丁   暉

（馬鋼集團(tuán)）

摘  要：在雙碳背景下，碳達(dá)峰、碳中和已經(jīng)成為鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的硬約束，煉鐵技術(shù)發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。為實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型，各高等院校、科研院所以及鋼鐵企業(yè)不斷研究、推廣、應(yīng)用低碳技術(shù)，持續(xù)降低能耗和污染物排放，取得積極進(jìn)展。本文分析了當(dāng)前鋼鐵工業(yè)現(xiàn)狀及存在的問題，匯總了雙碳背景下煉鐵技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)，包括高爐節(jié)能減排技術(shù)、非高爐煉鐵技術(shù)等。

關(guān)鍵詞：雙碳目標(biāo)；煉鐵技術(shù)；低碳轉(zhuǎn)型；非高爐煉鐵；碳捕獲和儲(chǔ)存

1  前言

力爭(zhēng)二氧化碳排放在2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，是以習(xí)近平同志為核心的黨中央統(tǒng)籌國內(nèi)國際兩個(gè)大局作出的重大戰(zhàn)略決策，是我們對(duì)國際社會(huì)的莊嚴(yán)承諾，也是推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)的關(guān)鍵措施。當(dāng)前，我國產(chǎn)業(yè)偏重、能源偏煤、效率偏低的發(fā)展模式仍未根本改變，降碳任務(wù)艱巨繁重。我國碳排放總量約為美國的2倍多，歐盟的3倍多，排放總量超過113億噸，約占全球的30%，實(shí)現(xiàn)碳中和所需碳排放減量遠(yuǎn)高于國際發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體。國內(nèi)粗鋼產(chǎn)量占到全球粗鋼產(chǎn)量一半以上，且鋼鐵生產(chǎn)主流工藝是高爐—轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程，在我國長(zhǎng)流程占比約90%。由于其碳基還原的特性（其能源結(jié)構(gòu)見圖2，煤炭占比達(dá)到83%），鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳排放占全球鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳排放總量的60％以上，是全球鋼鐵行業(yè)最大的碳排放源。具體到國內(nèi)來看，鋼鐵行業(yè)碳排放占全國碳排放總量的15%左右，其中高爐流程中直接排碳占60%以上，碳排放量位居制造業(yè)31個(gè)門類首位。從排放強(qiáng)度上看，我國鋼鐵行業(yè)2020年碳排放強(qiáng)度2.03tCO?/t鋼，高于世界1.8tCO?/t鋼的平均水平。

2  我國鋼鐵工業(yè)“雙碳”挑戰(zhàn)與機(jī)遇

2.1 我國鋼鐵工業(yè)的“雙碳”挑戰(zhàn)

世界正迎來以綠色低碳為特征的新—輪產(chǎn)業(yè)革命和技術(shù)變革，全球綠色低碳轉(zhuǎn)型創(chuàng)新已經(jīng)成為不可逆的大趨勢(shì)。許多國家正通過征碳稅、碳排放交易或限額交易來幫助實(shí)現(xiàn)碳中和。據(jù)國際貨幣基金組織預(yù)測(cè)2030年全球平均碳價(jià)達(dá)75美元/噸，低碳轉(zhuǎn)型和碳金融收益預(yù)期可觀。

2023年2月歐洲議會(huì)通過歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制(CBAM)，將對(duì)含鋼鐵在內(nèi)的進(jìn)口商品征收碳稅，鋼鐵出口利潤(rùn)空間將進(jìn)一步壓縮。另一方面，市場(chǎng)對(duì)低碳鋼鐵材料提出了迫切需求。2022年8月4日，河鋼集團(tuán)與寶馬集團(tuán)簽署《打造綠色低碳鋼鐵供應(yīng)鏈合作備忘錄》指出，從2023年中期開始，河鋼將汽車板CO?排放降低10-30%，2026年起，基于綠電和電爐等工藝，將汽車板CO?排放逐步降低95%。2022年11月22日，寶鋼與奔馳簽署《關(guān)于構(gòu)建綠色鋼鐵供應(yīng)鏈的合作備忘錄》，2023年逐步提供碳排放強(qiáng)度大幅降低的汽車用鋼，2026年起，借助氫基豎爐-電爐技術(shù)，寶鋼汽車用鋼CO?排放強(qiáng)度逐步降低50-80%，隨后進(jìn)一步提供減碳95%的綠鋼。

如下圖4所示，歐美等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體較早實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，已實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與碳排放脫鉤，分別于上世紀(jì)80年代和本世紀(jì)初實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，而我國是世界上最大的發(fā)展中國家，仍處在工業(yè)化和現(xiàn)代化的推進(jìn)期，能源需求還需繼續(xù)保持合理增長(zhǎng)，碳達(dá)峰時(shí)間要到2030年。歐美等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體從“碳達(dá)峰”到“碳中和”時(shí)間長(zhǎng)，有50~70年時(shí)間；我國從碳達(dá)峰到碳中和只有30年時(shí)間，寶武集團(tuán)時(shí)間更短，僅為27年，且比國家提前10年。與歐美國等發(fā)達(dá)國家相比，我國是在人均GDP相對(duì)較低、所用時(shí)間明顯更短的情況下提出“雙碳”目標(biāo)，需要付出的努力和成本遠(yuǎn)大于這些國家。

我國鋼鐵行業(yè)當(dāng)下面臨的幾項(xiàng)主要問題：（1）產(chǎn)量大，排放量大，碳排放強(qiáng)度全球偏高；（2）能源資源稟賦，以高爐——轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程為主，短流程占比低；（3）鋼鐵企業(yè)數(shù)量多，且結(jié)構(gòu)、水平差異大；（4）碳排放機(jī)理復(fù)雜涉及能源燃燒排放、工業(yè)生產(chǎn)過程排放、電力和熱力消耗所對(duì)應(yīng)的間接排放等多種碳排放機(jī)理；（5）碳減排目標(biāo)硬約束&經(jīng)濟(jì)可行降碳空間有限；（6）國家政策發(fā)展要求&行業(yè)企業(yè)技術(shù)配套不完善；（7）雙重減排壓力同時(shí)存在；（8）國家低碳政策影響與約束；（9）絕大多數(shù)鋼企處于低碳發(fā)展處級(jí)階段。

2.2 我國鋼鐵工業(yè)的“雙碳”機(jī)遇

我國鋼鐵工業(yè)已具備較強(qiáng)的全球競(jìng)爭(zhēng)力，鋼鐵工業(yè)作為我國經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過多年的快速和全面的發(fā)展，擁有了世界上最完整、最大規(guī)模的鋼鐵工業(yè)體系，配備了世界最先進(jìn)的裝備、工藝和技術(shù)，為國家和世界提供者豐富的、不斷升級(jí)的鋼鐵產(chǎn)品，是真正的國之重器，鋼鐵脊梁。在規(guī)模、技術(shù)、效益、品牌、產(chǎn)品、服務(wù)、管理等各個(gè)方面，綜合實(shí)力穩(wěn)居世界一流方陣，是我國工業(yè)領(lǐng)域最具全球競(jìng)爭(zhēng)力的重點(diǎn)行業(yè)之一。幾十年來，尤其是最近幾年來的中國鋼鐵實(shí)踐，走出了最短時(shí)間最高標(biāo)準(zhǔn)最大規(guī)模的超低排放綠色成長(zhǎng)之路，積累了經(jīng)驗(yàn)，奠定了基礎(chǔ)，贏得了全世界鋼鐵同行的尊敬。鋼鐵工業(yè)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將為我國貫徹新發(fā)展理念、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展提供新的歷史機(jī)遇，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型增效，引領(lǐng)全球綠色低碳技術(shù)和產(chǎn)業(yè)革命。

3   雙碳背景下的煉鐵技術(shù)轉(zhuǎn)型方向

減少鋼鐵生產(chǎn)中二氧化碳排放強(qiáng)度的短期策略是通過提高高爐操作水平，降低高爐的消耗。改變高爐的能源結(jié)構(gòu)，減少高爐對(duì)碳燃料的依賴。如下圖所示，具體可以從減少煤氣化學(xué)能、降低過程能耗、尋找碳替代品等三個(gè)途徑著手。主要方向包括：極致能效、冶金資源循環(huán)利用、低碳冶煉技術(shù)應(yīng)用、負(fù)碳技術(shù)的應(yīng)用等內(nèi)容。

3.1極致能效

（1）技術(shù)目標(biāo)以除固體燃料外能效提升20%為挑戰(zhàn)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)噸鋼碳排放強(qiáng)度降低5%以上，其中，BACT應(yīng)用實(shí)現(xiàn)噸鋼碳排放強(qiáng)度降低3%，界面能效提升實(shí)現(xiàn)噸鋼碳排放強(qiáng)度降低2%。（2）技術(shù)措施對(duì)標(biāo)極限能耗：開發(fā)全工序理論極限和技術(shù)極限能耗模型，建成動(dòng)態(tài)更新BACT庫，大力推廣應(yīng)用，優(yōu)化改進(jìn)工藝流程、公輔系統(tǒng)，提高金屬收得率，顯著降低能耗。余熱余能資源化余熱資源深度回收利用：突破焦?fàn)t荒煤氣顯熱、高爐渣顯熱等高溫顯熱回收難題，充分回收燒結(jié)廢氣余熱、燒結(jié)礦顯熱、蒸汽冷凝水余熱鍋爐排污余熱、空壓機(jī)余熱、循環(huán)冷卻水余熱、燒結(jié)球團(tuán)煙氣余熱等中低溫余熱資源。副產(chǎn)煤氣協(xié)同回收資源化：極限回收高爐、焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐煤氣等副產(chǎn)煤氣，通過產(chǎn)業(yè)區(qū)域協(xié)同、鋼鐵-化工聯(lián)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)煤氣資源化。余壓資源充分回收利用：深度挖掘余壓資源潛力，實(shí)現(xiàn)高爐爐頂余壓、管網(wǎng)蒸汽余壓、循環(huán)冷卻水余壓等資源的高效利用。界面能效提升鐵鋼界面智能高效熱連接：通過鐵鋼界面TPC保溫、碳析出的綜合利用，開發(fā)溫降預(yù)測(cè)模型，建立智能運(yùn)輸與調(diào)度，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一柔性連接，降低鐵鋼界面的熱損失。

3.2 冶金資源循環(huán)利用

（1）技術(shù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)含鐵含碳固廢全量消納，減少噸鐵化石類固體燃料消耗10-15kg；形成全流程鋼鐵循環(huán)材料使用比例達(dá)到35%以上的成套工藝技術(shù)；掌握煉鐵使用生物質(zhì)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以生物質(zhì)炭替代20%以上的高爐噴吹煤，從而減少噸鐵化石類固體燃料消耗35kg以上。通過采用以上工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)降低噸鋼CO₂排放量15-20%。（2）技術(shù)措施①含鐵含碳固廢全量高效利用：通過開發(fā)含鐵含碳固廢分級(jí)分質(zhì)預(yù)處理技術(shù)、與冶金工藝耦合的質(zhì)能高效利用技術(shù)以及全過程污染物控制技術(shù)，構(gòu)建含鐵含碳固廢與冶金爐窯的多維度適配模型，實(shí)現(xiàn)全量、高效、資源化增值利用。②鋼鐵循環(huán)材料大比例使用：通過開發(fā)高爐使用鋼鐵循環(huán)材料技術(shù)，增加鋼鐵循環(huán)材料在高爐煉鐵過程中的使用量，從而減少鐵礦石還原耗熱量，降低CO排放量。

3.3低碳冶煉技術(shù)——富氫碳循環(huán)

（1）技術(shù)目標(biāo)開發(fā)碳鐵復(fù)合爐料促進(jìn)高爐內(nèi)的間接還原，通過富氫碳循環(huán)提升氫和碳在高爐的利用效率，同時(shí)引入綠色電能來替代部分加熱用碳基燃料，重構(gòu)現(xiàn)有的高爐流程，實(shí)現(xiàn)噸鐵碳排放減量35%以上。（2）技術(shù)措施①富氫碳循環(huán)高爐通過高富氧鼓風(fēng)或全氧操作來優(yōu)化高爐爐頂副產(chǎn)煤氣的組成，使用煤氣CO?分離技術(shù)將爐頂?shù)母碑a(chǎn)品煤氣變?yōu)楦郀t還原勢(shì)的煤氣和高濃度的CO? ，引入綠色電能將高還原勢(shì)煤氣加熱到較高溫度后以便高爐大量噴吹高還原勢(shì)的煤氣，實(shí)現(xiàn)高爐對(duì)碳循環(huán)利用、利用率達(dá)到100%；同時(shí)在碳的循環(huán)過程中混入富氫物質(zhì)強(qiáng)化高爐富氫冶煉效果，降低高爐流程對(duì)固體燃煤的消耗。

②新型爐料將低品質(zhì)煤粉和鐵礦粉按一定比例混合后，經(jīng)過加熱、成型、復(fù)合反應(yīng)后得到的一種金屬鐵分散在碳基體中的高爐塊狀原料。將碳鐵復(fù)合爐料與含鐵爐料一同加入高爐，改善高爐內(nèi)還原動(dòng)力學(xué)條件，提升爐身效率，減少燃料消耗，降低高爐CO。

③微波燒結(jié)預(yù)還原技術(shù)將不同類型鐵礦石預(yù)處理后，加熱至高溫造塊，在高溫狀態(tài)下通入氫氣進(jìn)行冷卻還原，制備得 到預(yù)還原金屬化微波燒結(jié)礦，供高爐使用，從而降低高爐燃料消耗，從鐵礦石造塊、高爐煉鐵兩 個(gè)工序降低CO?排放，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

3.4 低碳冶金技術(shù)——氫基豎爐

（1）技術(shù)目標(biāo)開發(fā)和試驗(yàn)氫基豎爐直接還原技術(shù)，以及高效水電解制氫、大能力氫氣輸運(yùn)儲(chǔ)存技術(shù)裝備，通過氫基豎爐-電爐短流程的技術(shù)集成及應(yīng)用，使噸鋼CO?排放量下降90%。（2）技術(shù)措施氫基豎爐直接還原煉鐵新工藝：以氣基豎爐工藝為基礎(chǔ)，研究開發(fā)可自由使用天然氣、焦?fàn)t煤氣和綠色氫氣等氫基氣體作為還原氣源的氫基豎爐直接還原工藝及技術(shù)裝備，不同的氣源比例可靈活調(diào)節(jié)，氫氣的比例最高可達(dá)到100%。

開發(fā)和試驗(yàn)可供大型氫基豎爐使用的大規(guī)模、高效率、低成本制氫技術(shù)及其裝備，研究和試驗(yàn)大容量氣態(tài)儲(chǔ)氫裝置和管道長(zhǎng)距離大流量氫氣輸送技術(shù)。建設(shè)光伏發(fā)電、風(fēng)電設(shè)施及模塊化組合的水電解制氫規(guī)模化試驗(yàn)裝置，生產(chǎn)綠色氫氣，并用大容量?jī)?chǔ)罐存儲(chǔ)。配套建設(shè)氫氣輸送管道，向氫基豎爐儲(chǔ)氫罐供氫。通過示范工程試驗(yàn)，掌握全流程的制氫一儲(chǔ)氫一輸氫—全氫冶金技術(shù)和設(shè)備。

3.5  負(fù)碳技術(shù)——碳回收及利用

（1）技術(shù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)冶金煤氣CO?捕集和凈化工藝的大規(guī)模應(yīng)用，規(guī)?；瘧?yīng)用CO?驅(qū)油、制備燃料或化工產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)，打造CO?資源化產(chǎn)業(yè)集群，形成每年可以捕集利用1000萬噸以上CO?資源產(chǎn)業(yè)平臺(tái)。（2）技術(shù)措施冶金煤氣CO?分離回收：開展冶金煤氣分離CO?技術(shù)研究，識(shí)別不同CO?捕集方法的適用性，選擇不同冶金煤氣的適宜的捕集工藝。開發(fā)低能耗低消耗的CO?吸附和脫附過程捕集劑，降低工藝過程生產(chǎn)能耗從而進(jìn)一步降低CO?回收分離的成本。CO?制備清潔燃料或有機(jī)原料：開展CO?壓縮與氫氣混合制甲醇裝置放大的技術(shù)研究，開發(fā)新型高效催化劑，提高制甲醇的反應(yīng)效率。開展生物發(fā)酵法冶金煤氣制備乙醇技術(shù)研究，通過反應(yīng)器的規(guī)?；糯螅磻?yīng)后物料的提純能耗降低，廢水提質(zhì)利用及循環(huán) 使用研究技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，形成規(guī)?；苯鹈簹饩G色乙醇制備技術(shù)。

4  馬鋼低碳煉鐵技術(shù)路徑的研討與實(shí)踐

4.1 高爐低碳化煉鐵技術(shù)思路

4.2 高爐低碳化煉鐵技術(shù)

4.2.1 高爐低碳比冶煉技術(shù)

寶武系大型高爐中，先進(jìn)高爐的焦比≤335kg/t、燃料比≤495kg/t。馬鋼高爐燃料比與之相差不大，但焦比相差較多。2020年馬鋼A號(hào)高爐煙煤比例41.4%。提高1%的煙煤比例，可降低入爐煤粉碳0.18%。提煤比(煙煤)降焦比，降總?cè)剂媳?，降低高爐入爐總碳量，從而降低碳排放。如以煤比155kg/t鐵，在性價(jià)比可許的范圍內(nèi)煙煤比例由41.1%提高到47.1%，則全廠每年可減少入爐碳量2.7萬噸，從而降低高爐CO?排放量10萬噸/a。

4.2.2 高爐風(fēng)口混合噴吹富氫燃料

在對(duì)高爐煉鐵工藝流程不做大的改變的前提下，實(shí)現(xiàn)低碳化冶煉的關(guān)鍵是尋找碳的替代品。從高爐中碳的作用來看，發(fā)熱劑和還原劑是其主要作用，因此氫元素被認(rèn)為是碳的  最佳替代元素。研究表明氫還原由10%增加到20%，則高爐直接還原由30%下降到20%。目前對(duì)高爐風(fēng)口混合噴吹的富氫燃料主要有以下兩種方式：固體富氫燃料主要是城市固廢塑料制品和橡膠制品：塑料制品和橡膠制品在燃燒時(shí)都產(chǎn)生氫和一氧化碳，可以有效的替代煤粉作為高爐的發(fā)熱劑和還原劑。城市每天都會(huì)產(chǎn)生大量的固廢，處理難度大。這項(xiàng)技術(shù)在寶鋼已進(jìn)行過短期的工業(yè)試驗(yàn)證明技術(shù)上是行得通的，最大的問題是這些固廢收集、制粒以及資源的充足供應(yīng)。氣體富氫燃料主要為天然氣和焦?fàn)t煤氣：氣體燃料噴吹相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于天然氣和焦?fàn)t煤氣都是國民經(jīng)濟(jì)重要的能源，從資源上看，可持續(xù)性存在問題。效果預(yù)測(cè)在城市垃圾分類和報(bào)廢汽車等主要橡膠制品拆解產(chǎn)業(yè)化的前提下，通過尋求政府支持，相對(duì)來說，噴吹固體富氫燃料的可能性更大一些。

4.2.3富氫碳循環(huán)高爐煉鐵技術(shù)

高爐減碳從當(dāng)前的生產(chǎn)來看，降低過程耗能和提高煤氣利用率已趨極限，只能通過煤氣化學(xué)能返回利用減少煤氣化學(xué)能，使用氫(還原)和電(加熱)替代。以富氫碳循環(huán)為手段，以降低高爐還原劑比為方向，重構(gòu)高爐流程，最大程度利用碳和氫的化學(xué)能，使用綠色能源取代碳加熱，實(shí)現(xiàn)高爐大幅減碳。理論上，富氫碳循環(huán)高爐冶煉技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高爐煉鐵42%的減碳。八鋼430m³高爐第二階段實(shí)驗(yàn)已完成，設(shè)備改造后開展第三階段實(shí)驗(yàn)。準(zhǔn)備實(shí)施全氧生產(chǎn)。

4.3 其它低碳化煉鐵技術(shù)

燒結(jié)CO?排放約291kg/噸鋼，燒結(jié)廢氣SO? 、NO_x和二噁英排放量分別占鋼鐵總排放量的60%、50%和90%以上?；趥鹘y(tǒng)的燒結(jié)工藝流程，難以實(shí)現(xiàn)均熱均質(zhì)燒結(jié)，降低燃料消耗和提高燒結(jié)礦質(zhì)量的空間有限。

4.3.1 燒結(jié)料面輔助噴吹降碳技術(shù)

（1）技術(shù)措施①料面噴加可燃煤氣，減少化石能源碳消耗量燒結(jié)料層上部料層保持最高燒結(jié)溫度，從而提高能效(產(chǎn)質(zhì)量提升)及減少CO?排放。燒結(jié)礦質(zhì)量提高，促進(jìn)高爐低燃料比運(yùn)行，進(jìn)一步降低碳消耗，減排。②料面噴加蒸汽，提高過程能效減排燒結(jié)料面適宜的蒸汽噴吹，通過提高碳的燃燒效率減少碳消耗，可起到CO?減排和改善燒結(jié)礦質(zhì)量的綜合效果。（2）效果預(yù)測(cè)基于當(dāng)前的長(zhǎng)流程生產(chǎn)條件下，開展以降低能耗為目的的輔助綜合噴吹技術(shù)，短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)減碳0.8%(30萬噸/年)。

4.3.2 熔融氧化物高溫電解制鐵技術(shù)

（1）優(yōu)點(diǎn)：①?zèng)]有煤、焦炭等碳素原料的使用，省去了焦化、噴煤等工藝；②入爐的是鐵精礦粉，省去了燒結(jié)、球團(tuán)等工藝，大大簡(jiǎn)化了工藝流程；③比起高爐密集、高大的建筑群，此法占地面積小，設(shè)備簡(jiǎn)單；④不產(chǎn)生溫室氣體CO?，在陽極產(chǎn)生氧氣；由于沒有焦炭帶入硫等雜質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生SO?等有害氣體，污染環(huán)境；極產(chǎn)出的鐵水純凈度很高，便于后期處理。（2）缺點(diǎn)是單體產(chǎn)量低、電耗高等。