煉鐵工序減污降碳協同增效技術評估方法研究

銀洲，況悅，劉丹丹，趙亞洲，張昕，李艷萍

中國環境科學研究院

我國正處于深入打好污染防治攻堅戰、建設美麗中國的關鍵時期，同時也處于2030 年前實現碳達峰目標的關鍵階段。面對污染防治和“雙碳”目標的新局勢，相關研究[1]指出，到2030 年之后，由于末端治理措施的減排空間越來越小，即使工業領域采用最嚴格的末端治理手段，空氣中細顆粒物（PM2.5）濃度仍超出世界衛生組織推薦安全限值的2～4 倍，而細顆粒物的存在會降低太陽能等清潔能源的發電效率，因此只有通過減污與降碳協同才有可能達到碳中和目標。與此同時，隨著生態環境保護要求的提升，重點行業末端治理設施的增加導致耗能增加，從而造成更多的碳排放[2]。因此，亟須從源頭和生產過程實現“污”和“碳”的協同控制。溫室氣體（如CO2、CH4、N2O等）與常規大氣污染物（如NOx、SO2、顆粒物等）大多是由礦物燃料燃燒排放造成，其排放源一致，因此可以優化控制溫室氣體與常規大氣污染物減排的組合措施，以最小化的成本協同實現應對氣候變化與生態環境保護的目標[3]。

工業領域污染物和碳排放占比高，協同減排對實現可持續發展起重要推進作用。污染物和溫室氣體排放協同控制的主要路徑為能源結構[4]和產業結構[5]的調整及技術的創新[6]，而技術的進步是核心驅動力[7]。歐美發達國家由于其產業的工藝技術體系清晰、企業數據詳實，自2000 年以來基本形成了以定量為主的較為成熟的低碳或污染物最佳防控評估方法或導則[8-9]。我國雖起步較晚，但為了加快低碳技術和污染防治技術的推廣應用，國家發展和改革委員會組織編制了《國家重點推廣的低碳技術目錄》[10]、《國家重點節能技術推廣目錄》[11]、《綠色技術推廣目錄》[12]，生態環境部制定火電、鋼鐵、水泥等幾十項重點行業污染防治最佳可行性技術（best available technologies,BAT)指南[13]及發布《國家先進污染防治技術目錄》[14]等。各類推廣技術目錄分別針對低污染物排放和低能耗進行技術推廣，而基于生產全過程的溫室氣體和污染物協同控制技術推廣庫報道較少。

在污染物和溫室氣體協同減排上，有相關報道就不同領域減污降碳協同效益評估方法進行詳細闡述。減污降碳協同效益評估的方法主要分為宏觀的減排政策和微觀的減排規劃、技術方法的評估。針對較為宏觀的減排政策，如區域經濟政策，采取“自上而下”模型或“混合模型方法”模擬評估。如Rypdal 等[15]采用CGE-RAINS-FRES 模型評估歐盟6 種氣候變化政策情景下北歐大氣環境協同效益。王涵等[16]構建減污-降碳-經濟綜合評價指標體系，通過對指標間二元、三元耦合協調度計算分析各地區發展協調情況。楊儒浦等[17]運用層次分析法建立工業園區減污降碳協同發展指數。針對微觀的減排規劃、技術方法，往往采用“自下而上”模型結合排放系數對協同效益進行評估。如毛顯強等[18-19]基于污染排放（減排）當量指標，開發二維或多維歐氏空間坐標系來評估減污降碳措施和技術的協同性及其協同程度。唐偉等[20]采用彈性系數對杭州市機動車開展協同控制評估。Ma 等[21]選取22 項節能減排措施，評估和比較了各項措施的減排成本和協同效益?；诤暧^的評估方法適用于分析區域政策對經濟活動水平和環境的影響，對微觀技術領域的評估具有較大的不確定性。針對微觀技術領域的減污降碳協同效益評估，現有研究主要對技術的經濟效益進行分析，且以污染排放（減排）當量指標使用污染物排放權價格或應稅污染當量為權重對污染排放總量進行簡單加和，但污染排放總量指標難以反映真實的環境影響和環境效益。為減少未來的環境污染風險，比較現有技術和新技術的環境表現，在新技術大規模應用之前全面、定量分析潛在的環境影響尤為必要。因此，構建環境-經濟系統評估體系對技術的推廣起重要作用，對技術的環境-經濟全方位評估是合理選擇協同控制措施，實現重點行業污染物和碳排放協同減排的基礎。

基于此，筆者探索建立減污降碳技術的系統客觀量化評估體系，通過對技術的協同度、經濟效益和環境效益進行全面分析，以鋼鐵行業碳排放占比最高的高爐煉鐵工序先進技術為例，旨在從應用層面檢驗評估方法的可行性，為鋼鐵行業以及其他重點行業減污降碳協同控制技術的推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

鋼鐵行業煉鐵工序先進適用技術的節能、節電等指標數據來自《鋼鐵行業節能減排先進適用技術目錄》[22]、《國家重點節能低碳技術推廣目錄》[23-24]和相關文獻[25-39]。由于煉鐵工藝在鋼鐵行業中碳排放占比高，本研究從國家發展和改革委員會、工業和信息化部提出的技術目錄和國際能源署發布的2020年鋼鐵行業技術路線圖[26]推薦的技術中選擇了煉鐵工藝的11 項生產過程綠色節能技術（其中，T1～T2為源頭防治技術，T3～T11 為過程控制技術），從末端治理技術中選擇了3 項有代表性的減排技術（T12～T14）做分析，如表1 所示。

表1 鋼鐵行業煉鐵工序減排技術-經濟參數Table 1 Technological and economic parameters for emission reduction technologies in ironmaking process

溫室氣體和污染物種類選取上，由于鋼鐵生產企業生產過程排放CO2占溫室氣體的99%以上，且我國提出的碳達峰碳中和目標，在2030 年前實現碳達峰，主要指實現CO2的達峰，因此在溫室氣體的選取方面，主要考慮CO2的排放。大氣污染物主要選取種類為顆粒物、SO2、NOx和揮發性有機物（VOCs）。水污染和固廢的種類選擇上，由于在焦化聯合鋼鐵廠中，廢水根據用水水質要求串級利用，焦化、高爐、轉爐和軋鋼等工序可做到生產廢水零排放，固體廢物如高爐渣、鋼渣等外運作為水泥原料，高爐瓦斯灰通常送燒結綜合利用，因此本研究不考慮水污染物、固體廢物與碳的協同排放。

1.2 研究方法

1.2.1 技術減污降碳協同控制評價方法

為衡量技術減污降碳協同控制效果，采用Tapio 脫鉤模型[39-40]評估減污降碳協同效應系數，計算公式如下：

式中：S為協同效應系數；ΔELAP為使用技術后污染物排放的減排量，t；ELAP為未使用技術前污染物排放量，t；ΔEGHG為使用技術后碳減排量，t；EGHG為未使用技術前碳排放量，t。

依據協同效應系數的取值范圍，可將協同狀態特征劃分為8 類（表2）。再將減污降碳協同效應系數繪制在二維或多維歐氏空間坐標系中。某技術減排措施在坐標系中所處的空間位置，可以直觀地反映其減排效果及其“協同”狀況。

表2 減污降碳協同效應系數對應的協同狀態Table 2 Synergistic state corresponding to synergistic effect coefficient of pollution abatement and carbon reduction

為量化技術污染物排放量，源頭和過程控制技術采用系數法得出技術邊界范圍內的污染物排放量，計算公式如下：

式中：Q燃料為該技術減少燃料排放污染物的量，t；Q過程為技術邊界內生產過程中由于原料的減少而減少的污染物排放量，t；V燃料為使用技術后使用燃料的減少量，kg；α為燃料的污染物排放系數，g/kg；η為技術邊界內末端治理設施減少的污染物比例。根據第二次全國污染源普查產排污核算系數手冊，選取燃燒單位煙煤SO2產污系數為0.235 1 g/kg，NOx產污系數為0.549 0g/kg，顆粒物產污系數為7.923 3 g/kg 折算成減少的SO2、NOx、顆粒物排放量；焦化行業VOCs產污系數為0.918 9 g/kg，折算成減少VOCs 的排放量。以1 t 鋼鐵為基準，未經過末端治理措施或節能技術鋼鐵全流程產生的大氣污染物SO2、NOx和顆粒物的排放量分別為 7.66、9.92 和 7.45 kg/t[41]；選取鋼鐵長流程煉鋼的噸鋼碳排放量2.10 t 為基準值[42]。

末端控制技術的污染物排放減少比例ΔELAP/ELAP直接引用技術使用后SO2、NOx、顆粒物、VOCs 的減少比例。

為了量化技術的碳排放量，采用排放因子核算法得出技術邊界范圍內減少的碳排放量，公式如下：

式中：ΔETGHG為技術使用后生產每噸產品減少的碳排放量，kg/t；E燃料為技術使用后生產每噸產品節約燃料排放CO2的量，kg/t；E過程為技術邊界內生產過程中由于含碳原料的減少（包括減少鐵、焦炭等原料和脫硫劑的使用）而減少的CO2排放量，kg/t；E節約電為技術使用后因節約電而減少的CO2排放量，kg/t；E輸出熱為技術使用后因輸出熱減少的CO2排放量，kg/t；E固碳為技術使用后因碳捕集而減少的CO2排放量，kg/t；AD燃料、AD原料、AD節約電、AD輸出熱分別為技術使用后單位產品消耗化石燃料、消耗含碳原料、消耗電量和輸出熱量減少量，單位分別為kg/t、kg/t、MW·h/t、GJ/t；EF燃料、EF原料、EF節約電、EF輸出熱分別為化石燃料、含碳原料、電網和熱量排放因子，單位分別為kg/kg、kg/kg、kg/(MW·h)、kg/GJ。

1.2.2 技術減污降碳協同經濟效益評估方法

通過協同經濟效益綜合指數評估技術的協同效益，計算公式如下：

式中：AP 為技術邊界范圍生產單位產品的減污降碳協同經濟效益，元/t；n為污染物種類（包括SO2、NOx、顆粒物、VOCs 等）；為技術使用后單位產品污染物的減排量，kg/t；為技術使用后單位產品CO2的減排量，kg/t；分別為SO2、NOx、顆粒物和VOCs 的污染物排放交易權基準價格，元/kg；為CO2碳市場的價格，元/kg。

技術減排效益減排成本和單位CO2減排效益減排成本計算公式如式（6）～（9）所示：

式中：M為技術j的減排成本，元/t；Cj為技術j的單位CO2減排的成本，元/t；ACCj為年均化的技術j的投資成本，元/t；Ij為技術j的投資成本，元；d為折現率，取8%；Lj為技術j的壽命，a；ΔOMj為技術j的運行維護成本，元/t，當n=1,2,3 時，為節能收益，元/t；Pf和Pe分別為煤炭、電力的價格，單位分別為元/kg 和元/（MW·h）；FSj為技術j生產單位產品產生燃料節約量，kg/t；ESj為技術j生產單位產品產生電力節約量，MW·h/t。

1.2.3 技術環境效益評估方法

為了衡量技術使用后污碳排放量的變化對于環境所造成的影響，基于生命周期理念評價中影響評價（LCIA）的結構，實現從技術污碳排放清單到環境影響評價值的計算過程。計算公式[43]如下：

式中：I為環境影響潛值；ai為污染物（資源、能源）i的減排量，kg/t；pi為污染物（資源、能源）i對應的損害因子，人體健康損害因子、生態系統損害因子和資源影響因子單位分別為d/kg（傷殘調整壽命單位）、species/kg 和MJ/kg；bn為終點傷害類別n對應的人均基準值，人體健康損害、生態系統損害和資源影響人均基準值單位分別為DAILY、species 和MJ；wn為終點傷害類別對應的權重。

損害因子的確定參考目前應用較廣泛的Ecoindicator[44]、ReCiPe[45]評價方法，并以第二次全國污染源普查中國家重點關注的污染物為研究對象，得出各類環境影響的損害因子，結果如表3 所示。

表3 污染物、CO2 和能源對各環境影響類別的損害因子Table 3 Damage factors of pollutants,greenhouse gases,and energy on various environmental impact categories

由于大氣中As、Cd、Cr 和Ni 主要來源為煤和石油燃燒，因此通過技術使用后減少煤炭的使用量、煤中重金屬的含量、釋放比例和去除率來核算As、Cd、Cr 和Ni 的減排量。人體健康、生態環境和資源的權重采用層次分析法問卷調研的形式，得出其權重分別為60%、25%、15%[44]。

2 結果與分析

2.1 技術污染物和碳排放協同度分析

通過協同控制二維坐標系將技術使用后污染物和碳減排的協同程度展示于圖1 和表4。由圖1 和表4 可見，源頭防治和過程控制技術在減少污染物（SO2、NOx、顆粒物）和碳排放上具有協同性，其中綠氫冶煉技術（T11）由于全流程不使用焦炭作為還原劑，且冶煉過程采用綠色電力作為能源，污碳減排協同度最高。熔劑性球團制備技術（T2）通過焙燒溫度與球團礦質量調控、燃燒溫度與硫硝生成控制，使得燃料比和焦比降低[29]，從而實現污染物（SO2、NOx和VOCs）與CO2的協同控制。從SO2產生機理來看，高爐煙氣中SO2主要由燃料中有機硫在風口前燃燒生成以及溫度大于1 350 ℃的高溫區域硫酸鹽CaSO4及BaSO4分解產生[51]，熔劑性球團制備技術通過原料中有機硫氧化成硫酸鹽，在低溫區域減少了SO2的生成。從NOx產生機理來看，熔劑性球團制備技術降低爐內溫度，從而降低了NOx的生成，同時因節約能耗又減少了碳排放。相較之下，節能技術（T1,T3～T10）減污降碳協同度較弱，對碳的減排效果遠大于SO2、NOx和顆粒物。在節能技術中，高爐富氧技術（T8）、高爐鼓風除濕技術（T2）和高爐煤氣回收技術（T5）的SO2、NOx和顆粒物減排量較大。由于高爐富氧技術和高爐鼓風除濕技術提高了爐內有效利用熱，高爐煤氣回收技術循環利用熱，節能技術在減少碳排放的同時也減少了因燃料燃燒所產生的污染物排放。綠氫冶煉技術、熔劑性球團制備技術不僅過程減排且節約能源，減污降碳協同度大于僅節約能源的節能技術。而末端治理技術（T12～T14）在污染物和碳排放減排上，不具有協同性，說明實現減污降碳協同控制的目標應注重從末端治理向源頭治理和過程控制轉變。

圖1 煉鐵工序技術污染物和CO2 協同減排二維坐標系Fig.1 Two-dimensional coordinate system for evaluation of the synergistic reduction technologies of pollutants and carbon emissions in the ironmaking process

在VOCs 減排上，由于焦爐制焦環節的無組織排放和工作過程排放的VOCs 是鋼鐵行業主要的排放源[52]，各項技術對VOCs 減排量與高爐生產過程中減少的焦比成正比。綠氫冶煉技術（T11）、熔劑性球團制備技術（T2）、TRT（T3）、高爐噴吹焦爐煤氣技術（T5）、高爐煤氣回收技術(T6)、高爐熱風爐雙預熱(T7)由于有效的減少焦比，因此VOCs 和CO2減排上具有較好的協同性。其中，綠氫冶煉技術由于全流程不使用焦炭作為還原劑，因此較現有的長流程冶煉技術減少VOCs 的排放量最大。高爐噴吹焦爐煤氣技術和高爐煤氣回收技術通過循環利用煤氣里的還原碳，有效地減少還原劑焦炭的消耗，從而同時減少了VOCs 和碳的排放[53]。

2.2 技術減污降碳協同效益分析

煉鐵工序各項技術的污染物和碳減排協同收益如圖2 所示。在當前我國碳市場碳交易價格為56 元/t 條件下，綠氫冶煉技術（T11）由于污染物和CO2減排量大，協同收益最大，達300 元/t（以鋼產量計，下同）。此外，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術（T13）和CCS（T14）技術也具有較高的收益。由于污染物和碳減排量較少，污碳減排協同收益較小的技術為TRT 技術（T3）、高爐噴煤技術（T4）和CCPP 技術（T10）。當碳市場碳交易價格漲到歐盟碳市場碳交易最高值（100 歐元/t，按750 元/t 計）時，綠氫冶煉技術（T11）和CCS（T14）的污碳減排效益實現大幅度的增加，說明在未來鋼鐵行業步入碳市場進行配額交易后，隨著碳交易價格的上漲，綠氫冶煉技術（T11）和CCS（T14）具有更大的應用潛力。

圖2 技術的減污降碳協同收益Fig.2 Synergistic benefits of the technologies for pollution abatement and carbon reduction

從圖3 可以看出，將技術成本扣除協同收益后，減排成本最高的3 項技術分別是綠氫冶煉技術（T11）、CCS（T14）和高爐富氧技術（T9）。碳交易價格上漲時，技術的減排成本呈下降趨勢，當碳交易價格達到750 元/t 時，CCS 的成本可減到40 元/t。減排成本由低到高排序為：CCPP 技術（T10）＜ 高爐煤氣回收（T6）＜ TRT 技術（T3）＜ 高爐噴吹焦爐煤氣（T5）＜ 石灰石-石膏濕法煙氣（T13）＜ 高爐噴煤技術（T4）。在單位CO2減排成本上，綠氫冶煉技術（T11）和CCS（T14）由于減少CO2的排放量大，單位CO2減排成本較低。污染物末端治理技術如高爐煤氣干式除塵（T12）和石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術（T13）由于去除污染物導致碳排放增加，單位CO2減排成本高。由于技術的減污降碳協同經濟收益對減排技術的成本和經濟可行性影響大，因此未來碳價和污染物排放權價格的提升能有效推動先進減污降碳協同控制技術的市場應用。

圖3 技術的減污降碳協同減排成本Fig.3 Costs of the technologies for carbon and pollution emission reduction

2.3 技術的環境影響分析

從人體健康、生態系統和資源消耗減少量來核算技術對環境影響減少總量，結果如表5 所示。對人體健康影響減少量較大的技術為石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術（T13）、高爐富氧（T9）和綠氫冶煉技術（T11），因為這些技術不僅能有效減少碳排放從而減少氣候變化的影響，還有效減少大氣污染物的排放從而降低致癌作用、減少細顆粒物和光化學臭氧的形成。生態系統影響減少量指標主要取決于煤炭消耗導致重金屬排放而造成的生態毒性影響、酸性污染氣體排放引起的酸化效應和形成光化學臭氧的VOCs、氮氧化物的排放量。由于綠氫冶煉技術（T11）能最大程度地協同減少煤炭和焦炭原料的消耗從而有效減少了生態毒性影響、酸化效益、有機污染物和氮氧化物的生成，因此對生態系統影響減少量最大。資源消耗的影響主要取決于煤炭等化石燃料的開采對自然資源造成的不可逆消耗。源頭和過程節能減排技術能有效地減少能耗，因此能有效減少資源消耗的影響，而末端治理技術和綠氫冶煉技術由于能耗大，反而增加了資源消耗的影響。當人體健康、生態系統和資源消耗減少量權重分別設定為60%、25%、15%時[54]，除CCS技術，其余技術均能有效降低總環境影響。其中，綠氫冶煉技術（T11）最能有效降低總環境影響。CCS 技術由于能耗大，現有的能耗結構假定以煤發電為主，核算出CCS 技術的實施總體增加對環境的影響。

表5 技術的環境影響核算結果Table 5 Environmental impact of the technologies

2.4 敏感性分析

由于貼現率對技術的協同減排成本影響較大，環境影響中各分解要素的影響因子和傷害類別權重對最終總環境影響較大，本文分別針對貼現率、影響因子和權重因子進行分析。

由表6 所示，隨著貼現率的提高，技術的投資成本也逐漸上升，經濟可行性變差。當貼現率由5%升至15%時，成本有效的技術由11 個降至10 個。環境影響分析中采用的是國外的Eco-indicator 和ReCPe 2016 方法，基于發達國家17%的死亡原因歸咎于環境因素[55]，而中國則高達25%[54]，因此技術對中國人體健康、生態系統和資源消耗減少量的影響因子存在一定的不確定性。此外，人體健康、生態系統和資源消耗減少量的權重采用的是問卷調研法，存在人群代表性和主觀控制的不確定性。

表6 不同貼現率下技術污碳減排成本Table 6 Cost of the technologies synergetic reduction of pollution and carbon reduction under different discount rates

2.5 討論

煉鐵工序源頭和過程控制技術能協同減排常規大氣污染物（SO2、NOx和顆粒物）和CO2，以節能為主的技術對CO2的減排程度遠大于污染物。這與相關研究[19]得出的結論一致，現有的末端控制技術對污染物和CO2減排不具有協同性。因此，技術的減污降碳協同度評估應主要針對源頭和控制技術，而末端技術應采用單位污染物減排導致的CO2排放量和環境影響程度評估來判斷其污染物和碳排放水平。從技術的成本-污碳減排效益來看，綠氫冶煉技術雖污染物和碳協同減排表現優異、環境影響小，但由于現有碳交易價格低而收益低，限制了其在市場上的應用和推廣，隨著未來碳交易價格的增高，其成本能有效降低。在目前以煤炭發電和碳交易價格低的條件下，CCS 技術對環境存在不利影響且成本較高，隨著未來綠色能源使用的增加以及碳交易價格的上漲，CCS 技術成本能大幅度降低。針對現有鋼鐵行業減污降碳協同控制的難點，未來鋼鐵行業減污降碳協同控制方向應著力于源頭優化調控、過程協同減量和末端治理前移。

鑒于數據資料的限制，本文從技術的協同度、成本收益和環境影響幾個方面進行評估，還存在一些待完善的地方，主要體現在：1）僅針對單個技術進行系統分析，還需要對不同技術的組合從生產源頭-過程-末端進行技術集成分析；2）污染物和碳排放量根據排放因子核算得出，而實際生產中受原料成分比例、設施運行狀態影響而變化，還需要補充調研實地數據進行完善補充；3）環境影響因子與行業、地區、時段等因素相關，在未來的研究中，應根據地域和時段對影響因子進行細化。

3 結論

（1）技術進步是推動減污降碳協同控制的重要途經。選取了煉鐵工序14 項源頭防治、過程控制、末端治理技術，評估各項技術的協同減排、成本收益和環境影響。結果表明，綠氫冶煉技術和熔劑性球團制備技術污碳減排協同度較高，高爐噴吹焦爐煤氣技術、高爐煤氣回收技術和高爐熱風爐雙預熱技術能協同減少VOCs 和碳排放，節能減排技術對碳排放的減排程度遠大于污染物，而污染物末端控制技術不能協同控制碳排放。

（2）在當前我國碳交易價格條件下，節能技術和污染物末端治理技術減排成本低，綠氫冶煉和CCS技術減排成本最高。隨著碳交易價格的上漲，節能、綠氫冶煉和CCS 技術減排成本呈下降趨勢。

（3）在技術的環境影響上，綠氫冶煉技術、污染物末端治理技術最能有效減少環境影響，其他節能技術也能相應減少環境影響，而現有條件下CCS 技術的實施會增加環境的影響。

（4）綜合技術的污染物和碳排放協同度、經濟效益和環境效益評估結果，煉鐵工序中源頭防治和節能技術可作為我國現階段減污降碳協同增效技術進行推廣。污染物的末端治理技術雖不能協同控制污染物和碳排放，但能有效減少環境影響，降低末端控制的碳排放將成為未來污染物末端治理技術評估的重點。綠氫冶煉技術雖污碳減排協同效果明顯、環境影響小，但由于現有碳交易價格低而收益低，隨著未來碳交易價格的增高，其成本能有效降低。