双碳背景下耐火材料科技创新的思考

李红霞

中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司 河南洛阳471039

习近平总书记在“领导人气候峰会”上宣布：“中方力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。”碳达峰是指全国温室气体排放达到顶峰，碳中和是指碳生产和碳消纳的平衡，实现碳负荷归零。由于中国承诺实现从碳达峰到碳中和的时间，远远短于发达国家所有时间，需要付出艰苦的努力。“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期。按照中央决策部署，中国将重点聚焦在构建清洁低碳安全高效的能源体系、实施重点行业领域减污降碳行动、推动绿色低碳技术实现重大突破、完善绿色低碳政策和市场体系、倡导绿色低碳生活、提升生态碳汇能力等方面。基于“碳达峰”和“碳中和”的双碳目标，本文中主要围绕高温工业降碳绿色发展趋势，指出了耐火材料科技创新的方向以及研究重点。

1 双碳背景下耐火材料所服务的主要高温行业的发展

据统计，2019年我国制造业占GDP比重为27.2%，典型流程工业包括石化、化工、钢铁、有色、建材等行业总产值占全国企业年总产值的51.98%。规模庞大的流程制造业背后是巨高的碳排放，其中，基础原材料工业对CO2排放的贡献占比70%，因为我国制造过程中高碳排放的生铁、粗钢、氧化铝、水泥、10种有色金属以及石化和化工产品等产量连续多年位居世界第一，这也是我国单位GDP能耗是世界平均水平的130%、碳排放量占世界的28%的主要原因之一。据测算，我国单位GDP能耗要达到目前世界的平均水平，意味着每年需减少10亿t标煤的消耗，节能减碳潜力巨大［1］。因此，电力、钢铁、有色、化工、建材等高温行业是我国节能降碳的重点领域，目前这些高碳排放行业已制定和推进碳达峰、碳中和行动方案和技术路线图，在碳中和与去产能的巨大压力驱动下，产业与产品结构调整、科技创新等全面发力，其碳达峰、碳中和时间表上均超前2030年和2060年。

耐火材料是高温工业的重要支撑，不可或缺，其产业发展和科技创新与节能降碳重点高温行业的发展和技术路径息息相关，在双碳背景下耐火材料的发展充满了机遇与挑战。

2 双碳目标下钢铁行业的发展与冶金用耐火材料的科技创新

我国耐火材料产量世界第一，70%以上用于冶金行业，贯穿冶金始终。钢铁行业的发展、科技的创新与技术的进步显著驱动耐火材料产业的发展和科技创新。

据统计，2020年全国生铁、粗钢产量分别为88 752万t和105 300万t，分别同比增长4.3%和5.2%。据统计，我国钢铁生产每年排放CO2超过19.6亿t，占全国温室气体总排放的15%左右［1］，位居工业行业碳排放第二，钢铁行业的降碳压力巨大，是减少碳排放的重点领域，其重点在排放占比为70%的炼铁工序。

2021年初，中国宝武钢铁集团有限公司（简称中国宝武）率先向社会发布要提前实现碳达峰、碳中和的目标［2］：以优化管理、提升效率的路径力争2023年实现碳达峰；以技术创新、优化流程的路径力争2035年减碳30%；以工艺革命、流程再造的路径力争2050年实现碳中和。为此，中国宝武提出了“以绿色发展为统领，以低碳冶金和智慧制造实现钢铁生产过程的绿色化，以精品化实现钢铁产品使用过程的绿色化，为构建碳中和社会作贡献”的绿色低碳发展思路。

河钢集团有限公司在钢铁业内率先发布了低碳绿色发展行动计划［3］。2021年发布低碳冶金路线图，2022年实现碳达峰，2025年碳排放量较峰值降10%以上，2030年碳排放量较峰值降30%以上，2050年实现碳中和。

钢铁行业的节能减排离不开技术创新。中国宝武对低碳创新发展进行了探索与实践，在非高炉炼铁技术方面已有突破。在八一钢铁建设了非高炉炼铁工艺的欧冶炉，基于COREX-3000的深入认识与实践，对非高炉炼铁工艺进行技术攻关与再创新。2019年，八一钢铁430 m3高炉改建成了富氢碳循环氧气高炉，并与欧冶炉及其他辅助配套工艺装备一起，成为宝武低碳冶金创新试验平台，并于2020年7月15日建成投运，在2020年实现了鼓风氧含量35%的第一阶段试验目标，突破了传统高炉的富氧冶炼极限。河钢集团有限公司大力实施氢冶金技术，率先在河北张家口建成全球首例120万t氢冶金示范工程生产线，从制备绿色能源、低成本制氢、焦炉煤气净化、氢冶金、二氧化碳脱除等流程进行创新，解决钢铁冶金过程产生的环境污染和碳排放问题；“十四五”期间，在唐山、邯郸分别建设120万t产线，打造氢能还原与利用研发平台；加快二氧化碳捕集利用与封存技术（CCUS）研发示范与应用；加快推进仿地幔铁浴熔池技术的研发与应用。

炼铁是钢铁行业突破节能减碳的关键工序。在非焦炼铁方面，北京科技大学和建龙集团提出氢基熔融还原炼铁新技术（CISP），避免烧结与焦化工序，实现粉矿直接入炉，该工艺对于矿粉的适应性强，可以处理高磷矿、钒钛矿等。毛新平院士［4］曾在《碳中和背景下的近终形制造技术》报告中介绍到，2016年奥钢联提出了用氢离子进行最终还原精炼的SuSteel项目，即采用等离子氢作为燃料和还原剂实现铁矿石直接炼钢，可连续生产粗钢，不需要传统的炼钢工序，该工艺涉及的技术包括氢等离子体焰炬熔炼炉、尾气预热和预还原铁矿石。目前非焦炼铁新技术的研究是国内外研究的热点，主要有高比例球团高炉炼铁、全氧富氢高炉低碳炼铁、气基竖炉富氢直接还原炼铁、基于低阶煤的富氢直接还原炼铁、氢基熔融还原炼铁，以及生物质炼铁技术的研究。

此外，中国钢铁生产中CO2排放比长流程少45%的电炉短流程占比不到10%，远低于美国62%、欧盟39%、日本22%的发展水平，也低于全球25.2%的平均水平。中国积蓄废钢资源量的不断增长为发展短流程电炉炼钢提供了有利条件，有序推进中国电炉炼钢发展已成为业内共识。炼钢新技术包括电炉炼钢、CO2替代N2Ar转炉底吹技术循环［5］及跨行业联产技术和近终形铸轧绿色低碳技术。

综上所述，钢铁行业在如何减少CO2排放方面，主要聚焦于以下关键低碳冶金技术：一是寻求CO2在长流程钢铁工序内的规模化自我消化［5］；二是变革钢铁制造流程，发展短流程电炉炼钢及近终形铸轧技术；三是采用非化石氢冶金从源头减少CO2排放；四是冶金—煤化工耦合冶炼直接还原铁，探索炼铁生产过程的负碳排放；五是研发高品质钢铁材料，提高寿命，减少资源消耗；六是能源替代和智慧制造，提高用能效率，降低排放。

因此，围绕钢铁行业减污降碳、高质量绿色发展，耐火材料要重点开展以下内容：

（1）非高炉炼铁用长寿命耐火材料的研究。关注非化石氢冶金，包括气基竖炉还原和氢基熔融还原炼铁、全氧富氢高炉低碳炼铁、生物质炼铁等技术，研究氢冶金用长寿命耐火材料，熔融还原炼铁用长寿命耐火材料等关键材料。

（2）转炉、电炉及精炼新技术用绿色功能化耐火材料的研究。转炉底吹可以有效降低碳氧积，提高钢水纯净度，但导致转炉底部耐火材料损坏严重，尤其是底吹粉时寿命还不足2 000炉。高品质钢生产的炼钢新技术使耐火材料的服役环境更极端和复杂，包括更高的温度，熔渣、熔融金属及气体的侵蚀，机械磨损，更剧烈的热冲击，更高的压力和高温真空。这些苛刻的服役环境向耐火材料工作者发出了挑战。

（3）高品质钢高效连铸用耐火材料的研究。目前在浇铸高品质钢时存在的问题包括增碳问题（超低碳钢），非金属夹杂物问题，特别是帘线钢、轴承钢、稀土钢等高品质钢的问题更加严重；连铸效率低，特别是合金元素如Mn、B、Ti、稀土等过多导致功能耐火材料蚀损寿命降低；浇铸含Ti、Al、稀土钢时浸入式水口堵塞，影响钢的质量；高品质高温合金生产用系列高性能耐火材料等。

（4）近终形连铸用高品质耐火材料的研究。ESP、薄带连铸、非晶薄带材生产用关键功能耐火材料，如浸入式水口、布流水口、侧封板、喷嘴等。

（5）冶金高温装置热管理用系列高性能节能耐火材料的研究。

（6）用后耐火材料及冶金渣的高值化利用。

3 耐火材料行业的挑战和机遇

与双碳目标、绿色发展、智慧制造、发展与安全等相关的系列政策将进一步驱动高温工业科技创新，催生变革性高温新技术不断涌现，这将极大地推动耐火材料的科技创新和产业变革。此外，材料全生命周期碳足迹的核算，低碳绿色标准的建立，将使耐火材料产业发展面临巨大挑战，同时也将更充满机遇和活力。但总体来讲，随着高温工业碳达峰目标实现和技术创新，耐火材料发展总的趋势是量降质增。

从双碳目标、低碳绿色高质量发展角度看，我国耐火材料产业存在着一些突出的问题。首先是耐火原料出口多，我国耐火原料出口在世界占比高，各品级镁砂、碳化硅、棕刚玉、白刚玉等碳排放量很高；我国耐火材料产量第一，其中不定形耐火材料占比低，高能耗的普通硅砖出口量大，绿色高品质材料占比较低，产品结构需要进一步优化；耐火材料制造以天然气等化石能源为主，碳排放高；耐火材料制造过程能效与余热废热利用率需要进一步提高；用后耐火材料再资源化利用率需要进一步提高。

在碳中和及所服务高温行业新技术快速发展的背景下，耐火材料行业面临严峻的挑战。碳达峰、碳中和不仅是技术的选择，更是发展权、发展方式的变革，因此耐火材料产业必须贯彻节能减排、低碳绿色等新发展理念，坚持供给侧结构性改革，研究原料去碳化、能源减／脱碳化、生产制造流程减碳化、进一步提高能效、提高碳汇能力等。双碳目标的实现，政策法规脱碳化会逐渐加强，脱碳化立法，碳配额、碳交易、碳税、碳负面清单、碳规划等对产业的发展在短期内从某种意义上将强过科技的进步，需要行业高度重视。

耐火材料行业要实现低碳排放、碳中和，还需要深度调整产业布局与结构，不仅要靠近原料更要靠近市场，淘汰落后产能和高能耗装备；发展低碳排放的可替代原料；开发高性能材料，提高寿命与功能，以减少资源和能源消耗；发展节能减排关键技术，使用非化石清洁能源，提高能源效率；优化流程，推动智慧制造与绿色制造；抑制初加工原料、低端产品等高碳排放原材料的出口；发展碳吸收、碳消纳的技术。

4 耐火材料行业科技创新的方向

围绕钢铁行业产品高端化、智能化制造的高质量减碳绿色发展，耐火材料科技创新应聚焦减量化，开发高性能、长寿化、轻量化的产品；聚焦功能化，开发利于高品质钢生产及提高高温工业的能效的材料；聚焦绿色环保，开发减污降碳、环境友好、生态化、可循环利用的耐火材料；聚焦材料部件化，提高耐火材料在线检测和智能化水平。耐火材料科技应从材料组成、结构设计、制备技术与材料应用工程等方面思考。

一是原料的减碳化研究。要创新耐火原料制备流程，发展低碳排放的可替代原料；发展基于产物气循环利用菱镁矿、白云石矿的绿色煅烧和CO2富集与利用技术；发展低碳排放的新型加热技术，提高原料制备效率；开展轻质高强微孔骨料、烧结原料替代电熔原料的系统研究；发展新型绿色无机结合剂，替代酚醛树脂、沥青等碳排放高的有机结合剂；发展绿色添加剂、减水剂等表面活性剂；基于循环利用的原料价值链创新，提高用后耐火材料的高质量循环利用比例；聚焦提高低品质原料综合利用率；发展冶金渣等固废替代耐火原料技术。

二是先进高温材料的研究与材料部件化研究。开展结构功能一体化设计，开展从纳米到毫米的跨尺度材料复合、梯度结构复合、层状结构复合、表面改性等研究，实现材料的高温力学性能、热物理性、功能性最优化调控；研究新型加热技术用长寿命结构功能一体化高温高透波长寿命炉衬材料、等离子加热用高性能长寿命炉衬材料；垃圾焚烧及工业危废无害化处理装备用耐火材料；发展节能减排关键技术，开发高性能长寿命绿色高温隔热材料，提高能源效率；聚焦新能源领域用结构／功能新材料，研究高效、长寿、绿色煤气化用新型耐火材料，燃气轮机用新型高抗热震及高隔热功能耐火材料；跨专业开展多学科交叉的创新，融合材料、高温传感器、雷达监视与计算模拟等，使高温材料模块化、部件化，实现耐火材料服役在线监控和服役寿命的最大化。

三是耐火材料评价与方法创新。耐火材料在高温复杂服役环境下，热、力与侵蚀介质耦合作用机制研究，建立服役失效模型和数据库，开展服役寿命与服役行为预测的研究，为不同环境用新型高效耐火材料的研发提供依据；开展耐火材料关键性能如抗热震性、抗渗透性、抗侵蚀性、功能性等协同提升研究，基于材料化学与物理的组成与结构调控，梯度材料设计、微结构调控，结合热力学模拟计算复合材料基因工程，进行新的高性能材料的设计与制备，并与实验室高温模拟验证相结合，为研发服役行为优良、长寿且可靠的系列绿色耐火材料提供基础。

四是制备技术减碳化发展。开展含骨料复杂形状耐火材料均匀成型研究及近终形制备，以解决耐火材料结构功能化、轻量化、复杂形状材料制备的关键共性技术；研发定形制品成型新装备，提高效率减少能耗；研发烧结新技术新装备，如采用微波烧结技术、等离子烧结等新技术；耐火材料制造流程的优化，减少工序能耗及工序界面热损，推进智慧制造。

五是做好减碳基础设施研究。耐火材料生命周期评估（LCA）法、碳足迹吨CO2排放的计算；企业碳排放核算与核查；核定行业碳排放总量；碳市场机制与碳管理；碳排放核算标准等行业低碳发展系列标准的制定等。这些均是提高用能效率、低碳绿色发展的基础性工作，也是进入所服务行业的绿色通行证，对推动低碳技术发展和规范市场秩序具有主要作用。这些基础工作都在聚焦一个“立”字，在实现耐火材料全生命周期的绿色化、促进高温行业实现双碳目标中将发挥重要作用。