“雙碳”背景下鋼鐵工藝流程先進(jìn)性研究

王念欣，曾 暉，欒吉益，陳萬福，王成鎮(zhèn)

（山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

1 前 言

全球氣候變化已經(jīng)給全人類的可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴(yán)重威脅和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，溫室氣體減排已成世界共識[1］。積極應(yīng)對氣候變化，加快推進(jìn)綠色低碳發(fā)展，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的內(nèi)在要求，是加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、推進(jìn)新的產(chǎn)業(yè)革命的重大機(jī)遇，也是我國作為負(fù)責(zé)任大國的國際義務(wù)?！疤贾泻汀蹦繕?biāo)任重而道遠(yuǎn)[2］，中國的莊嚴(yán)承諾展現(xiàn)了負(fù)責(zé)任大國的擔(dān)當(dāng)?！半p碳目標(biāo)”對我國能源轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生持續(xù)影響[3］。煉鋼能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化轉(zhuǎn)型是“雙碳”目標(biāo)的重要路徑，我國鋼鐵行業(yè)節(jié)能減碳需減少長流程煉鋼，增加短流程煉鋼占比，“雙碳”背景下鋼鐵先進(jìn)工藝流程的研究逐漸提上日程。“中國寶武碳中和冶金技術(shù)路線圖”的全球鋼鐵業(yè)引領(lǐng)[4］，展示了中國寶武作為全球鋼鐵業(yè)引領(lǐng)者的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，鋼鐵行業(yè)從原來的“增量、擴(kuò)能”快速發(fā)展期，進(jìn)入了“減量、調(diào)整”新時代。2021 年2月，工信部發(fā)布《繼續(xù)奮斗勇往直前開啟鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展新征程》文章提出：“要以深化鋼鐵供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為主線，實行產(chǎn)能產(chǎn)量雙控政策，確保2021年全國粗鋼產(chǎn)量同比下降”。在碳達(dá)峰、碳中和的硬約束下，鋼鐵行業(yè)不具備粗鋼產(chǎn)量繼續(xù)大幅增長的條件。產(chǎn)能產(chǎn)量“雙控”政策將成為鋼鐵行業(yè)“十四五”發(fā)展新常態(tài)[5］。

2 鋼鐵工業(yè)綠色低碳發(fā)展路徑調(diào)研

2.1 鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)展路徑

確保2020 年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，到2030 年（近期）鋼鐵行業(yè)具備較2020 年CO2排放總量降低15%的資源條件和技術(shù)能力；到2040年（近中期），鋼鐵行業(yè)CO2排放總量較2020 年降低40%；到2050 年（中遠(yuǎn)期），鋼鐵行業(yè)CO2排放總量較2020年降低85%，通過產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同、更高性能鋼鐵產(chǎn)品升級應(yīng)用等措施，可為下游行業(yè)和社會降碳約2.8 億t，為實現(xiàn)碳中和夯實基礎(chǔ)；到2060 年（遠(yuǎn)期），鋼鐵行業(yè)CO2排放總量較2020 年降低95%，借助碳匯與社會力量，實現(xiàn)碳中和。

2.2 鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展路徑分析[6］

從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，中國鋼鐵行業(yè)要加快做好行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的頂層設(shè)計，提前謀劃與布局碳減排工作，完善碳排放管理支撐體系建設(shè)。結(jié)合自身實際，加大科技創(chuàng)新，以碳排放管理有效推動化解過剩產(chǎn)能、電弧爐短流程煉鋼、先進(jìn)低碳技術(shù)研發(fā)等工作，讓低碳轉(zhuǎn)型真正成為鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展、提高競爭力的重要抓手和引擎。

在政府統(tǒng)籌規(guī)劃和政策引導(dǎo)下，鋼鐵企業(yè)應(yīng)進(jìn)一步調(diào)整能源及流程結(jié)構(gòu)，有效促進(jìn)低碳轉(zhuǎn)型；完善低碳發(fā)展制度和體系，加快制定低碳發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)體系，優(yōu)化完善產(chǎn)業(yè)布局，創(chuàng)新驅(qū)動行業(yè)升級；加大先進(jìn)低碳技術(shù)的研發(fā)力度，引領(lǐng)新型低碳發(fā)展；建立碳排放及監(jiān)管剛性約束制度，完善綠色金融市場體系，盡快納入全國統(tǒng)一碳市場；強(qiáng)化能效提升及能耗監(jiān)控，科學(xué)助力減排降碳；加強(qiáng)與業(yè)內(nèi)權(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)交流合作，及時關(guān)注政策發(fā)展方向，制定切實可行的低碳發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，把握綠色低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展下的新機(jī)遇，通過低碳轉(zhuǎn)型，協(xié)同行業(yè)及區(qū)域合作，聯(lián)合打造低碳經(jīng)濟(jì)圈，為企業(yè)贏得更廣闊的發(fā)展空間。

3 工藝流程先進(jìn)性綜合評價

3.1 工藝流程先進(jìn)性評價思路

鋼鐵生產(chǎn)是復(fù)雜的系統(tǒng)過程，涉及鋼的冶煉，同時也涉及物流運輸、庫存管理等配套服務(wù)。實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的同時也要提升鋼鐵生產(chǎn)配套設(shè)施的綠色水平。因此，如何通過智能化、數(shù)字化技術(shù)全面準(zhǔn)確地對鋼鐵生產(chǎn)流程進(jìn)行評價，從而全面提升節(jié)能和能效水平，是我們亟待解決的問題。

具體評價系統(tǒng)包括：綠色、低碳、智能、能耗、管理指標(biāo)獲取終端和評價服務(wù)器，所述評價服務(wù)器分別與綠色、低碳、智能、能耗、管理指標(biāo)獲取終端通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接。

綠色、低碳、智能、能耗、管理指標(biāo)獲取終端，分別用于采集鋼鐵生產(chǎn)過程中的綠色、低碳、智能、能耗、管理指標(biāo)分項數(shù)據(jù)，利用綠色、低碳、智能、能耗、管理指標(biāo)評估工具計算出每個指標(biāo)分項的分值，將所有指標(biāo)分項的分值求和后得出該指標(biāo)實際分值，并將該指標(biāo)實際分值發(fā)送至評價服務(wù)器。

評價服務(wù)器，用于根據(jù)獲取的綠色指標(biāo)實際分值、低碳指標(biāo)實際分值、智能指標(biāo)實際分值、能耗指標(biāo)實際分值和管理指標(biāo)實際分值，利用加權(quán)算法計算出相應(yīng)的綠色指標(biāo)總分值、低碳指標(biāo)總分值、智能指標(biāo)總分值、能耗指標(biāo)總分值和管理指標(biāo)總分值，通過將各維度分值相加，以確定鋼鐵生產(chǎn)流程評價分值。

評價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及評價方法流程見圖1、圖2。

圖1 工藝流程先進(jìn)性評價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 工藝流程先進(jìn)性評價方法流程

3.2 工藝流程先進(jìn)性評價指標(biāo)

評價指標(biāo)體系：5項一級指標(biāo)和N項二級指標(biāo)。

一級指標(biāo)包括：綠色指標(biāo)、低碳指標(biāo)、智能指標(biāo)、能耗指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)。

3.2.1 綠色指標(biāo)

綠色指標(biāo)的二級評價指標(biāo)和相應(yīng)的分值見表1。

表1 綠色指標(biāo)的二級評價指標(biāo)和相應(yīng)的分值

3.2.2 低碳指標(biāo)

低碳指標(biāo)的二級評價指標(biāo)和相應(yīng)的分值見表2。

表2 低碳指標(biāo)的二級評價指標(biāo)和相應(yīng)的分值

3.2.3 智能指標(biāo)

智能指標(biāo)的二級評價指標(biāo)和相應(yīng)的分值如表3所示。

表3 智能指標(biāo)的二級評價指標(biāo)和相應(yīng)的分值

3.2.4 能耗指標(biāo)

能耗指標(biāo)的二級評價指標(biāo)和相應(yīng)的分值如表4所示。

表4 能耗指標(biāo)的二級評價指標(biāo)和相應(yīng)的分值

3.2.5 環(huán)境管理指標(biāo)

環(huán)境管理指標(biāo)分項的評價指標(biāo)和相應(yīng)的分值見表5。

表5 環(huán)境管理指標(biāo)的二級評價指標(biāo)和相應(yīng)的分值

3.3 工藝流程先進(jìn)性評價體系

根據(jù)獲取的綠色指標(biāo)實際分值A(chǔ)0、低碳指標(biāo)實際分值B0、智能指標(biāo)實際分值C0、能耗指標(biāo)實際分值D0和管理指標(biāo)實際分值E0，利用加權(quán)算法計算出相應(yīng)的綠色指標(biāo)總分值A(chǔ)總、低碳指標(biāo)總分值B總、智能指標(biāo)總分值C總、能耗指標(biāo)總分值D總和管理指標(biāo)總分值E總；

通過以下公式計算出綠色指標(biāo)分值A(chǔ)、低碳指標(biāo)分值B、智能指標(biāo)分值C、能耗指標(biāo)分值D和管理指標(biāo)分值E。

通過公式M=A+B+C+D+E，將各維度分值相加，以確定鋼鐵生產(chǎn)流程評價分值M。

4 “雙碳”背景下鋼鐵先進(jìn)工藝流程發(fā)展建議

面對全球碳減排發(fā)展趨勢及激烈的鋼鐵市場競爭，首先需明晰鋼鐵行業(yè)“雙碳”目標(biāo)核心關(guān)鍵：達(dá)峰是發(fā)展問題，核心是解決發(fā)展中的結(jié)構(gòu)調(diào)整；降碳是技術(shù)應(yīng)用問題，以先進(jìn)技術(shù)降低能源和資源消耗；脫碳是技術(shù)革命問題，要推進(jìn)創(chuàng)新性、突破性、前沿性低碳技術(shù)的研發(fā)、示范及應(yīng)用；中和是發(fā)展方式的新變革，須多領(lǐng)域協(xié)同推進(jìn)，在生產(chǎn)原料、冶煉技術(shù)、配套設(shè)施等方面對原有生產(chǎn)方式進(jìn)行革新。其次，在能耗雙控、鐵礦石對外依存度高的背景下，廢鋼優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)，廢鋼作為可無限循環(huán)使用的綠色載能資源，未來以廢鋼為原材料的電爐煉鋼占比將逐步提升；在雙碳目標(biāo)大背景下，未來鋼企盈利情況、發(fā)展規(guī)模大小都將取決于其環(huán)保、綠色生產(chǎn)能力。同時，鋼鐵企業(yè)綠色發(fā)展是以循環(huán)經(jīng)濟(jì)為基本原則，以清潔生產(chǎn)為基礎(chǔ)，重點做好節(jié)能減排和資源高效利用，實現(xiàn)與其他行業(yè)和周邊社會低碳生態(tài)化鏈接，從而保證良好經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益的發(fā)展模式。

4.1 加速推進(jìn)整個鋼鐵新生態(tài)綠色低碳化

“雙碳”目標(biāo)之下，綠色、高質(zhì)量發(fā)展是重要目標(biāo)，為適應(yīng)行業(yè)結(jié)構(gòu)升級，鋼企紛紛進(jìn)行低碳和低能耗規(guī)劃，在技術(shù)改進(jìn)、氫冶煉、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境改造、生態(tài)打造等全方位進(jìn)行綠色轉(zhuǎn)型。

（1）以超低排放改造為抓手、以低碳轉(zhuǎn)型為導(dǎo)向，持之以恒綠色發(fā)展、著力提升綠色低碳能級，錨定綠色低碳主攻方向，致力于技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)突破和技術(shù)推廣，集中資源、協(xié)同攻關(guān)突破綠色核心關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境高水平保護(hù)和應(yīng)對氣候變化的“雙贏”。

（2）加速推進(jìn)綠色低碳技術(shù)創(chuàng)新工程、關(guān)注我國鋼鐵行業(yè)EPD（環(huán)境產(chǎn)品聲明）平臺、加速完善低碳轉(zhuǎn)型綠色金融支撐體系、積極參與構(gòu)建鋼鐵行業(yè)低碳技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，在低碳冶煉技術(shù)、工藝流程低碳優(yōu)化、能源循環(huán)綜合利用等方面積極探索，研發(fā)新技術(shù)，真正做到協(xié)同減污降碳。

（3）開展鋼鐵行業(yè)CO2綜合利用，加快推進(jìn)轉(zhuǎn)爐底吹CO2煉鋼技術(shù)項目。

（4）在目前高爐－轉(zhuǎn)爐長流程工藝基礎(chǔ)上采取各種減碳措施，包括不限于高爐噴氫、富氧、爐頂煤氣脫碳循環(huán)以及長流程大比例廢鋼減碳工藝、全廢鋼電爐工藝、富氫全氫直接還原鐵混合廢鋼電爐工藝等。

4.2 氫冶金或成為綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要突破口

氫還原目前是替代碳還原最可行的途徑。它有理論技術(shù)支撐，且已經(jīng)具備實踐應(yīng)用條件，對高爐富氫循環(huán)、氫基熔融還原和氫基直接還原等路線，國內(nèi)外企業(yè)都已經(jīng)開展了示范研究，并取得了積極進(jìn)展。

（1）建議聚焦以氫冶金為代表的顛覆性、革命性工藝創(chuàng)新技術(shù)，以CCUS為代表的碳利用技術(shù)，圍繞基礎(chǔ)理論、工藝路線、裝備制造、系統(tǒng)集成等，開展全流程、全產(chǎn)業(yè)鏈的系統(tǒng)攻關(guān)，攻克鋼鐵生產(chǎn)低碳技術(shù)難題。

（2）盡早著手開展以氫作為還原劑的氫冶金技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，探索氫能冶金示范應(yīng)用，研究探索“焦?fàn)t煤氣+富氫豎爐直接還原鐵+電爐”和“綠電+電解水+全氫豎爐直接還原鐵+綠電+電爐工藝”，依賴于氫能的發(fā)展和布局。

（3）開展光伏發(fā)電基礎(chǔ)性分析研究，加快研究推進(jìn)光伏發(fā)電項目，創(chuàng)新商業(yè)模式；利用光伏、風(fēng)能、水電等綠電，通過電解水制氫，支撐鋼鐵主業(yè)的氫冶金低碳化轉(zhuǎn)型，同時逐步完善輸氫、儲氫等相關(guān)配套措施，并積極爭取氫冶金技術(shù)研發(fā)和示范的財政和稅收支持。

（4）加大綠電投資，緊隨國家最近出臺的綠證政策，在綠色能源方面加快布局。

4.3 統(tǒng)籌做好智能制造頂層設(shè)計

智能制造是提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的重要途徑。各企業(yè)不可能按照完全統(tǒng)一的模式來進(jìn)行智能制造方面的頂層設(shè)計。

（1）要通過行業(yè)跨專業(yè)深度融合和聯(lián)合持續(xù)攻關(guān)，形成具有自身特色的鋼鐵制造流程智能化技術(shù)和頂層設(shè)計。

（2）要結(jié)合自身的發(fā)展條件和實際需求慎重決策，處理好科研項目與工程項目之間的關(guān)系，既要重視硬件建設(shè)，更要重視軟件的開發(fā)與研究。要加強(qiáng)與工程技術(shù)企業(yè)、大學(xué)和科研院所的分工協(xié)作，共同營造開放創(chuàng)新的生態(tài)環(huán)境，穩(wěn)步高效推進(jìn)智能制造的發(fā)展。

（3）要著力提升智慧制造能級，著力打造國內(nèi)一流、國際先進(jìn)的城市鋼廠綠色發(fā)展樣板和行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展典范。

（4）要以智能制造為舉措，利用數(shù)字化技術(shù)賦能產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈協(xié)同，推進(jìn)5G、人工智能、區(qū)塊鏈、無人行車、特種機(jī)器人等生產(chǎn)場景的智能化關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，圍繞工廠設(shè)計與數(shù)字化交付、數(shù)字孿生模型等智能工廠建設(shè)以及生產(chǎn)智能管理等加快推動與上下游產(chǎn)業(yè)鏈智能制造建設(shè)進(jìn)程。

（5）建立完善智慧制造標(biāo)準(zhǔn)和評價體系，完成鋼鐵主業(yè)智慧制造評價指數(shù)測評，加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型，突破一批關(guān)鍵核心技術(shù)，打造一批智能制造試點示范，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)協(xié)同、實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

4.4 以節(jié)能提效推進(jìn)鋼鐵行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級

提高能效水平是鋼鐵行業(yè)現(xiàn)階段最可控也是最經(jīng)濟(jì)的綠色低碳轉(zhuǎn)型的路徑。

（1）以能效約束為驅(qū)動、以低碳轉(zhuǎn)型為導(dǎo)向、以技術(shù)創(chuàng)新為支撐，堅持節(jié)能優(yōu)先方針，依托先進(jìn)節(jié)能技術(shù)、裝備、產(chǎn)品的研發(fā)和推廣應(yīng)用。按照“一次能源‘使用’，節(jié)約優(yōu)先；二次能源‘利用’，提高效率；新舊能源‘混用’，協(xié)調(diào)互補；未來能源‘通用’，聯(lián)通共享”四個階段原則，通過工藝和裝備節(jié)能極致化、能源轉(zhuǎn)換極致化、二次能源回收利用極致化、設(shè)備節(jié)能極致化、新能源體系建立極致化、能源管理極致化，賦能鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗、降本增效，實現(xiàn)從“節(jié)能”到“用能”驅(qū)動轉(zhuǎn)型變革。

（2）持續(xù)組織開展全流程節(jié)能降碳分析、余熱余能極限回收，制定實施年度節(jié)能降碳方案，持續(xù)大力推進(jìn)節(jié)能改善、能耗提升項目。

（3）積極推進(jìn)用能結(jié)構(gòu)、工藝結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低過程排放，減少全生命周期排放。用能方面積極推進(jìn)煤炭減量替代消費，加大新能源利用比例；工藝方面持續(xù)發(fā)展電爐煉鋼，加快完善廢鋼回收利用體系建設(shè)，推進(jìn)廢鋼資源高效利用；產(chǎn)品方面加快產(chǎn)品迭代升級，增強(qiáng)高端產(chǎn)品供給能力，加強(qiáng)高強(qiáng)高韌、耐蝕耐磨、輕量化長壽命鋼材的應(yīng)用，降低鋼材的消費強(qiáng)度。

（4）極致能效提升方面，統(tǒng)籌做好工藝和裝備節(jié)能極致化、二次能源回收利用極致化、能源轉(zhuǎn)換極致化、設(shè)備節(jié)能極致化、新能源體系建立極致化、能源管理極致化，追求全流程的極致效率，加快先進(jìn)適用性技術(shù)研究和應(yīng)用，以創(chuàng)新驅(qū)動、精益化管理實現(xiàn)企業(yè)的整體節(jié)能減排效率最高、經(jīng)濟(jì)效益最好。

5 結(jié) 語

根據(jù)鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合當(dāng)前鋼鐵行業(yè)內(nèi)外部環(huán)境及相關(guān)政策，主動應(yīng)對挑戰(zhàn)，對“雙碳”背景下工藝流程的先進(jìn)性進(jìn)行了評價研究，形成了“雙碳”背景下鋼鐵先進(jìn)工藝流程發(fā)展建議，為鋼鐵行業(yè)“綠色低碳智能低耗”高質(zhì)量發(fā)展提供了重要依據(jù)及參考指導(dǎo)。