中国钢铁极致能效降碳实践与基础研究
姜维1，张永杰1，李海峰2
（1.中国钢铁工业协会， 北京 100710； 2.东北大学冶金学院，辽宁 沈阳 110819）
能效提升不仅是钢铁产业转型升级的内在要求，也是其实现绿色低碳高质量发展的关键驱动力。中国钢铁工业协会推进的极致能效工程，通过成熟技术快速推广应用、共性难题技术协同研发以及系列政策、法规、标准等的制定，是实现极致能效牵引钢铁极致效率的一项行业性工程。“能效达标三年行动”是落实钢铁极致能效工程的重要举措。梳理总结该举措的实践进展及实施绩效，提出数据系统是实现能效对标扶优汰劣、产能治理的基础，并以数据治理为研究目标，基于质能平衡原理，提出了能耗数据质量诊断新方法和典型工序的3层多阶理论能耗数据评价机制。最后，以烧结、高炉为例，从采集数据的边界划分、不同阶段理论能耗的计算方法确定、过程关键元素守恒的数据质量诊断、折标系数的合理选取等多个角度对数据质量和评价机制进行了梳理与讨论。利用建立的3层多阶能耗计算模型，在热量与标准煤等效折标的前提下，获得了烧结工序的理论、技术与实际极限能耗，并对影响烧结工序能耗的关键参数进行了敏感性排序，由大到小依次是漏风率、配水量、碱度、返矿率、热损失、生石灰、FeO含量、MgO含量。与此同时，还获得了高炉工序的理论与实际极限能耗，为钢铁行业的节能降碳提供了一定的理论数据支撑。
钢铁； 极致能效工程； 能效标杆行动； 3层多阶模型； 数据治理
自工业化时代以来，人类活动导致的温室气体排放使全球气温上升超过1 ℃，引发极端天气并威胁人类安全。气候变化需全球合作应对，《巴黎协定》旨在限制气温升幅。多国设定碳中和目标，中国承诺2060年前实现。钢铁行业作为能源密集型产业，其低碳转型对实现碳中和至关重要。发达国家通过立法和财税优惠促进钢铁工业低碳技术发展，如美国的《低碳经济法案》和《美国清洁能源安全法案》，英国的《气候变化法》，日本的《绿色经济与社会变革》政策草案等。这些国家还提供财税优惠以鼓励企业研究和开发低碳技术，如美国的税收抵免和日本的节能设备投资特别折旧或补助。欧盟、日本和韩国通过项目如超低二氧化碳炼钢（ULCOS）、环境和谐型炼铁工艺（COURSE 50）和环保型炼铁工艺FINEX等，推动钢铁生产中的碳排放减少。中国钢铁工业自20世纪90年代以来迅猛发展，现已稳居全球钢铁生产和消费总量首位。2020年中国粗钢产量达到历史峰值10.65亿t，占全球粗钢总产量的56.6%。经过产能调整后，2021—2023年粗钢产量处于约10亿t的平台期。2023年，全球钢铁超过70%的产能依赖于长流程工艺，而在中国，这一比例更是高达约90%。相对于短流程而言，长流程工艺不仅能耗高，而且依赖煤炭等传统化石能源，这使得以长流程为主的中国钢铁行业的吨钢能耗长期处于高位。此外，中国钢铁企业的技术水平参差不齐，一些先进的钢铁企业已经采用了高效能的技术和设备，而部分中小企业则仍然使用较落后的生产工艺。面对中国提出的双碳战略，钢铁行业从碳达峰到碳中和仅有30年的时间，钢铁工业面临着碳排放强度降低及总量控制的双重压力。在国家双碳战略推动下，钢铁产业正经历重要转型，需平衡生产、能源、发展等多方面因素，制定科学的碳达峰计划。国家发展改革委等部门出台了一系列政策，包括《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》、《工业能效提升行动计划》等，旨在引导钢铁等重点领域产业升级、加强技术攻关、促进集聚发展。这些政策和行动计划不仅为钢铁行业指明了发展方向，也为行业的可持续发展提供了坚实的政策支持和行动指南。中国钢铁工业协会发布相关规划和技术路线图，明确了实现双碳目标的阶段性目标和技术路径，并测算了不同技术路径在不同阶段对减碳目标的贡献率，为行业低碳转型提供指引。相关统计数据表明，自2011年以来，中国重点统计钢铁企业吨钢综合能耗（以标准煤计）由2011年的600 kg降至2022年的551.4 kg，降幅为8.1%，近3年（2021—2023）变化幅度趋小，甚至出现了不降反升的现象，表明能耗下降空间进入了瓶颈期。各企业的节能工作已也进入固化平台模式，单纯依靠企业自身能力实现能效的快速提升已经变得越来越困难。但是，纵观钢铁整个行业，由于生产条件和能源结构的差异，不同企业间的工序能耗最高值与先进值仍存在较大差距，全行业节能空间依然存在，中钢协启动极致能效工程。本文系统梳理了钢铁极致能效工程实践中的重要举措，剖析了影响钢铁极致能效工程高质量全面推广的关键问题。在此基础上，有针对性地开展3层多阶能耗对标理论与数据质量诊断方法研究，提出了能耗数据质量诊断新方法和典型工序的3层多阶理论能耗数据评价机制。最后，以烧结、高炉工序为例，运用研究成果对数据质量和评价机制进行梳理与讨论，以期为中国钢铁极致能效降碳研究提供支撑。
钢铁行业是国民经济的基础性、支柱型产业，是关乎工业稳定增长、经济平稳运行的重要领域。目前，钢铁行业降碳节能正面临机遇和挑战，超低排放改造、低碳技术研发、能效提升是钢铁行业绿色低碳发展的3条重要途径。经过深入分析和研究，主要得出以下3点结论：1）双碳目标是世界人类共同的愿景，各国都制定了严苛的控碳政策，逐步开展了降碳技术的探索。总体来看，能效提升是贯穿整个过程的最符合中国乃至世界的最直接、最有效、最经济的方法。对中国钢铁行业来讲，极致能效工程是完整、准确、全面贯彻新发展理念、实现高质量发展的内在要求，是降低工业领域碳排放、实现碳达峰碳中和目标的重要途径，也是培育形成绿色低碳发展新动能、促进工业经济增长的有力举措。2）依托T/CISA 293团体标准，开发了钢铁重点工序能效对标数据填报系统，依据目前58家企业填报的数据进行初步测算，2023年相关高炉能耗同比下降0.47%，转炉能耗同比下降7.97%，降低能耗总量相当于150万t标准煤，若推广到全行业，每年可以降低350万t标准煤。3）极致能效工程实施过程中仍存在能耗评价理论不深、数据质量诊断方法欠缺、评估分析机制不完备等诸多问题，需深入研究并逐步清除。本文利用目前已建立的3层多阶能耗对标理论进行了特定的情景分析，在热量等效换算折标系数的前提下，获得了烧结工序的理论、技术和实际的吨矿极限能耗（以标准煤计）分别为17.163、25.753和35.074 kg，能耗影响参数的敏感性由大到小依次是漏风率、配水量、碱度、返矿率、热损失、生石灰、FeO含量、MgO含量；高炉工序的理论和实际吨铁极限能耗（以标准煤计）分别为334
kg和362.52~369.56 kg，与此同时，还提出了一种数据质量诊断的新方法，以期在极致能效工程实施过程发挥其应有的作用，形成数据的多维度全方位的分析和研判，并为各企业输出个性化的能效提升方案或降碳技术策略。来源：《钢铁》2024年第9期 《钢铁》创刊70周年“钢铁工业碳中和”特刊
