四川钒钛钢铁行业“碳达峰”形势及路径

陈 钢，蒲 灵，李 懿，杨 超，马又琳

(四川省工业环境监测研究院，四川 成都 610000)

钢材由于具有良好的性能、相对低廉的成本，以及原材料易于获取等优点，广泛应用于生产和生活的各个领域，钢铁工业也因此成为中国国民经济的重要基础性行业[1]。统计数据显示，2020年，中国粗钢总量达到10.53亿吨，成为世界钢铁产量增加的主要驱动力。

中国钢铁工业发展至今取得了举世瞩目的成就，然而，随着其快速发展，一些问题也日益凸显出来，资源、能源和环境问题逐渐成为钢铁工业可持续发展的掣肘[2-9]。作为典型的能源密集型行业，钢铁工业总能耗占全国工业总能耗的20%～25%，占全国总能耗的15%左右[10]。大量的含碳能源和资源消耗也带来了CO2排放量居高不下问题，使得钢铁工业成为仅次于发电和建筑材料的第三大温室气体排放产业，贡献了全国15%左右的温室气体排放量[11]。

四川省钢铁工业起步较早，发展较快，受益于近年来供给侧改革、取缔“地条钢”、环保限产等一系列措施，现已培育了一批骨干企业和重点产品，全川形成了多家规模化的正规钢铁企业。2020年，四川生铁、粗钢、成品钢材产量分别为2136.8万吨、2792.6万吨、3437.2万吨。与2019年相比较，分别同比增长0.3%、2.2%和4.1%，其中，约三分之二来自于钒钛钢铁。全省钢铁行业CO2排放量约5000万t/a，占全省CO2排放量的15%，占工业领域碳排放总量的30%。

四川由于特殊的地理位置和资源禀赋，在省内钢铁行业“碳达峰”和“碳中和”工作中面临不同于全国其它地区钢铁企业的特殊性和差异性，需要制定针对性的方案和实施路径。

1 四川钒钛钢铁的特点

1.1 资源特殊性

四川钢铁主要为钒钛钢铁。钒钛资源是我国重要的战略资源，四川省拥有钛资源保有储量占全国的93%，居世界第一位，是全球钒钛磁铁矿的主要成矿带之一。钒钛钢铁大量运用于军事、医疗、交通等领域，其中在我国目前已投运的高铁中，有70%的钢轨来自攀钢含钒钢轨；在医疗康复、航空航天、3D打印等多个领域的钛合金产品，大多也来自四川。

按照四川省工业高质量发展规划，钒钛钢铁作为先进材料产业，计划到2022年产业规模达到1.1万亿元[6]。打造攀枝花市创建钒钛产业创新中心，建设世界级钒钛产业基地[7]，将四川建设成为世界钒钛产业基地的重要一环。在建筑用钢方面，四川省内钢铁企业绝大多数以生产建筑用钢为主，由于省内城市化进程加快，每年建筑用钢的缺口在500万吨以上。因此四川省钢铁市场是一个纯输入型的，钢材需求旺盛。综上，钒钛钢铁不同于全国压减钢铁产能的大趋势，增加四川省的钒钛钢铁产能是必然的选择。

1.2 钒钛钢铁生产特殊性

钢铁行业大致分为长流程和短流程两种工艺。短流程相比长流程炼钢拥有四大优势。第一，投资总额省，约为长流程炼钢的1/3～1/2；第二，建设周期短，短流程炼钢新建生产线建设周期比长流程新建生产线的建设周期短一半以上；第三，短流程比长流程节省75%的能源消耗；第四，排放省。有研究表明，使用废钢的电炉短流程相较于长流程吨钢可减少2/3 的CO2排放。按照国家规划，到2025年短流程比例要达到20%以上。四川省拥有丰富的水电资源，结合四川省的特殊外部环境和内部需求，现有短流程比例以达到30%。综上，相比国内其他省市，四川省的长短流程的比例更为合理。

1.3 钒钛钢铁能源特殊性

四川省的水能资源约占75%，煤炭资源约占23.5%，天然气及石油资源约占1.5%。四川省钢铁企业除去必要用煤的工序，在电能使用方面，特别是电炉炼钢工序使用的电能，75%以上是清洁的水电。省内钢铁企业的能源结构相对合理。

2 四川钒钛钢铁“碳达峰”面临的主要挑战

2.1 碳达峰与行业发展的现实矛盾

四川钒钛磁铁矿中铁的品位低，硫含量高，焦铁比高，导致了生产过程中SO2和CO2的排放量相比普通磁铁矿都要高上不少。根据李建等[12]人的研究发现，烧结矿中TiO2含量在0.17%～2.38%，随着烧结矿矿中TiO2含量每增加1个百分点，高炉铁水产量预计降低3.04%，焦铁比增加 11.01 kg/t。根据统计数据，全国高炉评价焦铁比为 361.3 kg/t[13]，而四川钒钛钢铁高炉焦铁比大多处于 430 kg/t～500 kg/t[14]，这意味着以钒钛铁矿石的高炉每吨排放CO2的量要增加约0.2吨。

按照四川省工业高质量发展规划，钒钛钢铁作为先进材料产业，计划到2022年产业规模达到1.1万亿元[6]。为了实现上述目标，四川省钒钛钢铁产能在现有情况下，需要拟再新增1000万t/a。意味着，流程大约还要增加CO2排放量2200万t/a，约占四川现有钢铁行业排放量的40%。巨大的发展需求和碳达峰的现实压力存在较大的冲突和矛盾。

2.2 能源结构调整和工艺节能的潜力较小

由于钒钛磁铁矿本身品位低，在铁矿石选矿阶段和铁水炼钢阶段需要处理出钛精矿以及钒渣，在炼铁工序中增加了一级提钒工艺[2]。钒渣可进一步根据需要加工为五氧化二钒或钒铁，增加了能源消耗，同时由于矿石中含钛量较高，导致较普通铁矿相比，高炉的焦铁比更高。由于炼铁过程中能耗水平的显著增加，导致从工艺生产的特点决定了钒钛钢铁生产过程能耗较普通铁矿高，而四川省现有钒钛钢铁行业外供电以清洁的水电为主，因此在理论上，钒钛钢铁可供节能降耗的空间有限。

3 四川钒钛钢铁“碳达峰”路线和建议

3.1 发挥优势，统筹考虑钒钛产业战略

经上文分析可知，应适度发展钒钛钢铁产业，发挥钒钛产品的优势，调整钢铁产品结构，增加含钒、含钛钢材的产量。结合废钢资源量，统筹考虑长短流程比例，短流程钢铁企业生产不易过快增长。

3.2 引入智能管理，提高生产效率，降低能耗

在钢铁行业中，智能管理可以应用在生产的各个环节，以提高生产效率，减少废气产生。比如，在转炉，智能管理着重于端点控制技术、炉气分析和声呐排渣等；在电弧炉，引入智能管理可以有效控制电源；在铸造方面，智能管理着重于钢包渣检测系统以及节能熄火等；在车间，通过大数据信息化管理可以有效控制铁水稳定，钢铁标签跟踪以及智能控制铸造机等使用[15-16]。引入大数据管理，可以有助于将减少炼钢损失，降低能源消耗。

3.3 优化工艺流程，提高循环利用率

由于钒钛磁铁矿的资源禀赋及冶炼特点，可以通过改进材料处理系统，优化炉子设计和容易控制等方式来优化工艺流程。研究表明，通过优化工艺流程，改进工艺技术可以有效减排40%～45%，并且在钢铁工艺流程中，有30%～50%的余热可以进行循环使用[17]。

3.4 大力开发实施超低排放技术，促进可持续发展

1)CO2捕集利用与封存技术。CO2捕集利用与封存(CCUS)是指将CO2从工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接加以利用或注入地层以实现CO2永久减排的过程。CCUS按技术流程分为捕集、输送、利用与封存等，可以应用到钢铁大部分生产流程中[18]。

CO2利用：由于CO2的运输和储存涉及基础设施、储存条件等复杂因素，因此直接利用捕集后的CO2是一种有效且相对方便的方法。在钢铁行业中，利用CO2的方面有：将CO2用于混合钢包中的钢水，可以有助于除去炉内的杂质降低炉渣中的铁的损失，并提高脱磷率，但由于CO2具有氧化腐蚀性，设备的使用寿命可能会降低；将CO2用于炼钢过程中，在高温下CO2与Fe、P、Si反应，这有助于减少氧气与铁水直接反应造成的挥发和氧化；将CO2替代N2作为保护气体，由于CO2的物理和化学性质决定了其可以代替N2作为炼钢的保护气体，这有助于降低成品钢中的氮含量和孔隙率，从而很大程度上减少钢材的损失[19]。

CO2运输：捕集的CO2运送到可利用或封存场地的过程。根据运输方式的不同，分为罐车运输、船舶运输和管道运输，其中罐车运输包括汽车运输和铁路运输两种方式。

CO2储存：通过工程技术手段将捕集的CO2注入深部地质储层，实现CO2与大气长期隔绝的过程。按照封存位置不同，可分为陆地封存和海洋封存；按照地质封存体的不同，可分为咸水层封存、枯竭油气藏封存等。有研究表明，钢铁生产工艺中，能用到的CO2的量只占总排放量的5%～10%,意味着绝大多数的CO2需要贮存起来。

2)全氢高炉炼铁技术。全氢高炉炼铁技术被认为是钢铁生产技术中最有效的减排技术之一，核心原理是在炼钢过程中使用氢气来替代焦炭，关键环节为氢气的制造以及其直接还原铁的工艺。目前实际应用的氢气有两种，一种是由化石燃料产生的氢气；另一种是通过可再生能源、废热以及核能产生的氢气[20]。

3.5 积极探索跨行业合作

针对钒钛钢铁的特殊性，应充分考虑钒钛战略资源的利用，积极探索钒钛钢铁生产中副产品的高附加值利用。《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见(征求意见稿)》指出，推进产业间耦合发展，构建跨资源循环利用体系，力争率先实现碳排放达峰。钢铁生产过程中，钢铁生产的副产品，如高炉渣，可以制水泥，而蒸汽和副产煤气可以用于发电[21]。

4 结语

在当前“碳达峰”的要求下，减碳、降碳，应对气候变化，是中华民族对世界的郑重承诺。钒钛钢铁的长流程、高耗能特点，导致CO2的排放量高于普通磁铁矿，这是钒钛钢铁必须要面对的问题。同时，四川省良好的清洁能源利用率、合适的长短流程比例都为下一步尽快实现达峰提供了有力保障。四川的钒钛钢铁行业需要在低碳工艺研发、全流程工艺节能、超低排放技术运用等方面加大技术创新的力度和新技术的运用。在管理上，钒钛钢铁应做好碳资产管理，为全行业尽快实现达峰和中和贡献力量。