碳中和背景下“钢化联产”现状与前景

□ 冯士超 秦子然 丁瑞锋

我国已向全球做出碳达峰碳中和的目标承诺，面对目标与时间的双重压力，钢铁行业面临严峻挑战，需要从多个方面共同推进低碳转型。钢铁工业实现碳中和的主导方向主要有2个：一是优化能源结构和生产工艺流程，实现源头减排；二是将钢铁生产过程中已经产生的一氧化碳、二氧化碳有效捕集、固定和再利用。本研究对第二个方向中的“钢化联产”技术路径在现阶段的应用及未来发展前景进行分析。

一、“钢化联产”的提出背景

早在20世纪90年代我国就曾有专家学者提出“钢化联产”，简单理解就是以钢铁流程煤气资源为纽带、实现钢铁与化工联合生产的创新发展模式。这是基于我国富煤少油的能源结构现状，结合钢铁行业和化工行业的特点，提出了钢铁生产各个工序副产煤气合成化工产品的潜力和技术可行性[1]。近期，在国家碳达峰碳中和目标承诺的背景下，“钢化联产”这一提法再次被很多学者热议，被认为是钢铁行业实现大规模减少二氧化碳排放的重要路径。

二、现阶段国家对钢铁行业实现碳达峰的政策导向

“钢化联产”虽然已经提出多年，但真正写入政策文件是在2021年10月24日，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》，在“推动钢铁行业碳达峰”中提出“推广先进适用技术，深挖节能降碳潜力，鼓励钢化联产，探索开展氢冶金、二氧化碳捕集利用一体化等试点示范，推动低品位余热供暖发展”。国务院将“钢化联产”写入此文件，将其与其他先进工艺技术并列为钢铁行业碳减排的重要技术措施，说明在国家及行业层面已经认识到“钢化联产”的重要性——是钢铁行业实现碳中和的重要途径之一。

2021年12月30日，国资委印发《关于推进中央企业高质量发展做好碳达峰碳中和工作的指导意见》的通知。在主要目标中提到，到2025年，中央企业绿色低碳技术研发和推广应用取得积极进展；万元产值二氧化碳排放比2020年下降18%。在建立绿色低碳循环产业体系中提到，推动传统产业转型升级，加快推进煤电、钢铁、有色金属、建材、石化化工、造纸等工业行业低碳工艺革新。鼓励企业广泛推广应用再制造产品，在强化绿色低碳技术科技攻关和创新应用方面提到，加强绿色低碳技术布局与攻关。该文件对中央企业在实现碳达峰碳中和方面提出了具体要求，既有碳排放指标方面的明确要求，又包括鼓励研发绿色低碳技术并转化为成果落地实施。“钢化联产”实现了以化固碳、资源的循环再利用，完全符合文件提出的加强绿色低碳技术布局与攻关的要求，技术上完全可行。

2022年1月24日，在中共中央政治局会议上，习近平总书记指出：“必须深入分析推进碳达峰碳中和工作面临的形势和任务，充分认识实现‘双碳’目标的紧迫性和艰巨性，要下大气力推动钢铁、有色、石化、化工、建材等传统产业优化升级。”可见，在实现碳达峰碳中和方面，钢铁行业面临很大的压力。

三、“钢化联产”应用现状

1.“钢化联产”的技术路线

钢厂尾气中的碳和氢是宝贵的化工原材料，以钢铁生产长流程高炉-转炉为例，尾气种类及大致占比如表1所示[2]（电炉流程远小于转炉流程）。

表1 钢铁工业尾气的种类及成分占比（体积分数） 单位/%

高炉、转炉和焦炉煤气经过气体分离后，提纯出一氧化碳和氢气，一氧化碳和氢气经过化工合成可以用于生产氨气、甲醇、聚合物和高级醇等各种化工产品。其中，气体分离提纯是难点，并且成本很高。目前，气体合成化工产品技术已经基本成熟。

2.国内外“钢化联产”应用现状

（1）国外“钢化联产”概况

德国蒂森克虏伯公司正在开展一项名称为Carbon2Chem®[3]的合作研究项目，可以将钢厂尾气中包括二氧化碳在内的气体用化学方法转换为化工产品，使长流程吨钢生产过程中二氧化碳减少排放约100 kg，远期目标是钢厂尾气中的温室气体不再排放至大气中。据悉，共有16家来自不同行业的基础及应用研究机构参与。该项目由德国联邦教育与研究部（BMBF）资助约6 000万欧元，2020年之前大约投入超过10亿欧元。2015—2020年为项目的中试阶段，2018年中试线已建成，2018年9月该项目已从钢厂副产气体中生产出甲醇，2019年1月从钢厂废气中生产出氨，2020年开始放大工业生产，计划于2030年实现产业化。

目前，安赛乐米塔尔正在开展碳减排项目Steelanol（钢铁醇），旨在有效捕获高炉中的废气，并利用生物技术将其转化为可再生的生物乙醇，生物乙醇在混合后可被用作液体燃料。Steelanol项目总投资为1.65亿欧元，根据2020年5月该公司官网发布消息称，该项目得到了欧洲投资银行的贷款支持。安赛乐米塔尔测算，其“智能碳使用”路线的碳中和成本为150亿～250亿欧元，起步阶段使用CCS（碳捕集与封存）技术，并最终过渡到氢气直接还原技术。

据2015年中国科学报报道，欧洲应用科学研究机构——弗劳恩霍夫应用研究促进协会——的研究人员，借助转基因的细菌菌株，将钢铁厂的排放气体转化为醇类和丙酮，然后在催化剂的作用下，制成一种类似柴油的产品，借此生产出煤油和特殊化学品，但后续未见有关产业化的相关报道。

（2）国内“钢化联产”概况

2011年，首钢引进美国朗泽科技公司的生物发酵技术，将钢厂尾气中的一氧化碳转化成化工产品。经过多年的中试开发研究，2018年3月，首钢郎泽公司实现了工业规模生产燃料乙醇、农业饲料及化工产品。与现有工业尾气利用方式相比，用一氧化碳生产燃料乙醇的经济价值是燃烧发电的2.5～3倍，能源利用效率是燃烧发电的1.5～2倍，实现二氧化碳一次减排约30%；燃料乙醇添加到汽油中实现二氧化碳二次减排30%～35%。2021年8月，该公司生产的饲料获得由农业农村部颁发的饲料原料新产品证书，并已经形成规模化生产。按照规划，到2025年，首钢朗泽预计燃料乙醇产能将达到50万吨，每年可减少二氧化碳排放90万吨。2019年5月，首钢朗泽在宁夏首朗吉元新能源科技有限公司建设了第二条一氧化碳制乙醇生产线，并于2021年5月正式投产，预计年产燃料乙醇4.5万吨，饲料蛋白5 000 t。目前，首钢郎泽正在积极与国内其他企业合作，进一步推广尾气制乙醇技术的应用。

2009年，达钢利用自产焦炉煤气和转炉煤气合成化工产品甲醇，初期产能规模20万吨/年，2012年达到50万吨/年。据介绍，焦炉和转炉煤气制甲醇要比燃料化模式的吨钢综合能耗降低28.70 kgce，吨钢能源成本下降18.51元，可实现每生产1 t甲醇减排3.5 t二氧化碳。

2020年10月，山东省石横特钢集团旗下的阿斯德科技有限公司利用石横特钢转炉气体净化分离制取一氧化碳，用于每年20万吨甲酸、5万吨草酸的生产。相比煤制气工艺，产品成本降低30%～60%，可实现年均减排二氧化碳约32万吨。

2019年9月，山西立恒钢铁集团旗下山西沃能化工科技有限公司的综合尾气制乙二醇联产LNG项目完成大型设备吊装，2020年投产，可实现年产30万吨乙二醇、15万吨LNG，实现吨钢碳排放由1.76 t降至1.58 t。下一步，该公司将研究把高纯度副产氢气吹入高炉实现氢能炼铁，达到降碳增效的目的。

宝武集团八一钢铁公司采用试验高炉开展了顶燃气循环脱除二氧化碳技术、二氧化碳资源化利用技术等研究，探索加氢制甲醇、甲醛和乙二醇等技术及二氧化碳捕集技术用于油田驱油。

目前，国内钢厂已采用尾气进行商业化生产的化工产品有甲醇、乙醇、乙二醇和甲酸等。据不完全统计，国内从事“钢化联产”的科研单位主要有大连化物所、山西煤化所、西南化工研究院等；气体分离单位有北大先锋科技等。

四、“钢化联产”的制约因素及对策建议

1.制约因素

一是当前钢铁企业的副产煤气基本已经平衡使用，主要用于轧钢加热炉、高炉热风炉，富余煤气也用于发电。若将煤气回收制成化工产品，则需要另外寻找新的热源满足轧钢及高炉系统需求或增加外购电比例。以目前常用的热源——如天然气或电——来说，天然气使用也会产生二氧化碳；而对于电，从国家对电价的政策导向来看，对于高耗能企业，工业用电的电价将不受上限限制，并且严格控制钢铁等重点行业的用能规模。

二是虽然“钢化联产”的技术路线完全可行，实现了尾气的资源化利用和价值提升、减少了二氧化碳和其余有害气体的排放，但是气体分离净化成本有待降低、技术成熟度有待提高。

三是钢化联产的产品虽然能给企业带来一部分收益，但是其受市场波动的影响很大。2021年以来，受国际大宗商品原燃料价格上涨影响，基础化工产品价格多数也出现了大幅上涨，但预计其价格终将回落。与钢厂电价成本将持续走高的预期相比，化工产品的经济前景仍然充满很大的不确定性。

四是对钢铁企业的老厂区而言，若对原有的输气管道进行改造企业仍面临很多困难，而且会使企业增加大量的建设投资。

2.对策建议

一是电能短缺是制约“钢化联产”应用的最大障碍，加快推广清洁能源的使用是解决钢厂燃料和电能问题的有效措施。因此，建议有条件的钢铁企业可根据自身实际加大风能、光伏发电的使用，以摆脱对煤气发电的依赖，从而实现对煤气资源的固碳及再利用。

二是国家层面已经提出鼓励“钢化联产”，但缺少具体的针对性鼓励措施。由于“钢化联产”可实现二氧化碳的大幅减排，建议国家对实施“钢化联产”的钢铁企业在用电量及电价方面给予优惠，使更多的钢铁企业愿意加强碳减排技术的研究及应用。

三是要充分做好化工产品的市场调研，建议能建立长期稳定的化工产品客户群体的钢铁企业可以考虑开展“钢化联产”项目，避免盲目发展。

四是对于有搬迁及设备升级改造或新建厂区需求的钢厂，建议在制定具体规划的同时，考虑预留“钢化联产”的空间、做好输气管道等方面的优化布局。

五、结论

第一，从目前国家对中央企业实现碳达峰碳中和的目标节点要求来看，央企减碳时间紧迫，这将倒逼钢铁企业加快研究采用碳减排技术。“钢化联产”是钢铁行业实现碳中和的有效途径之一，目前已经商业化应用。

第二，“钢化联产”的大范围应用，还需从根本上解决钢铁企业现有的制约因素，预计国家层面将会逐步出台针对“钢化联产”的具体政策意见。

第三，全国碳市场纳入钢铁行业以后，有可能会推动“钢化联产”项目的推广应用，但碳排放权交易收益需要根据未来钢铁行业碳市场价格进行估算。