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摘要:鋼鐵工業是勞動力、能源密集型行業，現行長流程煉鋼消耗大量煤炭資源，排放大量CO2。目前，我國鋼鐵行業的碳排放量占到經濟活動總碳排放量的約15%，高居制造業首位，節能減排任務艱巨。嘗試就低碳經濟大環境下的鋼鐵企業自主技術升級、轉型低碳煉鋼和技術路徑進行論述。

關鍵詞:低碳經濟;低碳煉鋼;低碳鋼;碳達峰;碳中和;氫冶金;碳排放;碳捕集利用與封存

什么是低碳經濟?什么是碳達峰、碳中和?這里的碳指的是CO、CO2還是CH4?低碳煉鋼和煉低碳鋼(低碳鋼是指碳含量低于0.25%的碳素鋼)是一回事嗎?這一切還得從溫室效應和溫室氣體(greenhousegas，簡稱GHG)說起。溫室效應，是指來自太陽的熱量以短波輻射的形式到達地球外空間，然后穿越厚厚的大氣層到達地球表面，地球表面吸收這些短波輻射熱量后升溫，升溫后的地球表面反而向大氣釋放長波輻射熱量，這些長波熱量很容易被大氣中的溫室氣體吸收，這樣就使得地球表面的大氣溫度升高的現象。大氣中的溫室氣體主要有二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、氯氟碳化合物(CFCs)及臭氧(O3)組成。1997年于日本京都召開的聯合國氣候變化綱要公約第三次締約國大會中所通過的《京都議定書》，明訂針對六種溫室氣體進行削減:二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)及六氟化硫(SF6)。其中后三類氣體造成溫室效應的能力最強，但對全球升溫的貢獻百分比來說，二氧化碳由于含量較多，所占的比例也最大，約為25%，其次是甲烷(CH4)，約為15%。全球主要溫室氣體的結構組成見圖1。溫室效應破壞臭氧層，導致全球變暖、缺氧、海平面升高，引發未知病蟲害和土地沙漠化，威脅人類生存，所以必須在各個行業的經濟活動中著力改善能源使用效率，對化石燃料逐步加以限制以減少溫室氣體，特別是減少組成占比高達77%的二氧化碳的排放。

1鋼鐵工業碳排放現狀

2014年全球CO2排放量為324億t，中國約占28.2%，居世界第一位。2019年全球鋼鐵工業CO2排放量約為28億t，約占全球能源系統排放量的8%，中國鋼鐵工業CO2排放量占到全球鋼鐵工業CO2排放量的60%以上，約占全國碳排放量的15%，按行業大類區分，占據第二位，僅次于能源電力行業的40%，高于水泥行業的13.5%。中國鋼鐵工業的碳排放量居高不下，主要原因在于:(1)電爐生產效率低于轉爐，電爐平均58min/h，個別達到35min/h，轉爐冶煉周期平均為32min/h。(2)相比與轉爐，因為電價高、廢鋼量少價高，電爐沒有成本優勢。就全廢鋼冶煉的電弧爐而言，噸鋼成本約為3400元，較轉爐噸鋼成本的3050元高出約350元/t［1］。(3)基于上述原因，2018年以高爐－轉爐的長流程煉鋼產量占到了總產量的90%，而電弧爐短流程煉鋼的產能僅占約10%。相比同期全球電爐鋼平均占比約28%(其中美國電爐鋼平均占比約68.4%，歐盟40.3%，韓國32.9%，日本24.2%)有很大的差距。(4)煉鋼流程的不同，決定了能源結構的差異。我國的煉鋼工業能源結構中，電力消耗約占6.3%(光電、風電＜1%)，油氣能源約占1.7%，煤炭、焦炭占比高達92%，遠高于全國能源消費結構中煤炭占比58.5%的平均值。(5)高爐－轉爐的長流程煉鋼噸鋼CO2排放量約為2.11t［2］，電弧爐短流程煉鋼噸鋼CO2排放量約為0.5t，不到長流程的1/4，減排優勢明顯。

2低碳煉鋼是鋼鐵工業發展的方向

2020年9月22日，在第七十五屆聯合國大會一般性辯論會上，習近平主席莊嚴宣布:中國二氧化碳排放量力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。由此中國將進入低碳經濟時代或雙碳時代。所謂碳達峰是指某一時刻CO2排放量達到歷史最高值，之后逐步回落。碳中和則是通過植樹造林、節能減排等形式抵消生產活動自身產生的CO2或溫室氣體排放量，實現正負抵消，達到相對的“零排放”。鋼鐵工業是勞動力、能源密集型行業，現行長流程煉鋼消耗大量煤炭資源，排放大量CO2。中國作為世界第一鋼鐵產量的大國，鋼鐵工業CO2排放約占全國總排放的15%，同時排放大量的污水。在全球CO2減排和環境保護的壓力下，歐盟、日本、韓國等主要鋼鐵生產地區均制定了相應的政策和技術路線，國內的鋼鐵行業CO2排放量現在仍維持在相對較高的水平，但是隨著環境要求的日趨嚴格，在目前產業轉型升級和經濟結構調整的背景下，中國的鋼鐵行業迫切需要低碳綠色的鋼鐵解決方案，尋找新的技術突破和模式創新來有效降低鋼鐵生產CO2排放已成為亟待解決的問題。低碳經濟是全球經濟活動在現階段的必然要求，煉鋼工業自然要服從和適應這個經濟規律，踐行低碳煉鋼，努力降低二氧化碳的排放量。所以，作為中國制造業中碳排放量最大的行業，鋼鐵行業應全力推進碳達峰、碳減排工作，為確保2030年實現碳達峰、2060年前實現碳中和，走低碳煉鋼之路勢在必行。

3實現低碳煉鋼的途徑

實施以降低碳排放為目的的低碳煉鋼關系到煉鋼流程的方方面面，本文僅從冶金原理、煉鋼工藝流程、能量守恒與電爐技術革新、提高入爐廢鋼比以及煉鋼輔助設備節能等角度加以分析。按煉鋼的原理來講，氫冶金被寄予厚望。式(1)～式(4)是傳統冶金的化學反應式，式(5)是氫冶金的化學反應式，可見氫冶金反應產生的水蒸氣完全取代了碳還原反應產生的大量二氧化碳。可以從根本上杜絕二氧化碳的排放，但是需要大幅降低氫氣制取的成本，為氫冶金的普及創造條件。Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2(1)2Fe2O3+3C=4Fe+3CO2(2)FeO+CO=Fe+CO2(3)FeO+C=Fe+CO(4)Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O(5)就煉鋼工藝流程而論，增加短流程鋼鐵產能的比例是實現低碳煉鋼的有效途徑。2020年12月工信部發布《鋼鐵行業高質量發展指導意見》提出，2025年電爐鋼比例提升至15%，力爭達到20%。短流程煉鋼二氧化碳排量不到長流程的1/4，同時，噸鋼可節約約1.3t鐵礦石、減低能耗350Kgce、減排廢渣600kg、焦炭400kg、節水40%。為此，需要開展以下工作:能源結構多元化。提高綠色清潔能源(太陽能、水能、風能、核能)比例，適當降低電價，支持電爐煉鋼的發展;擴大廢鋼渠道，鼓勵廢鋼進口，降低鐵礦石的進口量，通過政策傾斜，引導提升電爐鋼的產量。就電爐設備本身而言，采用以下技術有利于實現低碳煉鋼:超高功率電爐煉鋼技術、節能型短網技術、留鋼操作平熔池冶煉技術、爐壁氧燃燒咀助燃技術、爐門碳氧槍技術、EBT偏心底出鋼以及廢鋼預熱、鐵水熱裝技術等。由中冶賽迪自主研發的新型柔性電源(IG-BT)直流電弧爐技術，采用模塊化分組設計，可有效提高熔化期功率因數，縮短冶煉時間、顯著降低電耗。另外，作為氬氣的潛在替代氣體，轉爐頂底吹CO2、LF爐和電弧爐底吹CO2、CO2作為連鑄保護氣、CO2用于冶煉不銹鋼和循環CO2燃燒。CO2在鋼鐵冶金各流程的應用，合計使用量有望達到噸鋼100kg［3］。從能量守恒的角度來看，應對整個煉鋼流程的每個環節進行優化，以達到低碳煉鋼的目的。表1為煉鋼電弧爐能量輸入與輸出參考值，其中廢氣、冷卻水、鋼渣中所帶熱能占到了能量輸出的43%，這些潛在能量的余熱回收再利用對節能減排非常重要。提高廢鋼比、延長鋼鐵材料的使用周期和生命周期對于節能減排意義重大。鋼材是為數不多的具有超常生命周期的工業原材料之一，加強廢鋼的收集、分類和再加工處理，進行循環利用，能夠消除煉鐵階段大量排放的二氧化碳污染、鋼渣污染和廢水污染。另一方面，提高鋼材質量，研發耐候鋼，延長鋼鐵材料的使用周期減少使用量，同樣可以降低碳排放。關注碳捕集、利用及封存技術(CCUS)［4］。與低碳冶金技術不同，碳捕集、利用與封存(carboncaptureuti-lizationandstorage，簡稱CCUS)技術是一項新興的、具有大規模二氧化碳減排潛力的技術，即把生產過程中排放的二氧化碳進行提純，繼而投入到新的生產過程中進行循環再利用或封存。作為目前唯一能夠實現化石能源大規模低碳化利用的減排技術，CCUS是我國實現2060年碳中和目標技術組合的重要組成部分。目前，我國尚沒有超過100萬t/年的大規模全流程示范項目，而且短期內CCUS技術實現商業化運作仍面臨成本高、部分關鍵技術不成熟、配套基礎設施和相關政策缺失的困難。此外，煉鋼輔助設備的能耗指標也應給予關注。除塵風機是長期運行的重要輔助設備，應根據生產工藝過程，通過檢測煙氣參數，自動調節風機轉數(風機功率與其轉數的3次方成正比)，從而達到節能的效果［5］。除了風機以外鋼水罐車、液壓站、合金加料皮帶機等輔助設備驅動電機功率每臺電爐配置多達500～600kW，電機的能效等級建議按《電動機能效限定值及能效等級》(GB18613—2020)一級執行以達到節能減排的要求。

4結語

碳排放是關于溫室氣體排放的一個總稱或簡稱，其中的“碳”是指以二氧化碳為代表的溫室氣體，其主要產生來源是石油、煤炭、天然氣等化石能源的燃燒。作為溫室氣體，二氧化碳由于含量較多，所占的比例也最大，理所當然成為減排的首要目標，綠色、低碳、可持續的發展模式是今后世界經濟發展的方向。實現鋼鐵工業低碳化的出路在于:第一是統一思想認識，自覺融入生態文明建設，堅持走綠色低碳發展之路;第二是集中全社會力量，產、學、研相結合，著力攻克低碳煉鋼在氫冶金、碳捕集、利用及封存等方面關鍵技術，降低技術成本，為行業轉型發展提供有力支撐;第三是進行鋼鐵材料的提質減量，有效壓減產量和使用量以減少碳排量;第四是完善低碳煉鋼、清潔生產的法律法規和標準體系建設，加強政策引導，限制雙高企業發展。2021年7月16日，全國碳排放權交易在上海環境能源交易所正式啟動。全國碳市場第一階段只納入電力一個行業。在初級階段，擬納入電力、鋼鐵、建材、航空、有色、石化、化工、造紙等八個行業。首日開盤成交價格為每噸52.78元，按照2020年鋼鐵行業碳排量接近20億t核計，就是一個超千億元規模的市場。以此為標志，將倒逼高能耗高排放企業不斷創新、通過技術進步推進轉型升級，遵守智能、綠色、高效、低碳的經濟發展規律，著力提高企業在市場中的競爭力，從而體現企業自身應有的社會價值。總之，只有采取不斷改進設計、使用清潔能源(太陽能、風能，生物能、水能，地熱能，氫能等)和原料、采用先進工藝技術和設備、改善管理、綜合利用等措施，才能從源頭上削減污染，提高資源利用效率，減少或者避免生產、服務和產品生產過程中污染物的產生和排放，減輕和消除高耗能、高污染對人類健康和環境的危害。

作者:任茂勝 單位:中冶賽迪工程技術股份有限公司 西安電爐研究所有限公司