河南省钢铁行业绿色低碳发展方向研究

2023-08-03常德政常胜利鲁然英张继光

河南冶金 2023年1期

常德政施琪常胜利鲁然英张继光

（1.河南省冶金研究所有限责任公司；2.河南省金属学会；3.河南济源钢铁（集团）有限公司）

0 引言

钢铁行业为国民经济支柱产业，我国钢产量在1993 年超越美国，1996 年钢产量破亿、超越日本，从此跃居全球第一[1]。钢铁行业是我国污染物和碳排放的重点行业[2,3]，其中主要污染物排放量占全国总排放量的7%～10%[4]，碳排放量占全国总排放量的15%左右[5]，钢铁行业的绿色低碳发展是我国改善环境空气质量、实现碳中和的重点领域和关键步骤。

截至2 0 22 年底，河南省拥有炼铁产能3 352 万t/年，炼钢产能3 886 万t/年，粗钢产能居全国第9 位；2022 年河南省粗钢产量3 187.24 万t，产量居全国第10 位。经过几十年的发展，河南省钢铁企业在装备水平、节能降耗、绿色低碳方面有了长足的进步，但从整体情况看，装备水平偏低、原料结构不合理、规模化效益差、能耗水平和污染物排放水平还有提升空间。因此，研究和推进河南省钢铁行业的绿色低碳发展，是在双碳背景下，实现高质量发展亟需解决的问题。

1 河南省钢铁行业现状

河南省现有钢铁企业19 家，其中长流程钢铁13 家，短流程钢铁6 家，截止2022 年底，粗钢产能3 886 万t/年；钢铁企业分布在安阳、平顶山、信阳、南阳、济源、郑州、焦作、商丘、周口等9 个地市，如图1 所示。其中，安阳、郑州、焦作三地属于京津冀大气污染传输通道城市，为大气污染防治重点区域。

图1 河南省钢铁企业地理位置分布

河南省大气污染防治重点区域粗钢产能2 496 万t/年，占全省产能的64%；非重点区域粗钢产能1 390 万t/年，占全省产能的36%。河南省钢铁企业污染防治要求高、任务重。

1.1 烧结

河南省钢铁企业有烧结机23 座，主要分布在安阳、信阳、济源、商丘和平顶山；其中小于180 m2的烧结机8 座，180～300 m2烧结机8 座，大于300 m2的烧结机7 座；总体烧结产能在5 200 万t/ 年，其中小于180 m2的烧结产能1 000 万t/年，占总烧结产能19.2%，具体如图2所示。

图2 河南省烧结机规模及区域数量分布情况

1.2 球团

河南省钢铁企业有球团生产线8 条，分布在安阳、平顶山、信阳、济源和南阳市；其中采用链篦机回转窑工艺的有3 条，其中仅有1 条生产线规模达到120 万t/年，5 条生产线为竖炉工艺，年产球团矿约450 万t；再考虑非钢铁企业每年可以提供的球团数量约200 万t，河南省钢铁行业球团矿总量约650 万t/年，球团矿占高炉原料比约11.1%。河南省球团企业情况具体如图3 所示。

图3 河南省球团企业情况

1.3 炼铁

河南省共有高炉31 座，主要分布在安阳、济源、南阳、信阳、商丘、平顶山；大于1 200 m3的高炉有13 座，500～1 000 m3的高炉有12 座，小于500 m3的高炉有6 座；限制类高炉数量占58%，产能占38.2%，具体如图4 所示。

图4 河南省钢铁企业高炉情况

1.4 炼钢

河南省有转炉32 座，主要分布在安阳、济源、南阳、信阳、商丘。大于100 t 的转炉13 座，小于100 t 的转炉19 座；河南省有电炉8 座，主要分布在平顶山、郑州和焦作，大于100 t 的仅有1 座，其余7 座均小于100 t。转炉炼钢产能3 436 万t/a，占河南省粗钢产能的88.4%；电炉炼钢产能450 万t/a，占河南省粗钢产能的11.6%。小于100 t 的限制类转炉、电炉炼钢产能1 951 万t/a，占河南省粗钢产能的50.2%。河南省钢铁企业转炉情况如图5 所示，电炉情况如图6 所示。

图5 河南省钢铁企业转炉情况

图6 河南省钢铁企业电炉情况

1.5 污染物排放水平

近年来，河南省不断推进钢铁企业超低排放改造和工业污染源深度治理工作，行业减排效果显著。查阅河南省19 家钢铁企业排污许可证和2022年度执行报告情况，河南省钢铁企业颗粒物、二氧化硫、氮氧化物许可排放量分别为18 875.85 t/a、15 185.54 t/a、29 519.2 t/a；按满负荷状态下折算，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物实际排放量分别为11 422.33 t/a、5 780.57 t/a、15 041.08 t/a，具体情况如图7 所示。

图7 河南省钢铁企业污染物排放情况

经过近几年超低排放改造，污染物排放水平有了显著下降，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物实际排放绩效水平分别为0.294 kg/t 粗钢、0.149 kg/t 粗钢、0.387 kg/t 粗钢。

1.6 能耗及碳排放水平

根据2021 年河南省度钢铁行业能效对标核查和温室气体排放清单统计，河南省钢铁行业综合能耗为552 kgce/t 粗钢，全年总能耗为2 145.1 万tce；碳排放量为5 586.38 万t，具体见表1。

表1 河南省钢铁行业能耗及碳排放情况

对比2020 年全国钢铁行业吨钢综合能耗545.27 kgce[6]，河南省钢铁企业在多数没有焦化的情况下，吨钢综合能耗552 kgce，说明在能耗和碳排放方面，还有较大的提升空间。

2 河南省钢铁行业绿色低碳发展方向

2.1 优化产业布局，整合产能实现装备大型化

河南省钢铁行业总体规模偏小，产能超过500 万t 的只有安阳钢铁集团有限公司1 家，多数产能都在100～200 万t 之间，不具有规模效应，产品同质化严重；分布在河南省的9 个地市，除安阳市具有一定集聚效应外，其他地市多是1 家钢铁企业独立发展；河南省钢铁企业生产装备水平相对落后，34.7%的烧结机、87.5%的球团生产线、58%的高炉、50%的转炉、87.5%的电炉设备均属于限制类生产装置；以上三个方面的关键因素，导致本就没有原料运输优势的河南省钢铁行业，在单位产品物耗、能耗、污染物排放等方面，与国内先进钢铁企业有较大差距，亟需整合钢铁行业产能，加快淘汰落后产能，优化钢铁产业空间布局，分区域建设不同钢铁产品类型的生产基地，实现装备大型化改造，推进产业链、价值链向高质、高端、高附加值迈进。

在钢铁行业产能整合和装备大型化的过程中，严格按照国家《钢铁行业产能置换实施办法》，严格控制在大气污染重点区域新增钢铁产能。考虑到河南省的钢材年消耗量大约为6 000 万t，是一个钢材净流入省份，可适度以非重点区域的钢铁企业为依托，特别是空气质量相对较好的信阳、周口等地，形成几个约500 万t 级的钢铁企业，不仅有利于原料、物料的统一调配，形成一定的集聚优势，降低成本，也有利于技术进步和减少污染物排放，提升企业竞争力；预计通过装备大型化改造，可以实现节能减排在5%左右。

2.2 全流程优化工艺过程，提高球团比例

立足现有的主体工艺和装备水平，通过调整和优化原料结构、工艺结构和用能结构、创新钢铁制造工艺流程、提升流程效能，从而降低污染物排放。特别是提高球团矿比例，烧结机烟气循环，一罐到底和热装热送等流程优化；同时考虑厂区平面布置的调整和厂内物料的转运方式，减少厂内运输车辆倒运，避免落地矿，从清洁运输方面减少污染物排放和能源消耗，这也是河南省钢铁企业绿色发展之路。

按照《排污许可申请与核发技术规范钢铁工业》的相关要求，参考设计基准废气量和排放绩效水平，以河南省现有烧结矿产能和球团矿产能为基础，核算不同球团比例情况下，大气污染物排放量的变化情况，具体如图8 所示。

图8 不同球团比例情况下污染物排放情况

按球团比例从现在的11.2%提升到50%的情况进行估算，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放量将从现有的7 125.3 t/a、5 669.3 t/a、8 099 t/a、677.9 万t/a 减少到6 043.05 t/a、5 027.6 t/a、7183.8 t/a、532.5 万t/a，降低幅度至少达到15.1%、10.7%、10.6%和21.5%，能耗也同步减少21.5%。通过全流程优化，预计可实现节能减排15%以上。

2.3 提高电炉钢比例，适度增加非重点区域钢铁产能

在产能不变的情况下，提升电炉钢的比例，是明显的降碳措施[7,8]。按照河南省现有钢铁企业产能和污染物排放绩效水平，核算不同电炉钢比例的情况下，全省钢铁产能颗粒物和二氧化碳排放量；并考虑设定50%电炉钢比例、适度增加钢铁产能的情况下，河南省钢铁行业颗粒物和二氧化碳排放量，具体计算结果见表2。

表2 不同产能不同电炉刚比例下河南省钢铁行业主要污染物排放量预测

保持现有粗钢生产能力不变的情况下，如果电炉钢比例由现在的11.58%提升到50%，那么颗粒物的年排放量将降低2 941 t，二氧化碳的将降低1 836.39 万t，下降比例分别为25.7%和32.8%；且电炉钢二氧化硫和氮氧化物的排放量极低，整体将大幅削减钢铁行业的污染物排放。

控制现有颗粒物排放水平，按50%电炉钢比例核算，粗钢产能可由现在的3 886 万t/年提升到5 200 万t/年；控制二氧化碳排放水平，按50%电炉钢比例核算，粗钢产能可由现在的3 886 万t/年提升到5 500 万t/年。

随着经济的发展和人均粗钢消费量的降低，同时考虑到空气质量的改善需求，建议河南省可在大气污染非重点区域适度增加钢铁产能，比如在空气质量相对较好的信阳、周口等地区，但粗钢产能控制在4 300 万t 为宜，且应该大比例提高电炉钢。

通过提升电炉钢比例，在粗钢生产能力不变的情况下，粗钢冶炼工段颗粒物减排量约15%，二氧化碳减排约20%；因电炉不排放二氧化硫和氮氧化物，将更大幅度削减二氧化硫和氮氧化物排放比例。

2.4 提升资源能源回收利用效率，实现极致能效

河南省钢铁企业2021 年度高炉工序能耗水平在351～428 kgce/t 生铁，转炉工序能耗水平在-16.2～-30.6 kgce/t 粗钢，综合水耗在2.39～3.78 m3/t 粗钢，综合能耗在520～645 kgce/t 粗钢。工序能耗和综合能耗与国内先进水平相比，都有一定的提升空间。

与国内先进钢铁企业相比，河南省钢铁企业在烧结烟气余热回收利用、环冷机废气低温余热利用、高炉炉顶均压煤气综合回收利用、热风炉自动燃烧和热均压技术、高炉水淬渣余热高效利用、转炉烟气余热全域回收利用、加热炉煤气回收利用、电炉废钢预热技术、钢渣有压热焖等，分质供水、梯级用水、循环利用节水技术、闭式冷却塔技术、钢铁企业智能化管控方面均需要进行改进和提高，从而推动钢铁生产过程的物质流、能量流协同优化，提高资源能源利用效率[9]。通过实施资源能源回收利用，至少可实现节能5%。

2.5 落实钢铁行业超低排放技术改造，进一步实现污染物减排

按照绩效核算法，计算完成超低排放改造前后污染物排放削减量，说明超低排放改造对污染物减排的贡献[10]。现有排放绩效按2022 年度实际排放量计算，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放绩效水平为0.294 kg/t 粗钢、0.149 kg/t 粗钢、0.39 kg/t 粗钢；超低排放改造完成后的排放绩效水平，参考2022 年度中钢协公布的近20 家通过超低排放企业的平均值核算，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放绩效水平为0.27 kg/t粗钢、0.11 kg/t粗钢、0.32 kg/t 粗钢。

扣除河南省有组织、无组织已经通过超低排放评估监测的4 家企业，按现有的生产规模，河南省钢铁企业全部完成超低排放改造后，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物污染物年排放量将下降749.2 t、1 016.7 t、1 840.5 t，减排比例在6.5%～17.5%。

2.6 逐步发展清洁炼铁技术，推进钢化联产

河南省钢铁企业也应该紧跟技术创新的步伐，加快实施钢铁企业绿色低碳改造升级，以“减污降碳协同增效”为抓手，进一步研发推广适用的节能减排技术、先进的钢铁低碳工艺、有效的多行业耦合模式。重点围绕研究推进高炉富氢和煤气脱碳循环、富氢直接还原、生物质冶炼等炼铁技术[11]；开发等离子冶炼、闪速熔炼等熔融还原技术，实现低碳冶炼；依托钢化联产，推广应用碳捕集、利用与封存（CCUS）等碳汇技术[12]，在CO2排放到大气中之前将其捕集，作为工业生产的原料循环利用，积极利用焦炉煤气富氢与炼铁工序富碳的特征，联合生产甲醇、乙醇的工艺路线；从根本上减少或者消除污染物的排放。

3 未来河南省钢铁行业污染物排放及碳排放分析

在现有产能和预计4 300 万t 产能的基础上，考虑未来河南省钢铁行业的改进方向，在不同条件下核算颗粒物、二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳的排放量。

按长流程钢铁和短流程钢铁的比例各为50%的情况进行估算，其中颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放绩效按超低排放的水平考虑，考虑装备大型化改造、原料结构优化、极致能效工程和超低排放改造工程后，传统工艺碳排放水平为现有的60%；考虑到2050 年，绿色冶金工艺渗透率将达到25%[13]，污染物的排放水平将下降40%，碳排放水平下降50%。具体核算结果见表3。

表3 不同产能不同工艺情况下河南省钢铁行业排放情况

如果河南省钢铁行业总体产能按4 300 万t/年核算，在绿色冶金获得突破前，随着装备大型化、极致能效工程、原料结构优化、提高电炉钢比例、超排放改造等工程的实施，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放量均有明显降低，占现在实际排放量的比例分别为72.57%、40.50%、45.10%和55.80%；待氢冶金等绿色冶金技术获得突破后，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放量占现在实际排放量的比例分别为43.54%、24.30%、27.06%和27.90%。

如果河南省钢铁行业总体产能按3886 万t/年核算，在绿色冶金获得突破前，随着装备大型化、极致能效工程、原料结构优化、提高电炉钢比例、超排放改造等工程的实施，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放量均有明显降低，占现在实际排放量的比例分别为65.59%、36.60%、40.76%和50.43%；待氢冶金等绿色冶金技术获得突破后，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放量占现在实际排放量的比例分别为39.35%、21.96%、24.46%和25.22%；除颗粒物外，基本上处于现在排放量的1/4。