四川釩鈦鋼鐵行業(yè)“碳達(dá)峰”形勢及路徑

陳 鋼，蒲 靈，李 懿，楊 超，馬又琳

(四川省工業(yè)環(huán)境監(jiān)測研究院，四川 成都 610000)

鋼材由于具有良好的性能、相對低廉的成本，以及原材料易于獲取等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，鋼鐵工業(yè)也因此成為中國國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)性行業(yè)[1]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2020年，中國粗鋼總量達(dá)到10.53億噸，成為世界鋼鐵產(chǎn)量增加的主要驅(qū)動力。

中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展至今取得了舉世矚目的成就，然而，隨著其快速發(fā)展，一些問題也日益凸顯出來，資源、能源和環(huán)境問題逐漸成為鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的掣肘[2-9]。作為典型的能源密集型行業(yè)，鋼鐵工業(yè)總能耗占全國工業(yè)總能耗的20%～25%，占全國總能耗的15%左右[10]。大量的含碳能源和資源消耗也帶來了CO2排放量居高不下問題，使得鋼鐵工業(yè)成為僅次于發(fā)電和建筑材料的第三大溫室氣體排放產(chǎn)業(yè)，貢獻(xiàn)了全國15%左右的溫室氣體排放量[11]。

四川省鋼鐵工業(yè)起步較早，發(fā)展較快，受益于近年來供給側(cè)改革、取締“地條鋼”、環(huán)保限產(chǎn)等一系列措施，現(xiàn)已培育了一批骨干企業(yè)和重點(diǎn)產(chǎn)品，全川形成了多家規(guī)模化的正規(guī)鋼鐵企業(yè)。2020年，四川生鐵、粗鋼、成品鋼材產(chǎn)量分別為2136.8萬噸、2792.6萬噸、3437.2萬噸。與2019年相比較，分別同比增長0.3%、2.2%和4.1%，其中，約三分之二來自于釩鈦鋼鐵。全省鋼鐵行業(yè)CO2排放量約5000萬t/a，占全省CO2排放量的15%，占工業(yè)領(lǐng)域碳排放總量的30%。

四川由于特殊的地理位置和資源稟賦，在省內(nèi)鋼鐵行業(yè)“碳達(dá)峰”和“碳中和”工作中面臨不同于全國其它地區(qū)鋼鐵企業(yè)的特殊性和差異性，需要制定針對性的方案和實(shí)施路徑。

1 四川釩鈦鋼鐵的特點(diǎn)

1.1 資源特殊性

四川鋼鐵主要為釩鈦鋼鐵。釩鈦資源是我國重要的戰(zhàn)略資源，四川省擁有鈦資源保有儲量占全國的93%，居世界第一位，是全球釩鈦磁鐵礦的主要成礦帶之一。釩鈦鋼鐵大量運(yùn)用于軍事、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域，其中在我國目前已投運(yùn)的高鐵中，有70%的鋼軌來自攀鋼含釩鋼軌；在醫(yī)療康復(fù)、航空航天、3D打印等多個領(lǐng)域的鈦合金產(chǎn)品，大多也來自四川。

按照四川省工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃，釩鈦鋼鐵作為先進(jìn)材料產(chǎn)業(yè)，計劃到2022年產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到1.1萬億元[6]。打造攀枝花市創(chuàng)建釩鈦產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，建設(shè)世界級釩鈦產(chǎn)業(yè)基地[7]，將四川建設(shè)成為世界釩鈦產(chǎn)業(yè)基地的重要一環(huán)。在建筑用鋼方面，四川省內(nèi)鋼鐵企業(yè)絕大多數(shù)以生產(chǎn)建筑用鋼為主，由于省內(nèi)城市化進(jìn)程加快，每年建筑用鋼的缺口在500萬噸以上。因此四川省鋼鐵市場是一個純輸入型的，鋼材需求旺盛。綜上，釩鈦鋼鐵不同于全國壓減鋼鐵產(chǎn)能的大趨勢，增加四川省的釩鈦鋼鐵產(chǎn)能是必然的選擇。

1.2 釩鈦鋼鐵生產(chǎn)特殊性

鋼鐵行業(yè)大致分為長流程和短流程兩種工藝。短流程相比長流程煉鋼擁有四大優(yōu)勢。第一，投資總額省，約為長流程煉鋼的1/3～1/2；第二，建設(shè)周期短，短流程煉鋼新建生產(chǎn)線建設(shè)周期比長流程新建生產(chǎn)線的建設(shè)周期短一半以上；第三，短流程比長流程節(jié)省75%的能源消耗；第四，排放省。有研究表明，使用廢鋼的電爐短流程相較于長流程噸鋼可減少2/3 的CO2排放。按照國家規(guī)劃，到2025年短流程比例要達(dá)到20%以上。四川省擁有豐富的水電資源，結(jié)合四川省的特殊外部環(huán)境和內(nèi)部需求，現(xiàn)有短流程比例以達(dá)到30%。綜上，相比國內(nèi)其他省市，四川省的長短流程的比例更為合理。

1.3 釩鈦鋼鐵能源特殊性

四川省的水能資源約占75%，煤炭資源約占23.5%，天然氣及石油資源約占1.5%。四川省鋼鐵企業(yè)除去必要用煤的工序，在電能使用方面，特別是電爐煉鋼工序使用的電能，75%以上是清潔的水電。省內(nèi)鋼鐵企業(yè)的能源結(jié)構(gòu)相對合理。

2 四川釩鈦鋼鐵“碳達(dá)峰”面臨的主要挑戰(zhàn)

2.1 碳達(dá)峰與行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)矛盾

四川釩鈦磁鐵礦中鐵的品位低，硫含量高，焦鐵比高，導(dǎo)致了生產(chǎn)過程中SO2和CO2的排放量相比普通磁鐵礦都要高上不少。根據(jù)李建等[12]人的研究發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)礦中TiO2含量在0.17%～2.38%，隨著燒結(jié)礦礦中TiO2含量每增加1個百分點(diǎn)，高爐鐵水產(chǎn)量預(yù)計降低3.04%，焦鐵比增加 11.01 kg/t。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全國高爐評價焦鐵比為 361.3 kg/t[13]，而四川釩鈦鋼鐵高爐焦鐵比大多處于 430 kg/t～500 kg/t[14]，這意味著以釩鈦鐵礦石的高爐每噸排放CO2的量要增加約0.2噸。

按照四川省工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃，釩鈦鋼鐵作為先進(jìn)材料產(chǎn)業(yè)，計劃到2022年產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到1.1萬億元[6]。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，四川省釩鈦鋼鐵產(chǎn)能在現(xiàn)有情況下，需要擬再新增1000萬t/a。意味著，流程大約還要增加CO2排放量2200萬t/a，約占四川現(xiàn)有鋼鐵行業(yè)排放量的40%。巨大的發(fā)展需求和碳達(dá)峰的現(xiàn)實(shí)壓力存在較大的沖突和矛盾。

2.2 能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和工藝節(jié)能的潛力較小

由于釩鈦磁鐵礦本身品位低，在鐵礦石選礦階段和鐵水煉鋼階段需要處理出鈦精礦以及釩渣，在煉鐵工序中增加了一級提釩工藝[2]。釩渣可進(jìn)一步根據(jù)需要加工為五氧化二釩或釩鐵，增加了能源消耗，同時由于礦石中含鈦量較高，導(dǎo)致較普通鐵礦相比，高爐的焦鐵比更高。由于煉鐵過程中能耗水平的顯著增加，導(dǎo)致從工藝生產(chǎn)的特點(diǎn)決定了釩鈦鋼鐵生產(chǎn)過程能耗較普通鐵礦高，而四川省現(xiàn)有釩鈦鋼鐵行業(yè)外供電以清潔的水電為主，因此在理論上，釩鈦鋼鐵可供節(jié)能降耗的空間有限。

3 四川釩鈦鋼鐵“碳達(dá)峰”路線和建議

3.1 發(fā)揮優(yōu)勢，統(tǒng)籌考慮釩鈦產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略

經(jīng)上文分析可知，應(yīng)適度發(fā)展釩鈦鋼鐵產(chǎn)業(yè)，發(fā)揮釩鈦產(chǎn)品的優(yōu)勢，調(diào)整鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，增加含釩、含鈦鋼材的產(chǎn)量。結(jié)合廢鋼資源量，統(tǒng)籌考慮長短流程比例，短流程鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)不易過快增長。

3.2 引入智能管理，提高生產(chǎn)效率，降低能耗

在鋼鐵行業(yè)中，智能管理可以應(yīng)用在生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，以提高生產(chǎn)效率，減少廢氣產(chǎn)生。比如，在轉(zhuǎn)爐，智能管理著重于端點(diǎn)控制技術(shù)、爐氣分析和聲吶排渣等；在電弧爐，引入智能管理可以有效控制電源；在鑄造方面，智能管理著重于鋼包渣檢測系統(tǒng)以及節(jié)能熄火等；在車間，通過大數(shù)據(jù)信息化管理可以有效控制鐵水穩(wěn)定，鋼鐵標(biāo)簽跟蹤以及智能控制鑄造機(jī)等使用[15-16]。引入大數(shù)據(jù)管理，可以有助于將減少煉鋼損失，降低能源消耗。

3.3 優(yōu)化工藝流程，提高循環(huán)利用率

由于釩鈦磁鐵礦的資源稟賦及冶煉特點(diǎn)，可以通過改進(jìn)材料處理系統(tǒng)，優(yōu)化爐子設(shè)計和容易控制等方式來優(yōu)化工藝流程。研究表明，通過優(yōu)化工藝流程，改進(jìn)工藝技術(shù)可以有效減排40%～45%，并且在鋼鐵工藝流程中，有30%～50%的余熱可以進(jìn)行循環(huán)使用[17]。

3.4 大力開發(fā)實(shí)施超低排放技術(shù)，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展

1)CO2捕集利用與封存技術(shù)。CO2捕集利用與封存(CCUS)是指將CO2從工業(yè)過程、能源利用或大氣中分離出來，直接加以利用或注入地層以實(shí)現(xiàn)CO2永久減排的過程。CCUS按技術(shù)流程分為捕集、輸送、利用與封存等，可以應(yīng)用到鋼鐵大部分生產(chǎn)流程中[18]。

CO2利用：由于CO2的運(yùn)輸和儲存涉及基礎(chǔ)設(shè)施、儲存條件等復(fù)雜因素，因此直接利用捕集后的CO2是一種有效且相對方便的方法。在鋼鐵行業(yè)中，利用CO2的方面有：將CO2用于混合鋼包中的鋼水，可以有助于除去爐內(nèi)的雜質(zhì)降低爐渣中的鐵的損失，并提高脫磷率，但由于CO2具有氧化腐蝕性，設(shè)備的使用壽命可能會降低；將CO2用于煉鋼過程中，在高溫下CO2與Fe、P、Si反應(yīng)，這有助于減少氧氣與鐵水直接反應(yīng)造成的揮發(fā)和氧化；將CO2替代N2作為保護(hù)氣體，由于CO2的物理和化學(xué)性質(zhì)決定了其可以代替N2作為煉鋼的保護(hù)氣體，這有助于降低成品鋼中的氮含量和孔隙率，從而很大程度上減少鋼材的損失[19]。

CO2運(yùn)輸：捕集的CO2運(yùn)送到可利用或封存場地的過程。根據(jù)運(yùn)輸方式的不同，分為罐車運(yùn)輸、船舶運(yùn)輸和管道運(yùn)輸，其中罐車運(yùn)輸包括汽車運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸兩種方式。

CO2儲存：通過工程技術(shù)手段將捕集的CO2注入深部地質(zhì)儲層，實(shí)現(xiàn)CO2與大氣長期隔絕的過程。按照封存位置不同，可分為陸地封存和海洋封存；按照地質(zhì)封存體的不同，可分為咸水層封存、枯竭油氣藏封存等。有研究表明，鋼鐵生產(chǎn)工藝中，能用到的CO2的量只占總排放量的5%～10%,意味著絕大多數(shù)的CO2需要貯存起來。

2)全氫高爐煉鐵技術(shù)。全氫高爐煉鐵技術(shù)被認(rèn)為是鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)中最有效的減排技術(shù)之一，核心原理是在煉鋼過程中使用氫氣來替代焦炭，關(guān)鍵環(huán)節(jié)為氫氣的制造以及其直接還原鐵的工藝。目前實(shí)際應(yīng)用的氫氣有兩種，一種是由化石燃料產(chǎn)生的氫氣；另一種是通過可再生能源、廢熱以及核能產(chǎn)生的氫氣[20]。

3.5 積極探索跨行業(yè)合作

針對釩鈦鋼鐵的特殊性，應(yīng)充分考慮釩鈦戰(zhàn)略資源的利用，積極探索釩鈦鋼鐵生產(chǎn)中副產(chǎn)品的高附加值利用?！蛾P(guān)于推動鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見(征求意見稿)》指出，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)間耦合發(fā)展，構(gòu)建跨資源循環(huán)利用體系，力爭率先實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰。鋼鐵生產(chǎn)過程中，鋼鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)品，如高爐渣，可以制水泥，而蒸汽和副產(chǎn)煤氣可以用于發(fā)電[21]。

4 結(jié)語

在當(dāng)前“碳達(dá)峰”的要求下，減碳、降碳，應(yīng)對氣候變化，是中華民族對世界的鄭重承諾。釩鈦鋼鐵的長流程、高耗能特點(diǎn)，導(dǎo)致CO2的排放量高于普通磁鐵礦，這是釩鈦鋼鐵必須要面對的問題。同時，四川省良好的清潔能源利用率、合適的長短流程比例都為下一步盡快實(shí)現(xiàn)達(dá)峰提供了有力保障。四川的釩鈦鋼鐵行業(yè)需要在低碳工藝研發(fā)、全流程工藝節(jié)能、超低排放技術(shù)運(yùn)用等方面加大技術(shù)創(chuàng)新的力度和新技術(shù)的運(yùn)用。在管理上，釩鈦鋼鐵應(yīng)做好碳資產(chǎn)管理，為全行業(yè)盡快實(shí)現(xiàn)達(dá)峰和中和貢獻(xiàn)力量。