2023年精选文章||“双碳”目标下钢铁企业低碳发展的技术路径

2.1   中国钢铁工业低碳发展规划

我国双碳目标提出后，中国钢铁工业协会为全面推动钢铁行业低碳发展工作，专门成立了钢铁行业低碳工作推进委员会，结合中国资源禀赋、能源结构和钢铁工业发展现状对我国钢铁行业“碳达峰、碳中和”实施路径进行了深入系统研究 ^{[ 9 ]} ，并形成《钢铁行业碳中和愿景和低碳技术路线图》（以下简称《路线图》），《路线图》提出了“双碳”愿景，明确了中国钢铁工业“双碳”技术路径—系统能效提升、资源循环利用、流程优化创新、冶炼工艺突破、产品迭代升级、捕集封存利用。《路线图》还提出了中国钢铁工业实施“双碳”工程的四个阶段：第一阶段（2030年前），积极推进稳步实现碳达峰；第二阶段（2030—2040年），创新驱动实现深度脱碳；第三阶段（2040—050年），重大突破冲刺极限降碳；第四阶段（2050—2060年），融合发展助力碳中和。重点任务如下：一是深化供给侧结构性改革；二是持续工艺流程结构优化；三是创新发展低碳技术；四是打造绿色低碳产业链；五是加强全球低碳产业创新合作。

2.2   国内大型钢铁企业碳中和方案

在中国钢铁工业协会研究中国钢铁工业低碳发展路线的同时，国内各大钢铁企业也结合自身实际陆续发布双碳发展目标及低碳冶金路线图，通过实施主要的减碳路径力争实现2050年碳中和的目标 ^{[ 10 ]} 。

中国宝武钢铁集团于2021年1月在国内钢铁行业率先发布碳减排目标：2021年发布低碳冶金路线图，2023年力争实现碳达峰，2025年具备减碳30%工艺技术能力，2035年力争减碳30%，2050年力争实现碳中和。同年11月，宝武集团还公布了低碳冶金技术路线图，路线图聚焦钢铁流程极限能效减碳、重构高炉工艺技术减碳、氢冶金技术减碳、短流程近终形制造技术减碳、循环经济减碳、二氧化碳资源化利用技术减碳六大路径来部署和实施低碳发展。

河钢集团于2021年3月发布了《低碳绿色发展行动计划》，明确了“碳达峰、碳中和”的规划目标；且于2022年3月发布了《低碳发展技术路线图》，提出了按照碳排放总量和碳排放强度“双控”的原则，划分低碳发展的三个阶段，明确了实现“双碳”目标的“6+2”低碳技术路线，即实施六大降碳技术路径和建设两大管理平台。

鞍钢集团于2021年12月发布低碳冶金路线图，提出了低碳发展愿景、“三个使命”和“五大路径”。鞍钢集团低碳发展目标为2025年前实现碳排放总量达峰；2035年碳排放总量较峰值降低30%，吨钢碳排放强度降低30%以上。为达到上述目标实施低碳发展“五大路径”：格局流程再造、资源消耗减量、能源结构优化、绿色矿山示范和前沿技术创新。从鞍钢集团低碳发展时间表可以看出，“五大路径”在不同阶段将各自发挥主体作用，协同实现“碳达峰、碳中和”目标。

首钢集团于2021年5月发布了低碳发展的实践与路线，围绕双碳目标首钢未来主要实施以下四条碳减排技术路线：一是优化制造流程，实现化石能源减量；二是提升能源效率，加大清洁能源使用；三是推进二氧化碳捕集、封存与利用（CCUS），建立低碳循环产业链；四是制造绿色产品，助力多行业协同减碳。

包钢集团于2021年5月披露其“双碳”目标：力争2023年实现碳达峰，2030年具备减碳30%的工艺技术能力，力争2042年碳排放量较峰值降低50%，力争2050年实现碳中和。

建龙集团于2022年3月公布了钢铁板块绿色低碳发展目标：到2025年，碳排放总量将达到峰值；2033年，碳排放总量较峰值下降20%，碳排放强度较2020年下降25%；2060年实现碳中和。同时明确了实现“碳达峰、碳中和”的具体路径，将通过工艺流程优化提升、前沿技术创新应用、产品绿色低碳转型、用能效率结构优化、绿色物流系统升级以及资源能源循环利用六大路径，深入推进绿色低碳发展。

为更准确描述各减碳技术在企业未来降碳过程中所做出的贡献，下文将以河钢集团为例，结合河钢生产实际，制定碳中和发展目标及低碳发展技术路线图，详细阐明各技术的规划目标及碳减排量，给中国钢铁企业的低碳发展提供借鉴。

河钢集团是世界最大的钢铁材料制造和综合服务商之一，十三五期间粗钢产量维持在4000～4700万吨之间，流程结构以长流程为主。产品的产能分布中，热轧板带占36%，冷轧板深加工占18%，中厚板占17%，棒线型材占29%。河钢集团2017年至2021年碳排放强度如 图3 所示，总体而言，河钢集团吨钢碳排放强度与中钢协重点企业的行业均值基本保持一致。

图  3    河钢集团2017—2021年吨钢CO ₂ 排放强度

河钢基于当前生产、装备、碳排放实际情况，并充分考虑未来产能装备变化、工艺变革、技术提升、能源转型方面的规划，制订碳达峰和碳中和的整体目标（ 图4 ）。河钢集团在2019年已经实现碳达峰，将于2025年较碳排放峰值减排10%，2030年较碳排放峰值减排30%，并在2050年实现碳中和 ^{[ 11 - 12 ]} 。

图  4    2017—2050年河钢集团低碳发展目标

河钢未来低碳发展将分为三个阶段：2022—2025年是碳达峰平台期，期间河钢产业布局逐步完善、流程不断优化、氢冶金进入工程应用阶段，碳达峰基础逐步夯实。2025—2030年是碳排放稳步下降期，期间钢铁生产过程碳排放实现精细管控，流程结构、铁素资源结构、用能结构进一步优化。2030年以后进入深度脱碳期，生产效率及用能效率发挥到极致，氢冶金、CCUS技术大规模推广应用，矿山修复、森林碳汇充分发挥深度固碳效应，到2050年完成深度脱碳化改造。

为实现上述目标，河钢制定了详细的“6+2”低碳绿色发展路径及技术方案，未来主要通过实施六条降碳技术路径，即铁素资源优化、流程优化重构、系统能效提升、用能结构优化、低碳技术变革和产业耦合降碳，以及建设碳数据管理平台和产品全生命周期（LCA）碳足迹平台，来实现碳中和发展目标。

3.1   铁素资源优化

钢铁生产的铁素资源主要包括铁矿石和废钢铁。铁素资源优化的主要措施有以下两方面：一是提高长流程球团比，实现精料入炉，提高金属收得率。球团矿的单位产品能耗、碳排放和污染物排放均远低于烧结矿，研究表明球团工序要比烧结工序减少45%的碳排放，高炉球团比从20%提升至80%，可实现吨铁CO ₂ 排放降低10.67 kg ^{[ 13 ]} 。目前我国长流程高炉炉料中球团矿整体配比约为13%，远低于欧盟等先进产钢国水平。二是提高长流程废钢利用率。转炉生产中提高废钢利用率可降低铁水消耗，每减少1 t铁水，可降低碳排放1.5 t左右。

河钢集团将积极开发高炉大比例球团炼铁技术 ^{[ 14 ]} ，探索不同球团比下高炉炉料性能的变化，对槽下排料、装料制度、炉料结构进行优化，以唐钢新区为例球团比例从2022年的50%提高到2030年的60%左右，到2050年整个河钢球团比将全部提高到60%左右。目前河钢废钢利用率为11%，未来一方面通过改进Klockner Oxygen Blown Maxhutte （K-OBM）转炉顶底复吹工艺和氧枪后燃烧，积极开发转炉高废钢比高洁净度高效冶炼技术，另一方面是结合河钢周边城市废钢资源分布情况，合理布局建设废钢加工中心，保障废钢资源的供应，长流程的废钢比将在2030年提升至15%，2050年将进一步提升至30%左右。经过模型测算，在河钢双碳实施过程中，铁素资源优化带来的减排量如 图5 所示。

图  5    2022—2050年河钢集团铁素资源优化带来的减排量

由 图5 可见，随着高炉球团比例及转炉废钢比例的提升，两种减碳手段带来的减碳量不断提升。到2050年高炉球团比例及转炉废钢比均达到最高值，但由于2050年以高炉转炉为主的长流程生产比例降低，两种减碳技术带来的减碳效应也相应降低，因此减碳量不仅仅决于技术本身的指标，而且和技术的推广度密切相关。

3.2   流程优化重构

钢铁生产不同流程工艺碳排放差异较大，工艺流程结构优化是当前阶段钢铁行业实施碳减排的重要途径。流程优化重构主要包括以下两个方面：一是提高全废钢电炉(All Scrap Electric Furnace, Scrap-EF)短流程比例，全废钢电炉流程碳排放仅为高炉−转炉长流程的30%，因此长流程转为短流程可以降低70%的碳排放。中国电炉短流程的发展在很大程度上受制于废钢资源的不足，但随未来废钢资源的增加、电炉技术发展以及钢铁行业面临的减碳压力，电炉流程将会得到较大发展。二是开发流程“界面”技术。“界面”技术是相对于钢铁生产流程中炼铁、炼钢、连铸、热轧等主体工序技术而言的，“界面”技术是指这些主体工序之间的衔接−匹配、协调−缓冲技术及相应的装置（装备），是在单元工序功能优化、作业程序优化和流程网络优化等流程设计理论创新的基础上开发出来的工序之间关系的协同优化技术，包括了相邻工序之间的物质、能量、时间、空间、信息的关系协同−优化或是多工序之间关系的协同−优化。研究表明，工序之间“界面”过程的能量损失约占制造流程能源消耗总量的2%～7%，“界面”过程的热损失占全流程热损失的20%～50%。钢铁生产流程界面之间物质流运行优化及界面功能匹配集成可以提高物质流、能量流的运行效率，对降低全流程能耗、物耗、降低成本和促进环保具有重要的作用，未来“界面”技术优化的节能潜力约为1.03 GJ∙t ^{-1[ 15 - 16 ]} 。

河钢将在石钢新区实施报废汽车废钢资源化再利用项目，最终建成以京津冀为核心、辐射全国的汽车拆解、废钢回收、加工、仓储、配送一体化的废钢产业，解决废钢资源短缺问题。河钢电炉短流程比例将从2022年的10%左右，提升到2030年的17%左右，到2050年进一步提升到30%左右。河钢集团主要针对炼铁−炼钢、炼钢−连铸、连铸−热轧三个区段开展界面优化工作，通过铁包和钢包加盖、缩短优化铁包周转及直轧工艺大幅减少铁水、钢水、铸坯等铁素物质流在传输过程中的温降，预计全流程温降将从2022年的730 ℃降低至2050年的170 ℃，温度止损达到560 ℃。经过模型测算，在河钢双碳实施过程中，流程优化重构带来的减排量如 图6 所示。

图  6    2022—2050年河钢集团流程优化重构带来的减排量

3.3   系统能效提升

系统能效提升是现阶段长流程钢铁企业减少碳排放的首要选项。从1990年至2020年，中国钢铁工业节能工作经历了单体设备节能、工序优化节能到系统节能，吨钢综合能耗从1.56 t标煤降低至0.545 t标煤，节能工作取得显著进步，但是与世界先进水平还存在一定差距 ^{[ 17 ]} 。未来中国钢铁工业需要紧紧抓住全球产业链重构的机遇，推动数字化及智能化与传统产业的深度融合，进一步提升钢铁生产全流程的用能效率 ^{[ 18 ]} 。

河钢集团一方面通过研究、推广、应用钢铁制造全流程节能降耗的先进技术和装备，提高能源转换效率；另一方面通过数字化、网络化、智能化提升系统能源管控水平，把焦化、烧结、球团、炼铁、炼钢、轧钢等各大工序能耗降到最低，做到全系统能效持续改进并实现能效的极致提升。一是各工序能耗到2025年达到能耗限额标准的准入值，2030年达到能耗限额标准的先进值。二是进一步提高二次能源的利用效率，提升自发电比例，从2021年的45%提高到2030年的70%以上，到2050年进一步提高到90%以上。经过模型测算，在河钢双碳实施过程中，系统能效提升带来的减排量如 图7 所示。

图  7    2022—2050年河钢集团系统能效提升带来的减排量的变化

3.4   用能结构优化

生态环境部环境规划院分析2020年中国钢铁行业碳排放来源 ^{[ 19 ]} ，结果表明煤、焦化石能源带来的直接排放占80%，在考虑自发电率情况下净购入电力、热力二氧化碳排放量占比12%，工业过程碳排放量占比8%。由此可见钢铁行业由于能源使用带来的碳排放超过90%，因此优化能源结构是钢铁行业降低碳排放的重要手段。首先需要加快发展非化石能源，提高新能源和可再生能源的利用，积极推进清洁能源替代，逐步建立完善多能互补、系统集成的能源体系，降低对化石能源的依赖。其次电力是钢铁行业除化石能源之外的第二大碳排放源，考虑各行业碳中和的协同效应，随着电力行业的低碳发展，未来全国电力能源结构将调整，全社会电力CO ₂ 排放因子不断降低，相比2022年，2030年全社会电力的CO ₂ 排放因子将下降22%，2050年将进一步下降86%，因此不断提升绿电的使用比例可大幅降低钢铁企业由于电力使用带来的隐含碳排放。最后构建绿色物流体系，提高钢铁行业的清洁运输比例，也是钢铁全流程降碳的手段之一。

河钢因地制宜发展光电、风电、生物质能等新能源及可再生能源，充分挖掘新能源及可再生能源利用潜力，逐步提高新能源和可再生能源的使用占比，实现多能互补，构建多元能源结构体系，到2050年减少煤、焦使用约1400万吨，减少外购电量90亿千瓦时。到2030年，可再生能源发电量将达到27亿千瓦时左右；到2050年，可再生能源发电量达到50亿千瓦时左右。河钢将不断扩大氢能重卡运营范围，到2030年，河钢集团将运行约15000辆氢燃重卡替代柴油重卡；到2050年，将氢燃料重卡提升至30000辆。经过模型测算，在河钢双碳实施过程中，用能结构优化带来的减排量如 图8 所示。

图  8    2022—2050年河钢集团用能结构优化带来的减排量

3.5   低碳技术变革

创新工艺，加快突破性冶炼技术的研发和应用是最终实现全球温控目标的关键。截至目前，全球钢铁工业范围内开展了多项低碳冶炼技术的研发，以实现大规模减碳和脱碳的突破。按实现的碳减排影响程度，大体可以分为以下三类：（1）以氢冶金为代表的减碳技术，当前氢冶金初步形成氢基竖炉直接还原炼铁技术（Direct reduction iron, DRI） 、氢基流化床直接还原炼铁技术、高炉富氢冶炼技术和富氢熔融还原炼铁技术四大技术路径；（2）以熔融氧化物高温电解法为代表的无碳冶炼技术；（3）以CCUS为代表的负碳技术。

河钢重点布局的颠覆性技术有氢冶金和CCUS技术。氢冶金流程预计到2024年，在张宣科技建成120万吨示范工程；到2025年，生产规模达到380万吨左右；到2030年，生产规模达到560万吨左右；2050年氢冶金生产规模将达到1300万吨。CCUS技术受制于能耗高、成本高、排放源距离远、环境因素等外部条件制约，现阶段减排潜力难以完全释放。河钢在河北省政府的支持下牵头成立了河北省二氧化捕集利用与封存产业技术联盟，正在开展二氧化碳捕集利用、咸水层封存技术示范。经过模型测算，在河钢“双碳”实施过程中，低碳技术变革带来的减排量如 图9 所示。

图  9    2022—2050年河钢集团低碳技术变革带来的减排量

3.6   产业耦合降碳

产业耦合降碳是指充分利用副产煤气、冶金渣、余热等钢厂副产资源和废塑料、城市中水等城市废弃资源，发展循环经济，减少钢铁企业的煤炭、新水等资源、能源的消耗，实现与石化、化工、建材、社会等多产业耦合降碳。中国工程院院士李卫表示，冶金渣含有制备水泥混凝土等需要的成分，如能实现冶金渣与水泥等领域的跨行业协同利用，必将减少天然矿石资源巨大浪费和二氧化碳排放。2021年全国粗钢产量约10.33亿吨，同时产生约3.3亿吨水渣。研究表明，1 t水渣的固废用于生产可代替水泥熟料的新型胶凝材料，可实现减排碳0.86 t ^{[ 20 ]} 。仿地幔熔铁浴技术可利用钢铁生产过程中的熔铁浴将城市有机废物转化为以CO和H ₂ 为主要成分的合成气体，合成气体再用于钢铁生产，从而降低钢铁生产过程中化石能源的消耗。

河钢产业耦合降碳方面主要开展以下三方面工作，一是在下属的矿山企业进行森林碳汇的生态建设，与森林资源丰富的地区共同开发碳汇系列产品，同时积极参与雄安新区“千年秀林”项目，为未来实现碳中和储备碳汇资源，预计到2030年开发森林碳汇达24万吨，到2050年开发碳汇资源达100万吨。二是河钢将通过与建材行业构建产业链接，开展冶金渣资源化利用研究。预计2030年河钢产生的冶金渣带来的减碳将达到900万吨，该部分减碳量若按水泥及钢铁行业均分，则河钢将可减少约450万吨每年的CO ₂ 排放；但由于长流程比例降低，高炉渣及转炉渣产生量也将减少，到2050年由冶金渣资源化利用带来的减碳量降低至约200万吨。三是河钢将采用仿地幔熔铁浴处理有机固废，实现钢厂与城市共融，预计到2030年通过熔铁浴技术具备协同降碳能力50万吨；预计到2050年协同降碳能力达到158万吨。经过模型测算，在河钢双碳实施过程中，产业耦合降碳带来的减排量如 图10 所示。

图  10    2022—2050年河钢集团产业耦合降碳带来的减排量

在河钢低碳绿色发展进程中，六条降碳技术路径持续发挥减碳效应，对在这期间各技术路径累计减排量进行分析，结果表明，铁素资源优化的累计减排量占13%，流程优化重构的累计减排量占18%，系统能效提升的累计减排量占34%，用能结构优化的累计减排量占11%，低碳技术变革的累计减排量占17%，产业耦合降碳的累计减排量占7%，而这六条降碳路径将能给河钢带来相较峰值90%以上的降碳量。综合上述技术方案及措施，形成了集团面向碳中和的低碳发展技术路线图（ 图11 ）。

图  11    河钢集团低碳发展技术路线图

河钢集团坚决落实低碳发展技术路线，已经高质量建成河钢唐钢新区 ^{[ 21 - 22 ]} ，打造了绿色化、智能化、品牌化的新一代流程钢厂；高标准建成河钢石钢新基地，打造了新一代绿色低碳全废钢−电炉短流程钢厂；积极推进张宣科技基地建设，打造氢冶金示范和高端装备核心零部件制造基地。预计2050年河钢粗钢产量减少至峰值的75%，氢冶金规模将达到1300万吨，全废钢及氢冶金电炉短流程比例将超过60%，长流程废钢比将超过30%。河钢降碳路径包含的具体措施近百项，如果各项措施都采用并落实到位，到2050年仍有碳排放总量的8%需要进一步加大先进降碳技术的应用力度和参与碳交易等措施才能实现中和。

3.7   碳数据管理平台

为了确保技术路径在产线发挥减碳效应能够可预见、可管控，河钢将要建设统一的碳数据管理平台。将建设集团内部统一规范的工序、企业层次的碳排放统计核算体系，实现数据的实时上传与共享，分析预测碳排放趋势及减排潜力。同时构建减污降碳协同治理的工作机制，以及数据计量、统计及核算体系、对标及评估体系、考核体系等，为进入全国统一碳市场做准备。

3.8   产品LCA管理平台

河钢还将与上下游协同开展全生命周期绿色评价和诊断工作，建设产品LCA管理平台，完善钢铁产品生命周期数据库，搭建低碳节能绿色产品生产体系，开展钢铁绿色产品设计，协同上下游构建碳中和钢铁产品产业链。引导下游行业绿色消费，形成全社会使用绿色钢铁产品的和谐氛围。

未来，河钢将在两大管理平台的基础上增加碳监测和碳交易板块，建设WisCarbon碳中和数字化公共服务平台，以数字化助力钢铁行业实现低碳绿色发展，实现精准降碳，利用WisCarbon平台打造“碳标签”认证样板，建立钢铁行业碳标签标准化体系，为企业提供产品碳足迹核查、产品碳标签评价等服务，携手上下游产业共同打造低碳绿色生态圈。

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