文章亮点：
1．为了分析影响CO2排放的因素，考虑排放因子、系统边界和指标之间的关系，提出了碳流模型和计算方法。然后，以中国两家钢铁企业为例进行了研究，并绘制了碳元素流程图。在物料流分析的基础上，分析了影响CO2排放的因素。
2．本文的主要目的是提出一种植物层面的ISMs碳流分析，包括计算方法、影响因素分析和ISMs减排措施。在碳流模型的基础上，强调了废料、电力、副产品气体和节能技术等几个特别重要的问题。
01
背景
温室气体引起的全球气候变化已经成为一个需要解决的关键问题。作为最具影响力的温室气体之一，二氧化碳促进了气候变化，碳减缓战略对可持续发展至关重要。中国是钢铁生产和消费最大的国家，钢铁产量占世界总量的50%左右。中国粗钢总产量从1996年的1.012亿吨增加到2014年的8.223亿吨。中国粗钢产量连续19年居世界首位。中国粗钢产量的快速增长导致了高能源消耗和二氧化碳排放。由于中国钢铁行业的环境挑战日益严峻，有必要关注二氧化碳的排放。钢铁工业消耗大量的化石燃料作为还原剂和燃料。该行业占中国工业总能耗的17%，产生了大量的二氧化碳排放，占国内二氧化碳排放总量的10%，是仅次于电力和建筑材料行业的第三大二氧化碳排放国。2015年，钢铁行业二氧化碳排放量为19.4亿吨，占中国二氧化碳排放总量的16.7% 。钢铁行业的二氧化碳排放主要是生产过程中化石燃料燃烧的结果。煤炭是中国占主导地位的一次能源，占能源消费总量的80%左右，是二氧化碳排放的主要来源。1980年至2013年，中国钢铁工业的二氧化碳排放量增长了约11倍，年均增长率为8% 从1995年到2009年，中国的二氧化碳排放强度(每吨粗钢的二氧化碳排放量)持续下降，而排放总量持续增加。因此，中国钢铁行业面临着越来越大的二氧化碳减排压力。
02
研究方法
如图1所示，本研究使用的系统边界分为三个层次，即系统边界A、B和c。系统边界A由主要工艺组成，包括焦化、烧结(或制球)、炼铁(BF)、炼钢(BOF)、铸造(或精炼)、热轧(HR)和冷轧(CR)。系统边界B增设能源单元、现场电厂(OPP)等单元。系统边界C增加了电网电力生产，上游生产与b相比，上游生产是中间产品的生产过程(如:采购烧结矿，球团和焦炭)。电网发电是国家电网的发电厂。与其他燃料(如煤)不同，钢铁企业可以生产中间产品和电力。因此，这部分企业外排放应由钢铁企业承担。如果没有，企业可以通过消耗更多的中间产品来减少排放。生命周期评估是一种通过考虑上下游排放来评估环境影响的方法。考虑到上游和下游的部分排放应该被计算在内。因此给出了以下三个计算原则:1)原则上只计算钢厂内部工序的排放。2)为公平起见，应考虑购电和购中间产品(如焦炭)的上游排放。3)为鼓励钢铁企业为其他行业创造减排条件，其他行业的废物回收应视为钢铁行业的抵扣。
根据该原则，应计算购电的上游排放，而不计算采矿排放。与LCA评价钢铁从开采到利用和回收的排放效应不同，LCA不计入钢铁企业的废料和钢铁产品下游排放。
图1：钢厂的系统边界
二氧化碳强度用于横向比较。A企业的CO2强度远小于B企业，分别为1678.61 kg/t-PPI和2051.13 kg/t-PPI。因此，企业A在减少二氧化碳排放方面优于b。排放强度高的工艺包括焦化、高炉、烧结和轧制。两种情况下的企业之间的差距主要来自于高炉和轧制工艺，这是由不同的生产结构造成的。B企业使用采购的焦炭和球团，给高炉工艺带来了上游的CO2排放。轧制过程碳排放量的差异主要来源于不同的工艺划分。比CO2排放比例如图9所示;超过60%的二氧化碳排放是在炼钢前的过程中产生的。从碳流图可以看出，进入炼钢过程的大部分碳是由炼焦煤携带的。而一小部分碳由动力煤或上游购买的电力排放。炼焦煤中的碳在炼钢前的过程中被消耗，并转化为在生产过程中循环的副产品气体。副产品气体和上游的电力排放是炼铁过程中主要的二氧化碳来源。电力的上游排放抵扣是指由OPP产生的部分排放应由消费者承担(例如:其他工艺(如烧结、焦化、炼铁、炼钢和轧制工艺)。
图2：B企业各工序二氧化碳排放比重
如图3所示，随着OPP生成速率的降低，比CO2排放量显著降低。当OPP发电率降低为零时，其效果包括:用电结构的变化使比CO2排放量减少462.33 kg/t-cs;PSA释放的二氧化碳是PSA的废气。如果没有经济有效的二氧化碳储存技术，分离出来的二氧化碳就会被释放到大气中。“PSA能耗”是指PSA所消耗的电能。BFG净化耗电量为52.80 kW h/t-cs，增加排放44.60 kg/tcs;焦炭比的变化是由于高炉中BFG的回收，减少了焦炭的消耗。与A企业不同，B企业以购电为主(占83.73%)。但是由于效率低，企业B的OPP仍然消耗了大部分BFG。计算表明，不生产OPP后，B企业的比CO2排放量减少了171.07 kg/t-cs(这是用电量结构变化、BFG净化用电量和BFG回收利用的综合效应)。对于中国的ISMs来说，使用购买的电力就是减少排放。对于中国产电率较高的ISMs，使用购买的电力成本更高。因此，提高OPP效率和废能回收率更具有现实意义。对于像B企业这样发电机组规模小、效率较低的ISMs，改用全购电绝对是最好的选择。
图3：企业特定CO2排放量与OPP生成率的关系A
03
研究总结
为了分析影响钢铁企业CO2排放的因素，本研究总结了现有的CO2排放计算方法，并在物质流和能量流分析的基础上对其进行了改进。本文改进的计算方法可应用于钢铁行业。
选取国内两家传统ISMs作为案例企业，对其碳流进行分析。企业A和企业B的CO2比排放量分别为2035.06 kg/t-cs和2497.21 kg/t-cs。超过60%的二氧化碳排放是在炼钢前的过程中产生的。高排放的工艺包括焦化、烧结和高炉炼铁。
钢铁企业可以从以下几个方面减少二氧化碳的排放:1)增加炼钢过程中采购废钢的用量，提高生产成品率，减少自产废钢的使用;2)消耗更多的购电或提高OPP的效率，提高废能产出率。3)用天然气或动力煤代替BFG生产OPP，剩余BFG净化后回高炉作为注气。
我们的研究试图从企业的角度找出二氧化碳排放的影响因素。因此，本研究提出的二氧化碳减排措施主要基于炼钢工艺，对于改善炼钢工艺具有实用性。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652617325209或直接点击“阅读原文”跳转到原文网站。
论文引用：
Zhang,Q.,Li,Y.,Xu,J.,Jia,G.Carbon element flow analysis and CO2 emission reduction in iron and steel works[J]Journal of Cleaner Production,2018, doi:org/10.1016/j.jclepro.2017.10.211
图文 王倩蓉
责编 毕春玉
制作 杨东青 许秦豫
审核 田文娟 黎梦平 马新媛
双碳研究室
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