摘要:钢铁工业是劳动力、能源密集型行业，现行长流程炼钢消耗大量煤炭资源，排放大量CO2。目前，我国钢铁行业的碳排放量占到经济活动总碳排放量的约15%，高居制造业首位，节能减排任务艰巨。尝试就低碳经济大环境下的钢铁企业自主技术升级、转型低碳炼钢和技术路径进行论述。

关键词:低碳经济;低碳炼钢;低碳钢;碳达峰;碳中和;氢冶金;碳排放;碳捕集利用与封存

什么是低碳经济?什么是碳达峰、碳中和?这里的碳指的是CO、CO2还是CH4?低碳炼钢和炼低碳钢(低碳钢是指碳含量低于0.25%的碳素钢)是一回事吗?这一切还得从温室效应和温室气体(greenhousegas，简称GHG)说起。温室效应，是指来自太阳的热量以短波辐射的形式到达地球外空间，然后穿越厚厚的大气层到达地球表面，地球表面吸收这些短波辐射热量后升温，升温后的地球表面反而向大气释放长波辐射热量，这些长波热量很容易被大气中的温室气体吸收，这样就使得地球表面的大气温度升高的现象。大气中的温室气体主要有二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、氯氟碳化合物(CFCs)及臭氧(O3)组成。1997年于日本京都召开的联合国气候变化纲要公约第三次缔约国大会中所通过的《京都议定书》，明订针对六种温室气体进行削减:二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)及六氟化硫(SF6)。其中后三类气体造成温室效应的能力最强，但对全球升温的贡献百分比来说，二氧化碳由于含量较多，所占的比例也最大，约为25%，其次是甲烷(CH4)，约为15%。全球主要温室气体的结构组成见图1。温室效应破坏臭氧层，导致全球变暖、缺氧、海平面升高，引发未知病虫害和土地沙漠化，威胁人类生存，所以必须在各个行业的经济活动中着力改善能源使用效率，对化石燃料逐步加以限制以减少温室气体，特别是减少组成占比高达77%的二氧化碳的排放。

1钢铁工业碳排放现状

2014年全球CO2排放量为324亿t，中国约占28.2%，居世界第一位。2019年全球钢铁工业CO2排放量约为28亿t，约占全球能源系统排放量的8%，中国钢铁工业CO2排放量占到全球钢铁工业CO2排放量的60%以上，约占全国碳排放量的15%，按行业大类区分，占据第二位，仅次于能源电力行业的40%，高于水泥行业的13.5%。中国钢铁工业的碳排放量居高不下，主要原因在于:(1)电炉生产效率低于转炉，电炉平均58min/h，个别达到35min/h，转炉冶炼周期平均为32min/h。(2)相比与转炉，因为电价高、废钢量少价高，电炉没有成本优势。就全废钢冶炼的电弧炉而言，吨钢成本约为3400元，较转炉吨钢成本的3050元高出约350元/t［1］。(3)基于上述原因，2018年以高炉－转炉的长流程炼钢产量占到了总产量的90%，而电弧炉短流程炼钢的产能仅占约10%。相比同期全球电炉钢平均占比约28%(其中美国电炉钢平均占比约68.4%，欧盟40.3%，韩国32.9%，日本24.2%)有很大的差距。(4)炼钢流程的不同，决定了能源结构的差异。我国的炼钢工业能源结构中，电力消耗约占6.3%(光电、风电＜1%)，油气能源约占1.7%，煤炭、焦炭占比高达92%，远高于全国能源消费结构中煤炭占比58.5%的平均值。(5)高炉－转炉的长流程炼钢吨钢CO2排放量约为2.11t［2］，电弧炉短流程炼钢吨钢CO2排放量约为0.5t，不到长流程的1/4，减排优势明显。

2低碳炼钢是钢铁工业发展的方向

2020年9月22日，在第七十五届联合国大会一般性辩论会上，主席庄严宣布:中国二氧化碳排放量力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。由此中国将进入低碳经济时代或双碳时代。所谓碳达峰是指某一时刻CO2排放量达到历史最高值，之后逐步回落。碳中和则是通过植树造林、节能减排等形式抵消生产活动自身产生的CO2或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对的“零排放”。钢铁工业是劳动力、能源密集型行业，现行长流程炼钢消耗大量煤炭资源，排放大量CO2。中国作为世界第一钢铁产量的大国，钢铁工业CO2排放约占全国总排放的15%，同时排放大量的污水。在全球CO2减排和环境保护的压力下，欧盟、日本、韩国等主要钢铁生产地区均制定了相应的政策和技术路线，国内的钢铁行业CO2排放量现在仍维持在相对较高的水平，但是随着环境要求的日趋严格，在目前产业转型升级和经济结构调整的背景下，中国的钢铁行业迫切需要低碳绿色的钢铁解决方案，寻找新的技术突破和模式创新来有效降低钢铁生产CO2排放已成为亟待解决的问题。低碳经济是全球经济活动在现阶段的必然要求，炼钢工业自然要服从和适应这个经济规律，践行低碳炼钢，努力降低二氧化碳的排放量。所以，作为中国制造业中碳排放量最大的行业，钢铁行业应全力推进碳达峰、碳减排工作，为确保2030年实现碳达峰、2060年前实现碳中和，走低碳炼钢之路势在必行。

3实现低碳炼钢的途径

实施以降低碳排放为目的的低碳炼钢关系到炼钢流程的方方面面，本文仅从冶金原理、炼钢工艺流程、能量守恒与电炉技术革新、提高入炉废钢比以及炼钢辅助设备节能等角度加以分析。按炼钢的原理来讲，氢冶金被寄予厚望。式(1)～式(4)是传统冶金的化学反应式，式(5)是氢冶金的化学反应式，可见氢冶金反应产生的水蒸气完全取代了碳还原反应产生的大量二氧化碳。可以从根本上杜绝二氧化碳的排放，但是需要大幅降低氢气制取的成本，为氢冶金的普及创造条件。Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2(1)2Fe2O3+3C=4Fe+3CO2(2)FeO+CO=Fe+CO2(3)FeO+C=Fe+CO(4)Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O(5)就炼钢工艺流程而论，增加短流程钢铁产能的比例是实现低碳炼钢的有效途径。2020年12月工信部《钢铁行业高质量发展指导意见》提出，2025年电炉钢比例提升至15%，力争达到20%。短流程炼钢二氧化碳排量不到长流程的1/4，同时，吨钢可节约约1.3t铁矿石、减低能耗350Kgce、减排废渣600kg、焦炭400kg、节水40%。为此，需要开展以下工作:能源结构多元化。提高绿色清洁能源(太阳能、水能、风能、核能)比例，适当降低电价，支持电炉炼钢的发展;扩大废钢渠道，鼓励废钢进口，降低铁矿石的进口量，通过政策倾斜，引导提升电炉钢的产量。就电炉设备本身而言，采用以下技术有利于实现低碳炼钢:超高功率电炉炼钢技术、节能型短网技术、留钢操作平熔池冶炼技术、炉壁氧燃烧咀助燃技术、炉门碳氧枪技术、EBT偏心底出钢以及废钢预热、铁水热装技术等。由中冶赛迪自主研发的新型柔性电源(IG-BT)直流电弧炉技术，采用模块化分组设计，可有效提高熔化期功率因数，缩短冶炼时间、显著降低电耗。另外，作为氩气的潜在替代气体，转炉顶底吹CO2、LF炉和电弧炉底吹CO2、CO2作为连铸保护气、CO2用于冶炼不锈钢和循环CO2燃烧。CO2在钢铁冶金各流程的应用，合计使用量有望达到吨钢100kg［3］。从能量守恒的角度来看，应对整个炼钢流程的每个环节进行优化，以达到低碳炼钢的目的。表1为炼钢电弧炉能量输入与输出参考值，其中废气、冷却水、钢渣中所带热能占到了能量输出的43%，这些潜在能量的余热回收再利用对节能减排非常重要。提高废钢比、延长钢铁材料的使用周期和生命周期对于节能减排意义重大。钢材是为数不多的具有超常生命周期的工业原材料之一，加强废钢的收集、分类和再加工处理，进行循环利用，能够消除炼铁阶段大量排放的二氧化碳污染、钢渣污染和废水污染。另一方面，提高钢材质量，研发耐候钢，延长钢铁材料的使用周期减少使用量，同样可以降低碳排放。关注碳捕集、利用及封存技术(CCUS)［4］。与低碳冶金技术不同，碳捕集、利用与封存(carboncaptureuti-lizationandstorage，简称CCUS)技术是一项新兴的、具有大规模二氧化碳减排潜力的技术，即把生产过程中排放的二氧化碳进行提纯，继而投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存。作为目前唯一能够实现化石能源大规模低碳化利用的减排技术，CCUS是我国实现2060年碳中和目标技术组合的重要组成部分。目前，我国尚没有超过100万t/年的大规模全流程示范项目，而且短期内CCUS技术实现商业化运作仍面临成本高、部分关键技术不成熟、配套基础设施和相关政策缺失的困难。此外，炼钢辅助设备的能耗指标也应给予关注。除尘风机是长期运行的重要辅助设备，应根据生产工艺过程，通过检测烟气参数，自动调节风机转数(风机功率与其转数的3次方成正比)，从而达到节能的效果［5］。除了风机以外钢水罐车、液压站、合金加料皮带机等辅助设备驱动电机功率每台电炉配置多达500～600kW，电机的能效等级建议按《电动机能效限定值及能效等级》(GB18613—2020)一级执行以达到节能减排的要求。

4结语

碳排放是关于温室气体排放的一个总称或简称，其中的“碳”是指以二氧化碳为代表的温室气体，其主要产生来源是石油、煤炭、天然气等化石能源的燃烧。作为温室气体，二氧化碳由于含量较多，所占的比例也最大，理所当然成为减排的首要目标，绿色、低碳、可持续的发展模式是今后世界经济发展的方向。实现钢铁工业低碳化的出路在于:第一是统一思想认识，自觉融入生态文明建设，坚持走绿色低碳发展之路;第二是集中全社会力量，产、学、研相结合，着力攻克低碳炼钢在氢冶金、碳捕集、利用及封存等方面关键技术，降低技术成本，为行业转型发展提供有力支撑;第三是进行钢铁材料的提质减量，有效压减产量和使用量以减少碳排量;第四是完善低碳炼钢、清洁生产的法律法规和标准体系建设，加强政策引导，限制双高企业发展。2021年7月16日，全国碳排放权交易在上海环境能源交易所正式启动。全国碳市场第一阶段只纳入电力一个行业。在初级阶段，拟纳入电力、钢铁、建材、航空、有色、石化、化工、造纸等八个行业。首日开盘成交价格为每吨52.78元，按照2020年钢铁行业碳排量接近20亿t核计，就是一个超千亿元规模的市场。以此为标志，将倒逼高能耗高排放企业不断创新、通过技术进步推进转型升级，遵守智能、绿色、高效、低碳的经济发展规律，着力提高企业在市场中的竞争力，从而体现企业自身应有的社会价值。总之，只有采取不断改进设计、使用清洁能源(太阳能、风能，生物能、水能，地热能，氢能等)和原料、采用先进工艺技术和设备、改善管理、综合利用等措施，才能从源头上削减污染，提高资源利用效率，减少或者避免生产、服务和产品生产过程中污染物的产生和排放，减轻和消除高耗能、高污染对人类健康和环境的危害。

作者:任茂胜 单位:中冶赛迪工程技术股份有限公司 西安电炉研究所有限公司