淺析碳中和背景下鋼鐵行業的超低排放及低碳轉型發展前景

張綿綿，李沛，尚曉磊，康全影

（1.白洋淀流域生態環境監測中心， 河北保定 071000； 2.河北省生態環境監測中心， 河北石家莊 050000； 3.河北省生態環境保護技術服務中心， 河北石家莊 050000； 4.河北省產品質量監督檢驗研究院， 河北石家莊 050000）

隨著全球變暖趨勢加劇，應對氣候變化已成為亟需全世界共同合作解決的緊迫問題。當前，世界各國達成合作協議共同治理溫室氣體排放。歐盟、美國等一百多個國家制定明確行動計劃和減排政策，承諾在2050年實現碳中和。我國積極參與國際社會碳中和戰略，立足“多煤少油缺氣”能源實際，研究制定適合國家碳達峰碳中和可行方案，持續探索優化產業結構和能源結構；根據“十四五規劃和2035 遠景目標”的要求，我國設定目標力爭在2060 年前實現碳中和。高碳排放行業中鋼鐵行業由于生產環節主要來自化石原料［1］，又以直接排放結構為主，成為在節能降碳中屬于較難減排的重工業行業。據統計，目前中國二氧化碳排放量中鋼鐵行業約占15%，因此，鋼鐵行業的降碳減排對實現碳中和具有重要意義。

1 鋼鐵行業的發展歷史

鋼鐵行業是我國工業的支柱性行業，產量已經成為世界第一。從發展歷史階段來看，中國鋼鐵行業經歷了2000年-2013年的迅速增長期、2014年-2017年的低谷期、2018年-2020年的回彈期，粗鋼產量和碳排放量目前仍處于未絕對達峰的階段［1］。從鋼鐵產業布局來看，主要分布在京津冀及周邊地區、長三角地區、汾渭平原等地，地理位置上呈東多西少、北重南輕分布特點，區域分布主要集中在華北地區和中東部地區，受鋼鐵行業生產影響這些地區的大氣污染情況相較嚴重。從污染物排放量來看，鋼鐵行業在生產的過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、硫化物以及碳化物氣體。由于需求量大，生產企業排污設備配置不完整，政府部門缺少對鋼鐵企業的生產情況和污染排放的監督治理，形成了最初的粗狂式排放模式，導致整個行業的碳排放量位居前列。自2014年開始，火電行業實施節能減排升級和超低排放改造行動以后，其行業污染情況得到明顯改善，而鋼鐵行業盡管采取了一系列節能減排、環境治理措施，因其產量較高、產能巨大，排放量下降幅度較小，經監測數據顯示，鋼鐵行業的污染排放已經成為大氣環境污染的主要來源［2］。

2 國家對鋼鐵行業改造要求

在碳達峰碳中和背景要求下，鋼鐵行業在2018年第一次提出要開展超低排放改造，2019年印發《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》（以下簡稱《意見》），提出分階段完成鋼鐵企業的超低排放改造，其中要求在2020年底前實現重點區域60%左右產能的改造；在2025年底前實現重點區域80%左右產能的改造［3］。國家對鋼鐵行業深度治理持續開展實施計劃，在多污染物協同控制技術及其工藝流程的技術要素基礎上，研究并制定出了具有針對性的技術改造思路。以首鋼遷安鋼鐵公司為例，結合世界上現有煙氣治理技術，對整體環節進行改造，包括有組織排放治理、無組織排放管控和清潔運輸過程，主要采取高爐煤氣一體化技術、燒結和球團焙燒煙氣治理技術、顆粒物超低排放治理技術等，經過全流程超低排放治理，污染物排放基本實現“近零化”［4］。根據統計推算，2025年，鋼鐵行業在完成了改造之后，二氧化硫的排放量將削減61%、氮氧化物的排放量將能夠減少59%、顆粒物排放量將能夠減少81%［5-7］。

3 鋼鐵行業低碳轉型技術

3.1 氫能煉鋼技術

氫能煉鋼技術已經被應用到成熟的工業生產方案中，核心技術是直接還原煉鐵技術，發展已相對成熟，在碳中和背景下，此技術被采用的前景廣闊。其化學反應式為：

技術優點是氫能煉鋼發展較早，技術成熟，其中瑞典鋼鐵、薩爾茨吉特和奧鋼聯的項目是較為成功的應用例子［8］。2021年7月HYBRIT項目生產出了世界第一批氫還原鐵，生鐵生產過程中使用無化石電力制成的氫氣直接還原技術代替煤和焦炭，比傳統工藝減少約90%的碳排放。但是氫能煉鋼也存在劣勢，主要是制氫成本高昂，儲氫技術難以突破。目前，大部分采用電解水技術制備氫氣，鋼鐵行業通過與電力公司合作控制耗電成本。市場上主流制氫方法有電解水、水煤氣等方法，根據當前中國氫能市場的價格(每噸為6萬元人民幣或者是7800歐元)，如果使用氫能煉鐵工藝，那么其成本會比傳統高爐冶煉工藝高出至少五倍以上。同時氫的高密度儲存一直是一個世界級的難題?；诖?，開發應用高溫氣冷堆工藝制備氫氣，與氫能煉鋼工藝相結合，實踐證明對于實現深度的減排有著非常重要的作用。

3.2 碳捕集與封存技術（CCS技術）

碳捕集與封存技術原理是利用碳捕捉技術，將生產過程產生的二氧化碳分離出來，然后通過碳儲存手段，將所收集到的二氧化碳輸送到海底，并進行封存，或者是輸送到大地等氣體和大氣隔絕的地方進行封存。CCS技術能大幅降低二氧化碳排放，被世界各國廣泛接受，認為是最有潛力實現碳中和目標的關鍵技術。美國、加拿大、英國、挪威、韓國等都參與了CCS示范項目，實際運行經驗豐富［9-11］。我國雖然在CCS技術上起步較晚，但對該技術高度重視，出臺政策文件給予支持，使得近幾年在技術研究和示范項目上取得了一定成果。徐婷［12］等人，利用CCS技術發現二氧化碳驅油能封存約50～60億噸二氧化碳，同時可以提高油田的采收率；中石油EOR項目永久封存二氧化碳的示范項目也取得很好效果。

技術優點是碳捕獲量大，可以在短時間內實現大量的二氧化碳減排任務。研究表明，將CCS技術納入鋼鐵生產全工藝全流程，可將全球變暖潛能降低47.98-75.74%［9-10］。鋼鐵行業生產過程中應用碳捕集能力，以捕獲率90%的情況下計算，碳捕集項目每天可以捕集1.4億噸二氧化碳，對鋼鐵行業低碳轉型具有重要意義。但是由于成本較高,在鋼鐵行業的應用還處于初步調試階段。

3.3 生物質煉鋼技術

生物質能作為一種重要的可再生能源，被廣泛開發利用到各行各業，尤其在生態環境問題和能源問題方面具有重要應用前景［13］。生物質能煉鋼技術本質是以生物質為載體的生產技術，其生成過程如下：

作為一種清潔的可再生能源，生物質能的分布廣，并且產量大，同時還具備了污染物排放低與減排二氧化碳等諸多優點，將其運用到鋼鐵行業生產技術中，不僅能有效減少污染物的排放量，還可以起到節約化石能源，緩解能源危機的效果，對推動鋼鐵行業碳中和目標具有顯著技術優勢。伴隨著碳達峰、碳中和目標的提出，國內外專家已經將采用生物質能替代化石能源應用到鋼鐵行業中的研究作為了研究的重要關注點，相比國內，國外在該領域的研究應用更為成熟［14］。其中，日本的研究較為深入，主要是在生物質能的運用上，通過生物質燃料來生產生物炭，并將生物炭應用到高爐煉鐵等行業之中，并通過實驗證明了生物炭無論在燒結礦產率還是在產量上，都和使用無煙煤和焦炭時基本相同。加拿大在生物質煉鐵工藝試驗中對生產過程的可行性進行試驗研究，并對該項技術應用前景進行綜合評價，同時還開展了生物燃料在鋼鐵行業之中的應用研究，并且實現了在高爐煉鐵的過程中通過生物炭來替代部分化石燃料。在國內，對生物質能在鋼鐵生產中的應用研究較少，研究實驗中發現采用廢木料作為生物質原料，在最優碳化溫度、保溫條件下，一般作為發熱劑和還原劑參與煉鐵工藝反應。有研究將CCS技術和生物質能結合使用，研發生物能源與碳捕獲和儲存(BECCS)技術［15］，其原理是在具備生物燃料和生物加工行業的發電廠，通過CCS技術達到節能降碳的目的，技術要點也包括了碳和生物儲存這兩個關鍵技術。

4 總結與展望

本文對國內外鋼鐵行業超低排放改造、低碳轉型發展趨勢及國內降碳減排技術應用前景進行分析，得出如下結論：

（1）鋼鐵行業已進入全國碳排放權交易市場，鋼鐵行業的節能減排行動對于我國應對氣候變化至關重要,也是實現碳中和目標和我國鋼鐵工業可持續發展的重要保證,突破性的低碳技術是推動節能減排的重要途徑。

（2）在生鐵和粗鋼生產過程中，以上技術方法是實現二氧化碳深度減排的重要技術關鍵點，但這些技術目前成本都比較高。

（3）隨著國內外生產技術的不斷發展，建議國內鋼鐵行業加大科研成果轉化和應用技術開發，力爭在實現低碳化創新技術上尋求突破，以先進可行的節能減排技術助力鋼鐵行業發展。