賈亞雷，馬 凱，李 璐

(1.北華航天工業(yè)學院航空宇航學院，廊坊 065000；2.邯鄲市交通建設投資管理中心，邯鄲 056400)

0 引 言

鋼鐵行業(yè)作為能源消耗和碳排放大戶，占全國碳排放總量15%～18%。為減少溫室氣體排放、推動綠色低碳發(fā)展，實現(xiàn)碳達峰碳中和目標。需要對現(xiàn)有鋼鐵行業(yè)制定新型生產(chǎn)方案與路線，推動鋼鐵行業(yè)進行制度改革與科技創(chuàng)新。目前，鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)流程主要分為以高爐-轉(zhuǎn)爐為冶煉方法的長流程與以電爐為冶煉方法的短流程。中國主要以長流程為主，本文將重點以長流程為煉鋼方式的鋼鐵行業(yè)進行減排優(yōu)化分析。以鋼鐵行業(yè)長流程的各個主要工序為基礎進行改進，在滿足當代鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)需求基礎上，實現(xiàn)低碳減排任務。曲余玲等(2021)對現(xiàn)鋼鐵行業(yè)提出碳達峰碳中和路徑，對鋼鐵行業(yè)改革提出幾條參考意見[1]。張琦等(2021)根據(jù)中國鋼鐵行業(yè)產(chǎn)量數(shù)據(jù)、低碳科技減排數(shù)據(jù)對當今鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)提出修改意見[2]。目前，鋼鐵行業(yè)關于碳減排任務的主要問題為鋼鐵行業(yè)內(nèi)部主要工序的能源利用效率有待優(yōu)化。主要體現(xiàn)為：現(xiàn)有工序因能源利用率低而導致原料用量增加，生產(chǎn)過程的碳排放大；鋼鐵行業(yè)內(nèi)部資源循環(huán)利用體系未成形，工序內(nèi)部副產(chǎn)品未充分利用；鋼鐵行業(yè)內(nèi)低碳技術采用少，未采用現(xiàn)已成熟低碳生產(chǎn)工藝，使碳排放相比現(xiàn)工藝可得到優(yōu)化減排。

針對當前長流程生產(chǎn)工藝存在的碳排放高的問題，本文主要從以下三方面開展研究：分工藝流程構(gòu)建長流程碳排放數(shù)字化仿真模型，通過優(yōu)化原料配料比，提高能源利用效率，從而減少碳排放量；構(gòu)建鋼鐵行業(yè)內(nèi)資源循環(huán)利用體系，將鋼鐵行業(yè)長流程內(nèi)部資源以物質(zhì)流的方式進行傳輸，增加其內(nèi)部之間聯(lián)系，提高工序產(chǎn)品的利用價值，從而減少鋼鐵行業(yè)碳排放量；結(jié)合鋼鐵行業(yè)成本約束限制，鋼鐵行業(yè)其工序條件限制，將新型低碳科技采用到現(xiàn)鋼鐵行業(yè)當中，通過對鋼鐵行業(yè)進行工藝改進而降低鋼鐵行業(yè)碳排放量。

1 鋼鐵行業(yè)碳排放計算方法與分析

1.1 鋼鐵行業(yè)碳排放邊界分析

在鋼鐵行業(yè)長流程生產(chǎn)模式下，可將工藝流程分為六大工序，通過物質(zhì)流與能量流等將各個工序聯(lián)系形成鋼鐵行業(yè)碳減排模型[3]。將碳排放問題細化到單個工序流程上，在工序流程上對碳減排問題進行分析。確定工序CO2排放邊界，進而方便鋼鐵行業(yè)工序變量的選取。

根據(jù)圖1所示，確定工序邊界，確定工序模型變量主要種類，其工序左側(cè)表示工序的碳輸入主要類型，右側(cè)表示碳流出主要類型。確定工序模型碳素流主要影響因子，從而根據(jù)各個工序模型碳素流主要影響因子成分不同確定各個工序模型的變量。

圖1 工序模型邊界確定

1.2 常用CO2計算公式確定

根據(jù)現(xiàn)有國內(nèi)CO2排放計算公式[4]及國外鋼鐵企業(yè)CO2計算公式[3]，結(jié)合構(gòu)建出本文CO2排放公式。根據(jù)上文確定碳排放計算邊界，碳輸入物質(zhì)的碳排放量減去碳輸出物質(zhì)的碳排放量所得差值即為工序輸出的碳排放量，簡單表示為投入工序的物料產(chǎn)生的CO2排放量由該物料的使用量乘以該物料的碳排放因子，即：

CO2(Kj)=σj×Kj

(1)

式中，CO2(Ij)表示由Ij釋放所產(chǎn)生的碳排放量；σj為Ij的碳排放因子，Kj表示為某種原料。

鋼鐵行業(yè)單個工序的生產(chǎn)出噸位產(chǎn)品的CO2排放量將由該工序碳輸入物料產(chǎn)生的CO2排放量累計和減去該工序碳輸出物料產(chǎn)生的CO2抵扣量累計和得知，根據(jù)此方法求得CO2排放量計算公式為：

(2)

式中，PECi代表i工序所產(chǎn)生的CO2排放量，tCO2；σj為碳排放因子，tCO2；而Ij表示為該工序的碳輸入的物質(zhì)，t；Ok表示為該工序的碳輸出的物質(zhì)，t。

得到各個工序的CO2排放量計算公式后，鋼鐵行業(yè)的總體CO2排放量計算公式是由各個工序的CO2排放量乘以工序?qū)摫绒D(zhuǎn)化系數(shù)累計和得出，表達式為：

(3)

式中，AECO2表示鋼鐵行業(yè)系統(tǒng)的CO2排放量，δi表示為PECi工序碳排放鋼比轉(zhuǎn)化系數(shù)。

1.3 碳排放因子的確定

在本文中，CO2排放的計算公式中碳排放因子起到了關鍵作用。因此首先需要確定碳排放因子。根據(jù)工序含碳種類不同，可以將碳排放因子分為三種，直接碳排放因子、間接碳排放因子與抵扣碳排放因子。

直接碳排放因子多為是由含碳原料、輔助溶劑等物質(zhì)。例如，焦化過程中的精洗煤的碳排放因子便是直接碳排放因子。直接碳排放因子選取標準可以定位為：

σj=gj×(1+hj)×cj×hvj×oj

(4)

式中，gj為原料購入量；hj為原料因運輸而造成的損失率；cj是基于熱值的排放因子；hvj是熱值；oj為氧化率；j為第j種原料；σj為第j種原料直接碳排放因子。

間接碳排放因子是動力消耗等物質(zhì)，例如在高爐冶煉過程中消耗的煤氣、外部電力等物質(zhì)使得高爐燃燒更加充分。間接碳排放因子選取標準可以定位為：

σh=rh×(1+th)×uh

(5)

式中，rh為σh生產(chǎn)時動力時消耗原料燃燒產(chǎn)生碳排放量；th為動力在運輸過程中的損失率；uh為動力終端所消耗利用效率。

抵扣碳排放因子是由工序生產(chǎn)的含碳資源，如產(chǎn)品、副產(chǎn)品等物料決定，并非形成CO2形式進行碳排放，而以固定碳形式進入產(chǎn)品、副產(chǎn)品等流出鋼鐵行業(yè)系統(tǒng)。

σk=pk×sk

(6)

式中，pk為原料所含碳元素比例；sk為碳元素轉(zhuǎn)為CO2的分子質(zhì)量轉(zhuǎn)化系數(shù)。

碳排放因子計算過程隨物質(zhì)的不同，其所標準選擇也會隨之不同，本文對碳排放因子進行相應細化，從而得到三種碳排放因子及其計算公式。

根據(jù)碳排放因子種類不同，將工序的CO2排放計算公式進行細化，將原料、溶劑等物質(zhì)的碳排放因子歸為直接碳排放因子；將動力消耗碳排放等物質(zhì)的碳排放因子歸為間接碳排放因子；將產(chǎn)品、副產(chǎn)品等物質(zhì)的碳排放因子歸為抵扣碳排放因子。完成對碳排放因子細化之后，得到新的工序CO2排放公式，表示如下：

(7)

在得到工序相應的CO2排放計算公式之后，根據(jù)碳排放因子進而選取相應的變量，由變量對應相關數(shù)據(jù)計算出相應的碳排放因子。在擁有變量和碳排放因子的情況下，對產(chǎn)品進行相應的質(zhì)量約束、工藝約束、成本約束等限制條件，從而得到相應工序的碳排放量。

確定工序碳排放因子種類后，便需要確定與碳排放因子相關的物質(zhì)。而根據(jù)鋼鐵行業(yè)的碳素流，可以根據(jù)碳元素在各個物質(zhì)的流向從而確定其是屬于碳輸入物質(zhì)還是碳輸出物質(zhì)。并且可以根據(jù)物質(zhì)的類型進而判斷物質(zhì)的碳排放因子應所屬的種類。通過判斷鋼鐵行業(yè)相應物質(zhì)流向，根據(jù)物質(zhì)的特性從而確定其碳排放因子，確定鋼鐵行業(yè)其內(nèi)部工序關系。

2 鋼鐵行業(yè)碳減排規(guī)劃模型

因長流程工藝流程長且物料平衡關系相對復雜，本文將整體工藝流程細分為六個主要工藝流程進行分析[6]，再將工序模型結(jié)果代入長流程減排模型，從而得到鋼鐵行業(yè)長流程減排優(yōu)化結(jié)果。

鋼鐵行業(yè)總體優(yōu)化模型利用各個工序的規(guī)劃模型，根據(jù)其工序在鋼鐵行業(yè)中鋼鐵轉(zhuǎn)化比例作為系數(shù)，列出總體目標函數(shù)：

(8)

式中，ECO2為系統(tǒng)模型碳排放量；PECi為工序模型碳排放量；δi為鋼鐵碳排放轉(zhuǎn)化系數(shù)。利用各個工序規(guī)劃模型建立鋼鐵行業(yè)總體模型，以基本工序為基礎，對長流程工藝進行優(yōu)化。

總體鋼鐵行業(yè)系統(tǒng)模型約束條件根據(jù)各個工序工藝生產(chǎn)要求、工序產(chǎn)品質(zhì)量條件約束、工學物料平衡要求等等各種約束，例如，燒結(jié)工序當中對燒結(jié)礦的生產(chǎn)工藝要求、高爐工序當中鐵水生產(chǎn)質(zhì)量要求、焦化工序當中焦炭含量各元素含量比例要求、利用工序生產(chǎn)產(chǎn)品間的循環(huán)利用來減少碳排放量與成本等等。在滿足工序模型工藝要求、成本要求、產(chǎn)品用量約束等等后，在各個工序的基礎上適當使用符合生產(chǎn)實情的新型低碳科技，使鋼鐵行業(yè)在配料優(yōu)化后的基礎上，增加新興科技的使用，使得鋼鐵行業(yè)減排任務更進一步。

3 鋼鐵行業(yè)碳減排優(yōu)化結(jié)果及分析

根據(jù)上述構(gòu)建的長流程低碳規(guī)劃模型，以國內(nèi)某鋼鐵廠長流程生產(chǎn)工藝為例。對各工序和整體的工藝生產(chǎn)流程進行優(yōu)化求解，并將求解結(jié)果與實際結(jié)果進行對比，從而驗證模型的優(yōu)化效果。

根據(jù)各工序碳排放量的規(guī)劃模型，計算出長流程各個工序的碳排放量，具體見表1。

表1 長流程及各工序碳排放

對鋼鐵行業(yè)各個工序碳排放量進行分析，構(gòu)建各個工序?qū)Ρ葓D，如圖2所示。

圖2 鋼鐵行業(yè)主要工序碳排放量對比圖

圖2中的數(shù)據(jù)表示，觀測得到鋼鐵行業(yè)長流程工藝中高爐工藝的碳排放量占主要部分，鋼鐵行業(yè)應將碳減排主要任務放在高爐煉鐵工序減排上。對各個工序來講，焦化工序碳減排任務主要在煤炭種類選取上；轉(zhuǎn)爐工序減排方法主要在于廢鋼使用上，增大廢鋼使用量從而減少轉(zhuǎn)爐碳排放量。

4 結(jié)束語

將鋼鐵行業(yè)利用規(guī)劃問題進行建模再利用鋼鐵行業(yè)低碳技術，求得各個工序碳排放規(guī)劃模型，從鋼鐵行業(yè)最小碳排放模型中，可以得知。鋼鐵行業(yè)減少CO2排放量的方面主要在三方面，通過規(guī)劃問題減少原料消耗量、增加物料重復利用，如鋼鐵行業(yè)系統(tǒng)中煤氣回收利用、使用新型低碳科技，利用低碳技術減少碳排放問題；通過三方面減少碳排放量，得到最小碳排放模型。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對鋼鐵行業(yè)提出以下幾點建議：

(1)減少對鋼鐵行業(yè)對燃料資源使用，使用余熱回收技術，將高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦爐煤氣充分循環(huán)使用，在各個工序中充分使用，剩余部分可運往發(fā)電站利用煤氣發(fā)電，減少行業(yè)成本消耗。

(2)增加廢鋼使用量，將廢鋼利用到轉(zhuǎn)爐煉鋼當中，減少相應鐵礦石的能源消耗，重復利用廢料，類似短流程生產(chǎn)模型，增加廢鋼使用比重，將會有效減少鋼鐵行業(yè)能源消耗與碳排放量。

(3)優(yōu)化鋼鐵行業(yè)工業(yè)結(jié)構(gòu)，改變鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，從鋼鐵行業(yè)各個工序配料優(yōu)化、新興低碳科技使用上對鋼鐵行業(yè)長流程生產(chǎn)模式結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化，為鋼鐵行業(yè)細化到到各個工序上提供優(yōu)化方案，向鋼鐵企業(yè)提供參考。