长短流程能耗和碳排放对比分析
冶金工业信息标准研究院
低碳研究团队负责人
陈剑
目前，典型的钢铁生产流程分为两类：一类为焦化（焦炭）-烧结、球团-高炉-转炉-连铸-轧制工艺流程，即高炉-转炉长流程；另一类为电炉（以废钢为主要铁素原料）-连铸-轧制工艺流程，即废钢电炉短流程。
图1长流程和短流程冶炼工艺示意图
两大流程冶炼得到合格钢水后的连铸和轧制过程基本一致，短流程由于使用可循环利用的废钢作为主要原料，不包括炼焦、烧结、高炉炼铁等高耗能和高排放工序，普遍认为环保节能低碳效果较长流程显著。但电炉冶炼的原料并不一定全部使用废钢，也可能会添加大量的铁水、冷铁块或直接还原铁。因此，两大流程能源消耗和碳排放量还要取决于炼钢铁素资源结构。笔者就长流程和短流程进入炼钢炉的不同铁素资源结构变化，对长短流程的节能减碳效果进行探讨。
一、长流程和短流程吨钢能耗和碳排放估算
（一）估算边界
（1）本文估算仅计算两类冶炼流程生产出合格钢水的主要工序能源消耗和碳排放量，铁矿石、废钢、铁合金、熔剂等原辅料生产不计入能耗和碳排放。
（2）对于高炉-转炉长流程钢铁冶炼工艺，包括焦炉炼焦、烧结、球团、高炉炼铁和转炉炼钢等主要生产工序，不论是否有焦化工序，焦炭都要计入能源消耗和碳排放。
（3）对于电炉短流程钢铁冶炼工艺，如果采用全废钢冶炼，则只包括电炉冶炼工序，如果采用废钢+铁水（冷铁块、直接还原铁）冶炼，则包括生产铁水的所有主要工序和电炉冶炼工序，其中，冷铁块和直接还原铁按铁水计。
（二）估算方法
通过各主要工序的能源消耗量折算为吨钢能耗，合计估算生产1吨钢水的能源消耗量（按标准煤计），再用能耗值折算吨钢碳排放量。
根据中钢协2021年重点统计企业能耗水平，烧结工序能耗48.50kgce/t-烧结矿，球团工序能耗25.23kgce/t-球团矿，焦化工序能耗105.55kgce/t-焦炭，炼铁工序能耗387.94kgce/t-铁水，转炉冶炼工序能耗为-20.88kgce/t-钢水（不包括精炼），电炉冶炼能耗为42.22kgce/t-钢水（不包括精炼）。
（1）高炉-转炉长流程冶炼吨钢能耗和碳排放量估算
按当前高炉-转炉长流程冶炼平均水平估算，生产1吨钢水钢铁料消耗约为1060kg，其中废钢消耗量为140kg，废钢比为13%左右，其余为铁水和生铁，按920kg计算；生产1t铁水消耗1.6t的铁矿石，其中烧结矿占比75%，消耗量为1.2t，球团矿占比25%，消耗量为0.4t，焦炭消耗量为350kg。根据以上数据，长流程工艺生产1t钢水各主要工序能源消耗按标准煤计算如下：
铁前工序（包括焦化、烧结、球团、炼铁）：0.92×（1.2×48.50+0.4×25.23+0.35×105.55+387.94）=453.72kgce；
转炉冶炼工序：-20.88kgce；
高炉-转炉长流程工艺主要工序合计：453.72-20.88=432.84kgce。
按照当前钢铁行业折标煤能耗和碳排放的折算因子，1tce相当于3.5tCO2的排放计算，高炉-转炉长流程工艺生产1t钢水各主要工序排放CO2量为：432.84×3.5=1.515t。
（2）电炉短流程吨钢能耗和碳排放量估算
当前电炉短流程炼钢原料主要是废钢，并添加一部分铁水或冷铁块，根据废钢协会统计，电炉冶炼废钢单耗平均约为680kg/t，钢铁料消耗按1060kg/t计算，铁水或冷铁块单耗约为380kg/t，经测算废钢比约为65%左右。生产铁水或冷铁块的能耗按长流程计算。根据以上数据，65%废钢电炉短流程工艺生产1t钢水各主要工序能源消耗按标准煤计算如下：
铁前工序：0.38×（1.2×48.50+0.4×25.23+0.35×105.55+387.94）=187.41kgce；
电炉冶炼工序：42.22kgce；
65%废钢电炉短流程工艺合计：187.41+42.22=229.63kgce。
按照1tce相当于3.5tCO2的排放计算，65%废钢电炉短流程工艺生产1t钢水各主要工序排放CO2量为：229.63×3.5=0.804t。对于全废钢电炉短流程冶炼，吨钢能耗和碳排放量估算仅包括电炉冶炼工序的能耗和碳排放。
根据中钢协统计企业的2021年能耗水平及高炉-转炉（废钢比13%）长流程和65%废钢电炉短流程的冶炼水平，后者吨钢能耗和吨钢碳排放分别是前者的一半左右（53.05%）。
二、长流程和短流程在不同废钢单耗下的能耗和碳排放对比
按照上述长流程和短流程在不同废钢单耗下的能耗和碳排放估算边界和方法，根据《钢铁企业节能设计标准》（GB/T50632-2019）中各工序能源消耗水平计算高炉-转炉长流程和电弧炉短流程的能源消耗和碳排放情况对比见表2。
长流程转炉冶炼主要原料输入为铁水，按当前冶炼水平，废钢比在13%左右，随着废钢比的不断提升，理论计算的吨钢能耗和吨钢碳排放均不断降低，但转炉废钢不能无限制增加，宜控制在20%左右，最大应控制在30%以内。对于电弧炉冶炼来说，主要原料输入为废钢，废钢比调节范围较宽，铁水兑水量不宜超过85%，废钢比越高，吨钢能耗和吨钢碳排放均持续降低。根据表2的理论计算结果，短流程废钢比在50%左右时，长短流程的吨钢能耗和碳排放接近，因此，以短流程废钢比50%为分界点与长流程炼钢对比如下：
（1）当电弧炉短流程废钢比在50%以上时，生产1吨钢的能源消耗和碳排放明显比高炉-转炉长流程工艺低，废钢比在70%、85%和100%时，吨钢能源消耗和碳排放分别是高炉-转炉长流程（废钢比在20%左右）的1/2、1/3和1/5左右。
（2）当电弧炉短流程工艺的废钢比降低至50%及以下时，生产1吨钢的能源消耗和碳排放与转炉废钢比达到40%的长流程工艺接近，继续降低电炉废钢比，能耗和碳排放较长流程更高；当电弧炉短流程工艺的废钢比降低至40%时，生产1吨钢的能源消耗和碳排放与转炉废钢比达到30%的长流程工艺接近，再降低电炉废钢比，能耗和碳排放较长流程更高。
（3）电弧炉短流程废钢比达到30%及以下时，生产1吨钢的能源消耗和碳排放已非常接近甚至超过20%废钢比的长流程工艺，短流程废钢比越低，能源消耗和碳排放与长流程越接近，甚至更高。
三、结论和建议
（一）结论
（1）长流程提高废钢比有利于节能减碳。增加废钢比可相应减少铁水的加入量，从而减少铁前工序的能源消耗和碳排放量。转炉废钢比宜控制在20%左右，不宜超过30%，既能保证转炉煤气回收量，又能保证转炉的正常冶炼。
（2）短流程工艺并不一定节能低碳。冶炼废钢比在50%以上时，吨钢能耗和碳排放明显低于长流程，但废钢比降至50%以下时，吨钢能耗和碳排放与长流程接近甚至更高。
（二）建议
（1）统筹推进长短流程协同发展，实现流程低碳转型的平稳过渡。在我国粗钢产量占全球一半以上、废钢处于供不应求的现实条件下，高炉-转炉长流程工艺仍是效率最高、成本最低、较为节能低碳的冶炼方式，不能盲目取消高炉置换建设电炉短流程，需充分考虑高炉转炉服役期、废钢积蓄量和粗钢产量统筹规划推进，实现冶炼流程低碳转型的平稳过渡。
（2）鼓励推进全废钢电炉冶炼。全废钢冶炼的电炉短流程明显节能低碳，根据废钢资源和产品市场的区域分布，有条件的地区应全面推进全废钢电炉短流程冶炼工艺。另外，氢基直接还原、熔融还原获得的直接还原铁和铁水可以有效补充废钢短缺，但应充分考虑物流运输、二次加热等能源损失。
（3）进一步提高现有高炉-转炉长流程废钢比例。目前长流程仅通过采取提高废钢比的措施，仍有较大节能减碳空间，废钢比达到20%~30%左右，理论计算可较当前水平实现节能减碳8%~18%左右。
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