低碳經(jīng)濟(jì)與低碳煉鋼淺析

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摘要:鋼鐵工業(yè)是勞動(dòng)力、能源密集型行業(yè)，現(xiàn)行長(zhǎng)流程煉鋼消耗大量煤炭資源，排放大量CO2。目前，我國(guó)鋼鐵行業(yè)的碳排放量占到經(jīng)濟(jì)活動(dòng)總碳排放量的約15%，高居制造業(yè)首位，節(jié)能減排任務(wù)艱巨。嘗試就低碳經(jīng)濟(jì)大環(huán)境下的鋼鐵企業(yè)自主技術(shù)升級(jí)、轉(zhuǎn)型低碳煉鋼和技術(shù)路徑進(jìn)行論述。

關(guān)鍵詞:低碳經(jīng)濟(jì);低碳煉鋼;低碳鋼;碳達(dá)峰;碳中和;氫冶金;碳排放;碳捕集利用與封存

什么是低碳經(jīng)濟(jì)?什么是碳達(dá)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(yīng)和溫室氣體(greenhousegas，簡(jiǎn)稱GHG)說(shuō)起。溫室效應(yīng)，是指來(lái)自太陽(yáng)的熱量以短波輻射的形式到達(dá)地球外空間，然后穿越厚厚的大氣層到達(dá)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(zhǎng)波輻射熱量，這些長(zhǎng)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(xiàn)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(lián)合國(guó)氣候變化綱要公約第三次締約國(guó)大會(huì)中所通過(guò)的《京都議定書》，明訂針對(duì)六種溫室氣體進(jìn)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(yīng)的能力最強(qiáng)，但對(duì)全球升溫的貢獻(xiàn)百分比來(lái)說(shuō)，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(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖1。溫室效應(yīng)破壞臭氧層，導(dǎo)致全球變暖、缺氧、海平面升高，引發(fā)未知病蟲害和土地沙漠化，威脅人類生存，所以必須在各個(gè)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中著力改善能源使用效率，對(duì)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(dá)77%的二氧化碳的排放。

1鋼鐵工業(yè)碳排放現(xiàn)狀

2014年全球CO2排放量為324億t，中國(guó)約占28.2%，居世界第一位。2019年全球鋼鐵工業(yè)CO2排放量約為28億t，約占全球能源系統(tǒng)排放量的8%，中國(guó)鋼鐵工業(yè)CO2排放量占到全球鋼鐵工業(yè)CO2排放量的60%以上，約占全國(guó)碳排放量的15%，按行業(yè)大類區(qū)分，占據(jù)第二位，僅次于能源電力行業(yè)的40%，高于水泥行業(yè)的13.5%。中國(guó)鋼鐵工業(yè)的碳排放量居高不下，主要原因在于:(1)電爐生產(chǎn)效率低于轉(zhuǎn)爐，電爐平均58min/h，個(gè)別達(dá)到35min/h，轉(zhuǎn)爐冶煉周期平均為32min/h。(2)相比與轉(zhuǎn)爐，因?yàn)殡妰r(jià)高、廢鋼量少價(jià)高，電爐沒(méi)有成本優(yōu)勢(shì)。就全廢鋼冶煉的電弧爐而言，噸鋼成本約為3400元，較轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐的長(zhǎng)流程煉鋼產(chǎn)量占到了總產(chǎn)量的90%，而電弧爐短流程煉鋼的產(chǎn)能僅占約10%。相比同期全球電爐鋼平均占比約28%(其中美國(guó)電爐鋼平均占比約68.4%，歐盟40.3%，韓國(guó)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(jié)構(gòu)的差異。我國(guó)的煉鋼工業(yè)能源結(jié)構(gòu)中，電力消耗約占6.3%(光電、風(fēng)電＜1%)，油氣能源約占1.7%，煤炭、焦炭占比高達(dá)92%，遠(yuǎn)高于全國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭占比58.5%的平均值。(5)高爐－轉(zhuǎn)爐的長(zhǎng)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(zhǎng)流程的1/4，減排優(yōu)勢(shì)明顯。

2低碳煉鋼是鋼鐵工業(yè)發(fā)展的方向

2020年9月22日，在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論會(huì)上，習(xí)近平主席莊嚴(yán)宣布:中國(guó)二氧化碳排放量力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。由此中國(guó)將進(jìn)入低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代或雙碳時(shí)代。所謂碳達(dá)峰是指某一時(shí)刻CO2排放量達(dá)到歷史最高值，之后逐步回落。碳中和則是通過(guò)植樹造林、節(jié)能減排等形式抵消生產(chǎn)活動(dòng)自身產(chǎn)生的CO2或溫室氣體排放量，實(shí)現(xiàn)正負(fù)抵消，達(dá)到相對(duì)的“零排放”。鋼鐵工業(yè)是勞動(dòng)力、能源密集型行業(yè)，現(xiàn)行長(zhǎng)流程煉鋼消耗大量煤炭資源，排放大量CO2。中國(guó)作為世界第一鋼鐵產(chǎn)量的大國(guó)，鋼鐵工業(yè)CO2排放約占全國(guó)總排放的15%，同時(shí)排放大量的污水。在全球CO2減排和環(huán)境保護(hù)的壓力下，歐盟、日本、韓國(guó)等主要鋼鐵生產(chǎn)地區(qū)均制定了相應(yīng)的政策和技術(shù)路線，國(guó)內(nèi)的鋼鐵行業(yè)CO2排放量現(xiàn)在仍維持在相對(duì)較高的水平，但是隨著環(huán)境要求的日趨嚴(yán)格，在目前產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的背景下，中國(guó)的鋼鐵行業(yè)迫切需要低碳綠色的鋼鐵解決方案，尋找新的技術(shù)突破和模式創(chuàng)新來(lái)有效降低鋼鐵生產(chǎn)CO2排放已成為亟待解決的問(wèn)題。低碳經(jīng)濟(jì)是全球經(jīng)濟(jì)活動(dòng)在現(xiàn)階段的必然要求，煉鋼工業(yè)自然要服從和適應(yīng)這個(gè)經(jīng)濟(jì)規(guī)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(guó)制造業(yè)中碳排放量最大的行業(yè)，鋼鐵行業(yè)應(yīng)全力推進(jìn)碳達(dá)峰、碳減排工作，為確保2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，走低碳煉鋼之路勢(shì)在必行。

3實(shí)現(xiàn)低碳煉鋼的途徑

實(shí)施以降低碳排放為目的的低碳煉鋼關(guān)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(shù)革新、提高入爐廢鋼比以及煉鋼輔助設(shè)備節(jié)能等角度加以分析。按煉鋼的原理來(lái)講，氫冶金被寄予厚望。式(1)～式(4)是傳統(tǒng)冶金的化學(xué)反應(yīng)式，式(5)是氫冶金的化學(xué)反應(yīng)式，可見(jiàn)氫冶金反應(yīng)產(chǎn)生的水蒸氣完全取代了碳還原反應(yīng)產(chǎn)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(chuàng)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(chǎn)能的比例是實(shí)現(xiàn)低碳煉鋼的有效途徑。2020年12月工信部發(fā)布《鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)》提出，2025年電爐鋼比例提升至15%，力爭(zhēng)達(dá)到20%。短流程煉鋼二氧化碳排量不到長(zhǎng)流程的1/4，同時(shí)，噸鋼可節(jié)約約1.3t鐵礦石、減低能耗350Kgce、減排廢渣600kg、焦炭400kg、節(jié)水40%。為此，需要開展以下工作:能源結(jié)構(gòu)多元化。提高綠色清潔能源(太陽(yáng)能、水能、風(fēng)能、核能)比例，適當(dāng)降低電價(jià)，支持電爐煉鋼的發(fā)展;擴(kuò)大廢鋼渠道，鼓勵(lì)廢鋼進(jìn)口，降低鐵礦石的進(jìn)口量，通過(guò)政策傾斜，引導(dǎo)提升電爐鋼的產(chǎn)量。就電爐設(shè)備本身而言，采用以下技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)低碳煉鋼:超高功率電爐煉鋼技術(shù)、節(jié)能型短網(wǎng)技術(shù)、留鋼操作平熔池冶煉技術(shù)、爐壁氧燃燒咀助燃技術(shù)、爐門碳氧槍技術(shù)、EBT偏心底出鋼以及廢鋼預(yù)熱、鐵水熱裝技術(shù)等。由中冶賽迪自主研發(fā)的新型柔性電源(IG-BT)直流電弧爐技術(shù)，采用模塊化分組設(shè)計(jì)，可有效提高熔化期功率因數(shù)，縮短冶煉時(shí)間、顯著降低電耗。另外，作為氬氣的潛在替代氣體，轉(zhuǎn)爐頂?shù)状礐O2、LF爐和電弧爐底吹CO2、CO2作為連鑄保護(hù)氣、CO2用于冶煉不銹鋼和循環(huán)CO2燃燒。CO2在鋼鐵冶金各流程的應(yīng)用，合計(jì)使用量有望達(dá)到噸鋼100kg［3］。從能量守恒的角度來(lái)看，應(yīng)對(duì)整個(gè)煉鋼流程的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)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(duì)節(jié)能減排非常重要。提高廢鋼比、延長(zhǎng)鋼鐵材料的使用周期和生命周期對(duì)于節(jié)能減排意義重大。鋼材是為數(shù)不多的具有超常生命周期的工業(yè)原材料之一，加強(qiáng)廢鋼的收集、分類和再加工處理，進(jìn)行循環(huán)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(zhì)量，研發(fā)耐候鋼，延長(zhǎng)鋼鐵材料的使用周期減少使用量，同樣可以降低碳排放。關(guān)注碳捕集、利用及封存技術(shù)(CCUS)［4］。與低碳冶金技術(shù)不同，碳捕集、利用與封存(carboncaptureuti-lizationandstorage，簡(jiǎn)稱CCUS)技術(shù)是一項(xiàng)新興的、具有大規(guī)模二氧化碳減排潛力的技術(shù)，即把生產(chǎn)過(guò)程中排放的二氧化碳進(jìn)行提純，繼而投入到新的生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行循環(huán)再利用或封存。作為目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳化利用的減排技術(shù)，CCUS是我國(guó)實(shí)現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)技術(shù)組合的重要組成部分。目前，我國(guó)尚沒(méi)有超過(guò)100萬(wàn)t/年的大規(guī)模全流程示范項(xiàng)目，而且短期內(nèi)CCUS技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作仍面臨成本高、部分關(guān)鍵技術(shù)不成熟、配套基礎(chǔ)設(shè)施和相關(guān)政策缺失的困難。此外，煉鋼輔助設(shè)備的能耗指標(biāo)也應(yīng)給予關(guān)注。除塵風(fēng)機(jī)是長(zhǎng)期運(yùn)行的重要輔助設(shè)備，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝過(guò)程，通過(guò)檢測(cè)煙氣參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)(風(fēng)機(jī)功率與其轉(zhuǎn)數(shù)的3次方成正比)，從而達(dá)到節(jié)能的效果［5］。除了風(fēng)機(jī)以外鋼水罐車、液壓站、合金加料皮帶機(jī)等輔助設(shè)備驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率每臺(tái)電爐配置多達(dá)500～600kW，電機(jī)的能效等級(jí)建議按《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》(GB18613—2020)一級(jí)執(zhí)行以達(dá)到節(jié)能減排的要求。

4結(jié)語(yǔ)

碳排放是關(guān)于溫室氣體排放的一個(gè)總稱或簡(jiǎn)稱，其中的“碳”是指以二氧化碳為代表的溫室氣體，其主要產(chǎn)生來(lái)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(dāng)然成為減排的首要目標(biāo)，綠色、低碳、可持續(xù)的發(fā)展模式是今后世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方向。實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)低碳化的出路在于:第一是統(tǒng)一思想認(rèn)識(shí)，自覺(jué)融入生態(tài)文明建設(shè)，堅(jiān)持走綠色低碳發(fā)展之路;第二是集中全社會(huì)力量，產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)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(guān)鍵技術(shù)，降低技術(shù)成本，為行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提供有力支撐;第三是進(jìn)行鋼鐵材料的提質(zhì)減量，有效壓減產(chǎn)量和使用量以減少碳排量;第四是完善低碳煉鋼、清潔生產(chǎn)的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，加強(qiáng)政策引導(dǎo)，限制雙高企業(yè)發(fā)展。2021年7月16日，全國(guó)碳排放權(quán)交易在上海環(huán)境能源交易所正式啟動(dòng)。全國(guó)碳市場(chǎng)第一階段只納入電力一個(gè)行業(yè)。在初級(jí)階段，擬納入電力、鋼鐵、建材、航空、有色、石化、化工、造紙等八個(gè)行業(yè)。首日開盤成交價(jià)格為每噸52.78元，按照2020年鋼鐵行業(yè)碳排量接近20億t核計(jì)，就是一個(gè)超千億元規(guī)模的市場(chǎng)。以此為標(biāo)志，將倒逼高能耗高排放企業(yè)不斷創(chuàng)新、通過(guò)技術(shù)進(jìn)步推進(jìn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，遵守智能、綠色、高效、低碳的經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律，著力提高企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，從而體現(xiàn)企業(yè)自身應(yīng)有的社會(huì)價(jià)值?？傊挥胁扇〔粩喔倪M(jìn)設(shè)計(jì)、使用清潔能源(太陽(yáng)能、風(fēng)能，生物能、水能，地?zé)崮?，氫能?和原料、采用先進(jìn)工藝技術(shù)和設(shè)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(chǎn)、服務(wù)和產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中污染物的產(chǎn)生和排放，減輕和消除高耗能、高污染對(duì)人類健康和環(huán)境的危害。

作者:任茂勝 單位:中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司 西安電爐研究所有限公司