楊富廷

（山東鋼鐵集團(tuán)安全環(huán)保部，山東濟(jì)南 250101）

1 前 言

鋼鐵行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是我國能源消耗和碳排放的重點(diǎn)行業(yè)，是實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的重要領(lǐng)域。我國明確提出，力爭2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和，在中央層面成立了碳達(dá)峰碳中和領(lǐng)導(dǎo)工作小組，“雙碳”工作被納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，黨中央國務(wù)院出臺了一系列重磅政策，建立了碳達(dá)峰碳中和“1+N”政策體系，出臺了工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰行動方案，黨的二十大報告指出“推動綠色發(fā)展，促進(jìn)人與自然和諧共生”，2023 年政府工作報告指出“推動發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型”，對鋼鐵行業(yè)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展提出了更高的目標(biāo)和要求。本文從鋼鐵制造流程的碳素流轉(zhuǎn)化與能量耗散過程分析入手，探尋鋼鐵低碳生產(chǎn)新技術(shù)，提出鋼鐵企業(yè)低碳發(fā)展的技術(shù)路徑與對策建議。

2 鋼鐵制造流程碳素流分析［1-2］

在鋼鐵制造流程中各工序、裝置之間通過物質(zhì)、能量或者信息交換等方式相互作用，存在以物質(zhì)形式為載體的物質(zhì)流，以能源形式為載體的能量流和信息形式為載體的信息流。能量流是制造加工過程中驅(qū)動力、化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)、熱介質(zhì)等角色的扮演者，包括碳素化學(xué)能、熱能、電能、壓力能等，其中碳素化學(xué)能（碳素流）是主要類型的能源形式。碳素輸入主要以單質(zhì)碳或碳水化合物的形式來源于燃料，包括洗精煤、高爐噴吹煤粉以及燒結(jié)用煤粉等，部分以碳酸鹽的形式輸入，主要來源于熔劑；碳素輸出除少量或者微量的碳元素或化合物形式存在于產(chǎn)品中外，最終接近100%的轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2，排入大氣。碳素的化學(xué)變化主要發(fā)生在由焦化、燒結(jié)、高爐組成的煉鐵系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)爐煉鋼的脫碳過程中，由燃料中的固定碳轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的CO、CO2。

據(jù)研究表明，鋼鐵企業(yè)煤炭約占其外購能源的90%以上，可見鋼鐵制造流程中的能量轉(zhuǎn)換核心問題是煤的高效轉(zhuǎn)換及碳素能量流的高效運(yùn)行。從焦化工序開始，洗精煤中的碳元素被轉(zhuǎn)化為焦炭、焦油、粗苯和焦?fàn)t煤氣等二次能源（能源一次轉(zhuǎn)換）；焦炭和噴吹煤在高爐內(nèi)經(jīng)過燃燒和還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為鐵水中溶解的碳和高爐煤氣（能源二次轉(zhuǎn)換）；鐵水中溶解的碳在煉鋼工序轉(zhuǎn)化為鋼水中的溶解碳和轉(zhuǎn)爐煤氣（能源三次轉(zhuǎn)換）；焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣經(jīng)過凈化、回收與儲存，并用于鋼鐵制造流程中需要加熱的工序，轉(zhuǎn)化為煙氣顯熱或電能（能源四次轉(zhuǎn)換）。在每次能源轉(zhuǎn)換過程中，部分能源還會轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)品或副產(chǎn)品的高溫顯熱，比如燒結(jié)礦顯熱、鐵水顯熱、高爐渣顯熱、鋼水顯熱、鋼渣顯熱、鑄壞顯熱、鋼材余熱和各種煙氣顯熱等。

總之，煤炭主要以洗精煤、噴吹煤的形式被輸入到鋼鐵制造流程中，各種形式的煤在鋼鐵生產(chǎn)過程中，經(jīng)過復(fù)雜的物理和化學(xué)變化過程被轉(zhuǎn)化為焦炭、煤氣及各種煙氣余熱等獨(dú)立運(yùn)行的二次能源和鐵水、鋼水中溶解的碳以及鐵水顯熱、鋼水顯熱、鑄坯顯熱、熱軋材顯熱等伴隨物質(zhì)流運(yùn)行的二次能源。從鋼鐵制造流程中碳素流（能量流）的衰減、耗散過程，可以看出鋼鐵制造流程降低碳排放的方向包括：一是減少或替代碳素輸入，二是提升碳素流能量轉(zhuǎn)換效率，三是對產(chǎn)生的二次能源（副產(chǎn)煤氣）和余熱余能等進(jìn)行充分的回收利用。

3 鋼鐵制造流程減碳技術(shù)路徑分析

3.1 長流程鋼鐵生產(chǎn)減碳技術(shù)分析

3.1.1 燒結(jié)工序

燒結(jié)是將鐵礦石（精礦粉、富礦粉）通過高溫焙燒成塊的加工過程。燒結(jié)工藝以處理粉狀鐵礦石原料為主，搭配處理一部分精礦粉，主要包括三部分，即原料混勻、高溫?zé)Y(jié)、篩分處理。燒結(jié)工序可以高溫回收處理鋼鐵企業(yè)內(nèi)的含鐵粉塵、含碳除塵灰、鋼渣、污泥等廢棄物，能夠使用高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣等可燃?xì)庾鳛辄c(diǎn)火介質(zhì)。燒結(jié)工序固體燃料消耗和煤氣消耗占燒結(jié)工序能源消耗的90%以上，電力消耗占燒結(jié)工序能耗的9%以上，降低工序能耗應(yīng)從降低固體燃料、電力和點(diǎn)火煤氣消耗以及充分回收過程中余熱著手。

目前燒結(jié)工序成熟的實(shí)用技術(shù)包括低碳厚料層燒結(jié)技術(shù)、低溫?zé)Y(jié)技術(shù)、降低燒結(jié)系統(tǒng)漏風(fēng)率技術(shù)、環(huán)冷機(jī)高效密封技術(shù)、煙氣循環(huán)燒結(jié)技術(shù)等，已在多家鋼鐵企業(yè)成熟應(yīng)用，取得了良好的節(jié)能減碳效果。近期可工業(yè)化技術(shù)包括復(fù)合造塊技術(shù)、雙層燒結(jié)技術(shù)、生物質(zhì)能燒結(jié)技術(shù)、燒結(jié)過程智能控制、氫系燃料噴吹清潔燒結(jié)技術(shù)、富氧燒結(jié)技術(shù)。這些技術(shù)基本處于工業(yè)化試驗(yàn)研究進(jìn)程中，其中復(fù)合造塊技術(shù)、生物質(zhì)能燒結(jié)技術(shù)、氫系燃料噴吹清潔燒結(jié)技術(shù)可取得顯著的減碳效果，應(yīng)予以深入研究。前沿技術(shù)包括燒結(jié)豎罐冷卻及余熱發(fā)電技術(shù)、預(yù)還原燒結(jié)技術(shù)、金屬化微波燒結(jié)技術(shù)、CO催化氧化技術(shù)等，其中預(yù)還原燒結(jié)技術(shù)、金屬化微波燒結(jié)技術(shù)減碳效果顯著，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

3.1.2 球團(tuán)工序

球團(tuán)生產(chǎn)過程包括配料、混合、潤磨、造球、篩分、干燥預(yù)熱、焙燒等。球團(tuán)工序能源消耗主要為煤氣消耗和電耗。降低球團(tuán)工序能耗應(yīng)從降低焙燒溫度，提升熱利用效率、降低漏風(fēng)率、提高余熱回收利用率等方面開展工作。成熟減碳技術(shù)包括基于球團(tuán)原料優(yōu)化的低溫焙燒技術(shù)；近期可工業(yè)化的技術(shù)有球團(tuán)智能化生產(chǎn)技術(shù)、熔劑性球團(tuán)技術(shù)、新型黏結(jié)劑球團(tuán)焙燒技術(shù)；前沿技術(shù)包括球團(tuán)內(nèi)配碳技術(shù)等。

3.1.3 焦化工序

焦化工序包括備煤、煉焦、熄焦、焦處理、煤氣凈化等生產(chǎn)系統(tǒng)（或裝置）。焦化工序CO2的排放主要來源于燃料燃燒如焦?fàn)t煙囪排放廢氣、干熄焦放散排放廢氣以及解凍庫、管式爐、開工鍋爐等燃用煤氣設(shè)施排放的廢氣，還有焦化生產(chǎn)消耗各種能源和載能工質(zhì)間接帶來的CO2排放。

焦化工序能量流主要是洗精煤在配煤、粉碎、裝爐、結(jié)焦和熄焦等過程的轉(zhuǎn)換和耗散。重點(diǎn)關(guān)注焦?fàn)t煤氣的優(yōu)化利用和焦?fàn)t加熱用煤氣熱能的有效利用以及過程中產(chǎn)生的余熱（紅焦物理熱、荒煤氣物理熱、廢氣物理熱等）回收和高效利用。成熟減碳技術(shù)包括清潔高效大容積焦?fàn)t煉焦技術(shù)、單孔炭化室壓力調(diào)節(jié)技術(shù)、負(fù)壓脫苯技術(shù)、焦?fàn)t煤氣甲烷化制LNG聯(lián)產(chǎn)富氫尾氣合成氨技術(shù)等，以上技術(shù)已在多家鋼鐵企業(yè)成熟應(yīng)用，取得了良好的節(jié)能減碳效果。近期可工業(yè)化低碳技術(shù)包括余熱蒸氨技術(shù)、熱泵蒸氨技術(shù)、亞臨界超高溫干熄焦余熱發(fā)電工藝技術(shù)、煤調(diào)濕技術(shù)，以上技術(shù)基本處于工業(yè)化試驗(yàn)研究進(jìn)程中，其中余熱蒸氨技術(shù)、熱泵蒸氨技術(shù)可取得顯著的減碳效果，應(yīng)予以深入研究。前沿低碳技術(shù)包括換熱式兩段焦?fàn)t技術(shù)、焦?fàn)t高溫荒煤氣直接重整制還原性氣體技術(shù)、氨分離膜從廢水中分離氨技術(shù)、焦?fàn)t煙氣低溫脫硫脫硝及一體化脫除CO的超低排放技術(shù)等，其中熱式兩段焦?fàn)t技術(shù)、焦?fàn)t高溫荒煤氣直接重整制還原性氣體技術(shù)減碳效果顯著，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

3.1.4 高爐煉鐵工序

高爐冶煉工藝是按規(guī)定的配比從爐頂裝入鐵礦石、焦炭、造渣熔劑，并使?fàn)t喉料面保持一定的高度，焦炭和礦石在爐內(nèi)形成交替分層結(jié)構(gòu)，從位于爐子下部圓周方向的風(fēng)口吹入經(jīng)預(yù)熱到900～1 350 ℃的空氣。焦炭與鼓入熱空氣的氧燃燒生成一氧化碳和氫氣，在爐內(nèi)上升過程中奪取鐵礦石中的氧，從而還原得到鐵，并在2 000 ℃以上的熾熱高溫中成為液態(tài)。煉出的液態(tài)鐵水從出鐵口流出，運(yùn)送到煉鋼工序或澆鑄成鐵塊。鐵礦石中難還原的雜質(zhì)和熔劑結(jié)合生成爐渣，從出渣口排出。產(chǎn)生的煤氣從爐頂導(dǎo)出，經(jīng)除塵后作為熱風(fēng)爐、加熱爐、焦?fàn)t、鍋爐等的氣體燃料。

高爐工序輸入能源介質(zhì)主要包括焦炭、煤粉、電力等，輸出的能量主要是熱鐵水的顯熱和潛熱、高爐渣的顯熱、高爐煤氣的潛熱和顯熱、噴吹煤的分解熱、水分分解熱及冷卻水帶走熱量和爐體散熱等。碳素流在高爐煉鐵工序中表現(xiàn)得尤為明顯，某企業(yè)3 200 m3高爐煉鐵工序能耗中，煤炭（焦炭、噴吹煤）消耗占95.31%。在高爐煉鐵工序應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高爐用碳素的替代、熱風(fēng)爐煙氣余熱回收、爐頂煤氣顯熱和余壓能回收、高爐渣顯熱回收及高爐煤氣充分回收利用等方面。其中，減碳實(shí)用技術(shù)包括高爐智能生產(chǎn)技術(shù)、爐頂均壓煤氣回收技術(shù)、三段式高爐脫濕鼓風(fēng)技術(shù)、基于爐腹煤氣指數(shù)優(yōu)化的智能化大型高爐節(jié)能技術(shù)、BPRT 技術(shù)等已在多家鋼鐵企業(yè)成熟應(yīng)用，取得了良好的節(jié)能減碳效果。近期可工業(yè)化技術(shù)包括高爐復(fù)合噴吹應(yīng)用技術(shù)、高爐生物質(zhì)炭應(yīng)用技術(shù)、高爐爐渣顯熱回收技術(shù)、高爐煤氣CO2脫除技術(shù)，其中高爐復(fù)合噴吹應(yīng)用技術(shù)、高爐生物質(zhì)炭應(yīng)用技術(shù)可取得顯著的減碳效果，應(yīng)予以深入研究。前沿技術(shù)包括Ferro-coke 技術(shù)、氧氣高爐，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

3.1.5 煉鋼工序

轉(zhuǎn)爐煉鋼過程是將高爐來的鐵水兌入轉(zhuǎn)爐，并按一定比例裝入廢鋼，然后降下水冷氧槍以一定的供氧、槍位和造渣制度吹氧冶煉，主要承擔(dān)鋼水脫碳、脫磷和升溫的任務(wù)。轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，鐵水物理熱和化學(xué)熱是煉鋼過程的熱量來源，來自鐵水的含碳化學(xué)能轉(zhuǎn)換為鋼水熱量和轉(zhuǎn)爐煤氣的潛熱、顯熱；轉(zhuǎn)爐煤氣潛熱、顯熱的及時、有效回收利用是提高能源利用率、實(shí)現(xiàn)“負(fù)能”煉鋼的有力保障，也是轉(zhuǎn)爐能源轉(zhuǎn)換功能的充分體現(xiàn)。余熱余能主要有轉(zhuǎn)爐煤氣的化學(xué)熱、轉(zhuǎn)爐煙氣的顯熱、轉(zhuǎn)爐爐渣顯熱。減少轉(zhuǎn)爐煤氣的二次燃燒，提高轉(zhuǎn)爐煤氣回收量，對降低工序能耗具有積極作用。連鑄工序消耗的能源主要是電力，通過提高連鑄坯的拉速，提高鑄坯的出坯溫度，為實(shí)現(xiàn)連鑄坯的熱送熱裝甚至直接軋制奠定基礎(chǔ)，從而降低軋鋼加熱爐的煤氣消耗。成熟減碳技術(shù)包括一罐到底技術(shù)、魚雷罐/鐵水罐/鋼水罐加蓋技術(shù)、連鑄坯熱送熱裝技術(shù)等，已在多家鋼鐵企業(yè)成熟應(yīng)用，取得了良好的節(jié)能減碳效果。近期可工業(yè)化減碳技術(shù)包括高效低成本潔凈鋼冶煉技術(shù)、超高廢鋼比轉(zhuǎn)爐冶煉、CO2煉鋼技術(shù)、電爐密閉加料及廢鋼預(yù)熱技術(shù)、連鑄坯質(zhì)量在線預(yù)報及控制技術(shù)、鋼渣熱能利用技術(shù)等，對煉鋼工序碳減排具有積極作用，應(yīng)予以深入研究應(yīng)用。前沿技術(shù)包括大功率新型直流電弧爐電源供電技術(shù)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

3.1.6 軋鋼工序

軋鋼工序總能耗約占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)能源消耗總量的10%，近年來通過蓄熱式加熱爐技術(shù)、變頻調(diào)速控制技術(shù)、熱軋全線溫度精準(zhǔn)控制技術(shù)、控軋控冷技術(shù)、高精度軋制技術(shù)等技術(shù)，工序的節(jié)約能耗、降低碳排放已取得了非常大的進(jìn)步。前沿技術(shù)包括薄帶鑄軋技術(shù)、型鋼近終型鑄軋一體化技術(shù)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

3.1.7 公輔系統(tǒng)

公輔系統(tǒng)包括為鋼鐵生產(chǎn)各工序提供電力、供水、冷風(fēng)、氧氣、氮?dú)?、氬氣、蒸汽、煤氣等能源介質(zhì)，并處置生產(chǎn)工序產(chǎn)生的廢氣、廢水、固廢，對工序產(chǎn)生余熱進(jìn)行回收利用等，涉及污染物治理的技術(shù)較多。成熟的減碳技術(shù)包括單段式橡膠膜密封型煤氣柜技術(shù)、高爐沖渣水余熱回收技術(shù)、轉(zhuǎn)爐煤氣中低溫余熱回收技術(shù)、焦?fàn)t煙道氣余熱回收利用技術(shù)等；近期可工業(yè)化技術(shù)包括多能互補(bǔ)技術(shù)、工業(yè)爐窯黑體強(qiáng)化輻射節(jié)能技術(shù)等，對碳減排具有積極作用，應(yīng)予以深入研究。

3.2 非高爐煉鐵及氫冶金

在全球努力減少溫室氣體排放的大背景下，國內(nèi)外正積極開發(fā)減少煉鐵過程CO2排放的前沿性、突破性技術(shù)研發(fā)，其中最主要的研究方向就是非高爐煉鐵及氫冶金，如瑞典SSAB 公司突破性氫能煉鐵技術(shù)（HYBRIT）項(xiàng)目、歐洲超低二氧化碳排放煉鋼工藝ULCOS項(xiàng)目、德國Car-bon2Chem項(xiàng)目等。

3.2.1 熔融還原煉鐵

熔融還原技術(shù)主要以煤為主要能源、以氣體作為還原劑的氧-煤工藝，或者使用煤作為還原劑、以電作為主要能源的電-煤工藝的數(shù)十個熔煤工藝熔融還原技術(shù)，熔融還原法不僅可以節(jié)省昂貴的焦炭的使用，而且可以免去燒結(jié)球團(tuán)工藝以減少污染，目前比較成熟和突出的技術(shù)有Hismelt、COREX、FINEX、ISarna工藝等。

3.2.2 直接還原煉鐵與氫冶金

直接還原鐵工藝按還原劑可以分為煤基法和氣基法，目前氣基豎爐煉鐵工藝幾乎都基于富氫氣體，可以說氣基豎爐煉鐵是一種富氫冶金技術(shù)，直接還原煉鐵作為DRI 生產(chǎn)的主流工藝，生產(chǎn)效率高，技術(shù)成熟，前提是必須有大量廉價還原氣資源（全世界氣基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵大多利用天然氣作為制取大容量氫的氣源）。在天然氣富裕的地區(qū)，直接還原鐵+電爐煉鋼短流程崛起，是鋼鐵業(yè)的一次革命和創(chuàng)新，而天然氣短缺的地區(qū)，鋼鐵短流程的發(fā)展受阻。

氣基豎爐是直接還原鐵生產(chǎn)工藝中比較成熟、單機(jī)產(chǎn)能較大（最高可達(dá)250萬t/a）的工藝，是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的占據(jù)主導(dǎo)地位的直接還原工藝。山西中晉礦業(yè)破解了一系列制約氣基還原鐵技術(shù)工程轉(zhuǎn)化的技術(shù)難題之后，我國第一套30 萬t/a 焦?fàn)t煤氣制直接還原鐵工業(yè)化試驗(yàn)裝置——中晉太行礦業(yè)有限公司氫氣直還鐵項(xiàng)目于2019 年10 月調(diào)試投產(chǎn)。在氣源上中晉公司選擇了國內(nèi)資源量相對富裕的焦?fàn)t煤氣，中晉公司與中國石油大學(xué)共同提出的CSDRI氣基豎爐還原煉鐵技術(shù)適應(yīng)我國國情，擺脫了氣基還原鐵技術(shù)對天然氣的依賴，大幅度減少了污染物的排放，這一技術(shù)的成功及推廣將大力推動我國氣基豎爐及短流程工藝的發(fā)展。

采用氫的直接還原煉鐵工藝及配套煉鋼技術(shù)，氫能源主要是利用非化石能源產(chǎn)生的（如核能制氫或新一代電解水制氫），高反應(yīng)性的氫氣與鐵礦原料發(fā)生反應(yīng)，生成直接還原鐵（DRI），過程不產(chǎn)生CO2等溫室氣體，實(shí)現(xiàn)綠色煉鐵生產(chǎn)。后續(xù)將直接還原鐵與廢鋼一起裝入電爐煉鋼，或者制成熱壓塊鐵儲存或出售。這一技術(shù)是鋼鐵冶金工業(yè)的重大突破性技術(shù)，鋼鐵工業(yè)發(fā)達(dá)國家均在重點(diǎn)研究和示范相應(yīng)技術(shù)，如瑞典鋼鐵公司（SSAB）已開展HYBRIT 項(xiàng)目，旨在聯(lián)合開發(fā)用氫替代煉焦煤和焦炭的突破性煉鐵技術(shù)。

3.3 可再生能源的利用技術(shù)

3.3.1 光伏發(fā)電技術(shù)

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)鋼廠屋頂、水面資源特點(diǎn)就地安裝，直接接入附近車間單元中低壓配電系統(tǒng)，就地消納，減少輸電損耗。光伏發(fā)電系統(tǒng)具有安全可靠、無噪聲、低污染、無須消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電，建設(shè)周期短的優(yōu)點(diǎn)。如寶鋼建設(shè)廠房屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目，總裝機(jī)容量為50 MW，為國家金太陽示范工程。項(xiàng)目采用合同能源管理模式，整個項(xiàng)目總投資4.704 9億元。電站總計(jì)包括20 個并網(wǎng)站點(diǎn)，使用屋面建筑面積約102萬m2，太陽能光伏系統(tǒng)安裝面積約35萬m2，并網(wǎng)方式為“并網(wǎng)不上網(wǎng)”，所發(fā)電量全部自己消納，年平均發(fā)電量5 016 萬kW·h，每年可節(jié)約標(biāo)煤1.68 萬t，每年可減排二氧化碳4.15 萬t，年平均節(jié)能收益為1 750.59萬元。

3.3.2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電的基本原理是風(fēng)的動能通過風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)換成電能。充分利用鋼廠廠區(qū)空地開發(fā)分散式風(fēng)電，就近接入鋼廠車間10 kV或35 kV配電系統(tǒng)，就地消納，能夠有效降低鋼廠電力成本，提高鋼廠綠電占比。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。如在江蘇某港口安裝了7 臺分散式風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)，一臺分散式風(fēng)機(jī)，相當(dāng)于種了5 000棵樹，在整個的生命周期，能夠節(jié)省16萬t的二氧化碳排放，相當(dāng)于節(jié)省了8萬t的煤。

3.4 鋼化聯(lián)產(chǎn)

鋼鐵-化工聯(lián)產(chǎn)是通過鋼鐵、化工、氫能三大行業(yè)跨工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作和一體化網(wǎng)絡(luò)集成，在保留高爐前提下實(shí)現(xiàn)高爐-轉(zhuǎn)爐長流程最合理、最可持續(xù)的減排方式，也是通過鋼鐵-化工協(xié)同，實(shí)現(xiàn)碳排放趨零的解決方案。鋼化聯(lián)產(chǎn)涉及主要技術(shù)路徑有以下幾個：

（1）低能耗煤氣合成甲醇、乙二醇、乙醇等化工產(chǎn)品技術(shù)：轉(zhuǎn)爐煤氣CO 含量高、焦?fàn)t煤氣H2含量高，通過合成，生產(chǎn)甲醇、乙二醇、乙醇等化工產(chǎn)品。應(yīng)用實(shí)例有達(dá)州鋼鐵用焦?fàn)t氣和轉(zhuǎn)爐氣為原料合成甲醇，具有成本優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)10.6萬t甲醇。河北首鋼郎澤引進(jìn)全球領(lǐng)先的生物發(fā)酵法制乙醇技術(shù)，2018 年5 月首套工業(yè)化項(xiàng)目調(diào)試成功，年產(chǎn)燃料乙醇4.5萬t，工業(yè)尾氣生物發(fā)酵法制乙醇項(xiàng)目在寧夏等地陸續(xù)布局并投產(chǎn)。2020年8月，山西立恒鋼鐵以焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣為原料的年產(chǎn)30 萬t乙二醇聯(lián)產(chǎn)LNG項(xiàng)目投產(chǎn)。

（2）石灰窯尾氣制碳素氫鈉：2014年4月16日，北京凌云制藥利用新興鑄管石灰窯尾氣排放的CO2，建設(shè)了年產(chǎn)6萬t碳酸氫鈉原料藥生產(chǎn)基地。

（3）轉(zhuǎn)爐煤氣制甲酸聯(lián)產(chǎn)草酸：2018年4月，國內(nèi)第一個轉(zhuǎn)爐煤氣制甲酸項(xiàng)目聯(lián)產(chǎn)草酸項(xiàng)目—山東石橫特鋼所屬的阿斯德化工年產(chǎn)20 萬t 甲酸、5萬t草酸等順利投產(chǎn)。

對于利用CO2合成化工產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)目前正處于積極研發(fā)中，包含：一步法合成三嗪醇技術(shù)、二氧化碳液相催化還原制甲醇、二氧化碳加氫合成甲烷、二氧化碳加氫合成二甲醚、光催化CO2還原制甲醇、二氧化碳電催化制乙烯、二氧化碳微生物發(fā)酵法生產(chǎn)乙酸技術(shù)、CO2合成有機(jī)高分子材料等。這些研究目前不夠成熟，但有些已取得了一定進(jìn)展，前景良好，加強(qiáng)這方面的研究應(yīng)用，使CO2成為有用的化工資源，對解決環(huán)境問題實(shí)現(xiàn)碳減排具有重大意義。

3.5 碳捕集、利用與封存

與低碳冶金技術(shù)不同，CCS/CCUS 技術(shù)是一項(xiàng)新興的、具有大規(guī)模二氧化碳減排潛力的技術(shù)，即把生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳進(jìn)行提純，繼而投入到新的生產(chǎn)過程中進(jìn)行循環(huán)再利用或封存。作為目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳化利用的減排技術(shù)，CCS/CCUS 是我國實(shí)現(xiàn)2060 年碳中和目標(biāo)技術(shù)組合的重要組成部分。

4 山鋼低碳生產(chǎn)技術(shù)路徑探析

山鋼低碳科技創(chuàng)新的總體思路為：以“引進(jìn)借鑒、自主研發(fā)、協(xié)同研發(fā)、積極跟隨”相結(jié)合的方式全面推進(jìn)低碳技術(shù)創(chuàng)新，分階段有側(cè)重的開展低碳技術(shù)科技創(chuàng)新。重點(diǎn)方向?yàn)椋涸辖Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生物質(zhì)能及非化石能源替代，工藝技術(shù)創(chuàng)新、節(jié)能及能效提升、智能化、鋼化聯(lián)產(chǎn)、突破性技術(shù)、綠色產(chǎn)品等方向。

4.1 第一階段：碳達(dá)峰（2030年前）

以已應(yīng)用技術(shù)推廣、原料結(jié)構(gòu)優(yōu)化，生物質(zhì)能及非化石能源替代，工藝技術(shù)創(chuàng)新、節(jié)能及能效提升、全流程智能化技術(shù)為重點(diǎn)，開展低碳技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用；積極融入全球低碳冶金創(chuàng)新聯(lián)盟等創(chuàng)新平臺，關(guān)注并跟蹤氫冶金、CCS/CCUS等突破性技術(shù)。

（1）原料結(jié)構(gòu)優(yōu)化。原料結(jié)構(gòu)優(yōu)化是源頭減碳技術(shù)，應(yīng)持續(xù)開展高塊礦/高球團(tuán)比高爐冶煉、超高廢鋼比轉(zhuǎn)爐冶煉等原料結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)研究，以綠色低碳入爐料比例提升，促進(jìn)噸鋼碳排放強(qiáng)度的降低。

（2）生物質(zhì)能及非化石能源替代通。過生物質(zhì)能燒結(jié)、氫系燃料噴吹燒結(jié)、高爐生物質(zhì)炭替代、廢塑料廢輪胎及焦?fàn)t煤氣等富氫燃料（氣）高爐噴吹等技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，優(yōu)化現(xiàn)有工藝能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)清潔低碳生產(chǎn)。

（3）工藝技術(shù)創(chuàng)新。開展復(fù)合造塊燒結(jié)、雙層燒結(jié)、蒸汽噴吹輔助燒結(jié)、微波點(diǎn)火、新型黏結(jié)劑球團(tuán)焙燒、干燥煤煉焦、超高富氧率高爐冶煉、高效低成本潔凈鋼冶煉、CO2捕集及鋼鐵流程循環(huán)利用等先進(jìn)工藝技術(shù)的研發(fā)和工業(yè)化應(yīng)用，推進(jìn)“高效、低碳、低成本”冶煉技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

（4）節(jié)能及能效提升。加快高爐渣、鋼渣顯熱回收、低溫?zé)煔庥酂峄厥占夹g(shù)的研發(fā)，進(jìn)一步深度開發(fā)降低燒結(jié)系統(tǒng)漏風(fēng)率、電爐密閉加料及廢鋼預(yù)熱等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)余熱余能極致回收及能源的高效利用。

（5）智能化技術(shù)。深化各工序智能化技術(shù)開發(fā)，如：智能料場技術(shù)、燒結(jié)球團(tuán)智能控制模型、高爐煉鐵過程智能化關(guān)鍵技術(shù)、廢鋼智能判定、綠色智能電爐技術(shù)、連鑄坯質(zhì)量在線預(yù)報及控制等，推進(jìn)全流程智能化系統(tǒng)建立，研發(fā)基于深度感知的冶金流程數(shù)字孿生技術(shù)、基于物聯(lián)網(wǎng)及數(shù)字定位的智能庫區(qū)技術(shù)、鋼鐵制造全流程“數(shù)字孿生”關(guān)鍵技術(shù)、鋼鐵全流程工序界面協(xié)同融合技術(shù)等，推進(jìn)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程“數(shù)字化、可視化、智能化”，以智能化技術(shù)的應(yīng)用提升企業(yè)資源和能源的利用效率，降低碳排放。

（3）跟蹤前沿突破性技術(shù)。積極參與各類鋼鐵低碳突破性技術(shù)創(chuàng)新平臺，與一流企業(yè)、科研院所共同研發(fā)、緊密跟蹤關(guān)注國內(nèi)外非高爐煉鐵（熔融還原、直接還原）、氫能冶煉、電解鐵礦石、低成本高效CCS/CCUS技術(shù)等。

4.2 第二階段：減碳30%（2030—2035）

在進(jìn)一步優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，有序調(diào)整流程結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研究開發(fā)低碳前沿共性技術(shù)及末端CO2固化技術(shù)，保障鋼鐵制造流程持續(xù)穩(wěn)定降碳。

（1）優(yōu)化流程結(jié)構(gòu)。以熔融還原煉鐵、直接還原+電爐、全廢鋼電爐、近終型鑄軋一體化等綠色智能化短流程工藝替代部分現(xiàn)有高爐-轉(zhuǎn)爐長流程工藝，實(shí)現(xiàn)流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化降碳。

（2）現(xiàn)有流程前沿技術(shù)開發(fā)。開展預(yù)還原燒結(jié)、金屬化微波燒結(jié)、Ferro-coke等新型爐料技術(shù)的開發(fā)，推進(jìn)換熱式兩段焦?fàn)t、煤氣脫除的CO2與CH4干重整合成氣高爐噴吹、氧氣高爐、等離子高溫冶金、低成本制氫儲氫技術(shù)等低碳前沿共性技術(shù)的研究、示范及推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)源頭減碳及過程降碳。

（3）鋼化聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。目前國內(nèi)多地進(jìn)行了鋼化聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的示范，但當(dāng)前鋼化聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目能耗較高，減排效果不明顯，需要進(jìn)一步深入研究，開發(fā)一種低能耗的煤氣合成甲醇、乙二醇、乙醇等化工產(chǎn)品的技術(shù)，研究開發(fā)CO2一步法合成三嗪醇技術(shù)，將煤氣中的碳固定到產(chǎn)品中去，減少企業(yè)碳排放。

4.3 第三階段：深度脫碳（2036—）

以綠電、綠氫占比大幅增加的能源結(jié)構(gòu)變革為基礎(chǔ)，以無碳冶金（氫冶金等）、鋼化聯(lián)產(chǎn)、CCS/CCUS 技術(shù)研發(fā)及廣泛應(yīng)用為手段，構(gòu)建鋼鐵-化工-氫能相融合的一體化智能生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)鋼鐵流程深度脫碳。

引進(jìn)消化吸收氫冶金（氫直接還原、高爐氫氣噴吹等）、核能冶金、太陽能煉鋼、電解煉鐵等革命性突破性工藝，發(fā)展無碳冶金前沿技術(shù)，推進(jìn)鋼鐵制造流程近零碳排放。這些技術(shù)需密切跟蹤國內(nèi)外研發(fā)進(jìn)展情況，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破并工業(yè)化示范應(yīng)用后積極結(jié)合山鋼實(shí)際予以引進(jìn)應(yīng)用。

積極開發(fā)應(yīng)用鋼化聯(lián)產(chǎn)固碳（CO2合成有機(jī)高分子材料、光催化CO2還原制甲醇等）、逐步示范并大規(guī)模應(yīng)用低成本高效CCS/CCUS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)CO2的低成本捕集、高值化利用、大規(guī)模封存，貢獻(xiàn)碳中和。

5 結(jié) 論

鋼鐵制造流程的碳素流在鋼鐵生產(chǎn)的各工序進(jìn)行轉(zhuǎn)化與能量耗散，采取相應(yīng)的節(jié)能低碳技術(shù)降低能源消耗至關(guān)重要。山鋼從碳素流的轉(zhuǎn)化和能量耗散過程分析入手，系統(tǒng)梳理了已應(yīng)用的成熟低碳生產(chǎn)技術(shù)、近期可工業(yè)化的先進(jìn)低碳技術(shù)，及進(jìn)一步跟蹤和研究的前沿技術(shù)，提出山鋼以“引進(jìn)借鑒、自主研發(fā)、協(xié)同研發(fā)、積極跟隨”相結(jié)合的方式全面推進(jìn)低碳技術(shù)創(chuàng)新，分階段有側(cè)重的開展低碳技術(shù)科技創(chuàng)新。探尋了通過原料結(jié)構(gòu)優(yōu)化，流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生物質(zhì)能及非化石能源替代，工藝技術(shù)創(chuàng)新、節(jié)能及能效提升、智能化、鋼化聯(lián)產(chǎn)、突破性技術(shù)、綠色產(chǎn)品等方向的鋼鐵低碳生產(chǎn)技術(shù)路徑和對策建議，為綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展指明了方向。