雙碳背景下耐火材料科技創(chuàng)新的思考

李紅霞

中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司 河南洛陽471039

習(xí)近平總書記在“領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會”上宣布：“中方力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！碧歼_(dá)峰是指全國溫室氣體排放達(dá)到頂峰，碳中和是指碳生產(chǎn)和碳消納的平衡，實(shí)現(xiàn)碳負(fù)荷歸零。由于中國承諾實(shí)現(xiàn)從碳達(dá)峰到碳中和的時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于發(fā)達(dá)國家所有時(shí)間，需要付出艱苦的努力。“十四五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期。按照中央決策部署，中國將重點(diǎn)聚焦在構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系、實(shí)施重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域減污降碳行動、推動綠色低碳技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大突破、完善綠色低碳政策和市場體系、倡導(dǎo)綠色低碳生活、提升生態(tài)碳匯能力等方面。基于“碳達(dá)峰”和“碳中和”的雙碳目標(biāo)，本文中主要圍繞高溫工業(yè)降碳綠色發(fā)展趨勢，指出了耐火材料科技創(chuàng)新的方向以及研究重點(diǎn)。

1 雙碳背景下耐火材料所服務(wù)的主要高溫行業(yè)的發(fā)展

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年我國制造業(yè)占GDP比重為27.2%，典型流程工業(yè)包括石化、化工、鋼鐵、有色、建材等行業(yè)總產(chǎn)值占全國企業(yè)年總產(chǎn)值的51.98%。規(guī)模龐大的流程制造業(yè)背后是巨高的碳排放，其中，基礎(chǔ)原材料工業(yè)對CO2排放的貢獻(xiàn)占比70%，因?yàn)槲覈圃爝^程中高碳排放的生鐵、粗鋼、氧化鋁、水泥、10種有色金屬以及石化和化工產(chǎn)品等產(chǎn)量連續(xù)多年位居世界第一，這也是我國單位GDP能耗是世界平均水平的130%、碳排放量占世界的28%的主要原因之一。據(jù)測算，我國單位GDP能耗要達(dá)到目前世界的平均水平，意味著每年需減少10億t標(biāo)煤的消耗，節(jié)能減碳潛力巨大［1］。因此，電力、鋼鐵、有色、化工、建材等高溫行業(yè)是我國節(jié)能降碳的重點(diǎn)領(lǐng)域，目前這些高碳排放行業(yè)已制定和推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和行動方案和技術(shù)路線圖，在碳中和與去產(chǎn)能的巨大壓力驅(qū)動下，產(chǎn)業(yè)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、科技創(chuàng)新等全面發(fā)力，其碳達(dá)峰、碳中和時(shí)間表上均超前2030年和2060年。

耐火材料是高溫工業(yè)的重要支撐，不可或缺，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科技創(chuàng)新與節(jié)能降碳重點(diǎn)高溫行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)路徑息息相關(guān)，在雙碳背景下耐火材料的發(fā)展充滿了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

2 雙碳目標(biāo)下鋼鐵行業(yè)的發(fā)展與冶金用耐火材料的科技創(chuàng)新

我國耐火材料產(chǎn)量世界第一，70%以上用于冶金行業(yè)，貫穿冶金始終。鋼鐵行業(yè)的發(fā)展、科技的創(chuàng)新與技術(shù)的進(jìn)步顯著驅(qū)動耐火材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和科技創(chuàng)新。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全國生鐵、粗鋼產(chǎn)量分別為88 752萬t和105 300萬t，分別同比增長4.3%和5.2%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國鋼鐵生產(chǎn)每年排放CO2超過19.6億t，占全國溫室氣體總排放的15%左右［1］，位居工業(yè)行業(yè)碳排放第二，鋼鐵行業(yè)的降碳壓力巨大，是減少碳排放的重點(diǎn)領(lǐng)域，其重點(diǎn)在排放占比為70%的煉鐵工序。

2021年初，中國寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司（簡稱中國寶武）率先向社會發(fā)布要提前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)［2］：以優(yōu)化管理、提升效率的路徑力爭2023年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰；以技術(shù)創(chuàng)新、優(yōu)化流程的路徑力爭2035年減碳30%；以工藝革命、流程再造的路徑力爭2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。為此，中國寶武提出了“以綠色發(fā)展為統(tǒng)領(lǐng)，以低碳冶金和智慧制造實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)過程的綠色化，以精品化實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)品使用過程的綠色化，為構(gòu)建碳中和社會作貢獻(xiàn)”的綠色低碳發(fā)展思路。

河鋼集團(tuán)有限公司在鋼鐵業(yè)內(nèi)率先發(fā)布了低碳綠色發(fā)展行動計(jì)劃［3］。2021年發(fā)布低碳冶金路線圖，2022年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2025年碳排放量較峰值降10%以上，2030年碳排放量較峰值降30%以上，2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。

鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排離不開技術(shù)創(chuàng)新。中國寶武對低碳創(chuàng)新發(fā)展進(jìn)行了探索與實(shí)踐，在非高爐煉鐵技術(shù)方面已有突破。在八一鋼鐵建設(shè)了非高爐煉鐵工藝的歐冶爐，基于COREX-3000的深入認(rèn)識與實(shí)踐，對非高爐煉鐵工藝進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)與再創(chuàng)新。2019年，八一鋼鐵430 m3高爐改建成了富氫碳循環(huán)氧氣高爐，并與歐冶爐及其他輔助配套工藝裝備一起，成為寶武低碳冶金創(chuàng)新試驗(yàn)平臺，并于2020年7月15日建成投運(yùn)，在2020年實(shí)現(xiàn)了鼓風(fēng)氧含量35%的第一階段試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，突破了傳統(tǒng)高爐的富氧冶煉極限。河鋼集團(tuán)有限公司大力實(shí)施氫冶金技術(shù)，率先在河北張家口建成全球首例120萬t氫冶金示范工程生產(chǎn)線，從制備綠色能源、低成本制氫、焦?fàn)t煤氣凈化、氫冶金、二氧化碳脫除等流程進(jìn)行創(chuàng)新，解決鋼鐵冶金過程產(chǎn)生的環(huán)境污染和碳排放問題；“十四五”期間，在唐山、邯鄲分別建設(shè)120萬t產(chǎn)線，打造氫能還原與利用研發(fā)平臺；加快二氧化碳捕集利用與封存技術(shù)（CCUS）研發(fā)示范與應(yīng)用；加快推進(jìn)仿地幔鐵浴熔池技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。

煉鐵是鋼鐵行業(yè)突破節(jié)能減碳的關(guān)鍵工序。在非焦煉鐵方面，北京科技大學(xué)和建龍集團(tuán)提出氫基熔融還原煉鐵新技術(shù)（CISP），避免燒結(jié)與焦化工序，實(shí)現(xiàn)粉礦直接入爐，該工藝對于礦粉的適應(yīng)性強(qiáng)，可以處理高磷礦、釩鈦礦等。毛新平院士［4］曾在《碳中和背景下的近終形制造技術(shù)》報(bào)告中介紹到，2016年奧鋼聯(lián)提出了用氫離子進(jìn)行最終還原精煉的SuSteel項(xiàng)目，即采用等離子氫作為燃料和還原劑實(shí)現(xiàn)鐵礦石直接煉鋼，可連續(xù)生產(chǎn)粗鋼，不需要傳統(tǒng)的煉鋼工序，該工藝涉及的技術(shù)包括氫等離子體焰炬熔煉爐、尾氣預(yù)熱和預(yù)還原鐵礦石。目前非焦煉鐵新技術(shù)的研究是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，主要有高比例球團(tuán)高爐煉鐵、全氧富氫高爐低碳煉鐵、氣基豎爐富氫直接還原煉鐵、基于低階煤的富氫直接還原煉鐵、氫基熔融還原煉鐵，以及生物質(zhì)煉鐵技術(shù)的研究。

此外，中國鋼鐵生產(chǎn)中CO2排放比長流程少45%的電爐短流程占比不到10%，遠(yuǎn)低于美國62%、歐盟39%、日本22%的發(fā)展水平，也低于全球25.2%的平均水平。中國積蓄廢鋼資源量的不斷增長為發(fā)展短流程電爐煉鋼提供了有利條件，有序推進(jìn)中國電爐煉鋼發(fā)展已成為業(yè)內(nèi)共識。煉鋼新技術(shù)包括電爐煉鋼、CO2替代N2Ar轉(zhuǎn)爐底吹技術(shù)循環(huán)［5］及跨行業(yè)聯(lián)產(chǎn)技術(shù)和近終形鑄軋綠色低碳技術(shù)。

綜上所述，鋼鐵行業(yè)在如何減少CO2排放方面，主要聚焦于以下關(guān)鍵低碳冶金技術(shù)：一是尋求CO2在長流程鋼鐵工序內(nèi)的規(guī)?；晕蚁?］；二是變革鋼鐵制造流程，發(fā)展短流程電爐煉鋼及近終形鑄軋技術(shù)；三是采用非化石氫冶金從源頭減少CO2排放；四是冶金—煤化工耦合冶煉直接還原鐵，探索煉鐵生產(chǎn)過程的負(fù)碳排放；五是研發(fā)高品質(zhì)鋼鐵材料，提高壽命，減少資源消耗；六是能源替代和智慧制造，提高用能效率，降低排放。

因此，圍繞鋼鐵行業(yè)減污降碳、高質(zhì)量綠色發(fā)展，耐火材料要重點(diǎn)開展以下內(nèi)容：

（1）非高爐煉鐵用長壽命耐火材料的研究。關(guān)注非化石氫冶金，包括氣基豎爐還原和氫基熔融還原煉鐵、全氧富氫高爐低碳煉鐵、生物質(zhì)煉鐵等技術(shù)，研究氫冶金用長壽命耐火材料，熔融還原煉鐵用長壽命耐火材料等關(guān)鍵材料。

（2）轉(zhuǎn)爐、電爐及精煉新技術(shù)用綠色功能化耐火材料的研究。轉(zhuǎn)爐底吹可以有效降低碳氧積，提高鋼水純凈度，但導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐底部耐火材料損壞嚴(yán)重，尤其是底吹粉時(shí)壽命還不足2 000爐。高品質(zhì)鋼生產(chǎn)的煉鋼新技術(shù)使耐火材料的服役環(huán)境更極端和復(fù)雜，包括更高的溫度，熔渣、熔融金屬及氣體的侵蝕，機(jī)械磨損，更劇烈的熱沖擊，更高的壓力和高溫真空。這些苛刻的服役環(huán)境向耐火材料工作者發(fā)出了挑戰(zhàn)。

（3）高品質(zhì)鋼高效連鑄用耐火材料的研究。目前在澆鑄高品質(zhì)鋼時(shí)存在的問題包括增碳問題（超低碳鋼），非金屬夾雜物問題，特別是簾線鋼、軸承鋼、稀土鋼等高品質(zhì)鋼的問題更加嚴(yán)重；連鑄效率低，特別是合金元素如Mn、B、Ti、稀土等過多導(dǎo)致功能耐火材料蝕損壽命降低；澆鑄含Ti、Al、稀土鋼時(shí)浸入式水口堵塞，影響鋼的質(zhì)量；高品質(zhì)高溫合金生產(chǎn)用系列高性能耐火材料等。

（4）近終形連鑄用高品質(zhì)耐火材料的研究。ESP、薄帶連鑄、非晶薄帶材生產(chǎn)用關(guān)鍵功能耐火材料，如浸入式水口、布流水口、側(cè)封板、噴嘴等。

（5）冶金高溫裝置熱管理用系列高性能節(jié)能耐火材料的研究。

（6）用后耐火材料及冶金渣的高值化利用。

3 耐火材料行業(yè)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

與雙碳目標(biāo)、綠色發(fā)展、智慧制造、發(fā)展與安全等相關(guān)的系列政策將進(jìn)一步驅(qū)動高溫工業(yè)科技創(chuàng)新，催生變革性高溫新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，這將極大地推動耐火材料的科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革。此外，材料全生命周期碳足跡的核算，低碳綠色標(biāo)準(zhǔn)的建立，將使耐火材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)也將更充滿機(jī)遇和活力。但總體來講，隨著高溫工業(yè)碳達(dá)峰目標(biāo)實(shí)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新，耐火材料發(fā)展總的趨勢是量降質(zhì)增。

從雙碳目標(biāo)、低碳綠色高質(zhì)量發(fā)展角度看，我國耐火材料產(chǎn)業(yè)存在著一些突出的問題。首先是耐火原料出口多，我國耐火原料出口在世界占比高，各品級鎂砂、碳化硅、棕剛玉、白剛玉等碳排放量很高；我國耐火材料產(chǎn)量第一，其中不定形耐火材料占比低，高能耗的普通硅磚出口量大，綠色高品質(zhì)材料占比較低，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化；耐火材料制造以天然氣等化石能源為主，碳排放高；耐火材料制造過程能效與余熱廢熱利用率需要進(jìn)一步提高；用后耐火材料再資源化利用率需要進(jìn)一步提高。

在碳中和及所服務(wù)高溫行業(yè)新技術(shù)快速發(fā)展的背景下，耐火材料行業(yè)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。碳達(dá)峰、碳中和不僅是技術(shù)的選擇，更是發(fā)展權(quán)、發(fā)展方式的變革，因此耐火材料產(chǎn)業(yè)必須貫徹節(jié)能減排、低碳綠色等新發(fā)展理念，堅(jiān)持供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，研究原料去碳化、能源減／脫碳化、生產(chǎn)制造流程減碳化、進(jìn)一步提高能效、提高碳匯能力等。雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，政策法規(guī)脫碳化會逐漸加強(qiáng)，脫碳化立法，碳配額、碳交易、碳稅、碳負(fù)面清單、碳規(guī)劃等對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在短期內(nèi)從某種意義上將強(qiáng)過科技的進(jìn)步，需要行業(yè)高度重視。

耐火材料行業(yè)要實(shí)現(xiàn)低碳排放、碳中和，還需要深度調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局與結(jié)構(gòu)，不僅要靠近原料更要靠近市場，淘汰落后產(chǎn)能和高能耗裝備；發(fā)展低碳排放的可替代原料；開發(fā)高性能材料，提高壽命與功能，以減少資源和能源消耗；發(fā)展節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)，使用非化石清潔能源，提高能源效率；優(yōu)化流程，推動智慧制造與綠色制造；抑制初加工原料、低端產(chǎn)品等高碳排放原材料的出口；發(fā)展碳吸收、碳消納的技術(shù)。

4 耐火材料行業(yè)科技創(chuàng)新的方向

圍繞鋼鐵行業(yè)產(chǎn)品高端化、智能化制造的高質(zhì)量減碳綠色發(fā)展，耐火材料科技創(chuàng)新應(yīng)聚焦減量化，開發(fā)高性能、長壽化、輕量化的產(chǎn)品；聚焦功能化，開發(fā)利于高品質(zhì)鋼生產(chǎn)及提高高溫工業(yè)的能效的材料；聚焦綠色環(huán)保，開發(fā)減污降碳、環(huán)境友好、生態(tài)化、可循環(huán)利用的耐火材料；聚焦材料部件化，提高耐火材料在線檢測和智能化水平。耐火材料科技應(yīng)從材料組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備技術(shù)與材料應(yīng)用工程等方面思考。

一是原料的減碳化研究。要創(chuàng)新耐火原料制備流程，發(fā)展低碳排放的可替代原料；發(fā)展基于產(chǎn)物氣循環(huán)利用菱鎂礦、白云石礦的綠色煅燒和CO2富集與利用技術(shù)；發(fā)展低碳排放的新型加熱技術(shù)，提高原料制備效率；開展輕質(zhì)高強(qiáng)微孔骨料、燒結(jié)原料替代電熔原料的系統(tǒng)研究；發(fā)展新型綠色無機(jī)結(jié)合劑，替代酚醛樹脂、瀝青等碳排放高的有機(jī)結(jié)合劑；發(fā)展綠色添加劑、減水劑等表面活性劑；基于循環(huán)利用的原料價(jià)值鏈創(chuàng)新，提高用后耐火材料的高質(zhì)量循環(huán)利用比例；聚焦提高低品質(zhì)原料綜合利用率；發(fā)展冶金渣等固廢替代耐火原料技術(shù)。

二是先進(jìn)高溫材料的研究與材料部件化研究。開展結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)，開展從納米到毫米的跨尺度材料復(fù)合、梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合、層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合、表面改性等研究，實(shí)現(xiàn)材料的高溫力學(xué)性能、熱物理性、功能性最優(yōu)化調(diào)控；研究新型加熱技術(shù)用長壽命結(jié)構(gòu)功能一體化高溫高透波長壽命爐襯材料、等離子加熱用高性能長壽命爐襯材料；垃圾焚燒及工業(yè)危廢無害化處理裝備用耐火材料；發(fā)展節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)高性能長壽命綠色高溫隔熱材料，提高能源效率；聚焦新能源領(lǐng)域用結(jié)構(gòu)／功能新材料，研究高效、長壽、綠色煤氣化用新型耐火材料，燃?xì)廨啓C(jī)用新型高抗熱震及高隔熱功能耐火材料；跨專業(yè)開展多學(xué)科交叉的創(chuàng)新，融合材料、高溫傳感器、雷達(dá)監(jiān)視與計(jì)算模擬等，使高溫材料模塊化、部件化，實(shí)現(xiàn)耐火材料服役在線監(jiān)控和服役壽命的最大化。

三是耐火材料評價(jià)與方法創(chuàng)新。耐火材料在高溫復(fù)雜服役環(huán)境下，熱、力與侵蝕介質(zhì)耦合作用機(jī)制研究，建立服役失效模型和數(shù)據(jù)庫，開展服役壽命與服役行為預(yù)測的研究，為不同環(huán)境用新型高效耐火材料的研發(fā)提供依據(jù)；開展耐火材料關(guān)鍵性能如抗熱震性、抗?jié)B透性、抗侵蝕性、功能性等協(xié)同提升研究，基于材料化學(xué)與物理的組成與結(jié)構(gòu)調(diào)控，梯度材料設(shè)計(jì)、微結(jié)構(gòu)調(diào)控，結(jié)合熱力學(xué)模擬計(jì)算復(fù)合材料基因工程，進(jìn)行新的高性能材料的設(shè)計(jì)與制備，并與實(shí)驗(yàn)室高溫模擬驗(yàn)證相結(jié)合，為研發(fā)服役行為優(yōu)良、長壽且可靠的系列綠色耐火材料提供基礎(chǔ)。

四是制備技術(shù)減碳化發(fā)展。開展含骨料復(fù)雜形狀耐火材料均勻成型研究及近終形制備，以解決耐火材料結(jié)構(gòu)功能化、輕量化、復(fù)雜形狀材料制備的關(guān)鍵共性技術(shù)；研發(fā)定形制品成型新裝備，提高效率減少能耗；研發(fā)燒結(jié)新技術(shù)新裝備，如采用微波燒結(jié)技術(shù)、等離子燒結(jié)等新技術(shù)；耐火材料制造流程的優(yōu)化，減少工序能耗及工序界面熱損，推進(jìn)智慧制造。

五是做好減碳基礎(chǔ)設(shè)施研究。耐火材料生命周期評估（LCA）法、碳足跡噸CO2排放的計(jì)算；企業(yè)碳排放核算與核查；核定行業(yè)碳排放總量；碳市場機(jī)制與碳管理；碳排放核算標(biāo)準(zhǔn)等行業(yè)低碳發(fā)展系列標(biāo)準(zhǔn)的制定等。這些均是提高用能效率、低碳綠色發(fā)展的基礎(chǔ)性工作，也是進(jìn)入所服務(wù)行業(yè)的綠色通行證，對推動低碳技術(shù)發(fā)展和規(guī)范市場秩序具有主要作用。這些基礎(chǔ)工作都在聚焦一個“立”字，在實(shí)現(xiàn)耐火材料全生命周期的綠色化、促進(jìn)高溫行業(yè)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)中將發(fā)揮重要作用。