唐 磊，黃欣婷，曾祥耀，曾 芳

（中國(guó)能建湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410007）

前言

我國(guó)是世界最大的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)，根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2022 年粗鋼產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的53.9%。目前中國(guó)鋼鐵行業(yè)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(guó)二氧化碳排放總量的15%，是僅次于電力行業(yè)的第二大碳排放行業(yè)。2023 年4 月18 日和4 月25 日，歐洲議會(huì)和歐盟理事會(huì)分別批準(zhǔn)通過了新的歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制（CBAM），形成了基于碳排放的國(guó)際貿(mào)易壁壘。鋼鐵行業(yè)已成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略以及有效應(yīng)對(duì)國(guó)際貿(mào)易壁壘的橋頭堡和攻堅(jiān)區(qū)。

鋼鐵生產(chǎn)過程涉及的工序、原料、能源眾多，導(dǎo)致碳排放形式和結(jié)構(gòu)繁雜多樣，為行業(yè)推進(jìn)低碳化發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。鋼鐵工業(yè)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(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程鋼鐵生產(chǎn)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(chǎn)煤氣占比達(dá)到約74.6%［1］。相關(guān)研究表明，對(duì)于年產(chǎn)1 000 萬t 鋼鐵的企業(yè)，除去鋼鐵生產(chǎn)過程各工序自用外，日歷小時(shí)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(jìn)行鋼-電耦合發(fā)電，將極大地推動(dòng)鋼鐵企業(yè)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

盡管目前已有大量學(xué)者針對(duì)鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰從技術(shù)、政策、核算方法、路線圖、鋼鐵國(guó)際貿(mào)易壁壘等不同角度進(jìn)行研究［3-11］，但作為推動(dòng)鋼鐵行業(yè)“雙碳”目標(biāo)重要手段的鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及其影響研究還未見諸文獻(xiàn)。因此，基于跨行業(yè)協(xié)同（耦合）的思路，論述了“雙碳”目標(biāo)下鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)發(fā)展及其特點(diǎn)，并詳細(xì)分析了新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)對(duì)我國(guó)鋼鐵企業(yè)碳排放的影響以及在應(yīng)對(duì)國(guó)際鋼鐵貿(mào)易壁壘中的作用，為推進(jìn)鋼鐵行業(yè)節(jié)能降碳提供參考。

1 鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)發(fā)展及其特點(diǎn)

鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)受副產(chǎn)煤氣熱值、富余煤氣量以及企業(yè)電力調(diào)度靈活性的影響，在2013 年以前一直是采用中溫中壓參數(shù)或高溫高壓參數(shù)，單機(jī)容量一般在50 MW 及以下，機(jī)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(fā)電機(jī)組投產(chǎn)開始，具有大容量、高參數(shù)、高效率、低排放等特點(diǎn)的高溫超高壓參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組、亞臨界超高溫參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組以及新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組陸續(xù)在鋼鐵企業(yè)推廣應(yīng)用，煤氣發(fā)電技術(shù)熱效率得到進(jìn)一步提升，助力鋼鐵企業(yè)富余煤氣余能高效利用，并向節(jié)能低碳方向發(fā)展。不同時(shí)期、不同類型主流鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)參數(shù)見表1（煤氣熱值按3 300 kJ∕m3）。

表1 不同時(shí)期、不同類型鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)參數(shù)

由表1 可以看出，隨著鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，富余煤氣的利用效率越來越高。這意味著鋼鐵企業(yè)在保持鋼鐵生產(chǎn)工序條件不變的前提下，對(duì)富余煤氣的回收利用可產(chǎn)生更多的電能，減少外購電量，進(jìn)而減少鋼鐵企業(yè)間接碳排放。

2 新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)對(duì)鋼鐵企業(yè)碳排放的影響

2.1 鋼鐵企業(yè)碳排放核算及其組成

根據(jù)《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求 第5 部分：鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)》（GB∕T 32151.5—2015）要求，鋼鐵行業(yè)溫室氣體排放量E計(jì)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(fèi)對(duì)應(yīng)的排放量，tCO2；

E購入熱—購入的熱力消費(fèi)對(duì)應(yīng)的排放量，tCO2；

R固碳—企業(yè)固碳產(chǎn)品隱含的排放量，tCO2；

E輸出電—輸出的電力對(duì)應(yīng)的排放量，tCO2；

E輸出熱—輸出的熱力對(duì)應(yīng)的排放量，tCO2。

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

2.2 新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)的降碳效果分析

基于同一生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)工序，鋼鐵企業(yè)采用新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)可以更高效地回收利用富余煤氣，為企業(yè)提供更多的自發(fā)電量。以年產(chǎn)1 000 萬t 鋼鐵的企業(yè)為例，設(shè)定條件如下：

（1）以高溫超高壓參數(shù)機(jī)組發(fā)電量為基準(zhǔn)；

（2）單機(jī)容量均按135 MW 考慮，廠用電率按6.5%考慮；

（3）鋼鐵企業(yè)年連續(xù)額定生產(chǎn)小時(shí)數(shù)為8 000 h；

（4）由于鋼鐵企業(yè)一般會(huì)設(shè)置煤氣柜進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此僅考慮煤氣鍋爐額定負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行工況；

（5）根據(jù)《關(guān)于做好2022 年企業(yè)溫室氣體排放報(bào)告管理相關(guān)重點(diǎn)工作的通知》（環(huán)辦氣候函［2022］111號(hào)），電網(wǎng)排放因子為0.581 tCO2∕MWh。

基于以上設(shè)定，不同類型的煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生的電量及碳減排量見表2。

表2 不同類型煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生的電量及碳減排量對(duì)比

從表2可以看出，年產(chǎn)1 000 萬t鋼鐵的企業(yè)，采用新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)較采用高溫超高壓參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)年減碳量可增加25.61 萬tCO2，年相對(duì)減碳量增幅也達(dá)到了15.71%?？梢?，新型超超臨界煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組是進(jìn)一步推動(dòng)鋼鐵行業(yè)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的有效途徑。

3 歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制下新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)對(duì)我國(guó)鋼鐵行業(yè)的影響

根據(jù)歐盟最新發(fā)布的碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制文本，鋼鐵進(jìn)口商從2024 年12 月31 日開始申請(qǐng)CBAM 報(bào)關(guān)員，2026年1月1日必須購買“CBAM證書”以獲得鋼鐵產(chǎn)品的進(jìn)口權(quán)。該證書的價(jià)格將與拍賣平臺(tái)上歐盟排放交易體系（ETS）配額的平均收盤價(jià)（或最后一周的歐盟排放交易體系配額收盤價(jià)的平均值）一致。同時(shí)，進(jìn)口商需要每年上報(bào)其所有進(jìn)口產(chǎn)品的嵌入式排放量，并提交相應(yīng)數(shù)量的CBAM證書。

碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制第7條提出鋼鐵嵌入式排放量只需計(jì)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(guó)鋼鐵行業(yè)總體上CO2排放強(qiáng)度約為2 tCO2∕t 鋼［12］；中國(guó) 鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)2022 年中鋼協(xié)會(huì)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(chǎn)生的鋼鐵嵌入式排放量，實(shí)際為1.73 tCO2∕t 鋼。同時(shí)從歐盟碳價(jià)80 歐元∕tCO2（折合人民幣555 元∕tCO2）［11］里扣除2022 年我國(guó)碳市場(chǎng)碳配額交易加權(quán)平均價(jià)55.3 元∕tCO2進(jìn)行測(cè)算，每噸鋼鐵出口成本將增加864.5 元。而采用煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)回收的鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)煤氣余能不屬于鋼鐵生產(chǎn)外部輸入電力，需計(jì)入到鋼鐵嵌入式碳排放量中。結(jié)合表2，不同參數(shù)的煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)對(duì)我國(guó)鋼鐵出口成本影響見圖1。

圖1 煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)對(duì)我國(guó)鋼鐵出口成本影響

由圖1 可以看出，我國(guó)鋼鐵企業(yè)利用新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組回收鋼鐵生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)煤氣余熱時(shí)，在歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制下，鋼材出口成本為770.3 元∕t，相較目前行業(yè)總體水平下鋼材出口成本可降低94.2 元∕t，相對(duì)降幅可達(dá)10.9%。因此，新型超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)可有效提高我國(guó)鋼鐵企業(yè)應(yīng)對(duì)國(guó)際貿(mào)易壁壘的能力。

4 結(jié)論

作為鋼鐵生產(chǎn)過程中富余煤氣余能回收利用的有效途徑，鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)正朝著高參數(shù)、高效率方向發(fā)展。鋼鐵企業(yè)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，尤其是新型高效超超臨界參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了鋼鐵企業(yè)富余煤氣利用效率，進(jìn)而增加了企業(yè)自發(fā)電量，減少外購電量，間接提升了鋼鐵企業(yè)碳減排能力，有助于鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)并增強(qiáng)其應(yīng)對(duì)歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制下國(guó)際鋼鐵貿(mào)易壁壘的能力。