佟 慶 魏欣旸 秦旭映 郭玥鋒

1.清華大學核能與新能源技術研究院

2.澳門科技大學商學院

3.清華大學核能與新能源技術研究院

4.北京航空航天大學蘇州創(chuàng)新研究院

0 前言

水泥和鋼鐵工業(yè)屬于我國高耗能行業(yè)[1]，為國民經(jīng)濟做出巨大貢獻的同時，也是我國兩個主要的CO2排放行業(yè)。此外，水泥和鋼鐵行業(yè)已進入全國碳排放權交易市場[2]。根據(jù)能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)[3]和國家溫室氣體清單數(shù)據(jù)[4]匡算，2017年水泥行業(yè)CO2排放量約為12億t，鋼鐵行業(yè)約為15億t。

這兩個行業(yè)的碳排放機理主要包括燃料燃燒排放、工業(yè)生產(chǎn)過程排放（水泥生產(chǎn)過程的碳酸鹽分解產(chǎn)生CO2排放、煉鋼過程的原料脫碳產(chǎn)生CO2排放）、電力消耗所對應的電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)的排放（也稱間接排放）。

近年來，這兩個行業(yè)以節(jié)能和提高能效技術為主要途徑，通過減少燃料燃燒或電力消耗所對應的CO2排放，取得了一定的CO2減排效果，但隨著應對氣候變化國際形勢的發(fā)展以及全國碳市場的深入進行，水泥和鋼鐵行業(yè)在節(jié)能減碳方面會面臨越來越大的壓力，有必要進一步探討這兩個行業(yè)更為突破性、前瞻性的先進低碳技術[6]。

本文綜述了水泥行業(yè)和鋼鐵行業(yè)幾種突破性的低碳技術，介紹了這些技術的原理、減排效果、障礙及措施，以期對這兩個行業(yè)未來的減排提供一些借鑒。

1 水泥行業(yè)突破性低碳技術

水泥工業(yè)是國民經(jīng)濟中重要的基礎產(chǎn)業(yè)，屬于能源、資源密集型行業(yè)，煤炭消費量基數(shù)大，是碳排放大戶。我國水泥產(chǎn)量占全球水泥總產(chǎn)量的60%，連續(xù)近三十年來居世界第一，CO2排放強度較高[7]。2014年發(fā)布的《國家應對氣候變化規(guī)劃（2014～2020年）》指導方針中指出“2020年水泥行業(yè)CO2排放量基本穩(wěn)定在‘十二五’末的水平”。可見，水泥行業(yè)必須積極響應國家應對氣候變化戰(zhàn)略，實現(xiàn)水泥行業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

碳酸鹽分解的工業(yè)生產(chǎn)過程排放是水泥行業(yè)最大的排放源（約50%～60%），其次是燃料燃燒排放（約30%～40%）。

水泥行業(yè)減排一般采用能效提高（節(jié)煤、節(jié)電）、燃料替代、熟料替代這幾種技術。提高能效水平是最直接有效的減排方式。近年來，我國水泥行業(yè)有關能效提高的生產(chǎn)技術取得較大進步，未來依靠提高能效的減排空間有限。用天然氣和生物質(zhì)燃料來替代煤炭等傳統(tǒng)燃料的替代技術，雖然理論上減排潛力較大，但我國應用替代燃料的生產(chǎn)線較少，技術也受到法律和政策的制約。對于熟料替代技術，過低的熟料雖然降低了CO2，但也會造成大量使用混合材和摻和料，增加單位混凝土的水泥用量，對建筑物安全產(chǎn)生潛在影響。

因此，需要探索除這三種技術之外的更為突破性的技術?！秶覒獙夂蜃兓?guī)劃（2014年～2020年）》中指出，“水泥行業(yè)要鼓勵采用電石渣、造紙污泥、脫硫石膏、粉煤灰、冶金渣尾礦等工業(yè)廢渣和火山灰等非碳酸鹽原料替代傳統(tǒng)石灰石原料”。為此，原料替代技術應成為水泥工業(yè)未來減排的突破性技術。此外，由于水泥生產(chǎn)產(chǎn)生的CO2中50%以上是無法避免的，因此，水泥行業(yè)采用CO2捕獲和封存技術（CCS），也是促進水泥行業(yè)未來減排的一項突破性技術。下面著重介紹水泥生料原料替代技術和碳捕獲和封存技術(CCS)。

1.1 水泥生料原料替代技術

理論上講，水泥原料中只要各化學組分配比合適，就能生產(chǎn)出合格的水泥熟料。傳統(tǒng)技術下，來自石灰石原料的生料碳酸鹽分解的碳排放比例較高，通常每生產(chǎn)1 t水泥熟料需要消耗約1.3 t石灰石原料，這些原料在高溫下分解會產(chǎn)生約42%的CO2，而采用含有CaO但CO2含量低的替代原料，就能有效降低水泥生產(chǎn)中工藝過程CO2排放。

目前，可采用其它原料替代石灰石原料的材料有電石渣、硅鈣渣、鋼渣、石英污泥、造紙污泥等，對這幾種替代材料的減排技術分析如下。

1.1.1 技術原理和減排效果

1)電石渣替代

電石渣是化工行業(yè)的廢渣，主要成分是CaO或Ca(OH)2，含量為65%～80%。電石渣的成分較為穩(wěn)定，有害物質(zhì)較少，可完全取代石灰石原料生產(chǎn)水泥。

根據(jù)劉晶等[9]開展的研究表明，以1條2 500 t/d水泥熟料的電石渣生產(chǎn)線為例，水泥熟料年產(chǎn)量70萬t，計算結(jié)果表明，與傳統(tǒng)采用石灰石作為鈣質(zhì)原料的生產(chǎn)線相比，電石渣配料比例為60%時，單位熟料的工藝過程CO2排放降低227.5 kg，企業(yè)年度工藝減排CO2高達16萬t。

2)硅鈣渣替代

硅鈣渣是指用堿石灰石燒結(jié)法提取高鋁粉煤灰中氧化鋁產(chǎn)生的新型固體廢棄物，目前利用范圍局限，絕大部分都通過填埋方式處理，污染環(huán)境，侵占土地。硅鈣渣含有一定量的CaO，可以減少配料中石灰石的比例，這些經(jīng)高溫煅燒的廢渣作為替代原料生產(chǎn)水泥，也可獲得一定量的CO2減排。

劉麗芬等[10]開展工業(yè)試驗研究表明，生料中摻入30%的硅鈣渣可生產(chǎn)合格的硅酸鹽水泥熟料，利用硅鈣渣替代石灰石在現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)線上燒制水泥熟料是切實可行的。

根據(jù)劉晶等開展的分析表明，若采用30%硅鈣渣替代石灰石，所得單位熟料的工藝CO2排放量為437.1 kg，若不采用硅鈣渣替代石灰石，單位熟料的工藝過程CO2排放量為533.56 kg，因此單位熟料的工藝CO2排放降低96.46 kg。

3)鋼渣替代

部分水泥企業(yè)為充分利用當?shù)刭Y源，降低生產(chǎn)成本，采用鋼渣配料生產(chǎn)水泥熟料。根據(jù)劉晶等開展的研究表明，對比某公司采用鋼渣配料前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計算鋼渣的減排效果明顯。在原配料方案中，單位熟料的工藝過程CO2排放量為543.8 kg，采用生料中搭配使用約4%的鋼渣后，單位熟料的CO2排放量為539.4 kg，減排了4.4 kg CO2，此外鋼渣的使用還能明顯改善生料易燒性從而降低煤耗。

4)石英污泥替代

石英污泥是石英砂廠采掘的石英礦經(jīng)破碎、水洗、篩選、烘干、提煉硅后剩下的廢污泥。石英污泥的主要化學成分為 CaO、SiO2、AL2O3、Fe2O3、SO3和MgO等，因此可以替代石灰石。此外，石英污泥為粉末狀物料，配料波動少，整體比較穩(wěn)定，可用于改善生料的易磨性。根據(jù)馬源等[11]實驗和研究表明，相比傳統(tǒng)方案，在采用石英污泥替代原料后，標準煤耗從106.23 kg/t降低至103.88 kg/t，下降了2.35 kg/t。

5)造紙污泥替代

根據(jù)劉偉等[12]研究表明，經(jīng)對某廢紙污泥渣進行化學分析，造紙污泥中含有 CaO、SiO2、AL2O3、Fe2O3、和MgO，而且其中Al2O3含量較高，對于生料配料來說是一種很好的鋁質(zhì)校正原料，其余化學成分對熟料質(zhì)量也基本不存在不良影響，而且污泥的熱值還比較高、可以充分利用其熱值燒成熟料。理論上每摻入1%的濕造紙污泥，噸熟料實物煤耗可降低1.91 kg。

1.1.2 障礙及措施

采用電石渣、硅鈣渣、鋼渣、石英污泥、造紙污泥等工業(yè)廢棄物用作替代原料，不僅能可靠、低成本地利用廢棄物，同時能有效減少工藝過程的CO2排放量。但是，也存在以下障礙限制這些原料替代技術在水泥工業(yè)中的應用和發(fā)展。

1)水泥產(chǎn)品性能障礙

與化石燃料產(chǎn)生的灰渣相比，某些替代材料的灰分具有不同的組分和含量，這些材料在窯中產(chǎn)生的熟料成分波動較大。如果熟料中磷元素超標，會降低生產(chǎn)水泥的早期強度并導致更長的凝固時間。此外，使用替代材料也會影響水泥的長期強度。因此，使用各種替代材料需要注意各種原料的配比以及對后續(xù)工藝流程做出調(diào)整，需要進一步加大研發(fā)和示范力度，摸索出成熟穩(wěn)定的技術方案。

2)技術經(jīng)濟障礙[13]

使用替代材料的額外成本主要包括加工工藝的研究、設計、建造等費用，以及原材料采購、處理和運輸費用等。因此，需要仔細評估替代原料的經(jīng)濟性，并希望政府給予一些政策支持，也建議企業(yè)充分利用碳市場等激勵機制。

3)國家標準和市場接受度障礙

當?shù)毓I(yè)副產(chǎn)品市場和替代原料水泥生產(chǎn)許可條件也是阻礙替代原料技術在水泥工業(yè)中廣泛應用的障礙。此外，在一些國家和區(qū)域市場，國家標準與替代原料生產(chǎn)的水泥性質(zhì)之間仍然不相容，還需要配套開展生產(chǎn)許可和標準制定或修訂等工作。

1.2 碳捕獲與封存技術（CCS）

1.2.1 CCS技術原理和減排效果

碳捕獲與封存技術（CCS）[14]是一項新興的、具有大規(guī)模減碳潛力的技術，可將水泥行業(yè)產(chǎn)生的CO2捕集并存儲于特定地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，從而減少CO2向大氣的排放。劉虹等[15]研究推算表明，估計我國2020～2030年水泥行業(yè)利用CCS技術捕獲CO2的市場潛力在3億t～4億t左右。

1.2.2 障礙及措施

根據(jù)顧阿倫等[16]研究分析，水泥行業(yè)減排技術按照減排成本由低到高的排序為能效提高技術、燃料替代技術、混合水泥技術和CCS技術，可見CCS技術成本最高。這也是制約此項技術在我國應用和發(fā)展的主要障礙。

除此之外，此項技術本身還存在一定的技術難度和地質(zhì)存儲潛力方面的不確定性，還需要認真分析和評估CCS技術路線，對適合中國發(fā)展的CCS技術進行重點研發(fā)與示范，并應加強CO2儲存的研究，對有可能最先作為CO2儲存的含油、氣、煤的盆地結(jié)構(gòu)的地質(zhì)進行重點調(diào)查研究，對于監(jiān)測可能、儲存潛力、泄漏風險等方面進行全面調(diào)查與評估。

2 鋼鐵行業(yè)突破性低碳技術

李新創(chuàng)等[17]研究結(jié)果表明，在全球溫控目標2℃情景下，降低需求、能效提升、創(chuàng)新工藝為鋼鐵工業(yè)貢獻的減排潛力為46%、21%、33%。在1.5℃溫控情景下，降低需求、能效提升、創(chuàng)新工藝為鋼鐵工業(yè)貢獻的減排潛力為34%、16%、50%?？梢?，鋼鐵行業(yè)隨著溫控目標要求的提高，創(chuàng)新工藝對鋼鐵行業(yè)的減排作用更為凸顯。下面重點介紹相比傳統(tǒng)高爐煉鐵而言，具有突破性創(chuàng)新工藝的直接還原煉鐵技術和電弧爐煉鋼技術。

2.1 直接還原煉鐵技術

2.1.1 技術原理和減排效果

直接還原煉鐵技術[18]是以非焦煤為能源，在不熔化、不造渣的條件下，原料基本保持原有物理形態(tài)，鐵的氧化物經(jīng)還原獲得以金屬鐵為主要成分的固態(tài)產(chǎn)品技術方法，是現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)重要工序之一。

直接還原煉鐵技術按所使用的還原劑的形態(tài)分為氣基法（豎爐法、流化床法等）、煤基法（回轉(zhuǎn)窯法、隧道窯法、煤基豎爐法、轉(zhuǎn)底爐法等）。迄今為止，有數(shù)十種直接還原工藝實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，其中氣基豎爐占直接還原鐵的主導地位。

傳統(tǒng)的高爐煉鐵，鐵水的含碳量為4.50%，而鋼的含碳量平均為0.35%，因此采用高爐鐵水煉鋼，脫碳環(huán)節(jié)會排放約140～175 kg CO2/t鋼。對比而言，煤基直接還原煉鐵含碳僅為0.30%，氣基直接還原鐵含碳通?！?.50%，用直接還原鐵煉鋼，脫碳環(huán)節(jié)可以減少向大氣排放約100～150 kg CO2/t鋼。

2.1.2 技術障礙及措施

我國直接還原煉鐵技術的主要應用障礙[19]有以下三種。

1)生產(chǎn)規(guī)模過小。中國直接還原鐵企業(yè)均采用煤基直接還原工藝，該方法通常單機生產(chǎn)能力均較小，多數(shù)直接還原鐵廠的年生產(chǎn)能力均小于5萬t。過小的生產(chǎn)規(guī)模不能形成規(guī)模效應，使工廠的原料組織、產(chǎn)品銷售及環(huán)保等環(huán)節(jié)都出現(xiàn)一些問題。豎爐氣基直接還原可實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，是我國發(fā)展該技術的主要出路。

2)缺乏穩(wěn)定的原料供應渠道。直接還原煉鐵技術必須采用高品質(zhì)的原料，但我國缺乏適合直接還原鐵生產(chǎn)所用的高品位鐵礦石資源，如全部采取進口又面臨國際市場礦石價格不斷上漲的困難。建立國內(nèi)外兩種資源組成的穩(wěn)定暢通的原料供應渠道，是我國發(fā)展直接還原煉鐵技術的當務之急。

3)氣基直接還原發(fā)展緩慢。國外發(fā)展經(jīng)驗表明，利用氣基豎爐法是迅速發(fā)展直接還原煉鐵技術的有效途徑，但我國由于受到天然氣資源的限制，氣基直接還原發(fā)展緩慢。煤制氣技術已成為化工行業(yè)的常規(guī)技術，使得煤制氣-豎爐工藝成為我國發(fā)展直接還原煉鐵技術的方向之一。但由于煤炭的使用越來越受到限制，需要尋找更清潔的制氫方法。張平等[20]研究表明，高溫氣冷堆核能技術最適合制氫，其產(chǎn)生的氫氣可以用于直接還原煉鐵，也即可以實現(xiàn)高溫堆制氫與直接還原煉鐵技術的耦合，這將大幅度降低鋼鐵冶煉過程中溫室氣體和其它有害物質(zhì)的排放，可能帶來行業(yè)革命性的變化。

2.2 電弧爐煉鋼技術

2.2.1 技術原理和減排效果

電弧爐煉鋼以廢鋼或直接還原鐵為主要原料，用電弧的熱效應煉鋼。

相比以高爐鐵水為原料的長流程轉(zhuǎn)爐煉鋼技術，以廢鋼或直接還原鐵為原料的短流程電爐煉鋼節(jié)能減碳優(yōu)勢明顯。采用電弧爐煉鋼，其制造每噸粗鋼的能耗和CO2排放分別為250 kg標煤和600 kg左右，而傳統(tǒng)的長流程煉鋼的能耗和CO2排放分別是750 kg標煤和2 000 kg左右[21]。

2.2.2 技術障礙及措施

一直以來，我國短流程電弧爐煉鋼發(fā)展速度不快，2015年電弧爐煉鋼占全部煉鋼產(chǎn)能的比例在6%左右，與美國63%、韓國30%、日本23%相比，差距較大。遇到的障礙主要有以下兩方面。

1)優(yōu)質(zhì)廢鋼資源緊缺。近10余年來，中國鋼產(chǎn)量高居世界之首位，然而由于總的廢鋼積累量不足，廢鋼資源緊缺導致的廢鋼價格較高制約了電弧爐煉鋼技術的發(fā)展。此外，隨著汽車、家電等包含各種有色金屬材料的大量使用，使得難以解體分離的產(chǎn)品不斷增加，優(yōu)質(zhì)廢鋼資源非常緊缺，造成廢鋼質(zhì)量不穩(wěn)定，殘留的有害元素富集、雜質(zhì)較多。解決這一問題的主要方法為建設廢鋼回收、加工、配送體系，并采用有效提高去除并回收廢鋼中有害元素的技術，提高鐵與有害元素的分離率[22]。

2)電力緊張、發(fā)電能源結(jié)構(gòu)不合理、電力成本較高。電弧爐是用電大戶，雖然近年來中國電力裝機容量迅速增長，但國民經(jīng)濟其他部門和人民生活質(zhì)量迅速提高，對電量的需求也快速增長，特別是中國發(fā)電技術構(gòu)成不合理，火力發(fā)電所占比例仍然比較高，對化石能源依賴度較高，電力成本也較高。這就需要進一步優(yōu)化電弧爐生產(chǎn)工藝，加強精細管理與操作，充分利用鋼水中化學反應產(chǎn)生的化學能和排放廢氣中的物理能，如二次燃燒技術和廢鋼預熱技術。同時，開發(fā)新型電弧爐，高效利用電能，降低電爐煉鋼能耗。

3 結(jié)語

技術進步是低碳發(fā)展的必由之路，本文介紹的這些突破性低碳技術無疑有著降低水泥和鋼鐵行業(yè)溫室氣體排放的巨大潛能，但要將其變?yōu)楣こ袒瘧玫募夹g，還需要采取更強有力的措施來促進技術的研發(fā)創(chuàng)新動力、科研成果的轉(zhuǎn)化應用速度以及工業(yè)化應用進程。

建議我國政府主管部門、水泥和鋼鐵的行業(yè)主管部門把發(fā)展行業(yè)突破性低碳技術作為一項戰(zhàn)略性措施，加強頂層設計，統(tǒng)一規(guī)劃，制定科學的、超脫地方和部門利益的低碳發(fā)展路線圖。分清主次和輕重緩急，集中力量，圍繞重大關鍵技術進行聯(lián)合攻關，以期盡快掌握我國水泥和鋼鐵行業(yè)最急需的關鍵低碳技術。

此外，鑒于低碳技術國際轉(zhuǎn)移所面臨的各種障礙，且我國水泥和鋼鐵行業(yè)有其自身的國情和特點，在明確我國水泥和鋼鐵行業(yè)低碳技術發(fā)展的優(yōu)先領域基礎上，必須立足于自主創(chuàng)新和研發(fā)，掌握自主核心技術，在此基礎上實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化和應用。