國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)碳減排技術(shù)進(jìn)展

周志梭　王開(kāi)建

摘要：在全球碳中和背景下，綠色低碳發(fā)展已成為鋼鐵行業(yè)發(fā)展的必由之路，本文通過(guò)分析近年來(lái)國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)碳減排相關(guān)技術(shù)及進(jìn)展，為我國(guó)鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼鐵行業(yè)；綠色低碳；碳排放；CO2

0 引言

鋼鐵行業(yè)“十四五”期間面臨提前碳達(dá)峰的壓力，2021年以來(lái)，中國(guó)寶武、河鋼、鞍鋼、包鋼等特大型鋼企陸續(xù)發(fā)布碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，2025年之前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2030年左右降碳30%。

在目前的工藝技術(shù)中，成熟度高、實(shí)用性強(qiáng)的低碳冶金技術(shù)有電弧爐煉鋼、球團(tuán)制造、直接還原鐵（DRI）、節(jié)能降耗等。此外，中國(guó)寶武、河鋼、酒鋼等企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)也相繼開(kāi)展了低碳冶金或氫冶金的試驗(yàn)探索和工程研究工作，如氫-氧高爐、全氧高爐、焦?fàn)t煤氣-合成氣豎爐直接還原，以及基于HIsmelt鐵浴法的熔融還原工藝裝置等，都在開(kāi)展工業(yè)化應(yīng)用的前期試驗(yàn)或者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化初步應(yīng)用。

1 低碳冶金技術(shù)及進(jìn)展

1.1 電弧爐煉鋼

電弧爐是一種利用電弧熱效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⑼ㄟ^(guò)輻射和電弧直接作用加熱并熔化金屬的設(shè)備；電弧爐煉鋼在環(huán)保、投資以及效率上占據(jù)諸多優(yōu)勢(shì)。根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會(huì)的研究，電弧爐短流程總能耗為2 104 kWh/t鋼，高爐長(zhǎng)流程總能耗為5 122 kWh/t鋼；電弧爐短流程電耗為

1 561 kWh/t鋼，高爐長(zhǎng)流程電耗為972 kWh/t鋼；整體來(lái)看，電弧爐短流程工藝的能耗強(qiáng)度低。

電弧爐煉鋼在“節(jié)能降耗”的思想指導(dǎo)下，開(kāi)發(fā)了諸多高效化冶煉、綠色化生產(chǎn)和智能化控制方面的技術(shù)，如電弧爐爐容大型化、超高功率供電技術(shù)、電弧爐煉鋼復(fù)合吹煉技術(shù)、熱裝鐵水技術(shù)、iRecovery余熱回收技術(shù)、焦炭替代技術(shù)（使用可替代燃料，如橡膠輪胎和塑料制品等）、廢鋼預(yù)熱-連續(xù)加料技術(shù)、電極智能調(diào)節(jié)控制技術(shù)、電弧爐智能化取樣測(cè)溫、泡沫渣智能化監(jiān)測(cè)與控制、電弧爐煉鋼過(guò)程整體智能控制等。

1.2 球團(tuán)制造

相比目前國(guó)內(nèi)主流礦物加工工藝——燒結(jié)，球團(tuán)在制造環(huán)節(jié)上具有工序能耗低、污染物排放少、節(jié)能減排效果好等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，在高爐冶煉中，增加球團(tuán)比能夠?qū)崿F(xiàn)低渣比、高煤氣利用率、低燃料比，推動(dòng)高爐冶煉綠色指標(biāo)改善。有研究表明，帶式焙燒機(jī)使用富氫焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)球團(tuán)礦時(shí)，噸礦CO2排放量?jī)H為60 kg/t；而采用碳素固體燃料為主生產(chǎn)燒結(jié)礦時(shí)，噸礦CO2排放量約為155 kg/t。因此，發(fā)展球團(tuán)工藝、提高球團(tuán)礦入爐比率，非常有利于降低鐵前系統(tǒng)的CO2排放。在全球鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和大背景下，球團(tuán)礦使用比例提升必將是大勢(shì)所趨。

近年來(lái)，武鋼、寶鋼湛江已先后投產(chǎn)單機(jī)500萬(wàn)噸/年鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線，首鋼京唐一期建設(shè)了單機(jī)400萬(wàn)噸/年帶式焙燒機(jī)，包鋼建成和順利投產(chǎn)單機(jī)500萬(wàn)噸/年帶式焙燒機(jī)。2019年，首鋼京唐二期2×400萬(wàn)噸/年帶式焙燒機(jī)也建成投入運(yùn)行。河鋼集團(tuán)樂(lè)亭基地2×500萬(wàn)噸/年帶式焙燒機(jī)、柳鋼單機(jī)400萬(wàn)噸/年帶式焙燒機(jī)、山西建邦集團(tuán)日照基地2×300萬(wàn)噸/年帶式焙燒機(jī)、福建三明鋼鐵和新疆哈密200萬(wàn)噸/

年帶式焙燒機(jī)等在建、擬建球團(tuán)生產(chǎn)線產(chǎn)能達(dá)

3 040萬(wàn)噸/年。

1.3 直接還原鐵（DRI）

直接還原煉鐵法是以氣體燃料、液體燃料或非焦煤為能源，在鐵礦石、氧化球團(tuán)或含碳球團(tuán)呈固態(tài)（即軟化溫度以下）進(jìn)行還原而獲得金屬鐵的方法。這種方法得到的金屬產(chǎn)品（DRI），由于還原過(guò)程溫度較低，脈石難以除去，含碳量低。相比傳統(tǒng)高爐，直接還原鐵不消耗焦炭、能耗低，是開(kāi)展氫冶金的工藝載體。

目前，全球還原鐵工藝模式包括氣基MIDREX、氣基HYL、煤基還原以及其他氣基模式。我國(guó)主要采用煤基直接還原鐵工藝和富氫氣基直接還原鐵工藝。其中，中晉集團(tuán)氣基直接還原鐵項(xiàng)目自主研發(fā)了“焦?fàn)t煤氣干重整還原氣”工藝，利用CO2與CH4進(jìn)行重整反應(yīng)，突破了氣基豎爐直接還原技術(shù)在我國(guó)產(chǎn)業(yè)化的瓶頸；中國(guó)寶武于2021年4月完成了氫基豎爐+電爐工藝可研方案編制，將采用可再生能源發(fā)電-高效水電解槽生產(chǎn)的綠氫，最終實(shí)現(xiàn)氫氣比例達(dá)到80%-90%；河鋼富氫氣體直接還原項(xiàng)目采用Energiron-ZR零重整技術(shù)，預(yù)計(jì)每年減碳幅度達(dá)60%。此外，目前國(guó)內(nèi)還有大量的企業(yè)正在開(kāi)展氫基豎爐非高爐煉鐵工藝研究，有的可能已經(jīng)進(jìn)入可研階段，有的剛開(kāi)始布局思考。

1.4 節(jié)能降耗

1.4.1 煉鐵工序

高爐煉鐵工序的燃料消耗水平，決定了CO2排放強(qiáng)度，盡管影響高爐煉鐵燃料消耗水平的因素眾多，個(gè)別企業(yè)因自身原因能耗水平較高，但是現(xiàn)代高爐煉鐵工藝技術(shù)已十分成熟，熱效率高達(dá)95%，靠降低工序能耗來(lái)減少CO2排放的潛力已經(jīng)很小。

高爐噴吹富氫氣體、氧氣高爐和全氧熔融還原煉鐵是鋼鐵工業(yè)過(guò)程節(jié)碳的主要技術(shù)路徑，但這些技術(shù)都沒(méi)有脫離對(duì)化石能源的依賴(lài)，對(duì)CO2排放量減少作用有限，過(guò)程節(jié)碳必須與末端用碳技術(shù)相結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)CO2減排。

1.4.2 煉鋼工序

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）和電力，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。

轉(zhuǎn)爐高廢鋼比冶煉技術(shù)（廢鋼預(yù)熱）：復(fù)吹轉(zhuǎn)爐高效冶煉技術(shù)與裝備、氧燃法廢鋼預(yù)熱技術(shù)與裝備等。

無(wú)缺陷連鑄坯關(guān)鍵技術(shù)：以連鑄坯凝固末端重壓下、微合金鋼表面裂紋控制為代表的高效連鑄關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)辟表面無(wú)缺陷、低軋制壓縮比高效生產(chǎn)高端鋼材新流程。與常規(guī)模鑄制坯相比，金屬收得率提升近15%，噸鋼節(jié)約標(biāo)煤1.32 kg；實(shí)現(xiàn)微合金鋼熱裝熱送，噸鋼節(jié)約標(biāo)煤20-30 kg；已在寶武等國(guó)內(nèi)外29條產(chǎn)線推廣應(yīng)用。

1.4.3 軋鋼工序

軋鋼工序碳排放主要來(lái)自鋼坯加熱過(guò)程煤氣燃燒（約200 m3/t）和軋制過(guò)程設(shè)備電耗（約

110 kWh/t）。

軋鋼工序節(jié)能減排涉技術(shù)主要從加熱（加熱爐、熱處理爐）、熱軋、冷軋、智能制造及其他輔助環(huán)節(jié)分析，重點(diǎn)是以節(jié)約燃料和電力使用、減少外部排放、提高能源利用效率、提高生產(chǎn)效率和成材率等為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，具體如表 3.21所示。

1.5 氫能冶金

氫能冶金工藝尚未成熟，綠氫冶金尚待時(shí)日。目前國(guó)內(nèi)部分氫能冶金技術(shù)已建成示范工程并投產(chǎn)，取得一定的創(chuàng)新突破，但示范工程尚處于工業(yè)性試驗(yàn)階段，還存在基礎(chǔ)設(shè)施不完善、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)空白、成本較高、安全用氫等問(wèn)題，而且現(xiàn)階段考慮氣源、制備、儲(chǔ)運(yùn)、成本等因素所用氫氣多數(shù)仍為“灰氫”，距離實(shí)現(xiàn)“綠氫冶金”還有很長(zhǎng)的路要走。未來(lái)還需深入研究分布式綠色能源利用、氫氣制備與存儲(chǔ)、氫冶金、CO2脫除等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，形成以氫能為核心的新型鋼鐵冶金生產(chǎn)工藝。

1.6 二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）

截至2019年底，中國(guó)共開(kāi)展了9個(gè)捕集示范項(xiàng)目、12個(gè)地質(zhì)利用與封存項(xiàng)目，其中包含10個(gè)全流程示范項(xiàng)目。不包括傳統(tǒng)化工利用，所有CCUS項(xiàng)目的累計(jì)二氧化碳封存量約為200萬(wàn)噸。捕集主要集中在煤化工行業(yè)，其次為火電行業(yè)等。

鋼鐵行業(yè)也進(jìn)行了一些CCUS研究。劉虹和姜克雋（2010年）重點(diǎn)對(duì)我國(guó)鋼鐵和水泥行業(yè)CO2排放及運(yùn)用CCUS技術(shù)的潛力進(jìn)行了初步分析，得出鋼鐵和水泥行業(yè)運(yùn)用CCUS技術(shù)可捕集CO2的潛力分別為5億噸和3-4億噸左右。薛慶國(guó)、韓毅華等（2011年）重點(diǎn)分析了幾種CO2分離方法的原理及其適用條件，最后應(yīng)用IPCC2006方法計(jì)算分析了結(jié)合碳捕集及封存技術(shù)的爐頂煤氣循環(huán)氧氣鼓風(fēng)高爐的CO2減排效果。結(jié)果表明：新工藝的噸鐵CO2排放量為582.40 kg，較傳統(tǒng)高爐CO2減排55%。袁純清（2013年）指出，在不對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行大的改動(dòng)的前提下，只有FINEX和HYL-Energiron工藝技術(shù)可以與二氧化碳捕集裝置相連接，可以降低25%-35%的碳排放量。方志明、李小春等（2013年）以寶鋼集團(tuán)為例，分析了應(yīng)用CCUS技術(shù)對(duì)鋼鐵行業(yè)CO2減排的可行性與潛力。Lie J A等學(xué)者（2014年）通過(guò)試驗(yàn)評(píng)估了三種不同類(lèi)型的膜對(duì)高爐煙氣中CO2的捕集效率，分別是半商業(yè)性吸附選擇碳膜、內(nèi)部定制的碳分子篩膜，以及在聚合物主鏈中具有活性胺基固定位點(diǎn)載體膜（FSC膜），并發(fā)現(xiàn)FSC膜在混合氣體（包含CO、N2和H2）中，對(duì)CO2有卓越的選擇性和較高的滲透性。毛艷麗等（2016年）對(duì)許多國(guó)家（地區(qū)）的鋼鐵工業(yè)CCUS技術(shù)進(jìn)行了研究。在CCUS成本中，CO2捕集成本約占70％，因此，降低CO2捕集成本是CCUS首先要解決的問(wèn)題。鋼廠開(kāi)發(fā)的CO2捕集工藝主要以化學(xué)吸收法和物理吸附法為主，并在試驗(yàn)規(guī)模取得成本降低的效果。

2 小結(jié)

“十四五”期間粗鋼產(chǎn)量進(jìn)入平臺(tái)區(qū)，同時(shí)伴隨部分成熟度高、實(shí)用性強(qiáng)的低碳冶金技術(shù)運(yùn)用，將更好地促進(jìn)行業(yè)從總量上實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。在達(dá)峰的基礎(chǔ)上，行業(yè)進(jìn)一步推廣電爐煉鋼、增加球團(tuán)比、DRI等成熟度高的實(shí)用性低碳冶金技術(shù)，帶動(dòng)鋼鐵制造流程工藝的優(yōu)化，同時(shí)各工序節(jié)能降耗，減少化石燃料消耗，降低碳排放強(qiáng)度，能夠較好地實(shí)現(xiàn)減碳30%的目標(biāo)。而最終實(shí)現(xiàn)深度減碳、碳中和還需要全氫冶金、CCUS等技術(shù)的突破。