我國鋼鐵業(yè)低碳低耗發(fā)展之路這樣走

 　　我國的煉鋼以長流程為主，鐵鋼比高。世界平均鐵鋼比在0.7左右，除中國以外為0.56，中國為0.94。美國和歐洲各國的鋼企鐵鋼比較低，電爐鋼比重大，因此其噸鋼綜合能耗和CO2排放低，和我國不具有直接可比性。

　　我國鋼鐵業(yè)低碳低耗發(fā)展之路怎么走?

　　要想確立合理的鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展路線，必須對未來與鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展有關(guān)的外在環(huán)境變化，包括制造流程、原材料結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)和節(jié)能潛力等做出基本的判斷。

　　判斷1：我國長流程為主的制造流程不會發(fā)生根本變化。

　　在近中期，也即5年~10年內(nèi)，長流程的為主的煉鋼流程不會發(fā)生變化。

　　判斷2：我國的粗鋼消費不會再有增加。

　　采用下游行業(yè)分析預(yù)測法和GDP消費強度法兩種方法，對2020年~2030年中國鋼材需求進行預(yù)測的結(jié)果顯示，到2020年，中國鋼材的實際需求量為5.95億噸，2025年為5.52億噸，2030年為4.92億噸，粗鋼的消費量不會再增加。

　　判斷3：鐵鋼比將逐年下降，生鐵產(chǎn)量降速快于粗鋼。

　　近十幾年來，我國自產(chǎn)廢鋼和社會廢鋼的量逐年增長，從2001年到2014年，自產(chǎn)廢鋼增幅為207%，社會廢鋼增幅為149%。2014年自產(chǎn)廢鋼、社會廢鋼和進口廢鋼分別占45%、53%和2%。盡管我國近幾年廢鋼資源量逐年升高，但由于粗鋼產(chǎn)量增加太快，2014年與2001年相比，粗鋼產(chǎn)量增幅(443%)遠遠大于廢鋼消耗量的增幅(約157%)，因此造成噸鋼的廢鋼消耗量逐年下降。

　　從2001年到2014年，轉(zhuǎn)爐煉鋼的廢鋼消耗總量增加了285%，電爐煉鋼的廢鋼消耗總量增加了96%。但是，轉(zhuǎn)爐的廢鋼單耗由104千克/噸下降到67千克/噸，下降了36%;電爐的廢鋼單耗由803千克/噸下降到584千克/噸，下降了27%;廢鋼綜合單耗由2001年的227千克/噸下降為2014年的107千克/噸，下降了53%。我國鋼鐵工業(yè)的廢鋼綜合單耗與世界其它國家差距較大，2013年世界廢鋼綜合單耗為361千克/噸，除去中國外的廢鋼綜合單耗為625千克/噸。

　　我國粗鋼產(chǎn)量目前已處于峰值弧頂下行區(qū)，從中長期和整體來看，已經(jīng)呈現(xiàn)“弧頂”+“下降通道”的走勢，但不排除個別年份的波動回升。生鐵生產(chǎn)呈現(xiàn)同樣的特點，且隨著廢鋼資源量的逐步增加，生鐵產(chǎn)量在長周期內(nèi)的平均下降速度將比粗鋼要快。從長周期角度來看，焦炭、鐵礦需求處于進入下行通道的轉(zhuǎn)折階段。

　　從以上兩點判斷，鋼鐵工業(yè)的CO2排放總量不會增加。

　　判斷4：以煤為主的能源結(jié)構(gòu)近中期不會發(fā)生根本變化。

　　我國鋼鐵生產(chǎn)能源結(jié)構(gòu)受我國資源稟賦的影響，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)近中期不會發(fā)生根本變化。我國鋼鐵行業(yè)能做的是：提高流程制造效能，挖掘節(jié)能潛力，降低能源消耗，減少耗煤量，包括最大程度地利用新能源。

　　我國鋼鐵工業(yè)CO2減排主要方向

　　鋼鐵生產(chǎn)的核心要素包括“鐵金屬”和“煤炭”。我國鋼鐵生產(chǎn)以長流程為主，鐵鋼比高，能源結(jié)構(gòu)中80%以上是煤炭，鋼鐵制造流程的效率和效能水平有待提高，這些都是CO2排放的主要影響因素。

　　我國的煉鋼以長流程為主，鐵鋼比高。世界平均鐵鋼比在0.7左右，除中國以外為0.56，中國為0.94。美國和歐洲各國的鋼企鐵鋼比較低，電爐鋼比重大，因此其噸鋼綜合能耗和CO2排放低，和我國不具有直接可比性。中國鐵鋼比要比世界平均水平高出0.24，比除中國以外的各國平均鐵鋼比水平高0.38。僅此一項，我國噸鋼綜合能耗就比工業(yè)發(fā)達國家高出80千克標準煤/噸~100千克標準煤/噸。

　　日本和韓國雖然也以長流程煉鋼為主，但我國與二者比較，能源結(jié)構(gòu)不同(煤炭為主)，在鋼鐵制造流程的效率和效能方面存在差距。但與此同時，我國國內(nèi)節(jié)能環(huán)保先進企業(yè)，如寶鋼(現(xiàn)已與武鋼合并成為寶武鋼鐵)、太鋼、首鋼京唐、河鋼唐鋼等與上述日本、韓國企業(yè)的差距則不大。

　　因此，制訂低碳發(fā)展技術(shù)路線圖是我國鋼鐵行業(yè)目前最迫切需要解決的問題。當(dāng)前，我國鋼鐵工業(yè)CO2減排主要有以下幾個發(fā)展方向：

　　1、采取“多目標約束的集成解決方案”方式

　　鋼鐵企業(yè)要將企業(yè)發(fā)展過程中的節(jié)能、減排、低碳統(tǒng)籌整體考慮。例如，鋼鐵企業(yè)不能因為要控制SO2和氮氧化物，上了燒結(jié)機脫硫脫硝裝置，最終卻增加了工序能耗。

　　2、將“控煤”作為CO2減排的頂層設(shè)計

　　“控煤”是抓手，控制住了煤就控制住了二氧化碳和氮氧化物。鋼廠先做好“控煤”，再做其他工作。例如，鋼鐵企業(yè)可以配置自備發(fā)電設(shè)備以減少燃煤。根據(jù)預(yù)測，2020年，我國粗鋼產(chǎn)量將降低至7.0億噸，根據(jù)噸鋼綜合能耗目標值560千克標準煤計算，到2020年鋼鐵行業(yè)的總能耗約為3.92億噸標準煤。

　　研究指出，一家年產(chǎn)鋼650萬噸規(guī)模的企業(yè)，采用鋼鐵—電力聯(lián)產(chǎn)模式，煤氣、余能余熱自發(fā)電裝機可達530兆瓦，年發(fā)電量可達37.34億千瓦時，若扣除發(fā)電系統(tǒng)約8%的自用電量，則凈發(fā)電量約為34.3億千瓦時，折合噸鋼凈發(fā)電量為527.9千瓦時。根據(jù)中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會2013年的數(shù)據(jù)，重點企業(yè)噸鋼耗電464.1千瓦時，則自發(fā)電率可達113.75%。

　　由此可見，鋼廠積極利用超高壓、燒結(jié)余熱、干熄焦、TRT(高爐余熱余壓)發(fā)電以及富余飽和蒸汽發(fā)電等方式在“節(jié)煤”方面潛力巨大。

　　3、提高流程制造效能，挖掘節(jié)能潛力

　　鋼廠在提高流程制造效能、挖掘節(jié)能潛力方面，目前有兩種可行方式：鋼鐵界面“一罐到底”模式和“球團替代燒結(jié)”模式。前者是從提高鋼鐵流程制造效能的角度出發(fā)，后者是從變革制造流程的角度出發(fā)。

　　鋼鐵界面“一罐到底”模式可以實現(xiàn)高爐與轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的熱銜接，完成鐵水“三脫”，實現(xiàn)鐵素物質(zhì)流與能量流的協(xié)同運行。“一罐到底”技術(shù)，是指取消傳統(tǒng)的混鐵爐和魚雷罐車裝置，直接采用鐵水罐運輸鐵水，將鐵水的承接、運輸、緩沖儲存、鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐兌鐵、容器快速周轉(zhuǎn)、鐵水保溫等功能集為一體。該模式取消了煉鋼車間倒罐坑、減少一次鐵水的倒罐作業(yè)，具有縮短工藝流程、緊湊總圖布置、降低能耗、減少鐵損、減少煙塵排放等多重優(yōu)勢，是今后新建鋼鐵廠高爐—轉(zhuǎn)爐界面模式的發(fā)展方向。

　　首鋼京唐在高爐—轉(zhuǎn)爐流程采用“一罐到底”先進技術(shù)，縮短了工藝流程，取消了傳統(tǒng)的魚雷罐車和煉鋼倒罐坑，減少一次鐵水倒罐作業(yè)及所產(chǎn)生的煙塵污染，降低能耗，減少鐵損，鐵水溫降減少50℃以上，具有縮短冶煉周期、節(jié)能高效等多項優(yōu)點，年節(jié)能1.69萬噸標準煤，減排5.32萬噸CO2，粉塵產(chǎn)生減少4700噸。

　　燒結(jié)工序是鋼鐵生產(chǎn)廢氣排放的重點污染源，在我國長流程鋼鐵生產(chǎn)為主的情況下，改變高爐爐料結(jié)構(gòu)、降低燒結(jié)工序比重是減少鋼鐵行業(yè)廢氣污染排放的重要途徑之一，“球團代替燒結(jié)”模式就是從此點出發(fā)。

　　高爐爐料結(jié)構(gòu)主要取決于原料資源情況、配套生產(chǎn)工藝、操作技術(shù)水平、操作習(xí)慣和理念、生產(chǎn)成本、環(huán)保要求等多方面因素。日本、韓國高爐以燒結(jié)礦為主，北美高爐以球團礦為主。歐盟由于環(huán)保要求，燒結(jié)廠的生產(chǎn)和建設(shè)受到了嚴格的限制，以球團礦為主。歐美高爐球團礦使用比例一般都較高，個別的高爐達到100%，其中一部分高爐使用熔劑性球團礦，另一部分高爐以酸性球團礦為主。

　　研究表明，球團替代燒結(jié)后，煉鐵工序、鐵前工序能耗均有一定幅度下降，污染物排放量(產(chǎn)生量)減少，廢氣污染負荷顯著下降，大幅減少或基本消除CO排放，基本消除二英、重金屬排放，CO2的排放也隨能耗的下降而下降。

　　4、挖掘節(jié)能潛力，轉(zhuǎn)換鋼鐵工業(yè)功能

　　鋼鐵企業(yè)有大量的低溫余熱資源待開發(fā)和利用，如焦爐初冷器循環(huán)水、高爐沖渣水余熱、自備電廠發(fā)電機組循環(huán)冷卻水余熱及工藝冷水(連鑄冷卻水、軋鋼冷卻水)余熱等。其中，自備電廠機組循環(huán)冷卻水與目前常用的低溫?zé)嵩聪啾龋哂刑N含熱量大、溫度適中、水質(zhì)優(yōu)良等顯著的優(yōu)勢，而且由于利用余熱，可減少冷卻塔向環(huán)境的散熱和水分蒸發(fā)，減少對鋼鐵企業(yè)周邊環(huán)境的熱濕污染。

　　例如，河鋼唐鋼充分發(fā)揮市區(qū)內(nèi)鋼鐵企業(yè)的地域優(yōu)勢，與唐山市熱力總公司合作，開展了河鋼唐鋼南區(qū)熱電廠發(fā)電機組循環(huán)冷水供社區(qū)采暖工程，工程預(yù)期供暖面積可達300萬平方米，其中一期工程100萬平方米已開工建設(shè)。該工程將電動壓縮式熱泵分散置于小區(qū)熱力站中，同時將唐鋼自備電廠凝汽器出口的循環(huán)水引至各小區(qū)的熱力站，進入熱泵機組降溫后再返回自備電廠凝汽器中被汽輪機排汽加熱，完成循環(huán);熱泵回收循環(huán)水余熱加熱二次網(wǎng)熱水為用戶供暖或提供生活熱水。

　　國外鋼企加緊低碳技術(shù)開發(fā)

　　歐盟

　　歐盟鋼鐵企業(yè)于2003年建立了歐洲鋼鐵技術(shù)平臺(EuropeanSteelTechnologyPlatform，ESTEP)，其中ULCOS(超低CO2煉鋼)是歐洲鋼鐵技術(shù)平臺在2004年專門設(shè)立的歐洲超低二氧化碳排放項目，目的在于進行低碳技術(shù)研發(fā)，其目標是使歐盟噸鋼CO2的排放量比該項目實施前最先進生產(chǎn)工藝的噸鋼排放量降低至少50%。該項目主要進行4個技術(shù)路線的研究：高爐爐頂煤氣循環(huán)(TGRBF)、先進的直接還原工藝(ULCORED)、新興熔融還原工藝(Hisarna)、電解鐵礦石工藝。

　　在研發(fā)與技術(shù)層面，主要包括減碳技術(shù)、無碳技術(shù)和去碳技術(shù)。減碳技術(shù)主要是高爐爐頂煤氣循環(huán)利用技術(shù)(TGRBF)，既減少了煉鐵中所需的焦炭量，又降低了CO2排放量。在安賽樂米塔爾一家鋼廠的高爐上試用該技術(shù)后，該高爐的CO2排放量下降了28%，從原來噸鐵排放1.3噸CO2降低至0.94噸。無碳技術(shù)是利用可再生能源替代傳統(tǒng)的化石能源，從根源上減少碳排放，以降低碳成本。ULCOS中最有突破性的研究項目之一是電解鐵礦石技術(shù)，該技術(shù)在整個生產(chǎn)過程都不會產(chǎn)生CO2，唯一的副產(chǎn)品是氧氣。無碳技術(shù)可以使整個鋼鐵生產(chǎn)流程中的碳排放大大降低，從根本上解決碳成本的問題。去碳技術(shù)是采用先進技術(shù)措施將鋼鐵生產(chǎn)過程中排放的CO2去除，這是一種末端處理方法。目前，最典型的去碳技術(shù)就是CCS技術(shù)(CO2捕獲和封存技術(shù))，它可以將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2進行收集、分離并集中注入并封存到地下。如果將CCS技術(shù)與TGFBF技術(shù)相結(jié)合使用，能使歐盟鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的CO2排放量減少50%，而單獨使用TRGBF技術(shù)只能減排30%左右。

　　日本

　　日本新能源和工業(yè)技術(shù)部(NEDO)于2008年7月委托日本神戶制鋼、JFE、原新日鐵、原新日鐵工程公司、原住友金屬以及日新制鋼6家公司共同合作開展了“環(huán)境友好型煉鐵技術(shù)開發(fā)”項目COURSE50。

　　COURSE50是用氫氣代替部分焦炭對鐵礦石進行還原，并將高爐煤氣中的CO2進行分離回收，由此實現(xiàn)減少高爐CO2排放量30%的目標。其研究內(nèi)容主要為：開發(fā)利用氫氣還原鐵礦石的新技術(shù)，開發(fā)廉價的氫氣利用技術(shù)(包括焦爐煤氣的開發(fā)利用技術(shù))，CO2的分離和捕集技術(shù)開發(fā)，CO2在高爐煤氣中的分離和捕集技術(shù)，利用鋼鐵生產(chǎn)的余能對CO2進行分離和捕集，焦爐煤氣的重整(35%的CO，60%的H2)對高爐的影響。該開發(fā)研究分兩個階段進行：第一階段為2008年~2012年，主要目標是開發(fā)減少高爐排放CO2的技術(shù)和從高爐煤氣分離回收CO2的技術(shù);第二階段是綜合試驗階段，最終目標是使CO2排放量減少30%。日本將于2030年確立此項技術(shù)，2050年實現(xiàn)應(yīng)用及普及。

　　韓國

　　韓國浦項將創(chuàng)新煉鐵技術(shù)作為低碳發(fā)展的突破口。浦項一方面持續(xù)改進被稱為環(huán)境友好型煉鐵工藝的FINEX工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，另一方面大力開發(fā)以減排CO2為特征的未來突破性技術(shù)。低碳煉鐵FINEX技術(shù)、全氫高爐煉鐵技術(shù)和碳捕獲與分離技術(shù)、利用廢氣熱能發(fā)電技術(shù)將成為浦項的中長期技術(shù)研發(fā)項目，浦項為這一技術(shù)路線設(shè)定的可行期限是2050年前。

　　FINEX工藝相當(dāng)于把高爐分成兩段來操作，即把鐵礦的還原與熔融分離開來，這樣可以減小各自的冶煉負荷，熔融部分所承擔(dān)的負荷只占高爐的30%左右。FINEX工藝金屬化率為50%，還原率為60%，F(xiàn)INEX設(shè)備最終還輸出優(yōu)質(zhì)煤氣，其發(fā)熱值約為高爐煤氣的2.3倍。FINEX工藝還集成了CO2分離系統(tǒng)，便于未來采用碳捕獲與儲存技術(shù)(CCS)。

　　浦項全氫高爐冶煉技術(shù)與日本目前正在研究中的COURSE50項目類似，均是在高爐內(nèi)使用一部分氫氣替代焦煤對燒結(jié)礦進行還原，從而能夠大幅度減少鋼鐵生產(chǎn)過程中CO2的排放。浦項的短期目標是利用鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)氣體制取可用于還原鐵礦石的氫氣，中長期目標是開發(fā)出能夠低成本大量制造高純度氫氣的技術(shù)。

　　浦項正致力于研發(fā)利用氨水吸收及分離高爐煤氣中CO2的技術(shù)。該項技術(shù)利用鋼廠產(chǎn)生的中低溫廢熱作為吸收CO2所需的熱能，從而降低成本。該項新技術(shù)的研發(fā)于2006年立項，并于2008年12月動工興建首套中試設(shè)備，處理能力為50標準立方米/小時，CO2捕獲效率能夠達到90%以上，CO2濃度不低于95%。其興建的第2套示范設(shè)備已于2010年開始運行，處理能力為1000標準立方米/小時，預(yù)計幾年后該設(shè)備的CO2日捕獲量有望達到10噸左右。

　　鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)流程決定CO2排放強度

　　在世界鋼鐵協(xié)會編制的《鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展政策及指標報告》，將相關(guān)指標分為3大類共8個指標，排在第一個的就是溫室氣體的排放。根據(jù)該報告，2014年全球噸鋼CO2排放量平均為1.8噸，2015年的噸鋼CO2排放量平均為1.9噸。

　　從生產(chǎn)流程看，目前全球的粗鋼約有30%是短流程煉鋼(電爐煉鋼)，其余幾乎都是長流程煉鋼(高爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼)。其中，美國粗鋼產(chǎn)量約為1.2億噸，60%以上是電爐鋼，噸鋼CO2排放量為1.19噸;歐盟國家約40%是電爐鋼，噸鋼CO2排放量為1.6噸;亞洲地區(qū)粗鋼生產(chǎn)以長流程為主，日本、韓國及中國臺灣地區(qū)的噸鋼CO2排放量約為2噸。由此可以看出，長、短流程煉鋼的比例也直接影響著CO2的排放。

　　我國鋼鐵生產(chǎn)以長流程為主，鐵鋼比高，能源結(jié)構(gòu)中以煤炭為主，所以噸鋼CO2排放量較大。近年來，隨著我國鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能技術(shù)的廣泛利用，以及能源利用效率的提高，目前噸鋼CO2排放量在2噸左右。

　　相關(guān)研究結(jié)果表明，2010年，中國工業(yè)部門礦物燃料燃燒排放CO2約52.3億噸，約占全國CO2排放總量的70%，與能源消耗總量所占比例相近。其中，鋼鐵工業(yè)排放CO2約10.6億噸，約占全國CO2排放總量的14%。以噸鋼2噸CO2的排放量計算，初步估算，2015年鋼鐵行業(yè)CO2的排放量在16億噸左右。我國鋼鐵行業(yè)能源消耗量與CO2排放量。

　　數(shù)據(jù)顯示，2015年全球CO2排放量為321億噸，與前兩年持平，溫室氣體排放已連續(xù)2年沒有隨著經(jīng)濟增長而上升。據(jù)了解，國際能源署提供CO2排放量數(shù)據(jù)已經(jīng)超過40年，其間CO2排放量同比下降或持平的情況只在4個時間段出現(xiàn)過，其中3次是和全球經(jīng)濟疲軟有關(guān)，分別是20世紀80年代初期、1992年和2009年