王 廣，張宏強(qiáng)，蘇步新，馬靜超，左海濱，王靜松，薛慶國(guó)

(1.北京科技大學(xué) 鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.冶金工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100013；3.河鋼集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050023)

0 引言

以CO2為主的溫室氣體導(dǎo)致了全球變暖和極端天氣，給人類社會(huì)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]。人類活動(dòng)，特別是以化石能源大規(guī)模利用為主的能源活動(dòng)，是造成大氣中CO2溫室氣體濃度快速上升的主要原因[2]。根據(jù)2018年的公開數(shù)據(jù)[3]，世界CO2排放量為335億t，中國(guó)占比28.6%，居世界第一位。2020年中國(guó)GDP達(dá)101.6萬(wàn)億元，全球占比17.42%，居世界第二位?？梢?，我國(guó)單位GDP的碳排放量較高。從1992年的《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》到2015年的《巴黎協(xié)定》，通過(guò)碳減排應(yīng)對(duì)全球變暖已在世界范圍內(nèi)達(dá)成了廣泛共識(shí)，提出了“2050年把全球平均氣溫升幅控制在工業(yè)化前水平以上低于2 ℃之內(nèi)，并努力限制在1.5 ℃之內(nèi)”的目標(biāo)。截至2020年6月12日，已有125個(gè)國(guó)家承諾21世紀(jì)中葉前實(shí)現(xiàn)碳中和[4]。2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上鄭重提出 “中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。我國(guó)在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和比發(fā)達(dá)國(guó)家在2050年前實(shí)現(xiàn)碳中和將需要付出更大的努力。

鋼鐵工業(yè)以煤、焦、天然氣為主要能源，是電力系統(tǒng)以外碳排放量最大的行業(yè)，約占全球碳排放量的5%～6%。歐洲、日本、韓國(guó)的眾多大型鋼鐵企業(yè)已提出了碳減排或碳中和計(jì)劃，特別是歐洲鋼企走在了碳減排的前列，如英國(guó)鋼鐵公司提出在2040年實(shí)現(xiàn)CO2凈零排放。2020年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量達(dá)10.65億t，約占全球的56.7%，其中約90%由高爐-轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)。鋼鐵工業(yè)能耗約占我國(guó)工業(yè)總能耗的15%，能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主(占比超過(guò)90%)，使其成為CO2和污染物排放大戶[5]。我國(guó)寶武、河鋼、鞍鋼、包鋼分別提出了自己的碳達(dá)峰碳中和計(jì)劃，大部分計(jì)劃在2050年前實(shí)現(xiàn)碳中和。綜合考慮產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、技術(shù)基礎(chǔ)、研發(fā)實(shí)力和時(shí)間節(jié)點(diǎn)，我國(guó)鋼鐵工業(yè)碳達(dá)峰碳中和所面臨的壓力遠(yuǎn)超世界同行。本文通過(guò)綜述我國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放現(xiàn)狀以及探討相關(guān)低碳技術(shù)，旨在為我國(guó)鋼鐵工業(yè)的低碳化發(fā)展提供一些參考。

1 我國(guó)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析

鋼鐵工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)，是重要的制造業(yè)門類。我國(guó)鋼產(chǎn)量自1996年突破1億t以來(lái)，在內(nèi)需和出口的拉動(dòng)下，產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)。1996年以來(lái)，我國(guó)粗鋼產(chǎn)量及占世界粗鋼總產(chǎn)量的比例如圖1所示。

圖1 中國(guó)粗鋼產(chǎn)量及世界占比(1996-2020年)

這種增長(zhǎng)速度和體量創(chuàng)造了人類鋼鐵工業(yè)新的歷史高度。我國(guó)已經(jīng)擁有世界上最完整、最大規(guī)模的鋼鐵工業(yè)體系，配備了世界最先進(jìn)的裝備、工藝和技術(shù)，能夠提供最豐富、最齊全的鋼鐵產(chǎn)品。同比來(lái)看，2019年中國(guó)粗鋼產(chǎn)量增加7 631萬(wàn)t，凈出口減少662萬(wàn)t，表觀消費(fèi)量增加8 293萬(wàn)t，鋼材凈出口(折粗鋼)量占同期中國(guó)粗鋼產(chǎn)量的5.07%，說(shuō)明中國(guó)鋼材生產(chǎn)以滿足國(guó)內(nèi)需求為主[6]。2015年以來(lái)，我國(guó)鋼鐵行業(yè)認(rèn)真貫徹落實(shí)國(guó)家決策部署，扎實(shí)推進(jìn)科技創(chuàng)新、節(jié)能環(huán)保、降本增效等重點(diǎn)工作，努力鞏固去產(chǎn)能成果，嚴(yán)禁新增產(chǎn)能，防范“地條鋼”死灰復(fù)燃，推動(dòng)企業(yè)兼并重組，打造了如中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司這樣的世界級(jí)鋼鐵企業(yè)。

同時(shí)，鋼鐵工業(yè)也是高能耗、高一次排放行業(yè)。鋼鐵工業(yè)排放的CO2、NOx、SO2、細(xì)顆粒物、二噁英、固廢分別占全國(guó)總排放的11.2%、5.6%、9%、23%、26%、19.5%[7]。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，超低排放和雙碳目標(biāo)將是鋼鐵企業(yè)技術(shù)改造和技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)方向。在2030年碳達(dá)峰和單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放量比2005年下降60%～65%的雙重約束下，如低碳技術(shù)未能實(shí)現(xiàn)突破且廣泛應(yīng)用的話，未來(lái)十年內(nèi)，我國(guó)粗鋼產(chǎn)量必將達(dá)到峰值，并轉(zhuǎn)入下降通道。碳中和將是重塑我國(guó)未來(lái)鋼鐵工業(yè)產(chǎn)量、流程和布局的重要推動(dòng)力，綜合考慮鋼材需求地、鐵礦石供應(yīng)地、綠氫成本、運(yùn)輸成本以及CO2捕集封存(CCS)成本，預(yù)計(jì)2050年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量為3.6億t，氫在冶金中得到廣泛使用，電爐短流程占比明顯提高(70%以上)[8]。圖2給出了在實(shí)現(xiàn)深度碳減排情景下中國(guó)鋼鐵工業(yè)分省布局預(yù)測(cè)。

圖2 中國(guó)鋼鐵工業(yè)分省布局預(yù)測(cè)[8]

由圖2可以看出，鋼鐵工業(yè)仍然主要分布在北方，同時(shí)可再生能源豐富地區(qū)(如新疆、青海)出現(xiàn)了產(chǎn)量增加較明顯的趨勢(shì)，而在沒有良好的可再生能源同時(shí)又缺乏CCS應(yīng)用基礎(chǔ)的地區(qū)，就會(huì)出現(xiàn)明顯萎縮。對(duì)于綠氫成本高且缺乏CO2存儲(chǔ)條件的中國(guó)南方和東部能源消費(fèi)中心來(lái)說(shuō)，需要較多考慮利用電爐煉鋼工藝。

2 基于工序的我國(guó)鋼鐵工業(yè)碳排放分析

我國(guó)主流的高爐-轉(zhuǎn)爐冶煉流程(即長(zhǎng)流程)是最為經(jīng)典的鋼鐵冶煉流程，包含有相對(duì)獨(dú)立而又有緊密聯(lián)系的多個(gè)生產(chǎn)單元，如燒結(jié)、球團(tuán)、煉焦、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、連鑄、軋鋼等，十分復(fù)雜,其中的化石燃料燃燒和電力消耗均是碳排放的主要來(lái)源。因較成熟的工序碳排放研究較少，本文主要以不同單元的工序能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[6]。

2.1 燒結(jié)工序

鐵礦燒結(jié)過(guò)程是將鐵礦粉、熔劑、燃料及返礦按一定比例組成混合料，配以適量水分，經(jīng)混勻和制粒后，通過(guò)布料、點(diǎn)火、抽風(fēng)、燒結(jié)、冷卻、整粒等制得物理及化學(xué)性能滿足高爐冶煉要求的人造富礦。燃料主要是焦粉和無(wú)煙煤粉，點(diǎn)火還要消耗一部分燃?xì)?，一般是高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣的混合氣，燃燒過(guò)程以完全燃燒為主。燒結(jié)工序能耗歷年變化如圖3所示。由圖3可知，燒結(jié)能耗整體上呈降低趨勢(shì)，但是有的年份會(huì)出現(xiàn)反彈，基本維持在48 kgce/t燒結(jié)礦。可通過(guò)采取厚料層燒結(jié)、治理漏風(fēng)、熱煙氣循環(huán)、料面噴吹富氫氣體等措施進(jìn)一步降低工序能耗和碳排放，但是降低的潛力有限[9]。

圖3 燒結(jié)工序能耗歷年變化(2014-2019年)

2.2 球團(tuán)工序

氧化球團(tuán)礦的生產(chǎn)主要是以高品位鐵精礦為原料，通過(guò)滾動(dòng)成型、干燥以及高溫焙燒固相黏結(jié)制備得到一種品位高、強(qiáng)度高、還原性好的煉鐵爐料。目前主要有鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯、帶式焙燒機(jī)和豎爐三種工藝，由于焙燒和冷卻產(chǎn)生的熱廢氣可用于干燥、預(yù)熱和助燃，因此帶式焙燒機(jī)球團(tuán)工藝的單位成品熱耗相對(duì)較低，也可以細(xì)磨赤鐵礦為主要原料進(jìn)行球團(tuán)生產(chǎn)。帶式燒結(jié)機(jī)和豎爐主要采用氣體燃料，鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯可以用氣體或煤粉為燃料，燃燒過(guò)程以完全燃燒為主。球團(tuán)工序能耗歷年變化如圖4所示。由圖4可知，球團(tuán)能耗整體上呈降低趨勢(shì)，但是有的年份會(huì)出現(xiàn)反彈，基本維持在26 kgce/t球團(tuán)。與燒結(jié)工藝相比，球團(tuán)工藝的能耗明顯較低。

圖4 球團(tuán)工序能耗歷年變化(2014-2019年)

2.3 煉焦工序

塊狀焦炭在高爐煉鐵生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，包括提供熱量、提供還原劑、保證料柱的透氣性等，是高爐煉鐵過(guò)程不可缺少的原料。煉焦過(guò)程以煉焦煤為原料，通過(guò)高溫干餾，產(chǎn)生焦炭、焦?fàn)t煤氣和其他煉焦化學(xué)產(chǎn)品，煉焦高溫干餾過(guò)程消耗的主要是焦?fàn)t煤氣或者混合煤氣。我國(guó)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中只有部分企業(yè)有焦化生產(chǎn)指標(biāo)，其焦炭產(chǎn)量?jī)H占全國(guó)總產(chǎn)量的30%左右[10]。2017年中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)員鋼鐵企業(yè)煉焦工序能耗為99.67 kgce/t，通過(guò)回收煤氣和燒成焦炭的顯熱是煉焦工序降低能耗的主要手段。

2.4 高爐工序

高爐煉鐵以燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和塊礦為含鐵爐料，以焦炭、煤粉、天然氣、熱風(fēng)等為能源，冶煉過(guò)程在一個(gè)密閉反應(yīng)器中進(jìn)行，在爐料與煤氣流的逆向流動(dòng)過(guò)程中完成鐵礦石的還原和渣鐵熔分，獲得合格的液態(tài)生鐵。焦炭、煤粉、天然氣等化石燃料在風(fēng)口發(fā)生不完全燃燒生產(chǎn)CO和H2(我國(guó)高爐以焦炭、煤粉為主要能源，爐頂煤氣的H2含量很低)，最終離開爐頂時(shí)煤氣的利用率約為50%，其中尚有20%左右的CO，即高爐煤氣含有一部分化學(xué)能，其帶走的化學(xué)能約占噸鐵總能耗(實(shí)際轉(zhuǎn)化的煤、焦總能量)的35%。高爐煉鐵工序能耗歷年變化如圖5所示。由圖5可知，能耗整體上維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，但是有的年份還會(huì)出現(xiàn)反彈，基本維持在385～390 kgce/t。高爐煉鐵工序的燃料消耗水平?jīng)Q定了CO2的排放強(qiáng)度，盡管影響高爐煉鐵燃料消耗水平的因素很多，個(gè)別企業(yè)因自身原因?qū)е履芎乃捷^高，但是現(xiàn)代高爐煉鐵工藝技術(shù)已十分成熟，熱效率可高達(dá)95%，靠降低工序能耗來(lái)減少CO2排放的潛力很小。

圖5 高爐煉鐵工序能耗歷年變化(2014-2019年)

2.5 轉(zhuǎn)爐工序

高爐生鐵中約含有4.5%～5.4%的滲碳[11]，轉(zhuǎn)爐冶煉實(shí)質(zhì)上是鐵水脫碳反應(yīng)。鐵水含有物理熱和化學(xué)熱，轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程(約30 min/爐)就是依靠這部分熱量完成的，而且轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中還可以回收一定量的轉(zhuǎn)爐煤氣(約115 m3/t)和蒸汽(噸鋼產(chǎn)汽約90 kg)[12]。按工序能耗的計(jì)算方法，這部分回收的煤氣和蒸汽的熱值減掉冶煉過(guò)程消耗的電力、氧氣和水，對(duì)應(yīng)的能耗是有盈余的，這就是所謂的“負(fù)能煉鋼”。轉(zhuǎn)爐煉鋼工序能耗歷年變化如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)爐煉鋼工序能耗歷年變化(2014-2019年)

我國(guó)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)“負(fù)能煉鋼”，且能效水平不斷提高。但是，轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程將鐵水中的元素碳氧化成CO、CO2，還消耗了氧氣(約50 m3/t)，從而排放了一定量的CO2。此外，根據(jù)生產(chǎn)的鋼種不同，脫碳的深度也不一樣，產(chǎn)生的CO2排放量也會(huì)不一樣。

2.6 軋鋼工序

軋鋼是將煉鋼廠生產(chǎn)的鋼錠或連鑄鋼坯軋制成鋼材的過(guò)程。軋鋼工序碳排放主要來(lái)自鋼坯加熱過(guò)程中的煤氣燃燒(約200 m3/t)和軋制過(guò)程中的設(shè)備電耗(約110 kW·h/t)。軋鋼工序能耗歷年變化如圖7所示。由圖7可知，軋鋼能耗整體上呈降低趨勢(shì)，但是降低的幅度不大，目前維持在約60 kgce/t。但是，軋鋼工序相對(duì)簡(jiǎn)單，其碳減排可依托電力系統(tǒng)的低碳化完成，即將鋼坯加熱過(guò)程改成電加熱即可，但是相關(guān)設(shè)備如何改造以及成本是否合適需要進(jìn)一步考慮。也可以通過(guò)新技術(shù)的研發(fā)，減少或取消加熱工序，提高成材率。

圖7 軋鋼工序能耗歷年變化(2014-2019年)

如果單純從工序能耗計(jì)算，采用2019年我國(guó)鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)(噸鐵礦石消耗、燒結(jié)球團(tuán)產(chǎn)量、焦比、噸鋼生鐵消耗、成材率等，其中煉焦采用2017年能耗數(shù)據(jù))，可以得到我國(guó)生產(chǎn)1 t鋼材的分單元工序能耗及相應(yīng)占比(見表1)。由表1可知，鐵前工序(燒結(jié)+球團(tuán)+煉焦+高爐)能耗占總能耗的91.27%，對(duì)鋼鐵材料生產(chǎn)過(guò)程的能耗起決定性作用。實(shí)際上，對(duì)于高爐煉鐵和轉(zhuǎn)爐煉鋼工序，其CO2排放占比要大于其工序能耗占比，特別是轉(zhuǎn)爐煉鋼工序，其本質(zhì)上是一個(gè)CO2排放的過(guò)程。

表1 2019年鋼鐵企業(yè)工序能耗

目前，我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程碳排放核算依據(jù)的是《中國(guó)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南(試行)》，該指南中將燒結(jié)、球團(tuán)、煉焦、高爐中發(fā)生的碳氧反應(yīng)統(tǒng)一歸類為燃料燃燒排放[13]。但是，鋼鐵生產(chǎn)中的燃料(如冶金焦、噴吹煤等)既發(fā)揮化學(xué)品作用(還原劑)，又發(fā)揮能源作用(供熱)，其排放是歸入能源排放還是工業(yè)過(guò)程排放，是《IPCC 2006 年國(guó)家溫室氣體清單指南 2019 修訂版》修訂過(guò)程中的一個(gè)爭(zhēng)議焦點(diǎn)。最終根據(jù)清單指南的修訂原則，所有類似過(guò)程都被歸屬入了工業(yè)過(guò)程排放[14]。

我國(guó)還有大量的獨(dú)立焦化廠、軋鋼廠、鐵合金廠，以及以特殊復(fù)合鐵礦資源(如釩鈦鐵礦、稀土鐵礦、紅土鎳礦等)為主要原料的鋼鐵企業(yè)，因此要準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)鋼鐵行業(yè)的碳排放并按統(tǒng)一的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行限定是較為困難的。此外，一個(gè)鋼鐵企業(yè)能耗最低，不一定碳排放就最低，特別是進(jìn)入深度脫碳階段后，為了促進(jìn)鋼鐵冶煉全流程降碳，一個(gè)可行的方法是分單元工序進(jìn)行碳排放核算。具體如何進(jìn)行，還需要相關(guān)部門以發(fā)展的眼光進(jìn)行全面且深入的研究。

3 典型鋼鐵冶煉低碳技術(shù)分析

考慮到國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)鋼鐵材料的持續(xù)需求，以壓減產(chǎn)量的方式實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程大幅減碳是不實(shí)際的，低碳技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用才是重中之重，應(yīng)鼓勵(lì)原始創(chuàng)新，保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，堅(jiān)持“四個(gè)面向”，從而為我國(guó)從世界鋼鐵的生產(chǎn)中心向世界鋼鐵的技術(shù)研發(fā)中心轉(zhuǎn)變提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。接下來(lái)，本文將從三個(gè)層次對(duì)當(dāng)下典型的鋼鐵冶煉低碳技術(shù)進(jìn)行分析，以期為后續(xù)工作的重點(diǎn)方向理清思路。

3.1 行業(yè)內(nèi)通用節(jié)能技術(shù)

隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷深入，一些成熟的節(jié)能減排技術(shù)已在大中型鋼鐵企業(yè)普及，有些技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，如干熄焦技術(shù)、煤調(diào)濕技術(shù)、燒結(jié)余熱回收技術(shù)、高爐爐頂煤氣余壓發(fā)電技術(shù)、轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵技術(shù)等，這些技術(shù)需要全行業(yè)加快普及[15]。此外，還有一些尚待進(jìn)一步開發(fā)或工業(yè)化推廣且具有明顯減排降碳效果的技術(shù)，這些技術(shù)對(duì)我國(guó)鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和達(dá)峰后初期降碳具有現(xiàn)實(shí)意義，具體闡述如下。

1)提高球團(tuán)/塊礦入爐比例

高爐煉鐵使用的基本含鐵爐料包括燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和塊礦。球團(tuán)礦生產(chǎn)能耗相當(dāng)于燒結(jié)礦的一半，且品位高、還原性好，生產(chǎn)過(guò)程污染物排放少；塊礦屬于天然礦物，更加清潔。因此鋼鐵工業(yè)降低碳排放一個(gè)可行的方法是提高球團(tuán)和塊礦的入爐比例[16-17]。如果實(shí)現(xiàn)全球團(tuán)(配加一定比例塊礦)冶煉，至少可實(shí)現(xiàn)鋼鐵全流程節(jié)能(減碳)5%以上，但需要考慮資源、價(jià)格以及冶煉技術(shù)三方面的平衡問題。

2)還原性氣體噴吹

還原性氣體噴吹主要是指將焦?fàn)t煤氣、天然氣及按合適比例混合后的氣體或轉(zhuǎn)爐煤氣噴入高爐，部分替代噴吹煤和焦炭的技術(shù)[18-20]。如果以降低高爐煉鐵過(guò)程碳排放為主要出發(fā)點(diǎn)，鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的自產(chǎn)焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣用于高爐噴吹是有效發(fā)揮這些煤氣價(jià)值的途徑之一，不論其替代的是焦炭還是煤粉，因?yàn)檫@些氣體產(chǎn)生自鋼鐵冶煉系統(tǒng)內(nèi)部碳熱加工過(guò)程，其適宜的利用方法是替代化石燃料，以使本系統(tǒng)碳排放最少，而不是用于加熱或發(fā)電。隨著我國(guó)可再生能源發(fā)電比例的提高，電網(wǎng)的排放因子將會(huì)降低，鋼鐵企業(yè)的自備電廠所發(fā)的電本質(zhì)上來(lái)自煤、焦的燃燒，排放因子較高。日本的新日鐵住金株式會(huì)社[21]通過(guò)在12 m3高爐進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證了COURSE50的氫還原構(gòu)想(主要是噴吹焦?fàn)t煤氣)，結(jié)果表明，碳直接還原度從31%降至21%。如果高爐輸入的焦、煤可以通過(guò)噴吹使自產(chǎn)還原性氣體減少10%，那么該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鋼鐵全流程減碳9%左右。

3)電爐短流程煉鋼

相比轉(zhuǎn)爐煉鋼，電爐煉鋼具有工序短、投資省、建設(shè)快、節(jié)能減排效果突出等優(yōu)勢(shì)[22]。對(duì)于全廢鋼電爐，設(shè)定噸鋼電耗400 kW·h[23]，按電網(wǎng)排放因子0.610 1 kg/kW·h計(jì)算，則電爐冶煉1 t鋼排放CO2約244 kg。但是我國(guó)廢鋼資源短缺，價(jià)格高且波動(dòng)較大，直接還原鐵產(chǎn)量幾乎為空白，再加上工業(yè)電價(jià)偏高，所以我國(guó)電爐鋼占比較低。中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)電爐鋼產(chǎn)量占比僅為5%左右。我國(guó)電爐鋼企業(yè)為了應(yīng)對(duì)金屬料不足的問題，普遍配加熱鐵水替代部分廢鋼，以提高生產(chǎn)效率、降低煉鋼工序能耗和生產(chǎn)成本，鐵水占比近50%，形成了一種我國(guó)特有的電爐冶煉流程，限制了電爐煉鋼減碳優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。此外，在發(fā)展電爐煉鋼的同時(shí)還要做好尾氣中二噁英的檢測(cè)和控制技術(shù)的開發(fā)[24]。

4)薄規(guī)格帶鋼和鑄坯直軋工藝

近年來(lái)，中國(guó)熱連軋生產(chǎn)追求更高效率、更薄規(guī)格、更低成本、更少排放的目標(biāo)。2019年繼日照鋼鐵4條ESP投產(chǎn)熱軋帶鋼最小厚度減至0.7 mm后，沙鋼Castrip超薄帶、首鋼MCCR、唐山東華節(jié)能型ESP陸續(xù)建成。其中，沙鋼引進(jìn)的美國(guó)紐柯Castrip技術(shù)已試生產(chǎn)低碳鋼、高強(qiáng)鋼、高碳鋼、耐候鋼等鋼種，總能耗和CO2排放量為常規(guī)熱連軋工藝的1/5、1/4[6]，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鋼鐵全流程減碳8%左右。連鑄坯免加熱直接軋制工藝是指將連鑄后帶有余熱的鑄坯直接送入軋線進(jìn)行軋制的技術(shù)，工序大大簡(jiǎn)化，加熱爐也可以取消，如此便節(jié)約了鑄坯的加熱能耗，從而減少煤氣燃燒的碳排放及氣體污染物的產(chǎn)生。該技術(shù)理論上也可使CO2排放量降為常規(guī)熱連軋工藝的1/4，兼具高效和低碳兩大特點(diǎn)，特別適合于棒線材的生產(chǎn)。近幾年，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)尤其是民營(yíng)企業(yè)嘗試采用該工藝，并取得了成功[25]。

3.2 行業(yè)間協(xié)同降碳技術(shù)

3.2.1 鋼化聯(lián)產(chǎn)

鋼化聯(lián)產(chǎn)是指以鋼鐵企業(yè)高爐、轉(zhuǎn)爐和焦?fàn)t煤氣為原料，經(jīng)過(guò)一系列的凈化分離工藝，提取出CO、H2和CH4等有價(jià)值的原料氣組分，經(jīng)化工合成工序制成甲醇、乙醇、液化天然氣等高附加值產(chǎn)品的過(guò)程[26]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)的煤氣已經(jīng)基本平衡使用，富余煤氣都用于發(fā)電，但無(wú)論是過(guò)程中使用還是發(fā)電，煤氣中的CO、CH4都轉(zhuǎn)變成了CO2排放，如果將煤氣中的組分轉(zhuǎn)化為化工產(chǎn)品，則會(huì)減少碳排放量。但是鋼化聯(lián)產(chǎn)需要富H2和CO的氣體及外部熱源，我國(guó)達(dá)鋼的煤氣制甲醇項(xiàng)目采用的是焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，其體積比為6.5∶1[27]。實(shí)質(zhì)上該項(xiàng)目的固碳能力很有限，僅提高了煤氣利用的品質(zhì)。數(shù)量巨大的高爐煤氣由于含有大量的CO2和N2，無(wú)法加以利用。此外，對(duì)于沒有煉焦工序的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，發(fā)展鋼化聯(lián)產(chǎn)面臨兩方面的制約：一是轉(zhuǎn)爐煤氣不足，由于沒有焦?fàn)t煤氣加熱，鋼廠在滿足自身生產(chǎn)加熱需求后的煤氣富余量不多；二是沒有大量廉價(jià)的H2來(lái)源，需要通過(guò)其他方式制氫，如果采用水煤氣變換方式制氫則會(huì)帶來(lái)CO2排放問題[28]。鋼化聯(lián)產(chǎn)大規(guī)模減碳效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)有賴于煉鐵工藝的革新和無(wú)碳?xì)錃獾拇笠?guī)模、低成本制備[29]。

3.2.2 協(xié)同處置城市碳?xì)涔虖U

鋼鐵冶煉過(guò)程協(xié)同處置城市碳?xì)涔虖U是鋼鐵廠與城市低碳共融發(fā)展的一個(gè)重要結(jié)合點(diǎn)，可以達(dá)到雙贏的效果。代表性的技術(shù)是高爐噴吹廢塑料，自1991年開始，該技術(shù)在德國(guó)、日本經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已很成熟[30-33]。高爐噴吹廢塑料是指廢塑料經(jīng)分選、磁選、破碎、脫氯、造粒后從風(fēng)口區(qū)噴入高爐下部，在高溫和還原性氣氛下被氣化成H2和CO等還原性氣體，在上升的過(guò)程中將鐵礦石還原。廢塑料對(duì)焦炭的置換比為1.1∶1，高于煤粉，且噴吹量最高可達(dá)200 kg/tHM。因此，協(xié)同處置城市碳?xì)涔虖U可以在一定程度上為鋼鐵工業(yè)碳達(dá)峰碳中和貢獻(xiàn)力量。在我國(guó)，高爐噴吹廢塑料工藝實(shí)際上還處于理論研究及可行性論證階段，只有寶武開展了相關(guān)工業(yè)試驗(yàn)，但過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)道較少[34-39]。與國(guó)外相比，我國(guó)開展鋼鐵冶煉過(guò)程協(xié)同處置生活碳?xì)涔虖U相關(guān)的研發(fā)和應(yīng)用具備產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)和更迫切的現(xiàn)實(shí)需求。

3.3 零碳冶金技術(shù)

3.3.1 無(wú)碳?xì)湟苯?/p>

氫能被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，由于具有?lái)源多樣、清潔、靈活高效、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，被多國(guó)列入國(guó)家能源戰(zhàn)略部署[40]。H2可以還原鐵礦石，產(chǎn)物為水，無(wú)污染，是碳的理想替代物。氫用于鐵礦石還原已有成熟的技術(shù)，如Midrex和HYL氣基豎爐直接還原技術(shù)，HYL還原氣中H2體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到80%[41]。而我國(guó)目前尚沒有建設(shè)、運(yùn)行類似技術(shù)的成熟經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)單位需要加強(qiáng)該技術(shù)的研發(fā)。H2在鋼鐵冶金中應(yīng)用的關(guān)鍵是其來(lái)源和成本問題，天然氣、石油、煤是現(xiàn)階段氫的主要來(lái)源，會(huì)附加碳排放，但是其價(jià)格只有電解制氫的一半。無(wú)碳?xì)涞谋举|(zhì)是無(wú)碳電能的一種載體，發(fā)展無(wú)碳?xì)湟苯鸬暮诵脑谟谔岣邿o(wú)碳電力在電力能源中的占比和促進(jìn)電解制氫技術(shù)的進(jìn)步。

3.3.2 全氧冶金

1)爐頂煤氣循環(huán)-氧氣鼓風(fēng)高爐煉鐵

受高爐內(nèi)部熱化學(xué)反應(yīng)平衡的限制，爐頂煤氣的CO利用率約為50%，煤氣中的化學(xué)能約占高爐輸入的碳的全部化學(xué)能的35%，將煤氣中的CO2脫除后返回高爐使用是一種高效利用其化學(xué)能的途徑，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)，CO的利用率整體得到提高，從而使高爐自身化石燃料消耗最少。氧氣高爐的提出早期是為了以煤代焦和提高高爐的生產(chǎn)效率[42]，現(xiàn)在則重點(diǎn)關(guān)注其降低煉鐵過(guò)程碳排放的潛力。氧氣代替熱風(fēng)可起到降低爐頂煤氣CO2脫除成本、提高煤比、維持理論燃燒溫度等作用。爐頂煤氣脫除CO2后大部分用于煤氣循環(huán)，少部分剩余，可用于化工合成，捕集的CO2被封存或資源化利用，從而實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵過(guò)程的凈零碳排放。瑞典LKAB公司[43]9 m3高爐的試驗(yàn)結(jié)果證明該工藝是可行的。該工藝對(duì)現(xiàn)有鋼鐵生產(chǎn)流程影響小，燒結(jié)、球團(tuán)、煉焦、高爐等工序仍然保留，且CO2捕集技術(shù)也已成熟，但是提高了煉鐵技術(shù)的復(fù)雜度，要求鋼鐵企業(yè)靠近CO2封存地點(diǎn)。

2)粉礦-全氧熔融還原煉鐵

燒結(jié)、球團(tuán)和煉焦是原料預(yù)處理工序，礦、煤等物料在上述過(guò)程中被反復(fù)運(yùn)輸、加工、加熱和冷卻，這3個(gè)工序約占噸鋼能耗的18%，且在提高原料的理化性能之后，能量未得到充分回收和利用，即使回收，回收效率和回收能源的品質(zhì)也較低，同時(shí)造成了大量的NOx、SO2、顆粒物等污染物的排放[44]。粉礦、粉煤直接煉鐵可以節(jié)約鐵礦粉造塊和煉焦過(guò)程中的能耗，并顯著減少污染物的生成，理論上比高爐煉鐵更有優(yōu)勢(shì)，代表性的技術(shù)有Finex、HIsmelt、HIsarna、Flash Ironmaking等[45-48]，F(xiàn)inex已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，HIsmelt和HIsarna處于工業(yè)開發(fā)階段(我國(guó)相關(guān)企業(yè)、設(shè)計(jì)院參與了HIsmelt的研發(fā))，F(xiàn)lash Ironmaking處于基礎(chǔ)研究階段。這些技術(shù)應(yīng)采用全氧冶煉、降低一次煤耗、加強(qiáng)尾氣中物理能和化學(xué)能的回收利用，并與CO2捕集封存技術(shù)結(jié)合，才有可能與高爐煉鐵競(jìng)爭(zhēng)，并實(shí)現(xiàn)深度降碳。

全氧冶金依靠CO2捕集封存技術(shù)并不能完全實(shí)現(xiàn)零碳排放，還要在無(wú)碳電力、無(wú)碳?xì)淠?、生物質(zhì)能等能源形式或負(fù)碳技術(shù)的輔助下才能實(shí)現(xiàn)凈零排放。

4 我國(guó)鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展路徑淺析

1)優(yōu)先應(yīng)用行業(yè)內(nèi)通用節(jié)能技術(shù)

盡管我國(guó)鋼鐵工業(yè)的節(jié)能減排技術(shù)在過(guò)去幾年取得了顯著進(jìn)步，但是發(fā)展仍不平衡。對(duì)于成熟的、行業(yè)內(nèi)通用的節(jié)能技術(shù)(如干熄焦技術(shù)、煤調(diào)濕技術(shù)、燒結(jié)余熱回收技術(shù)、高爐爐頂煤氣余壓發(fā)電技術(shù)、轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵技術(shù)等)，需要進(jìn)一步提高其在全行業(yè)的普及率。對(duì)于其他技術(shù)，如提高球團(tuán)/塊礦入爐比例、還原性氣體噴吹、提高電爐鋼(全廢鋼)比例、無(wú)頭軋制和薄規(guī)格帶鋼工藝，企業(yè)要根據(jù)自身的資源條件、資金實(shí)力和技術(shù)水平有選擇性地加快推進(jìn)。上述技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，預(yù)計(jì)可以使鋼鐵工業(yè)在碳達(dá)峰后減碳30%左右。

2)適當(dāng)應(yīng)用行業(yè)間協(xié)同降碳技術(shù)

構(gòu)建低碳產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)行業(yè)間協(xié)同降碳，不僅涉及新技術(shù)的研發(fā)和不同行業(yè)、部門間的合作，還有賴于地方政府基于本地的情況盡早進(jìn)行規(guī)劃。相關(guān)企業(yè)和科研單位要預(yù)先開展相關(guān)研究，做好思想和技術(shù)儲(chǔ)備。盡管行業(yè)間協(xié)同降碳技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度很大，但是減碳效果將會(huì)非常明顯，同時(shí)還能獲得額外的資源、生態(tài)效益。需要注意的是，相比于協(xié)同行業(yè)，我國(guó)鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能巨大，對(duì)于鋼鐵產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)只能選取代表性企業(yè)作示范。

3)抓緊研發(fā)零碳、負(fù)碳技術(shù)

鋼鐵工業(yè)的產(chǎn)品是鐵碳合金，碳排放無(wú)法避免，因此鋼鐵工業(yè)碳中和的實(shí)現(xiàn)必須依靠零碳冶金技術(shù)，乃至負(fù)碳技術(shù)。氫冶金、全氧冶金技術(shù)等需盡快研發(fā)，并進(jìn)行鐵-鋼-軋全流程工程示范驗(yàn)證。在鋼鐵冶煉流程內(nèi)部也可開展一定規(guī)模的CO2資源化利用研究，如轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程噴吹CO2[49]。農(nóng)林碳匯[50]、生物質(zhì)能碳捕集與封存[51]、人工光合作用[52]等負(fù)碳技術(shù)也是研發(fā)的重點(diǎn)方向。

鋼鐵工業(yè)碳達(dá)峰碳中和是一項(xiàng)長(zhǎng)期、系統(tǒng)的工作，為了確保2030年前實(shí)現(xiàn)全國(guó)鋼鐵行業(yè)CO2排放達(dá)峰，先進(jìn)鋼鐵企業(yè)和大氣污染防治重點(diǎn)區(qū)域的鋼鐵企業(yè)應(yīng)力爭(zhēng)提前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，起到引領(lǐng)示范作用。同時(shí)，考慮到新技術(shù)研發(fā)和普及的周期較長(zhǎng)，更應(yīng)提早著手規(guī)劃、推進(jìn)低碳鋼鐵技術(shù)的研發(fā)、儲(chǔ)備和應(yīng)用驗(yàn)證，從而保證鋼鐵工業(yè)碳排放在2030年前達(dá)峰后能穩(wěn)步進(jìn)入持續(xù)下降的階段，最終促進(jìn)行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展取得實(shí)質(zhì)成效。

5 我國(guó)鋼鐵工業(yè)低碳技術(shù)研發(fā)建議

1)頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)一組織與實(shí)施

一方面，統(tǒng)一考慮國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)鋼材的需求，充分利用國(guó)內(nèi)和國(guó)際兩個(gè)鋼材供給端，在滿足基本需求的前提下，科學(xué)規(guī)劃和預(yù)測(cè)我國(guó)鋼材產(chǎn)量的變化趨勢(shì)，并科學(xué)引領(lǐng)我國(guó)鋼鐵材料及相關(guān)產(chǎn)業(yè)邁向高端化、減量化，保證鋼鐵行業(yè)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。另一方面，結(jié)合我國(guó)廢鋼的產(chǎn)生量和可進(jìn)口量的變化，以及電力系統(tǒng)脫碳的進(jìn)度，適時(shí)引導(dǎo)電爐短流程煉鋼工藝的發(fā)展。在完成上述兩方面工作的基礎(chǔ)上，要制訂鋼鐵行業(yè)碳中和分階段控制目標(biāo)，明確相應(yīng)階段的重點(diǎn)任務(wù)和實(shí)施路徑。

2)集中力量，建立國(guó)家級(jí)工業(yè)化試驗(yàn)平臺(tái)

低碳技術(shù)的研發(fā)投入大、風(fēng)險(xiǎn)高、時(shí)間緊、任務(wù)重，單個(gè)鋼鐵企業(yè)難以負(fù)擔(dān)。即使從全行業(yè)來(lái)看，鋼鐵行業(yè)對(duì)全國(guó)GDP的貢獻(xiàn)與其CO2排放占比也極度不成比例，而在可以預(yù)計(jì)的未來(lái)，鋼鐵材料將一直是社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和發(fā)展的必需物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，鋼鐵行業(yè)的低碳發(fā)展是全社會(huì)共同的責(zé)任。低碳本身并不直接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，僅靠經(jīng)濟(jì)手段難以實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的碳中和，關(guān)鍵在于新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。因此，有必要從國(guó)家層面對(duì)鋼鐵低碳技術(shù)的研發(fā)提供資金和政策支持，同時(shí)集中全行業(yè)力量，承擔(dān)共同而有差別的責(zé)任，通過(guò)建立國(guó)家級(jí)工業(yè)化試驗(yàn)平臺(tái)，持續(xù)推進(jìn)低碳技術(shù)的基礎(chǔ)研究和工業(yè)化開發(fā)。

3)分工序遴選重點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究

我國(guó)鋼鐵工業(yè)的實(shí)際情況與歐美國(guó)家不同，企業(yè)地域分布廣、企業(yè)間技術(shù)水平差距大、原料條件復(fù)雜、產(chǎn)品種類多。我國(guó)鋼鐵冶煉目前以長(zhǎng)流程為主，但未來(lái)短流程的比例會(huì)顯著提高，最終形成長(zhǎng)短互補(bǔ)的格局，這是由社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程決定的，所以鋼鐵低碳技術(shù)的開發(fā)宜分別從長(zhǎng)流程和短流程展開?；陂L(zhǎng)流程的低碳技術(shù)開發(fā)，對(duì)于我國(guó)鋼鐵工業(yè)碳達(dá)峰和初步降碳具有重要意義；而基于短流程的低碳技術(shù)開發(fā)，對(duì)于我國(guó)鋼鐵工業(yè)碳中和的實(shí)現(xiàn)具有決定意義。對(duì)于長(zhǎng)、短流程皆可嵌入的單元，如軋鋼工序，應(yīng)加快啟動(dòng)其碳中和技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。對(duì)于長(zhǎng)、短流程各自特有的單元，要分別系統(tǒng)論證，客觀評(píng)價(jià)，遴選重點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

4)創(chuàng)立新型科研合作模式

國(guó)家高度重視碳達(dá)峰碳中和工作，因此政府相關(guān)部門應(yīng)在低碳技術(shù)研發(fā)工作中發(fā)揮引領(lǐng)作用，規(guī)劃、推動(dòng)和監(jiān)督各項(xiàng)工作的持續(xù)開展。低碳鋼鐵技術(shù)研發(fā)應(yīng)以工程應(yīng)用為導(dǎo)向，先進(jìn)的鋼鐵企業(yè)、工程公司、設(shè)計(jì)院等對(duì)低碳技術(shù)的研發(fā)起著重要的支撐作用，特別是要發(fā)揮鋼鐵企業(yè)的主動(dòng)性。低碳技術(shù)研發(fā)必須依靠原創(chuàng)技術(shù)的提出，而原創(chuàng)技術(shù)來(lái)源于長(zhǎng)期、大量的基礎(chǔ)研究，因此離不開高校、研究院等單位的積極參與，而且要以國(guó)內(nèi)的研究單位為主。研發(fā)工作需要持續(xù)的資金、人力和物力投入，拓寬資助渠道、保證資助強(qiáng)度、平衡投入與收益的關(guān)系等亦十分重要。可以參考?xì)W盟和日本在ULCOS、COURSE50等冶金工藝研發(fā)中采用的組織模式，努力調(diào)動(dòng)更多的積極因素。

6 結(jié)論

a.“碳達(dá)峰碳中和”已成為我國(guó)未來(lái)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，我國(guó)鋼鐵工業(yè)巨大的產(chǎn)能規(guī)模、以煤為主的能源結(jié)構(gòu)、以高爐-轉(zhuǎn)爐為主的冶煉流程導(dǎo)致其面臨巨大的減碳?jí)毫?。雖然各工序能耗總體呈下降趨勢(shì)，但變化不大，靠降低工序能耗來(lái)減少CO2排放的潛力已經(jīng)很小。

b.我國(guó)鋼鐵工業(yè)既要彌補(bǔ)當(dāng)前發(fā)展不平衡的短板，又要抓緊研發(fā)相關(guān)低碳技術(shù)。優(yōu)先應(yīng)用和研發(fā)行業(yè)內(nèi)通用節(jié)能技術(shù)，適當(dāng)應(yīng)用行業(yè)間協(xié)同降碳技術(shù)，抓緊研發(fā)零碳、負(fù)碳技術(shù)，時(shí)間緊，任務(wù)重，既需要本行業(yè)的努力，還要依靠政府的合理規(guī)劃以及其他行業(yè)、學(xué)科的支撐。

c.要實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的碳中和愿景，歸根結(jié)底要依靠技術(shù)創(chuàng)新。我國(guó)鋼鐵工業(yè)低碳技術(shù)研發(fā)要做好頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)一組織與實(shí)施；集中力量，建立國(guó)家級(jí)工業(yè)化試驗(yàn)平臺(tái)；分工序遴選重點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究；創(chuàng)立新型的科研合作模式。