鋼鐵行業(yè)“雙碳”實(shí)現(xiàn)路徑

楊 雪

（中冶節(jié)能環(huán)保有限責(zé)任公司，北京 100088）

2020年9月，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上向全世界宣布：中國將力爭于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！笆奈濉币?guī)劃支持有條件的地區(qū)率先達(dá)到碳排放峰值，制定2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案。中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念 做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》指出，到2025年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）能耗比2020年降低13.5%，單位GDP 二氧化碳排放比2020年降低18%，非化石能源使用比例達(dá)到20%左右；到2030年，單位GDP能耗大幅下降，單位GDP 二氧化碳排放比2005年降低至少65%，非化石能源使用比例達(dá)到25%左右；到2060年，綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系和清潔低碳安全高效的能源體系全面建立，能源利用效率達(dá)到國際先進(jìn)水平，非化石能源使用比例超過80%，碳中和目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)，生態(tài)文明建設(shè)取得豐碩成果，開創(chuàng)人與自然和諧共生的新境界。

1 碳達(dá)峰和碳中和的概念

做好碳達(dá)峰、碳中和工作，是中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議確定的2021年八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一。這里所說的碳是指人類生產(chǎn)、生活所排放的各種溫室氣體，為了便于統(tǒng)計(jì)，按照各種溫室氣體導(dǎo)致溫室效應(yīng)的程度差異，折算成二氧化碳當(dāng)量（COe），因此常常將CO作為溫室氣體的代名詞。碳達(dá)峰是指一個(gè)地區(qū)或行業(yè)溫室氣體排放總量達(dá)到年度歷史最大值，是溫室氣體年排放總量由增轉(zhuǎn)降的曲線拐點(diǎn)，標(biāo)志著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展由高耗能、高污染模式轉(zhuǎn)向綠色低能耗模式。碳中和是指在一定時(shí)期內(nèi)（一般指一年）某個(gè)地區(qū)人類活動(dòng)過程中直接或間接的碳排放總量，與通過工業(yè)固碳、植樹造林吸收的碳總量大致相等，實(shí)現(xiàn)近零碳排放。碳排放峰值并不是越高越好，峰值越高，碳中和的難度越大，耗時(shí)越長，為盲目摸高而新建的高碳排放項(xiàng)目將在項(xiàng)目存續(xù)期間占用大量的碳排放份額，使得未來數(shù)十年里高效低碳產(chǎn)業(yè)無碳可排，給我國2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)造成巨大阻力。為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，必須制定碳達(dá)峰、碳中和行動(dòng)方案，并嚴(yán)格按照節(jié)點(diǎn)實(shí)施，阻止二氧化碳排放量的上升趨勢。

2 鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和行動(dòng)方案

新時(shí)代，鋼鐵工業(yè)是建設(shè)社會(huì)主義強(qiáng)國的根基，是綠色低碳發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的重點(diǎn)領(lǐng)域。工業(yè)和信息化部等三部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》給出了具體目標(biāo)：力爭到2025年，鋼鐵工業(yè)基本形成布局結(jié)構(gòu)合理、資源供應(yīng)穩(wěn)定、技術(shù)裝備先進(jìn)、質(zhì)量品牌突出、智能化水平高、全球競爭力強(qiáng)、綠色低碳可持續(xù)的高質(zhì)量發(fā)展格局；構(gòu)建產(chǎn)業(yè)間耦合發(fā)展的資源循環(huán)利用體系，80%以上鋼鐵產(chǎn)能完成超低排放改造，噸鋼綜合能耗降低2%以上，水資源消耗強(qiáng)度降低10%以上，確保2030年前碳達(dá)峰。

《鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰及降碳行動(dòng)方案》目前已完成，碳達(dá)峰時(shí)間表為：2025年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰；2030年碳排放量比峰值下降30%；2060年前國內(nèi)鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)深度脫碳。戴方欽等對國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)碳達(dá)峰、碳中和行動(dòng)方案進(jìn)行了研究。中國寶武集團(tuán)發(fā)布的“雙碳”時(shí)間表為：2023年碳達(dá)峰，2025年完成工藝改造而具有降碳30%的能力，2035年實(shí)現(xiàn)降碳30%，2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。中國寶武集團(tuán)投資建設(shè)了低碳冶金試驗(yàn)平臺(tái)，研究非高爐煉鐵工藝的技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用。2021年3月，河鋼集團(tuán)發(fā)布了碳達(dá)峰、碳中和行動(dòng)方案：2022年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2025年碳排放量比峰值下降超過10%，2030年碳排放量比峰值下降超過30%，2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。2020年，河鋼集團(tuán)在張家口投資建設(shè)全球首例富氫氣體直接還原示范項(xiàng)目，全流程堅(jiān)持低碳創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)，探究鋼鐵行業(yè)綠色清潔、零碳排放的發(fā)展路徑，打造“未來工廠”。

2016年，瑞典鋼鐵集團(tuán)（SSAB）設(shè)立了HYBRIT項(xiàng)目，采用H取代傳統(tǒng)煉鐵工藝的煤和焦炭，評(píng)估非化石能源冶煉的潛力，研究結(jié)果表明，CO排放量由傳統(tǒng)高爐冶煉工藝的1 600 kg/t 鋼降低至25 kg/t 鋼。

3 實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的路徑

要想實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰和碳中和，必須嚴(yán)格執(zhí)行產(chǎn)能置換，推進(jìn)存量優(yōu)化。推動(dòng)鋼鐵企業(yè)兼并重組，優(yōu)化生產(chǎn)力布局。以京津冀及周邊地區(qū)為重點(diǎn)，繼續(xù)壓減粗鋼產(chǎn)能。深化能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，促進(jìn)鋼鐵行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和清潔能源替代，大力推進(jìn)非高爐煉鐵技術(shù)示范，提升廢鋼資源回收利用水平，推行全廢鋼電爐工藝。推廣先進(jìn)適用技術(shù)，深挖節(jié)能降碳潛力，鼓勵(lì)鋼化聯(lián)產(chǎn)，探索開展氫冶金、二氧化碳捕集利用一體化等試點(diǎn)示范，推動(dòng)低品位余熱供暖發(fā)展。

3.1 繼續(xù)壓減粗鋼產(chǎn)能，推進(jìn)兼并重組

工業(yè)和信息化部已明確要求，鋼鐵行業(yè)要圍繞碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，繼續(xù)壓縮粗鋼產(chǎn)能。“十三五”期間，我國壓減粗鋼產(chǎn)能總計(jì)超過1.5 億t?！笆奈濉逼陂g繼續(xù)加快淘汰落后產(chǎn)能進(jìn)程，堅(jiān)決遏制違規(guī)新增產(chǎn)能。各地方政府營造跨地區(qū)重組的有利條件，尊重企業(yè)意愿，支持行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)通過自主決議開展資源配置和兼并重組，努力爭取在“十四五”期間鋼鐵行業(yè)兼并重組邁上新臺(tái)階。

3.2 推進(jìn)能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與綠色低碳工藝變革

提高清潔能源利用比例，促進(jìn)能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)清潔低碳化。加大鋼鐵企業(yè)外調(diào)綠電占比，充分利用新疆、青海等地綠電供應(yīng)，為鋼鐵企業(yè)電氣化提供保障。加快推進(jìn)京津冀及周邊地區(qū)、汾渭平原鋼鐵企業(yè)外部運(yùn)輸“公轉(zhuǎn)鐵”，提升新能源車輛占比。提升能效，包括余熱余能利用、爐窯熱效率提升、能源梯級(jí)利用等，例如，高爐沖渣水余熱和空壓機(jī)站余熱經(jīng)過換熱站換出的低溫?zé)嵩从糜诠┡蜃鳛樯顭崴Ｉ钊胪七M(jìn)鋼鐵工業(yè)綠色低碳工藝改造，全面普及燒結(jié)煙氣循環(huán)、機(jī)械化原料場，鼓勵(lì)電弧爐短流程煉鋼，提高電爐鋼和廢鋼應(yīng)用比例，布局電爐煉鋼和低碳冶金技術(shù)。低碳冶金技術(shù)已成為世界鋼鐵工業(yè)公認(rèn)的技術(shù)發(fā)展方向之一，氫冶金、非高爐煉鐵、高爐噴吹氫氣等低碳煉鐵技術(shù)進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。

3.3 氫能源替代化石燃料

電爐煉鋼可以有效減少碳排放量，但是電力只能提供煉鋼過程需要的能量，不能作為還原劑完成還原反應(yīng)。氫能源既可以替代化石燃料應(yīng)用于高爐煉鐵、燒結(jié)、熱風(fēng)爐、石灰窯、軋鋼加熱爐等生產(chǎn)工序，又可以作為還原劑完成煉鋼過程的還原反應(yīng)，氫能是消除傳統(tǒng)煉鋼煉鐵工藝碳排放的有效途徑。受制氫成本限制，國內(nèi)制氫方法主要為化石燃料制氫和工業(yè)副產(chǎn)品制氫，制氫過程會(huì)產(chǎn)生大量碳排放。然而，在碳中和背景下，電解水制氫憑借其工藝簡單、零碳排放、光伏發(fā)電和風(fēng)電大力發(fā)展的優(yōu)勢一躍成為未來的制氫主體。

3.4 開發(fā)應(yīng)用固碳技術(shù)

根據(jù)國內(nèi)外的研究結(jié)果，碳中和目標(biāo)下我國CO捕集利用與封存（CCUS）技術(shù)的減排需求如下：2030年為0.20 億～4.08 億t，2050年為6.0 億～14.5億t，2060年為10.0 億～18.2 億t，如表1所示。我國目前約有40 個(gè)CCUS 示范工程，主要為石油、煤化工和電力行業(yè)提供碳捕集和封存，且規(guī)模較小，碳捕集能力約為300 萬t/a。國家能源集團(tuán)鄂爾多斯碳捕集和封存（CCS）示范項(xiàng)目已成功開展了10 萬t/a 規(guī)模的CCS 全流程示范。中石油吉林油田提高石油采收率（EOR）項(xiàng)目是全球正在運(yùn)行的21 個(gè)大型CCUS 項(xiàng)目中唯一中國項(xiàng)目，也是亞洲最大的EOR 項(xiàng)目，累計(jì)已注入CO超過200 萬t。2019年開始建設(shè)的國家能源集團(tuán)國華錦界電廠15 萬t/a 燃燒后CO捕集與封存工程將成為國內(nèi)規(guī)模最大的燃煤電廠CCUS示范工程。中國石化齊魯石化公司與勝利油田于2021年7月正式啟動(dòng)建設(shè)國內(nèi)首例百萬噸級(jí)CCUS 項(xiàng)目。我國已完全具有建設(shè)規(guī)模較大的CCUS 項(xiàng)目的技術(shù)和工程能力。

表1 2025—2060年鋼鐵行業(yè)CCUS 二氧化碳減排需求潛力

根據(jù)中國21世紀(jì)議程管理中心等相關(guān)機(jī)構(gòu)推算，對于碳排放，2030年我國鋼鐵行業(yè)通過CCUS 技術(shù)需要減排0.02 億～0.05 億t/a，2060年需要減排0.9億～1.1 億t/a。我國鋼鐵廠的CO主要為中等濃度，可采用燃燒前和燃燒后捕集技術(shù)進(jìn)行捕集。在整個(gè)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)過程中，煉焦和高爐煉鐵過程CO排放量最大，碳捕集潛力也最大。

鋼鐵行業(yè)CO利用主要有4 個(gè)發(fā)展方向：一是用于攪拌，CO可代替N或氬氣用于轉(zhuǎn)爐的頂/底吹或用于鋼包內(nèi)的鋼液混合；二是作為反應(yīng)物，在CO-O混合噴射煉鋼中，減少O與鐵水直接碰撞引起的揮發(fā)和氧化損失；三是作為保護(hù)氣，CO可部分替代N作為煉鋼中的保護(hù)氣，從而最大程度地減少鋼損失，降低成品鋼的氮含量和孔隙率；四是用于合成燃料，CO和甲烷的干燥重整反應(yīng)能夠生產(chǎn)合成氣（CO 和H），然后將其用于直接還原鐵（DRI）煉鋼或生產(chǎn)其他化學(xué)品。

3.5 全面提升節(jié)能管理能力

各地要完善高能耗企業(yè)能耗在線監(jiān)測平臺(tái)，設(shè)立行業(yè)節(jié)能技術(shù)推廣平臺(tái)，鼓勵(lì)采用認(rèn)證手段提升節(jié)能管理水平。嚴(yán)格監(jiān)督企業(yè)執(zhí)行能耗標(biāo)準(zhǔn)，樹立領(lǐng)軍企業(yè)標(biāo)桿，帶動(dòng)其他企業(yè)能效達(dá)標(biāo)。加強(qiáng)節(jié)能監(jiān)察能力建設(shè)，健全省、市、縣三級(jí)節(jié)能監(jiān)察體系，建立跨部門聯(lián)動(dòng)機(jī)制，綜合運(yùn)用行政處罰、信用監(jiān)管、綠色電價(jià)等制度，增強(qiáng)節(jié)能監(jiān)察約束力。

鋼鐵企業(yè)要建立健全內(nèi)部能源管理制度，提升節(jié)能管理智能化水平，加強(qiáng)全過程節(jié)能管理，利用信息化、數(shù)字化和智能化手段加強(qiáng)能耗監(jiān)控。企業(yè)應(yīng)提早布局，加強(qiáng)培訓(xùn)交流，對低碳技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)備，培養(yǎng)掌握碳排放權(quán)市場交易規(guī)則的管理專業(yè)人才。

4 結(jié)語

國內(nèi)多家鋼鐵企業(yè)已發(fā)布碳達(dá)峰、碳中和行動(dòng)方案，明確了時(shí)間表、路線圖。鋼鐵企業(yè)應(yīng)盡早完成超低排放改造，壓減粗鋼產(chǎn)能，提高清潔能源比例，采用綠色低碳工藝，完善企業(yè)內(nèi)部能源管理體系，積極研究CCUS 的技術(shù)可行性和商業(yè)可行性，建設(shè)CCUS示范工程。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)任重而道遠(yuǎn)，政府、企業(yè)和個(gè)人都必須堅(jiān)持不懈，全力以赴。