碳中和背景下“鋼化聯(lián)產(chǎn)”現(xiàn)狀與前景

□ 馮士超 秦子然 丁瑞鋒

我國已向全球做出碳達峰碳中和的目標承諾，面對目標與時間的雙重壓力，鋼鐵行業(yè)面臨嚴峻挑戰(zhàn)，需要從多個方面共同推進低碳轉(zhuǎn)型。鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)碳中和的主導方向主要有2個：一是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝流程，實現(xiàn)源頭減排；二是將鋼鐵生產(chǎn)過程中已經(jīng)產(chǎn)生的一氧化碳、二氧化碳有效捕集、固定和再利用。本研究對第二個方向中的“鋼化聯(lián)產(chǎn)”技術(shù)路徑在現(xiàn)階段的應用及未來發(fā)展前景進行分析。

一、“鋼化聯(lián)產(chǎn)”的提出背景

早在20世紀90年代我國就曾有專家學者提出“鋼化聯(lián)產(chǎn)”，簡單理解就是以鋼鐵流程煤氣資源為紐帶、實現(xiàn)鋼鐵與化工聯(lián)合生產(chǎn)的創(chuàng)新發(fā)展模式。這是基于我國富煤少油的能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，結(jié)合鋼鐵行業(yè)和化工行業(yè)的特點，提出了鋼鐵生產(chǎn)各個工序副產(chǎn)煤氣合成化工產(chǎn)品的潛力和技術(shù)可行性[1]。近期，在國家碳達峰碳中和目標承諾的背景下，“鋼化聯(lián)產(chǎn)”這一提法再次被很多學者熱議，被認為是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)大規(guī)模減少二氧化碳排放的重要路徑。

二、現(xiàn)階段國家對鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳達峰的政策導向

“鋼化聯(lián)產(chǎn)”雖然已經(jīng)提出多年，但真正寫入政策文件是在2021年10月24日，國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達峰行動方案》，在“推動鋼鐵行業(yè)碳達峰”中提出“推廣先進適用技術(shù)，深挖節(jié)能降碳潛力，鼓勵鋼化聯(lián)產(chǎn)，探索開展氫冶金、二氧化碳捕集利用一體化等試點示范，推動低品位余熱供暖發(fā)展”。國務(wù)院將“鋼化聯(lián)產(chǎn)”寫入此文件，將其與其他先進工藝技術(shù)并列為鋼鐵行業(yè)碳減排的重要技術(shù)措施，說明在國家及行業(yè)層面已經(jīng)認識到“鋼化聯(lián)產(chǎn)”的重要性——是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳中和的重要途徑之一。

2021年12月30日，國資委印發(fā)《關(guān)于推進中央企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展做好碳達峰碳中和工作的指導意見》的通知。在主要目標中提到，到2025年，中央企業(yè)綠色低碳技術(shù)研發(fā)和推廣應用取得積極進展；萬元產(chǎn)值二氧化碳排放比2020年下降18%。在建立綠色低碳循環(huán)產(chǎn)業(yè)體系中提到，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，加快推進煤電、鋼鐵、有色金屬、建材、石化化工、造紙等工業(yè)行業(yè)低碳工藝革新。鼓勵企業(yè)廣泛推廣應用再制造產(chǎn)品，在強化綠色低碳技術(shù)科技攻關(guān)和創(chuàng)新應用方面提到，加強綠色低碳技術(shù)布局與攻關(guān)。該文件對中央企業(yè)在實現(xiàn)碳達峰碳中和方面提出了具體要求，既有碳排放指標方面的明確要求，又包括鼓勵研發(fā)綠色低碳技術(shù)并轉(zhuǎn)化為成果落地實施?！颁摶?lián)產(chǎn)”實現(xiàn)了以化固碳、資源的循環(huán)再利用，完全符合文件提出的加強綠色低碳技術(shù)布局與攻關(guān)的要求，技術(shù)上完全可行。

2022年1月24日，在中共中央政治局會議上，習近平總書記指出：“必須深入分析推進碳達峰碳中和工作面臨的形勢和任務(wù)，充分認識實現(xiàn)‘雙碳’目標的緊迫性和艱巨性，要下大氣力推動鋼鐵、有色、石化、化工、建材等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級?！笨梢?，在實現(xiàn)碳達峰碳中和方面，鋼鐵行業(yè)面臨很大的壓力。

三、“鋼化聯(lián)產(chǎn)”應用現(xiàn)狀

1.“鋼化聯(lián)產(chǎn)”的技術(shù)路線

鋼廠尾氣中的碳和氫是寶貴的化工原材料，以鋼鐵生產(chǎn)長流程高爐-轉(zhuǎn)爐為例，尾氣種類及大致占比如表1所示[2]（電爐流程遠小于轉(zhuǎn)爐流程）。

表1 鋼鐵工業(yè)尾氣的種類及成分占比（體積分數(shù)） 單位/%

高爐、轉(zhuǎn)爐和焦爐煤氣經(jīng)過氣體分離后，提純出一氧化碳和氫氣，一氧化碳和氫氣經(jīng)過化工合成可以用于生產(chǎn)氨氣、甲醇、聚合物和高級醇等各種化工產(chǎn)品。其中，氣體分離提純是難點，并且成本很高。目前，氣體合成化工產(chǎn)品技術(shù)已經(jīng)基本成熟。

2.國內(nèi)外“鋼化聯(lián)產(chǎn)”應用現(xiàn)狀

（1）國外“鋼化聯(lián)產(chǎn)”概況

德國蒂森克虜伯公司正在開展一項名稱為Carbon2Chem?[3]的合作研究項目，可以將鋼廠尾氣中包括二氧化碳在內(nèi)的氣體用化學方法轉(zhuǎn)換為化工產(chǎn)品，使長流程噸鋼生產(chǎn)過程中二氧化碳減少排放約100 kg，遠期目標是鋼廠尾氣中的溫室氣體不再排放至大氣中。據(jù)悉，共有16家來自不同行業(yè)的基礎(chǔ)及應用研究機構(gòu)參與。該項目由德國聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）資助約6 000萬歐元，2020年之前大約投入超過10億歐元。2015—2020年為項目的中試階段，2018年中試線已建成，2018年9月該項目已從鋼廠副產(chǎn)氣體中生產(chǎn)出甲醇，2019年1月從鋼廠廢氣中生產(chǎn)出氨，2020年開始放大工業(yè)生產(chǎn)，計劃于2030年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

目前，安賽樂米塔爾正在開展碳減排項目Steelanol（鋼鐵醇），旨在有效捕獲高爐中的廢氣，并利用生物技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為可再生的生物乙醇，生物乙醇在混合后可被用作液體燃料。Steelanol項目總投資為1.65億歐元，根據(jù)2020年5月該公司官網(wǎng)發(fā)布消息稱，該項目得到了歐洲投資銀行的貸款支持。安賽樂米塔爾測算，其“智能碳使用”路線的碳中和成本為150億～250億歐元，起步階段使用CCS（碳捕集與封存）技術(shù)，并最終過渡到氫氣直接還原技術(shù)。

據(jù)2015年中國科學報報道，歐洲應用科學研究機構(gòu)——弗勞恩霍夫應用研究促進協(xié)會——的研究人員，借助轉(zhuǎn)基因的細菌菌株，將鋼鐵廠的排放氣體轉(zhuǎn)化為醇類和丙酮，然后在催化劑的作用下，制成一種類似柴油的產(chǎn)品，借此生產(chǎn)出煤油和特殊化學品，但后續(xù)未見有關(guān)產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)報道。

（2）國內(nèi)“鋼化聯(lián)產(chǎn)”概況

2011年，首鋼引進美國朗澤科技公司的生物發(fā)酵技術(shù)，將鋼廠尾氣中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成化工產(chǎn)品。經(jīng)過多年的中試開發(fā)研究，2018年3月，首鋼郎澤公司實現(xiàn)了工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)燃料乙醇、農(nóng)業(yè)飼料及化工產(chǎn)品。與現(xiàn)有工業(yè)尾氣利用方式相比，用一氧化碳生產(chǎn)燃料乙醇的經(jīng)濟價值是燃燒發(fā)電的2.5～3倍，能源利用效率是燃燒發(fā)電的1.5～2倍，實現(xiàn)二氧化碳一次減排約30%；燃料乙醇添加到汽油中實現(xiàn)二氧化碳二次減排30%～35%。2021年8月，該公司生產(chǎn)的飼料獲得由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒發(fā)的飼料原料新產(chǎn)品證書，并已經(jīng)形成規(guī)?；a(chǎn)。按照規(guī)劃，到2025年，首鋼朗澤預計燃料乙醇產(chǎn)能將達到50萬噸，每年可減少二氧化碳排放90萬噸。2019年5月，首鋼朗澤在寧夏首朗吉元新能源科技有限公司建設(shè)了第二條一氧化碳制乙醇生產(chǎn)線，并于2021年5月正式投產(chǎn)，預計年產(chǎn)燃料乙醇4.5萬噸，飼料蛋白5 000 t。目前，首鋼郎澤正在積極與國內(nèi)其他企業(yè)合作，進一步推廣尾氣制乙醇技術(shù)的應用。

2009年，達鋼利用自產(chǎn)焦爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣合成化工產(chǎn)品甲醇，初期產(chǎn)能規(guī)模20萬噸/年，2012年達到50萬噸/年。據(jù)介紹，焦爐和轉(zhuǎn)爐煤氣制甲醇要比燃料化模式的噸鋼綜合能耗降低28.70 kgce，噸鋼能源成本下降18.51元，可實現(xiàn)每生產(chǎn)1 t甲醇減排3.5 t二氧化碳。

2020年10月，山東省石橫特鋼集團旗下的阿斯德科技有限公司利用石橫特鋼轉(zhuǎn)爐氣體凈化分離制取一氧化碳，用于每年20萬噸甲酸、5萬噸草酸的生產(chǎn)。相比煤制氣工藝，產(chǎn)品成本降低30%～60%，可實現(xiàn)年均減排二氧化碳約32萬噸。

2019年9月，山西立恒鋼鐵集團旗下山西沃能化工科技有限公司的綜合尾氣制乙二醇聯(lián)產(chǎn)LNG項目完成大型設(shè)備吊裝，2020年投產(chǎn)，可實現(xiàn)年產(chǎn)30萬噸乙二醇、15萬噸LNG，實現(xiàn)噸鋼碳排放由1.76 t降至1.58 t。下一步，該公司將研究把高純度副產(chǎn)氫氣吹入高爐實現(xiàn)氫能煉鐵，達到降碳增效的目的。

寶武集團八一鋼鐵公司采用試驗高爐開展了頂燃氣循環(huán)脫除二氧化碳技術(shù)、二氧化碳資源化利用技術(shù)等研究，探索加氫制甲醇、甲醛和乙二醇等技術(shù)及二氧化碳捕集技術(shù)用于油田驅(qū)油。

目前，國內(nèi)鋼廠已采用尾氣進行商業(yè)化生產(chǎn)的化工產(chǎn)品有甲醇、乙醇、乙二醇和甲酸等。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)從事“鋼化聯(lián)產(chǎn)”的科研單位主要有大連化物所、山西煤化所、西南化工研究院等；氣體分離單位有北大先鋒科技等。

四、“鋼化聯(lián)產(chǎn)”的制約因素及對策建議

1.制約因素

一是當前鋼鐵企業(yè)的副產(chǎn)煤氣基本已經(jīng)平衡使用，主要用于軋鋼加熱爐、高爐熱風爐，富余煤氣也用于發(fā)電。若將煤氣回收制成化工產(chǎn)品，則需要另外尋找新的熱源滿足軋鋼及高爐系統(tǒng)需求或增加外購電比例。以目前常用的熱源——如天然氣或電——來說，天然氣使用也會產(chǎn)生二氧化碳；而對于電，從國家對電價的政策導向來看，對于高耗能企業(yè)，工業(yè)用電的電價將不受上限限制，并且嚴格控制鋼鐵等重點行業(yè)的用能規(guī)模。

二是雖然“鋼化聯(lián)產(chǎn)”的技術(shù)路線完全可行，實現(xiàn)了尾氣的資源化利用和價值提升、減少了二氧化碳和其余有害氣體的排放，但是氣體分離凈化成本有待降低、技術(shù)成熟度有待提高。

三是鋼化聯(lián)產(chǎn)的產(chǎn)品雖然能給企業(yè)帶來一部分收益，但是其受市場波動的影響很大。2021年以來，受國際大宗商品原燃料價格上漲影響，基礎(chǔ)化工產(chǎn)品價格多數(shù)也出現(xiàn)了大幅上漲，但預計其價格終將回落。與鋼廠電價成本將持續(xù)走高的預期相比，化工產(chǎn)品的經(jīng)濟前景仍然充滿很大的不確定性。

四是對鋼鐵企業(yè)的老廠區(qū)而言，若對原有的輸氣管道進行改造企業(yè)仍面臨很多困難，而且會使企業(yè)增加大量的建設(shè)投資。

2.對策建議

一是電能短缺是制約“鋼化聯(lián)產(chǎn)”應用的最大障礙，加快推廣清潔能源的使用是解決鋼廠燃料和電能問題的有效措施。因此，建議有條件的鋼鐵企業(yè)可根據(jù)自身實際加大風能、光伏發(fā)電的使用，以擺脫對煤氣發(fā)電的依賴，從而實現(xiàn)對煤氣資源的固碳及再利用。

二是國家層面已經(jīng)提出鼓勵“鋼化聯(lián)產(chǎn)”，但缺少具體的針對性鼓勵措施。由于“鋼化聯(lián)產(chǎn)”可實現(xiàn)二氧化碳的大幅減排，建議國家對實施“鋼化聯(lián)產(chǎn)”的鋼鐵企業(yè)在用電量及電價方面給予優(yōu)惠，使更多的鋼鐵企業(yè)愿意加強碳減排技術(shù)的研究及應用。

三是要充分做好化工產(chǎn)品的市場調(diào)研，建議能建立長期穩(wěn)定的化工產(chǎn)品客戶群體的鋼鐵企業(yè)可以考慮開展“鋼化聯(lián)產(chǎn)”項目，避免盲目發(fā)展。

四是對于有搬遷及設(shè)備升級改造或新建廠區(qū)需求的鋼廠，建議在制定具體規(guī)劃的同時，考慮預留“鋼化聯(lián)產(chǎn)”的空間、做好輸氣管道等方面的優(yōu)化布局。

五、結(jié)論

第一，從目前國家對中央企業(yè)實現(xiàn)碳達峰碳中和的目標節(jié)點要求來看，央企減碳時間緊迫，這將倒逼鋼鐵企業(yè)加快研究采用碳減排技術(shù)?！颁摶?lián)產(chǎn)”是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳中和的有效途徑之一，目前已經(jīng)商業(yè)化應用。

第二，“鋼化聯(lián)產(chǎn)”的大范圍應用，還需從根本上解決鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有的制約因素，預計國家層面將會逐步出臺針對“鋼化聯(lián)產(chǎn)”的具體政策意見。

第三，全國碳市場納入鋼鐵行業(yè)以后，有可能會推動“鋼化聯(lián)產(chǎn)”項目的推廣應用，但碳排放權(quán)交易收益需要根據(jù)未來鋼鐵行業(yè)碳市場價格進行估算。