭、烧结矿、球团矿和动力介质的间接排放。

3  国内某2000级高炉计算实例

3.1  输入端计算

(1) 焦炭和煤粉。焦比(含小块焦)380.17 kg，煤比153.19 kg，则焦炭的CO₂折合量为380.17×3.117=   1 184.87 (kg)，煤粉的CO₂折合量为153.19×2.933= 449.37 (kg)。

(2) 焦炉煤气。吨铁消耗焦炉煤气11.57 Nm³，焦炉煤气的CO₂折合量为11.57×0.776=8.98 (kg)。

(3) 电力。吨铁电耗23.04 kW·h，而1 kW·h的电力折合CO₂排放量0.330 6 kg，则电力的CO₂折合量为23.04×0.330 6=7.62 (kg)。

(4) 动力消耗。包括电力、蒸汽、氮气、氧气、压缩空气、鼓风、水共7项，总共折合电力消耗为183.33 kW·h/t铁。动力介质的CO₂折合量=183.33× 0.361=66.18 (kg)。

(5)输入端的CO₂折合总量为1 184.87+449.37+ 8.98+66.18=1 709.4 (kg)。

3.2  输出端的碳排放权抵扣计算

(1)铁水。1t铁水的碳排放抵扣为1 000×0.147= 147 (kg)。

(2) 煤气灰。吨铁灰量为15 kg，煤气灰的碳排放抵扣为15×1.100=16.5 (kg)。

(3) TRT电力回收。TRT是高炉余热余能回收的重要设备，其回收的电力应当抵扣一部分CO₂排放。吨铁电力回收量为34.55 kW·h，TRT电力回收的碳排放抵扣为：34.55×0.361=12.47 (kg)。

(4) 并入管网的高炉煤气。该高炉吨铁产生高炉煤气1 690 Nm³，热风炉使用671.75 Nm³，喷煤使用13.74 Nm³，并入管网的高炉煤气量为1 690-671.75- 13.74=1 004.51 (Nm³)，其碳排放抵扣为1 004.51× 0.346=347.90 (kg)。

(5)输出端的碳排放抵扣总量为146.67+16.50+ 12.47+347.90=523.5 (kg)。

3.3  结算结果

3.3.1  工序CO₂排放

高炉的工序CO₂排放量=输入端的CO₂折合量-输出端的碳排放权抵扣=1 709.4-523.5=1 185.9 (kg)，计算结果如表4所列。

表4  高炉工序CO₂排放量计算结果

Table 4  Calculation result of process CO₂ emission of BF

3.3.2  吨铁CO₂排放

该高炉吨铁消耗烧结矿1 180 kg、球团矿340 kg、焦炭(含小块焦)380 kg、动力介质折合电力消耗总共183.33 kW·h，乘以相应的间接排放因子，间接排放量分别为182，31，117和151 kg，合计481 kg。则该高炉的吨铁CO₂排放为1 185.9+481=1 666.9 (kg)。

3.4  计算结果分析

通过表4可以看出：在输入端，近96%的CO₂是由焦炭和煤粉带入的，这和高炉工序的能源消耗比例基本是一致的；在输出端，铁水、煤气灰和TRT回收合计所抵扣的CO₂排放为10%左右，约有20% CO₂进入到煤气总管网中，而约70% CO₂排放到了大气中。

有研究表明，CO₂的排放95%是由能源消耗引起的，另有约5%是由原料、熔剂等物流因素引起的排放^[8-10]，这说明CO₂的排放与能源消耗成正相关的关系。该企业高炉工序能耗约380 kgce/t，吨钢综合能耗约650 kgce/t，高炉占到了58.5%。按该企业的吨钢综合能耗水平，吨钢CO₂排放约为2.0 t，高炉的排放占59.1%，与其能耗占比是一致的。铁前工序总能耗占钢厂全流程总能耗的85%左右，该高炉吨铁CO₂排放占吨钢排放的83.3%，与能耗占比也基本是一致的。

4  炼铁碳排放评价体系

通过高炉的工序CO₂排放和吨铁CO₂排放2套计算方法，可以对炼铁的碳排放水平进行评价，评价体系包含以下2种情况：

(1) 大多数高炉的工艺装备相差不大，则只需对其工序的CO₂排放高低进行比较。一般而言，大高炉比小高炉排放低，热风炉风温高热效率高的高炉排放低，原燃料条件好的高炉排放低，余热余能回收水平高的高炉排放低。

(2) 对于非高炉和化铁炉等其它的炼铁工艺，则可用吨铁CO₂排放指标与高炉进行比较。尽管化铁炉和非高炉的直接排放比较小，但考虑到上游工序的间接排放，其吨铁CO₂排放未必比高炉的低。炼铁行业可利用本研究提出的计算方法评价不同炼铁工艺的碳排放水平，从而为节能减排、淘汰落后生产工艺提供依据。

5  结论

(1) 基于我国实际情况，应将高炉的碳排放分为工序的CO₂排放(直接排放)和吨铁CO₂排放(完全排放)2种类型，以适用于不同的目的。工序CO₂排放可用于掌握高炉自身的碳排放水平以及不同高炉的对标；而吨铁CO₂排放可用于不同炼铁工艺的碳排放评价，为节能减排、淘汰落后提供依据。

(2) 为了使计算更为准确，CO₂排放因子应采用各个钢厂的实测值，并分为直接排放因子和间接排放因子。

(3) 按照本研究提出的计算方法，国内某2000级高炉的工序CO₂排放量为1 185.9 kg，吨铁CO₂排放量为1 666.9 kg。

参考文献：

[1] 上官方钦, 张春霞, 郦秀萍, 等. 关于钢铁行业CO₂排放计算方法的探讨[J]. 钢铁研究学报, 2010(11): 1-5.
SHANGGUAN Fang-qin, ZHANG Chun-xia, LI Xiu-ping, et al. Discussion on the CO₂ emission calculation methods in iron and steel industry [J]. Journal of Iron and Steel Research, 2010(11): 1-5.

[2] 张春霞, 上官方钦, 胡长庆, 等. 钢铁流程结构及对CO₂排放的影响[J]. 钢铁, 2010(5): 1-6.
ZHANG Chun-xia, SHANGGUAN Fang-qin, HU Chang-qing, et al. Steel process structure and its impact on CO₂ emission [J]. Iron and Steel, 2010(5): 1-6.

[3] 沙高原, 刘颖昊, 殷瑞钰, 等. 钢铁工业节能与CO₂排放的现状及对策分析[J]. 冶金能源, 2008(1): 3-5
SHA Gao-yuan, LIU Yin-hao, YIN Rui-yu, et al. The current status and the countermeasures of energy saving and CO₂ reduction in steel industry [J]. Energy for Metallurgical Industry, 2008(1): 3-5.

[4] World Steel Association. 2008 sustainability report of the world steel industry [R]. Brussels: Word Steel Association, 2008.

[5] Sakamoto Y, Tonooka Y. Estimation of CO₂ emission for each process in the Japanese steel industry: A process analysis [J]. International Journal of Energy Research, 2000, 24(7): 625-632.

[6] IISI. LCA forum working group, International iron and steel institute iron and steel institute climate Change emission caculation tool. 2004.

[7] World steel association. World steel CO₂ emissions, User Guide, Version 3.

[8] 上官方钦, 张春霞, 胡长庆, 等. 中国钢铁工业/企业的CO₂排放估算[J]. 中国冶金, 2010(5): 37-42.
SHANGGUAN Fang-qin, ZHANG Chun-xia, HU Chang-qing, et al. Estimation of CO₂ emission in Chinese steel industry [J]. China Metallurgy, 2010(5): 37-42.

[9] 蔡九菊, 王建军, 张琦, 等. 钢铁企业物质流、能量流及其对CO₂排放的影响[J]. 环境科学研究, 2008(1): 196-200.
CAI Jiu-ju, WANG Jian-jun, ZHANG Qi, et al. Material flows and energy flows in iron & steel factory and their influence on CO₂ emissions [J]. Research of Environmental Sciences, 2008(1): 196-200.

[10] 张 敬, 张 芸, 张树深, 等. 钢铁行业二氧化碳排放影响因素分析[J]. 现代化工, 2009(1): 82-87.
ZHANG Jing, ZHANG Yun, ZHANG Shu-shen, et al. Analysis of factors influencing the carbon dioxide emission in iron and steel industry [J]. Modern Chemical Industry, 2009(1): 82-87.

(编辑 何学锋)

收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15

通信作者：王刚(1983-)，男，四川资阳人，硕士，工程师，从事高炉节能设计研究；电话：023-63547891；E-mail: gang.b.wang@cisdi.com.cn

摘要：通过对比国际钢协CO₂排放计算方法，提出高炉CO₂排放计算应采用实测的CO₂排放因子，并分为工序CO₂排放和吨铁CO₂排放2种算法，前者为高炉工序直接的排放，而后者包括焦化、烧结等上游工序的间接排放。这2种算法可用于不同的用途，以满足钢铁厂和行业的不同需要。按照该计算方法，国内某2000级高炉的工序CO₂排放量为1 185.9 kg/t铁，吨铁CO₂排放量为1 666.9 kg。