浅析碳中和背景下钢铁行业的超低排放及低碳转型发展前景

2022-02-06张绵绵李沛尚晓磊康全影

四川有色金属 2022年4期

张绵绵，李沛，尚晓磊，康全影

（1.白洋淀流域生态环境监测中心，河北保定 071000； 2.河北省生态环境监测中心，河北石家庄 050000； 3.河北省生态环境保护技术服务中心，河北石家庄 050000； 4.河北省产品质量监督检验研究院，河北石家庄 050000）

随着全球变暖趋势加剧，应对气候变化已成为亟需全世界共同合作解决的紧迫问题。当前，世界各国达成合作协议共同治理温室气体排放。欧盟、美国等一百多个国家制定明确行动计划和减排政策，承诺在2050年实现碳中和。我国积极参与国际社会碳中和战略，立足“多煤少油缺气”能源实际，研究制定适合国家碳达峰碳中和可行方案，持续探索优化产业结构和能源结构；根据“十四五规划和2035 远景目标”的要求，我国设定目标力争在2060 年前实现碳中和。高碳排放行业中钢铁行业由于生产环节主要来自化石原料［1］，又以直接排放结构为主，成为在节能降碳中属于较难减排的重工业行业。据统计，目前中国二氧化碳排放量中钢铁行业约占15%，因此，钢铁行业的降碳减排对实现碳中和具有重要意义。

1 钢铁行业的发展历史

钢铁行业是我国工业的支柱性行业，产量已经成为世界第一。从发展历史阶段来看，中国钢铁行业经历了2000年-2013年的迅速增长期、2014年-2017年的低谷期、2018年-2020年的回弹期，粗钢产量和碳排放量目前仍处于未绝对达峰的阶段［1］。从钢铁产业布局来看，主要分布在京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原等地，地理位置上呈东多西少、北重南轻分布特点，区域分布主要集中在华北地区和中东部地区，受钢铁行业生产影响这些地区的大气污染情况相较严重。从污染物排放量来看，钢铁行业在生产的过程之中使用了大量的化石燃料，在排放的污染物中包括了氮化物、硫化物以及碳化物气体。由于需求量大，生产企业排污设备配置不完整，政府部门缺少对钢铁企业的生产情况和污染排放的监督治理，形成了最初的粗狂式排放模式，导致整个行业的碳排放量位居前列。自2014年开始，火电行业实施节能减排升级和超低排放改造行动以后，其行业污染情况得到明显改善，而钢铁行业尽管采取了一系列节能减排、环境治理措施，因其产量较高、产能巨大，排放量下降幅度较小，经监测数据显示，钢铁行业的污染排放已经成为大气环境污染的主要来源［2］。

2 国家对钢铁行业改造要求

在碳达峰碳中和背景要求下，钢铁行业在2018年第一次提出要开展超低排放改造，2019年印发《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》（以下简称《意见》），提出分阶段完成钢铁企业的超低排放改造，其中要求在2020年底前实现重点区域60%左右产能的改造；在2025年底前实现重点区域80%左右产能的改造［3］。国家对钢铁行业深度治理持续开展实施计划，在多污染物协同控制技术及其工艺流程的技术要素基础上，研究并制定出了具有针对性的技术改造思路。以首钢迁安钢铁公司为例，结合世界上现有烟气治理技术，对整体环节进行改造，包括有组织排放治理、无组织排放管控和清洁运输过程，主要采取高炉煤气一体化技术、烧结和球团焙烧烟气治理技术、颗粒物超低排放治理技术等，经过全流程超低排放治理，污染物排放基本实现“近零化”［4］。根据统计推算，2025年，钢铁行业在完成了改造之后，二氧化硫的排放量将削减61%、氮氧化物的排放量将能够减少59%、颗粒物排放量将能够减少81%［5-7］。

3 钢铁行业低碳转型技术

3.1 氢能炼钢技术

氢能炼钢技术已经被应用到成熟的工业生产方案中，核心技术是直接还原炼铁技术，发展已相对成熟，在碳中和背景下，此技术被采用的前景广阔。其化学反应式为：

技术优点是氢能炼钢发展较早，技术成熟，其中瑞典钢铁、萨尔茨吉特和奥钢联的项目是较为成功的应用例子［8］。2021年7月HYBRIT项目生产出了世界第一批氢还原铁，生铁生产过程中使用无化石电力制成的氢气直接还原技术代替煤和焦炭，比传统工艺减少约90%的碳排放。但是氢能炼钢也存在劣势，主要是制氢成本高昂，储氢技术难以突破。目前，大部分采用电解水技术制备氢气，钢铁行业通过与电力公司合作控制耗电成本。市场上主流制氢方法有电解水、水煤气等方法，根据当前中国氢能市场的价格(每吨为6万元人民币或者是7800欧元)，如果使用氢能炼铁工艺，那么其成本会比传统高炉冶炼工艺高出至少五倍以上。同时氢的高密度储存一直是一个世界级的难题。基于此，开发应用高温气冷堆工艺制备氢气，与氢能炼钢工艺相结合，实践证明对于实现深度的减排有着非常重要的作用。

3.2 碳捕集与封存技术（CCS技术）

碳捕集与封存技术原理是利用碳捕捉技术，将生产过程产生的二氧化碳分离出来，然后通过碳储存手段，将所收集到的二氧化碳输送到海底，并进行封存，或者是输送到大地等气体和大气隔绝的地方进行封存。CCS技术能大幅降低二氧化碳排放，被世界各国广泛接受，认为是最有潜力实现碳中和目标的关键技术。美国、加拿大、英国、挪威、韩国等都参与了CCS示范项目，实际运行经验丰富［9-11］。我国虽然在CCS技术上起步较晚，但对该技术高度重视，出台政策文件给予支持，使得近几年在技术研究和示范项目上取得了一定成果。徐婷［12］等人，利用CCS技术发现二氧化碳驱油能封存约50～60亿吨二氧化碳，同时可以提高油田的采收率；中石油EOR项目永久封存二氧化碳的示范项目也取得很好效果。

技术优点是碳捕获量大，可以在短时间内实现大量的二氧化碳减排任务。研究表明，将CCS技术纳入钢铁生产全工艺全流程，可将全球变暖潜能降低47.98-75.74%［9-10］。钢铁行业生产过程中应用碳捕集能力，以捕获率90%的情况下计算，碳捕集项目每天可以捕集1.4亿吨二氧化碳，对钢铁行业低碳转型具有重要意义。但是由于成本较高,在钢铁行业的应用还处于初步调试阶段。

3.3 生物质炼钢技术

生物质能作为一种重要的可再生能源，被广泛开发利用到各行各业，尤其在生态环境问题和能源问题方面具有重要应用前景［13］。生物质能炼钢技术本质是以生物质为载体的生产技术，其生成过程如下：

作为一种清洁的可再生能源，生物质能的分布广，并且产量大，同时还具备了污染物排放低与减排二氧化碳等诸多优点，将其运用到钢铁行业生产技术中，不仅能有效减少污染物的排放量，还可以起到节约化石能源，缓解能源危机的效果，对推动钢铁行业碳中和目标具有显著技术优势。伴随着碳达峰、碳中和目标的提出，国内外专家已经将采用生物质能替代化石能源应用到钢铁行业中的研究作为了研究的重要关注点，相比国内，国外在该领域的研究应用更为成熟［14］。其中，日本的研究较为深入，主要是在生物质能的运用上，通过生物质燃料来生产生物炭，并将生物炭应用到高炉炼铁等行业之中，并通过实验证明了生物炭无论在烧结矿产率还是在产量上，都和使用无烟煤和焦炭时基本相同。加拿大在生物质炼铁工艺试验中对生产过程的可行性进行试验研究，并对该项技术应用前景进行综合评价，同时还开展了生物燃料在钢铁行业之中的应用研究，并且实现了在高炉炼铁的过程中通过生物炭来替代部分化石燃料。在国内，对生物质能在钢铁生产中的应用研究较少，研究实验中发现采用废木料作为生物质原料，在最优碳化温度、保温条件下，一般作为发热剂和还原剂参与炼铁工艺反应。有研究将CCS技术和生物质能结合使用，研发生物能源与碳捕获和储存(BECCS)技术［15］，其原理是在具备生物燃料和生物加工行业的发电厂，通过CCS技术达到节能降碳的目的，技术要点也包括了碳和生物储存这两个关键技术。