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基于碳税机制的高球比冶炼炼铁系统碳排放及经济性评估

孟啸宇¹，张建良¹，韩基祥²，焦克新¹，陈子罗²，范筱玥¹

（1.北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京 100083；2.中钢设备有限公司，北京 100080）

摘要：随着钢铁行业碳定价机制的日益完善，高炉炼铁的经济性评价正从单一的“生产成本”考量向“生产成本＋碳税成本”转变。本文聚焦提高球团配比后高炉碳排放及碳税经济情况，构建涵盖炼铁系统的物质-能量流、碳排放与经济性分析模型，分析球团配比变化对炼铁系统能耗、碳排放及成本结构的影响。结果表明：当球团配比从20%增至80%时，吨铁CO₂排放量降低12.46%，在不同碳价情景下炼铁总成本随球团配比呈现差异化变化特征。随着碳价提高，高球团配比带来的减排效益可转化为经济优势，提出“碳税反转点”可作为高炉炉料结构优化的重要经济判据。

关键词：高炉炼铁；高配比球团；碳排放；碳税；经济分析

约束和持续攀升的碳定价压力。随着碳税、碳排放权交易等碳定价机制逐步建立并趋于强化，炼铁过程的经济性已不再仅由传统的原燃料价格和能耗水平决定，碳排放成本正成为影响工艺路线选择和生产制度优化的重要因素-2]。在此背景下，如何在满足高炉稳定运行与高效生产的前提下，实现碳排放的有效削减，并在经济层面具备可行性，已成为高炉炼铁技术发展的关键问题之

高炉炉料结构是影响炼铁过程能量利用效率燃料消耗水平及碳排放强度的核心因素。提高球团矿在炉料中的配比，被普遍认为是一种具有显著节能减排潜力的技术途径【3-4]。球团矿作为优质炉料，具有更高的铁品位和更稳定的化学组成，有利于降低渣量、改善炉内反应条件，从而减少燃料消耗，降低单位铁水的碳排放强度[5-61。然而在实际生产中，一方面受限于“双碳”政策推进初期，部分企业球团生产技术升级滞后，未能充分发挥其低碳优势;另一方面，企业长期面临球团生产原料对外依存度高、采购成本波动大，且球团生产过程中能源成本居高不下的双重压力，导致球团矿在高炉炉料中的占比普遍不高。

随着碳税政策的出台，高炉使用球团矿的减排优势逐渐得到重视，碳排放权交易市场的推进也促使炼铁成本进行重组。本文基于国内某钢铁企业3000m2高炉的实际生产数据，构建多场景分析模型，量化球团矿配比对能耗、碳排放的影响，结合碳税政策测算成本变化，为高炉工艺低碳转型提供参数优化方案与经济评估依据。

1 工艺描述与核算边界

炼铁系统是高炉-转炉长流程中CO2排放的重点环节，包含焦化、烧结、球团及高炉炼铁工序”。为系统评估球团配比变化对炼铁系统能耗、碳排放及经济性的影响，本研究以典型长流程炼铁体系为分析对象，构建覆盖焦化、烧结、球团及高炉炼铁工序的综合核算边界，自炼铁相关原燃料进人各工序起，至铁水产出及主要副产物形成止。焦化、烧结和球团工序作为高炉炉料和燃料的上游生产环节，其能源消耗和碳排放通过折

算方式分配至单位产品;高炉炼铁工序则作为核心研究对象，直接核算其物质流、能量流及碳素流的变化情况。

1.1 焦化工序

焦化是高炉炼铁过程中最主要的固体燃料来源，其能耗与碳排放主要来源于炼焦煤中碳元素的转化以及焦炉加热过程中的燃料燃烧。焦化过程产生的煤气还可以作为燃料输送至球团工序与烧结工序

1.2 烧结和球团工序

烧结和球团是高炉炉料准备阶段的两种主要工艺，其能源消耗结构和碳排放特征存在显著差异。烧结工序以固体燃料燃烧和高温氧化反应为主要特征，燃料消耗量较大，碳排放强度相对较高;而球团工序通常依赖气体或清洁燃料进行焙烧，单位碳排放水平较低[81。在本研究中，球团配比的变化通过调整球团矿与烧结矿在高炉炉料中的配比实现。烧结和球团工序的能耗及碳排放按照单位成品矿的统计数据进行核算，并根据其在炉料结构中的配比变化，折算至单位铁水的系统能耗与碳排放中。为保证分析的可比性，假定两种炉料的化学成分和粒度指标满足高炉稳定运行要求。

1.3 高炉工序

高炉炼铁工序是系统内能源消耗和碳排放最集中的环节，其能耗主要来源于焦炭燃烧、喷吹煤燃烧以及鼓风系统的能量输人;碳排放则主要由燃料碳向炉顶煤气、铁水溶碳及其他碳素消耗的转化过程产生。本研究在后续模型中将通过物质守恒、能量平衡及碳素流分析，对上述影响进行定量刻画。

2模型构建

为定量评估球团配比变化对高炉炼铁过程物质-能量流、碳排放及经济性的综合影响，本研究在明确系统边界与核算原则的基础上，构建了个由高炉物质-能量流模型、炼铁碳排放核算模型及经济性分析模型组成的综合分析框架。模型以球团配比为核心自变量，通过分析其对燃料消耗、碳排放强度及成本结构的影响，揭示不同