淺析碳中和背景下鋼鐵行業(yè)的超低排放及低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展前景

張綿綿，李沛，尚曉磊，康全影

（1.白洋淀流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心， 河北保定 071000； 2.河北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心， 河北石家莊 050000； 3.河北省生態(tài)環(huán)境保護技術(shù)服務(wù)中心， 河北石家莊 050000； 4.河北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院， 河北石家莊 050000）

隨著全球變暖趨勢加劇，應(yīng)對氣候變化已成為亟需全世界共同合作解決的緊迫問題。當(dāng)前，世界各國達成合作協(xié)議共同治理溫室氣體排放。歐盟、美國等一百多個國家制定明確行動計劃和減排政策，承諾在2050年實現(xiàn)碳中和。我國積極參與國際社會碳中和戰(zhàn)略，立足“多煤少油缺氣”能源實際，研究制定適合國家碳達峰碳中和可行方案，持續(xù)探索優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)；根據(jù)“十四五規(guī)劃和2035 遠景目標(biāo)”的要求，我國設(shè)定目標(biāo)力爭在2060 年前實現(xiàn)碳中和。高碳排放行業(yè)中鋼鐵行業(yè)由于生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要來自化石原料［1］，又以直接排放結(jié)構(gòu)為主，成為在節(jié)能降碳中屬于較難減排的重工業(yè)行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，目前中國二氧化碳排放量中鋼鐵行業(yè)約占15%，因此，鋼鐵行業(yè)的降碳減排對實現(xiàn)碳中和具有重要意義。

1 鋼鐵行業(yè)的發(fā)展歷史

鋼鐵行業(yè)是我國工業(yè)的支柱性行業(yè)，產(chǎn)量已經(jīng)成為世界第一。從發(fā)展歷史階段來看，中國鋼鐵行業(yè)經(jīng)歷了2000年-2013年的迅速增長期、2014年-2017年的低谷期、2018年-2020年的回彈期，粗鋼產(chǎn)量和碳排放量目前仍處于未絕對達峰的階段［1］。從鋼鐵產(chǎn)業(yè)布局來看，主要分布在京津冀及周邊地區(qū)、長三角地區(qū)、汾渭平原等地，地理位置上呈東多西少、北重南輕分布特點，區(qū)域分布主要集中在華北地區(qū)和中東部地區(qū)，受鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)影響這些地區(qū)的大氣污染情況相較嚴重。從污染物排放量來看，鋼鐵行業(yè)在生產(chǎn)的過程之中使用了大量的化石燃料，在排放的污染物中包括了氮化物、硫化物以及碳化物氣體。由于需求量大，生產(chǎn)企業(yè)排污設(shè)備配置不完整，政府部門缺少對鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)情況和污染排放的監(jiān)督治理，形成了最初的粗狂式排放模式，導(dǎo)致整個行業(yè)的碳排放量位居前列。自2014年開始，火電行業(yè)實施節(jié)能減排升級和超低排放改造行動以后，其行業(yè)污染情況得到明顯改善，而鋼鐵行業(yè)盡管采取了一系列節(jié)能減排、環(huán)境治理措施，因其產(chǎn)量較高、產(chǎn)能巨大，排放量下降幅度較小，經(jīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，鋼鐵行業(yè)的污染排放已經(jīng)成為大氣環(huán)境污染的主要來源［2］。

2 國家對鋼鐵行業(yè)改造要求

在碳達峰碳中和背景要求下，鋼鐵行業(yè)在2018年第一次提出要開展超低排放改造，2019年印發(fā)《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》（以下簡稱《意見》），提出分階段完成鋼鐵企業(yè)的超低排放改造，其中要求在2020年底前實現(xiàn)重點區(qū)域60%左右產(chǎn)能的改造；在2025年底前實現(xiàn)重點區(qū)域80%左右產(chǎn)能的改造［3］。國家對鋼鐵行業(yè)深度治理持續(xù)開展實施計劃，在多污染物協(xié)同控制技術(shù)及其工藝流程的技術(shù)要素基礎(chǔ)上，研究并制定出了具有針對性的技術(shù)改造思路。以首鋼遷安鋼鐵公司為例，結(jié)合世界上現(xiàn)有煙氣治理技術(shù)，對整體環(huán)節(jié)進行改造，包括有組織排放治理、無組織排放管控和清潔運輸過程，主要采取高爐煤氣一體化技術(shù)、燒結(jié)和球團焙燒煙氣治理技術(shù)、顆粒物超低排放治理技術(shù)等，經(jīng)過全流程超低排放治理，污染物排放基本實現(xiàn)“近零化”［4］。根據(jù)統(tǒng)計推算，2025年，鋼鐵行業(yè)在完成了改造之后，二氧化硫的排放量將削減61%、氮氧化物的排放量將能夠減少59%、顆粒物排放量將能夠減少81%［5-7］。

3 鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型技術(shù)

3.1 氫能煉鋼技術(shù)

氫能煉鋼技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到成熟的工業(yè)生產(chǎn)方案中，核心技術(shù)是直接還原煉鐵技術(shù)，發(fā)展已相對成熟，在碳中和背景下，此技術(shù)被采用的前景廣闊。其化學(xué)反應(yīng)式為：

技術(shù)優(yōu)點是氫能煉鋼發(fā)展較早，技術(shù)成熟，其中瑞典鋼鐵、薩爾茨吉特和奧鋼聯(lián)的項目是較為成功的應(yīng)用例子［8］。2021年7月HYBRIT項目生產(chǎn)出了世界第一批氫還原鐵，生鐵生產(chǎn)過程中使用無化石電力制成的氫氣直接還原技術(shù)代替煤和焦炭，比傳統(tǒng)工藝減少約90%的碳排放。但是氫能煉鋼也存在劣勢，主要是制氫成本高昂，儲氫技術(shù)難以突破。目前，大部分采用電解水技術(shù)制備氫氣，鋼鐵行業(yè)通過與電力公司合作控制耗電成本。市場上主流制氫方法有電解水、水煤氣等方法，根據(jù)當(dāng)前中國氫能市場的價格(每噸為6萬元人民幣或者是7800歐元)，如果使用氫能煉鐵工藝，那么其成本會比傳統(tǒng)高爐冶煉工藝高出至少五倍以上。同時氫的高密度儲存一直是一個世界級的難題?；诖耍_發(fā)應(yīng)用高溫氣冷堆工藝制備氫氣，與氫能煉鋼工藝相結(jié)合，實踐證明對于實現(xiàn)深度的減排有著非常重要的作用。

3.2 碳捕集與封存技術(shù)（CCS技術(shù)）

碳捕集與封存技術(shù)原理是利用碳捕捉技術(shù)，將生產(chǎn)過程產(chǎn)生的二氧化碳分離出來，然后通過碳儲存手段，將所收集到的二氧化碳輸送到海底，并進行封存，或者是輸送到大地等氣體和大氣隔絕的地方進行封存。CCS技術(shù)能大幅降低二氧化碳排放，被世界各國廣泛接受，認為是最有潛力實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。美國、加拿大、英國、挪威、韓國等都參與了CCS示范項目，實際運行經(jīng)驗豐富［9-11］。我國雖然在CCS技術(shù)上起步較晚，但對該技術(shù)高度重視，出臺政策文件給予支持，使得近幾年在技術(shù)研究和示范項目上取得了一定成果。徐婷［12］等人，利用CCS技術(shù)發(fā)現(xiàn)二氧化碳驅(qū)油能封存約50～60億噸二氧化碳，同時可以提高油田的采收率；中石油EOR項目永久封存二氧化碳的示范項目也取得很好效果。

技術(shù)優(yōu)點是碳捕獲量大，可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)大量的二氧化碳減排任務(wù)。研究表明，將CCS技術(shù)納入鋼鐵生產(chǎn)全工藝全流程，可將全球變暖潛能降低47.98-75.74%［9-10］。鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用碳捕集能力，以捕獲率90%的情況下計算，碳捕集項目每天可以捕集1.4億噸二氧化碳，對鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型具有重要意義。但是由于成本較高,在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用還處于初步調(diào)試階段。

3.3 生物質(zhì)煉鋼技術(shù)

生物質(zhì)能作為一種重要的可再生能源，被廣泛開發(fā)利用到各行各業(yè)，尤其在生態(tài)環(huán)境問題和能源問題方面具有重要應(yīng)用前景［13］。生物質(zhì)能煉鋼技術(shù)本質(zhì)是以生物質(zhì)為載體的生產(chǎn)技術(shù)，其生成過程如下：

作為一種清潔的可再生能源，生物質(zhì)能的分布廣，并且產(chǎn)量大，同時還具備了污染物排放低與減排二氧化碳等諸多優(yōu)點，將其運用到鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)中，不僅能有效減少污染物的排放量，還可以起到節(jié)約化石能源，緩解能源危機的效果，對推動鋼鐵行業(yè)碳中和目標(biāo)具有顯著技術(shù)優(yōu)勢。伴隨著碳達峰、碳中和目標(biāo)的提出，國內(nèi)外專家已經(jīng)將采用生物質(zhì)能替代化石能源應(yīng)用到鋼鐵行業(yè)中的研究作為了研究的重要關(guān)注點，相比國內(nèi)，國外在該領(lǐng)域的研究應(yīng)用更為成熟［14］。其中，日本的研究較為深入，主要是在生物質(zhì)能的運用上，通過生物質(zhì)燃料來生產(chǎn)生物炭，并將生物炭應(yīng)用到高爐煉鐵等行業(yè)之中，并通過實驗證明了生物炭無論在燒結(jié)礦產(chǎn)率還是在產(chǎn)量上，都和使用無煙煤和焦炭時基本相同。加拿大在生物質(zhì)煉鐵工藝試驗中對生產(chǎn)過程的可行性進行試驗研究，并對該項技術(shù)應(yīng)用前景進行綜合評價，同時還開展了生物燃料在鋼鐵行業(yè)之中的應(yīng)用研究，并且實現(xiàn)了在高爐煉鐵的過程中通過生物炭來替代部分化石燃料。在國內(nèi)，對生物質(zhì)能在鋼鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用研究較少，研究實驗中發(fā)現(xiàn)采用廢木料作為生物質(zhì)原料，在最優(yōu)碳化溫度、保溫條件下，一般作為發(fā)熱劑和還原劑參與煉鐵工藝反應(yīng)。有研究將CCS技術(shù)和生物質(zhì)能結(jié)合使用，研發(fā)生物能源與碳捕獲和儲存(BECCS)技術(shù)［15］，其原理是在具備生物燃料和生物加工行業(yè)的發(fā)電廠，通過CCS技術(shù)達到節(jié)能降碳的目的，技術(shù)要點也包括了碳和生物儲存這兩個關(guān)鍵技術(shù)。

4 總結(jié)與展望

本文對國內(nèi)外鋼鐵行業(yè)超低排放改造、低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢及國內(nèi)降碳減排技術(shù)應(yīng)用前景進行分析，得出如下結(jié)論：

（1）鋼鐵行業(yè)已進入全國碳排放權(quán)交易市場，鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排行動對于我國應(yīng)對氣候變化至關(guān)重要,也是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)和我國鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保證,突破性的低碳技術(shù)是推動節(jié)能減排的重要途徑。

（2）在生鐵和粗鋼生產(chǎn)過程中，以上技術(shù)方法是實現(xiàn)二氧化碳深度減排的重要技術(shù)關(guān)鍵點，但這些技術(shù)目前成本都比較高。

（3）隨著國內(nèi)外生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，建議國內(nèi)鋼鐵行業(yè)加大科研成果轉(zhuǎn)化和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，力爭在實現(xiàn)低碳化創(chuàng)新技術(shù)上尋求突破，以先進可行的節(jié)能減排技術(shù)助力鋼鐵行業(yè)發(fā)展。