哐當(dāng)哐當(dāng)，哐當(dāng)當(dāng)……2月15日，隨著一聲聲鏗鏘有力的打樁聲響起，位于廣東省湛江市的寶山鋼鐵股份有限公司（下稱寶鋼股份）“零碳”冶煉項目——擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)首套百萬噸級氫基豎爐全面施工建設(shè)，吹響了我國鋼鐵行業(yè)向“零碳”制造技術(shù)進軍的號角。
數(shù)據(jù)顯示，目前我國鋼鐵行業(yè)CO2排放總量較大（占全國15%左右），是工業(yè)領(lǐng)域減碳的重點行業(yè)之一。為確保2030年前碳達峰，2月7日，工業(yè)和信息化部等三部委發(fā)布了《關(guān)于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》并指出，堅持總量調(diào)控和科技創(chuàng)新降碳相結(jié)合，堅持源頭治理、過程控制和末端治理相結(jié)合，全面推進超低排放改造，統(tǒng)籌推進減污降碳協(xié)同治理。
“雙碳目標(biāo)倒逼我國鋼鐵行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新。”冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院黨委書記、院長張龍強對中國知識產(chǎn)權(quán)報記者表示，在雙碳目標(biāo)下，低碳冶金的優(yōu)勢將促使國內(nèi)各大鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)加大低碳冶金研發(fā)和投資力度。未來，隨著一大批擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“低碳”鋼鐵冶金工藝技術(shù)不斷落地，我國鋼鐵行業(yè)有望迎來“零碳”冶煉時代。
01 高爐減碳靠改造
2021年11月29日，大型紀(jì)錄片《鋼鐵脊梁》在中央廣播電視總臺央視財經(jīng)頻道首播，全面講述鋼鐵行業(yè)具有重大影響力和巨大歷史價值的故事。在紀(jì)錄片中出現(xiàn)的漢冶萍煤鐵廠礦有限公司完整保留了漢冶萍時期的冶煉爐一座，這是我國現(xiàn)存最早的近代工業(yè)中鋼鐵冶煉遺址，具有非常高的文物價值。
鋼鐵冶煉爐是鋼鐵生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施，同時也是鋼鐵產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級的重點。按照鋼鐵生產(chǎn)流程的長短，可分為高爐-轉(zhuǎn)爐長流程和電弧爐短流程的鋼鐵生產(chǎn)。長流程冶煉一般指在高爐中以焦炭為還原劑，對鐵礦石進行冶煉，得到鐵水，然后鐵水再移至轉(zhuǎn)爐中，通過吹氧去除多余的碳、氧、磷和剩余的硫，得到成分合格的鋼水。短流程冶煉一般是指用電弧爐對以廢鋼為主的原料進行加熱冶煉。
目前，我國鋼鐵工業(yè)以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程生產(chǎn)為主，一次能源消耗結(jié)構(gòu)主要為煤炭，節(jié)能降碳改造升級潛力較大。根據(jù)最近發(fā)布的《鋼鐵行業(yè)節(jié)能降碳改造升級實施指南》披露，截至2020年底，我國鋼鐵行業(yè)高爐工序能效優(yōu)于標(biāo)桿水平的產(chǎn)能約占4%，能效低于基準(zhǔn)水平的產(chǎn)能約占30%；轉(zhuǎn)爐工序能效優(yōu)于標(biāo)桿水平的產(chǎn)能約占6%，能效低于基準(zhǔn)水平的產(chǎn)能約占30%。
控碳很難嗎？難。以高爐為例，根據(jù)日本專家對生產(chǎn)１噸鐵所需能耗計算，高爐煉鐵過程最低純碳消耗量為414千克／噸，僅此能耗就約占鋼鐵長流程總能耗的60%。“目前，長流程鋼鐵生產(chǎn)仍是中國鋼鐵生產(chǎn)的主要生產(chǎn)工藝。”北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院教授白皓對記者表示，沒有這些能耗，高爐就無法實現(xiàn)煉鐵過程，這也是鋼鐵工業(yè)噸鋼能耗高的一個重要原因。
“面對雙碳目標(biāo)，鋼鐵行業(yè)減碳、控碳的路徑之一就是從高爐到非高爐。”蘭格鋼鐵研究中心副主任葛昕表示，去年底開始，國內(nèi)部分鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)在現(xiàn)有鋼鐵產(chǎn)能置換中就存在明顯的長流程向短流程轉(zhuǎn)向的趨勢，其目標(biāo)為了在未來鋼鐵行業(yè)的競爭中取得先機。
02 “氫”裝上陣破瓶頸
“鋼鐵冶煉的長流程向短流程轉(zhuǎn)向是控碳的方式之一，另一個更清潔的冶煉方法就是氫能冶煉技術(shù)。”張龍強介紹，氫能在冶金領(lǐng)域的創(chuàng)新與應(yīng)用，將推動傳統(tǒng)“碳冶金”向新型“氫冶金”轉(zhuǎn)變，使鋼鐵生產(chǎn)擺脫對化石能源的絕對依賴，一旦技術(shù)取得突破，將全面改變鋼鐵行業(yè)高碳排放的格局。
2019年1月,中國寶武與中核集團、清華大學(xué)簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》,共同打造核氫冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。前不久，基于相關(guān)技術(shù)，中國寶武旗下的寶鋼股份在湛江基地開工建設(shè)（一期）1 座百萬噸級、具備全氫工藝試驗條件的氫基豎爐直接還原示范工程及配套設(shè)施，可按不同比例靈活使用焦?fàn)t煤氣、天然氣和氫氣。
寶鋼股份相關(guān)負責(zé)人介紹，未來，湛江基地將在氫基豎爐的基礎(chǔ)上，利用南海地區(qū)光伏、風(fēng)能配套上“光-電-氫”“風(fēng)-電-氫”綠色能源，形成與鋼鐵冶金工藝相匹配的全循環(huán)、封閉的流程，產(chǎn)線碳排放較長流程降低90%以上，并通過碳捕集、森林碳匯等實現(xiàn)綠氫全流程零碳工廠。
在清潔冶煉技術(shù)方面，北京科技大學(xué)冶金工程專業(yè)作為世界一流建設(shè)學(xué)科，在鋼鐵冶金新技術(shù)方面具有強大的研究實力，目前已經(jīng)在冶金與生態(tài)工程學(xué)院組建了二氧化碳科學(xué)研究中心，并加強與企業(yè)深度合作。2021年4月，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的氫基熔融還原冶煉技術(shù)在內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市成功落地轉(zhuǎn)化。該技術(shù)是由建龍集團與北京科技大學(xué)等科研單位聯(lián)合開發(fā)出的第一代氫基熔融還原CISP新工藝，其關(guān)鍵設(shè)備及零部件均實現(xiàn)國產(chǎn)化。
與此同時，“中國鋼鐵企業(yè)在積極開展與減碳技術(shù)相關(guān)的研究和實踐中也取得了諸多創(chuàng)新成果。”張龍強表示，在“2021全球?qū)＠麆?chuàng)新指數(shù)”，排名前30名企業(yè)中有13家中國鋼鐵企業(yè)入選，其中中國寶武位列第三，排在全球?qū)＠麆?chuàng)新指數(shù)第一陣營。
在白皓看來，寶鋼股份的百萬噸級氫基豎爐工程作為低碳冶金的示范工程以及建龍集團的氫基熔融還原冶煉技術(shù)的落地應(yīng)用，無疑對我國鋼鐵行業(yè)的創(chuàng)新引領(lǐng)、推動科學(xué)減碳具有重要意義。
03 按圖索驥可控碳
近年來，我國不同的鋼鐵企業(yè)根據(jù)國家、地方、行業(yè)的雙碳政策以及結(jié)合自身實際分別制定碳減排規(guī)劃和路線圖。“中國寶武、河鋼集團等企業(yè)已率先提出到2050年的減碳技術(shù)路線。”白皓表示，以中國寶武為例，其提出了綠色低碳發(fā)展主要思路，并在寶鋼股份寶山基地開展富氫高爐試驗、湛江基地開展氫基豎爐試驗、梅山基地開展大廢鋼試驗，在八一鋼鐵開展富氧和爐頂煤氣循環(huán)試驗等。
河鋼集團提出的技術(shù)路徑包括優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局及流程結(jié)構(gòu)變革，推進全流程減排；優(yōu)化用能并構(gòu)建多元能源結(jié)合體系，加快低碳轉(zhuǎn)型；開展全生命周期評價，助力鋼鐵材料性能和壽命提升；打造低碳循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)協(xié)同降碳，開展低碳研發(fā)技術(shù)示范等。
張龍強表示，當(dāng)前，我國鋼鐵行業(yè)降碳的主要方向包括：繼續(xù)實施產(chǎn)能產(chǎn)量雙控，控制粗鋼總量；落實鋼鐵行業(yè)碳達峰實施方案，統(tǒng)籌推進減污降碳協(xié)同治理；有序推進結(jié)構(gòu)調(diào)整；開展能效提升及評估，支持企業(yè)提高綠色能源使用比例；制定氫冶金行動方案，加快推進低碳冶煉技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。
“實現(xiàn)碳達峰、碳中和并非一蹴而就，而是全社會的一場持久戰(zhàn)。”張龍強表示，行業(yè)企業(yè)應(yīng)充分學(xué)習(xí)、了解相關(guān)政策，完整、準(zhǔn)確、全面貫徹新發(fā)展理念，統(tǒng)籌兼顧、科學(xué)謀劃、有序推進鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展，通過做好頂層設(shè)計、加強標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)、儲備低碳動能、夯實低碳基礎(chǔ)、革新低碳技術(shù)，推動雙碳目標(biāo)實現(xiàn)。
白皓建議，未來鋼鐵工業(yè)要實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)，需要在流程結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝的變革，走低碳冶煉之路。推動行業(yè)資源綜合利用、節(jié)能和減排三大維度指標(biāo)的顯著提升，只有應(yīng)用鋼鐵綠色低碳關(guān)鍵技術(shù)，鋼鐵企業(yè)才能實現(xiàn)良好的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益的制造模式。
