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王國棟 儲滿生 袁國 秦高梧 韓躍新 張殿華 張琦
鋼鐵產業碳中和背景及其實現路徑
鋼鐵產業是國民經濟發展的支柱產業。我國是世界第一鋼鐵大國，2020年粗鋼產量達到10.65億噸，占全球粗鋼總產量的56%，但我國鋼鐵生產以高爐-轉爐長流程為主，嚴重依賴煤基化石能源，是導致碳排放量較高的首要因素。2020年，鋼鐵產業二氧化碳排放量占我國碳排放總量的16%左右。有效降低二氧化碳排放強度和加強碳捕捉利用是鋼鐵產業亟待解決的難題，也是國家的重大戰略需求。因此，鋼鐵產業亟待研發和應用碳中和前沿技術，實現低碳綠色化轉型升級。即將實施的碳稅政策更凸顯其倒逼作用，將對資源能源密集型的鋼鐵產業產生直接深遠的影響。
從技術層面來看，鋼鐵產業實現碳中和主要包括以下幾步：
第一步，針對碳達峰和碳減排平臺階段，研發和應用低碳冶煉與全流程低碳加工及智能制造技術，實現高能效和低碳化。在工藝優化、強化冶煉、余熱和二次資源高效循環利用、超低排放改造、系統節能、產品高質化等基礎上，研發應用低碳高爐、高效連鑄、鑄軋一體化、在線組織性能調控等低碳冶煉、加工新技術，同時開發全流程信息物理系統，實現高可靠性、高穩定性全流程智能制造，最大程度地提高能源利用效率和實現碳減排，為碳中和奠定基礎。
第二步，針對鋼鐵產業快速降碳階段，在低碳高能效冶煉基礎上，研發和應用鋼鐵-化工聯產技術（見圖1），增加碳匯，實現碳凈零排放。基于碳捕集利用，研發應用鋼鐵-化工-氫能一體化網絡集成CCU技術（steel-chemicals-energy networking integration，簡寫為SCENWI，也稱神威CCU技術），通過鋼鐵-化工協同，為我國以高爐-轉爐長流程為主的鋼鐵產業實現碳凈零排放提供最合理、最徹底的解決方案。
第三步，針對鋼鐵產業深度脫碳階段，在低碳高能效和鋼鐵-化工聯產基礎上，輔以氫能替代化石能源，研發應用氫基豎爐-電爐短流程新工藝技術，在適宜區域實現鋼鐵工藝流程革新和能源結構優化，為深脫碳或無涉碳鋼鐵生產提供全新途徑。
與國外相比，國內目前在氫冶金、鋼鐵-化工聯產等碳中和前沿技術研發方面尚處于起步階段，工業化應用較多處于空白，總體屬于“跟跑”階段。因此，碳中和冶煉極有可能成為制約我國鋼鐵工業未來發展的“卡脖子”技術。由于國外技術保密和限制，我國今后在核心技術應用方面極易受制于人，急需加快碳中和冶金研發步伐，突破關鍵技術，打破國外技術封鎖，搶占低碳前沿陣地，實現核心技術、關鍵裝備、標準體系、研發平臺和人才隊伍的全面超越，引領鋼鐵產業低碳綠色化發展。
鋼鐵產業是國民經濟發展的支柱產業。我國是世界第一鋼鐵大國，2020年粗鋼產量達到10.65億噸，占全球粗鋼總產量的56%，但我國鋼鐵生產以高爐-轉爐長流程為主，嚴重依賴煤基化石能源，是導致碳排放量較高的首要因素。2020年，鋼鐵產業二氧化碳排放量占我國碳排放總量的16%左右。有效降低二氧化碳排放強度和加強碳捕捉利用是鋼鐵產業亟待解決的難題，也是國家的重大戰略需求。因此，鋼鐵產業亟待研發和應用碳中和前沿技術，實現低碳綠色化轉型升級。即將實施的碳稅政策更凸顯其倒逼作用，將對資源能源密集型的鋼鐵產業產生直接深遠的影響。
從技術層面來看，鋼鐵產業實現碳中和主要包括以下幾步：
第一步，針對碳達峰和碳減排平臺階段，研發和應用低碳冶煉與全流程低碳加工及智能制造技術，實現高能效和低碳化。在工藝優化、強化冶煉、余熱和二次資源高效循環利用、超低排放改造、系統節能、產品高質化等基礎上，研發應用低碳高爐、高效連鑄、鑄軋一體化、在線組織性能調控等低碳冶煉、加工新技術，同時開發全流程信息物理系統，實現高可靠性、高穩定性全流程智能制造，最大程度地提高能源利用效率和實現碳減排，為碳中和奠定基礎。
第二步，針對鋼鐵產業快速降碳階段，在低碳高能效冶煉基礎上，研發和應用鋼鐵-化工聯產技術（見圖1），增加碳匯，實現碳凈零排放。基于碳捕集利用，研發應用鋼鐵-化工-氫能一體化網絡集成CCU技術（steel-chemicals-energy networking integration，簡寫為SCENWI，也稱神威CCU技術），通過鋼鐵-化工協同，為我國以高爐-轉爐長流程為主的鋼鐵產業實現碳凈零排放提供最合理、最徹底的解決方案。
第三步，針對鋼鐵產業深度脫碳階段，在低碳高能效和鋼鐵-化工聯產基礎上，輔以氫能替代化石能源，研發應用氫基豎爐-電爐短流程新工藝技術，在適宜區域實現鋼鐵工藝流程革新和能源結構優化，為深脫碳或無涉碳鋼鐵生產提供全新途徑。
與國外相比，國內目前在氫冶金、鋼鐵-化工聯產等碳中和前沿技術研發方面尚處于起步階段，工業化應用較多處于空白，總體屬于“跟跑”階段。因此，碳中和冶煉極有可能成為制約我國鋼鐵工業未來發展的“卡脖子”技術。由于國外技術保密和限制，我國今后在核心技術應用方面極易受制于人，急需加快碳中和冶金研發步伐，突破關鍵技術，打破國外技術封鎖，搶占低碳前沿陣地，實現核心技術、關鍵裝備、標準體系、研發平臺和人才隊伍的全面超越，引領鋼鐵產業低碳綠色化發展。
東大的鋼鐵碳中和技術路線
在上述背景下，東北大學成立低碳鋼鐵前沿技術研究院，協同研發氫冶金、鋼鐵-化工聯產、跨工業系統智能制造等低碳關鍵共性前沿技術（見圖2），提出了CCU技術。
神威CCU技術首先解決氫能來源問題，在鋼廠內部副產煤氣制氫、化石能源制氫和石化廢氫（灰氫和藍氫）基礎上，重點開發可再生能源發電、高效電解水制氫（綠氫），進而研發富氫還原高爐煉鐵、氫基豎爐直接還原-電爐短流程技術，實現氫冶金低碳冶煉。同時，基于二氧化碳捕集利用思想，將鋼鐵生產的尾氣進行高效低成本凈化、捕集、分離，得到一氧化碳和二氧化碳，作為化工產業的原料氣，用于合成甲酸、乙酸、乙醇及其他化工產品，通過鋼鐵-化工產業協同實現鋼鐵產業二氧化碳凈零排放。
東大的鋼鐵碳中和關鍵技術研究
低碳冶煉技術
在國家“2011”計劃（高等學校創新能力提升計劃）支持下，東北大學礦冶學科群以“工藝綠色化、裝備智能化、產品高質化”為目標，開展了鋼鐵全流程一體化協同創新，研發了一系列低碳綠色化關鍵共性技術，主要包括以下內容：
1.選礦
難選鐵礦石懸浮磁化焙燒技術。東北大學自主研發了“預氧化-蓄熱還原-再氧化”懸浮磁化焙燒新技術，成功開發懸浮焙燒工業化裝備與高效分選系統，填補國內外技術空白，實現貧雜赤鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦石及含鐵固廢等資源高效利用，盤活國產鐵礦資源100億噸以上，提高難選鐵礦石回收率15個百分點以上，提高鐵精礦品位3個百分點～10個百分點，大幅降低采礦、冶煉工序碳排放量。
新型常溫高效鐵礦石浮選藥劑。傳統浮選藥劑凝固點高，分散性差，礦漿需加溫40攝氏度以上，能源浪費和環境污染嚴重，開發貧雜鐵礦石常溫高效浮選藥劑體系迫在眉睫。為此，東北大學自主研發新型常溫高效鐵礦石浮選藥劑體系，根據藥劑極性基團活性原子的電子態密度與礦物表面活性位點原子的電子態密度匹配關系，開發TD-Ⅱ、HBGT-135等新型浮選藥劑，解決浮選過程能耗高、效率差等問題。
新型陶瓷介質攪拌磨機技術。在選礦各環節中，磨礦成本占總成本的50%以上。開發新型高效綠色磨礦技術，努力降低球耗與電耗，成為礦山降本增效的重要課題。東北大學自主研發新型陶瓷介質攪拌磨機在鞍鋼弓長嶺選礦廠工業應用，球耗成本降低55.61%以上，磨礦電耗降低50.26%，磨礦單體解離度提高11.31%，選別指標提高0.2個百分點，預計年綜合經濟效益達到1600多萬元。
2.煉鐵
低碳高爐集成技術。東北大學與多家鋼企合作研發富氫煤氣噴吹、復合鐵焦、爐頂煤氣循環-高富氧冶煉優化匹配的低碳高爐煉鐵技術，研究結果表明噴吹焦爐煤氣137立方米/噸鐵，頂煤氣循環率為48.8%，鼓風富氧率為71.7%，則高爐噸鐵能耗降低22.1%、碳排放降低51.8%。目前正在進行關鍵技術的工業化試驗。
3.煉鋼、精煉和連鑄
轉爐高廢鋼比冶煉技術。東北大學重點研發氧燃法廢鋼預熱、復吹轉爐高效冶煉技術與裝備，主要特點有：采用模塊化設計，根據企業裝備及空間而定制設計；集成多工況燃控模型、高效氧燃槍與燃控自動化技術；快速升溫，10分鐘加熱到800攝氏度以上；成本低，低熱值煤氣消耗200立方米/噸廢鋼～300立方米/噸廢鋼；噸鋼鐵水比降低30千克，二氧化碳減排50千克。
高效連鑄關鍵技術。東北大學自主研發形成以連鑄坯凝固末端重壓下、微合金鋼表面裂紋控制為代表的高效連鑄關鍵技術，開辟表面無缺陷、低軋制壓縮比高效生產高端鋼材新流程。與常規模鑄制坯相比，金屬收得率提升近15%，噸鋼節約標煤1.32千克；實現微合金鋼熱裝送，噸鋼節約標煤20千克～30千克。該技術已在中國寶武等國內外鋼企的29條產線推廣應用，獲得國家科技進步獎1項、省部級一等獎5項。
電弧爐高效冶煉技術。東北大學自主開發形成電弧爐節能煉鋼、快速熔煉等全套電弧爐高效冶煉技術，實現全廢鋼電弧爐短流程低成本環境友好高效冶煉技術的國產化；能耗降低20%以上，噸鋼碳排放降至667千克，冶煉周期縮短約40%，效率提高50%以上，運行成本降低30%以上。該技術已在中國寶武等鋼企的多座電弧爐上推廣應用，并在江蘇金虹公司投產國內首條低成本環境友好型全廢鋼電弧爐高效熔煉短流程生產線，達到國際領先水平。
高品質特殊鋼電渣重熔關鍵技術。東北大學自主研發形成以全參數過程穩定的電渣重熔潔凈度控制為代表的高品質特殊鋼電渣重熔關鍵技術，解決了國家重大工程和重大裝備用多種“卡脖子”材料急需。與傳統工藝相比，該技術能耗和碳排放降低效果顯著，已推廣應用于60多家特鋼企業，獲得國家科技進步獎一等獎1項、省部級一等獎3項。
4.軋鋼
新一代TMCP（控制軋制和控制冷卻技術）理論技術與裝備研發及工程化。東北大學研發成功系列首臺（套）板、帶、管、型、棒、線材一體化在線組織調控核心裝備，成為我國熱軋鋼材生產線主力機型，覆蓋全部熱軋鋼材門類，推動離線熱處理工藝在線化，節能降耗，提高產品品質。該技術應用至寶鋼、鞍鋼、首鋼、河鋼等90%以上大型鋼企50余條生產線，在鞍鋼、南鋼建成國家級示范線，年創效益超百億元。
薄帶連鑄硅鋼基礎理論與產業化技術。通過基礎研究、工業化技術開發，東北大學研發了獨創的顛覆性工業技術和超高性能產品，開發高磁感電工鋼薄帶鑄軋短流程工藝，目前已與敬業集團開展產學研合作，開展高品鋼薄帶鑄軋產業化項目，旨在開發生產領先的高磁感硅鋼產品。
5.系統節能
智慧化能源管控系統。東北大學開發能源管控系統，實現鋼企能源精益化管理，為節能和碳減排提供工具，其中智能化能源管控平臺項目在鞍鋼鲅魚圈分公司上線運行；煤氣預測與多介質耦合優化項目在首鋼京唐能源管控中心上線運行；與寶信合作承擔重點研發項目，在寶鋼股份上線運行。
全流程智能制造
鋼鐵工業屬于大型復雜流程工業，涵蓋煉鐵-煉鋼-軋制-熱處理等工序，是充分發揮場景優勢與數據資源優勢的最佳載體，也是人工智能、大數據賦能產業增效的最具代表性領域，引領示范作用強。
東北大學提出依托云計算、大數據、5G+邊緣計算等先進信息通信技術，以信息物理系統為核心、工業互聯網為載體的鋼鐵全流程智能制造架構，取得了重要突破，形成自主知識產權和高質量、低成本、高效率改造路徑與模式，已在鞍鋼、河鋼、華菱漣鋼、建龍集團撫順新鋼鐵實施中。
氫冶金
在我國能源轉型過程中，氫能扮演著“高效低碳的二次能源、靈活智慧的能源載體、綠色清潔的工業原料”角色。綠色氫能被認為是無碳經濟的關鍵之鑰，將氫能應用于冶金是冶金行業低碳綠色化轉型的有效途徑。一般意義上的氫冶金是指入爐還原氣含氫高于55%條件下，還原鐵礦石、球團礦生產優質DRI（直接還原鐵）的氣基豎爐直接還原。基于氫冶金的氣基豎爐-電爐短流程具有碳減排50%以上潛力，是歐洲國家和美日等先進產鋼國研發的熱點。
為基于我國原燃料條件發展氫冶金，東北大學進行了以下研究工作：
高品位鐵精礦制備技術。基于河北、山西、吉林、遼寧、山東、湖北、安徽多地磁鐵礦資源（大于30億噸），成功開發高品位鐵精礦（全鐵＞70.5%、二氧化硅2.0%）制備技術和設備，建成年產10萬噸高品位鐵精礦示范線。
氣基豎爐專用氧化球團制備技術。通過多地高品位鐵精礦的氧化焙燒試驗系統研究，結果基于國內鐵礦條件可生產冶金性能優良的氣基豎爐專用氧化球團。
煤制氣-富氫豎爐示范工程設計。籌建富氫豎爐-電爐短流程示范工程，已完成整個工藝系統和工程設計，自主開發了氣基豎爐核心裝置，形成了多項知識產權成果。
全氫氣基豎爐關鍵技術。與某大型鋼企合作，研發基于可再生能源制氫-全氫豎爐直接還原關鍵技術，包括全氫豎爐爐料、工藝系統設計、重大工藝裝備、操作優化、安全控制技術、智能冶煉。
鋼鐵-化工聯產
我國將來很長一段時間鋼鐵生產仍將以高爐-轉爐流程為主，應在加強氫冶金研發的同時，重點發展鋼鐵-化工聯產技術，即將鋼鐵副產含一氧化碳、二氧化碳尾氣進行捕集和分離，作為合成氣提供給化工廠用作加氫催化合成燃料、塑料、肥料等化工產品。這樣做既減少鋼鐵生產的二氧化碳排放，同時為化工行業輸入原本需要消耗化石或生物質才能獲得的碳資源。另外，由于鋼鐵系統副產氫能不足，須引入新能源行業，利用可再生能源制氫。因此，鋼鐵-化工聯產是通過鋼鐵、化工、氫能三大行業跨工業生產系統的網絡協作和一體化網絡集成，在保留高爐前提下實現高爐-轉爐長流程最合理、最可持續的減排方式，也是通過鋼鐵-化工協同，實現碳排放趨零的最徹底的解決方案。
鋼鐵-化工聯產的難點主要體現在尾氣多級協同凈化捕集分離、二氧化碳高效催化合成、大規模低成本制氫、高附加值化工產品制備等方面。為此，東北大學開展了以下研究工作：
尾氣高效凈化捕集技術及裝置。開發國際領先的一步法高爐尾氣脫硫工藝，脫硫率達99.9%，比主流技術節省20%成本，并與相關企業合作研發了世界首套多塔重回流變壓吸附裝置。
尾氣高效吸附劑。開發具有自主知識產權的離子液沸石、“分子陷阱門”材料等吸附劑，用于高效、低成本、選擇性吸附，在鋼廠尾氣、煙道氣、天然氣分離等領域具有廣泛應用前景。
二氧化碳液相催化還原制甲醇。研發銅納米顆粒催化劑和ZnZr離子交換的HTC催化劑，進行了二氧化碳催化還原制甲醇的系統研究和工藝技術開發。
二氧化碳加氫合成甲烷。結合載體界面電子效應和多組元設計，開發高活性、高選擇性稀土氧化物負載的Ni催化劑，在常壓和300攝氏度條件下獲得轉化率99%以上的選擇性。
光催化二氧化碳還原制甲醇。以太陽光為能源，以水或氫氣為還原劑，利用Ta3N5（五氮化三鉭）、Cu2O（氧化亞銅）基高效光催化劑，常溫常壓將二氧化碳轉化為甲醇，甲醇產率223.2μmol/g cat.，具有綠色、環保、節能優點。
二氧化碳電催化制乙烯。以綠色電能為能源，通過電催化技術將鋼鐵尾氣中的二氧化碳轉變為乙烯等高附加值化學品。隨著太陽能、風能等清潔能源轉換為電能的成本不斷降低，電化學二氧化碳還原有望在可預期的將來規模部署。重點研究了催化中心結構精準構筑和高活性、高選擇性、長壽命氣體擴散電極的制備。
合作研發二氧化碳微生物發酵法生產乙酸技術。合作單位以復合產乙酸菌將二氧化碳在常溫常壓條件下，加氫穩定高效轉化乙酸高附加值產品，攻克生物發酵法氣體溶解度低、產率低、選擇性差等難題，實驗室條件下實現二氧化碳和氫氣利用率達98%，產酸菌穩定性和選擇性遠高于現有其他技術。
鋼鐵-化工聯產技術中試。目前，東北大學與某鋼企合作建設鋼鐵碳中和關鍵技術中試基地，以高爐煤氣為氣源，進行煤氣凈化和選擇性捕集分離、二氧化碳熱催化合成甲醇、電催化制乙烯、生物催化制乙酸的中試研究，以期擇優選定技術經濟性合理的二氧化碳轉化利用工藝路線。
在我國全面實現工業化進程中，鋼鐵產業仍是起重要支撐和推動作用的支柱產業。針對國家“30·60”碳減排目標，當前鋼鐵產業正處于低碳綠色化和數字智能化轉型關鍵時期。為此，鋼鐵產業應以節能高能效為基礎，重點發展多產業協同的碳捕捉利用，并輔以能源替代發展氫冶金，最終實現碳中和。
毋庸置疑的是，體量巨大的鋼鐵產業實現碳中和是一個相當艱巨的任務，需要集聚全社會的優勢力量，通過產學研用深度融合、多行業協同和多學科交叉，構建以“基礎-研發-工程-應用”為框架的鋼鐵行業科技創新完整全鏈條，以點帶面實現關鍵共性技術重大突破，最終形成在鋼鐵-化工-新能源-建材-高端裝備制造等組成的新產業鏈中起到重要中樞節點功能的全新鋼鐵產業。
