淺析如何依靠關(guān)鍵技術(shù)降低鋼鐵行業(yè)碳排放量

摘" "要：鋼鐵行業(yè)的主體責(zé)任不僅僅是發(fā)展經(jīng)濟(jì)，也有對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的責(zé)任。但目前該行業(yè)因?yàn)槎喾N原因限制而導(dǎo)致碳排放量較高，所以面臨著減碳的巨大挑戰(zhàn)。為此，以關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新為主要突破點(diǎn)，從去除過(guò)剩產(chǎn)能、行業(yè)全流程、氫冶金技術(shù)和節(jié)水減污技術(shù)研發(fā)四個(gè)角度出發(fā)，探索鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的技術(shù)方案，以促進(jìn)鋼鐵行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵技術(shù)；創(chuàng)新；鋼鐵行業(yè)；碳排放

中圖分類(lèi)號(hào)：F062.2" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " 文章編號(hào)：1673-291X（2023）22-0035-03

一、背景及現(xiàn)狀

鋼鐵材料的生產(chǎn)和消費(fèi)是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，中國(guó)鋼鐵行業(yè)如若能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)展質(zhì)量的有效提高，那么就能夠助力中國(guó)經(jīng)濟(jì)質(zhì)量的高效發(fā)展。與此同時(shí)，鋼鐵行業(yè)又是深受關(guān)注的高碳排放行業(yè)?！疤贾泻?、碳排放”戰(zhàn)略目標(biāo)使鋼鐵行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，同時(shí)也是鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)跨越式進(jìn)步的重大契機(jī)。在此背景下，中國(guó)鋼鐵行業(yè)既有發(fā)展的機(jī)遇，也有發(fā)展的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。如何抓住機(jī)遇實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、如何破解碳減排目標(biāo)的挑戰(zhàn)是鋼鐵行業(yè)目前要解決的問(wèn)題。

鋼鐵行業(yè)目前是能源消耗和碳排放的大戶，中國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放量占全球鋼鐵碳排放總量的60 %以上，占全國(guó)碳排放總量的15 %左右[1]。傳統(tǒng)粗鋼冶煉過(guò)程中主要應(yīng)用化石燃料，現(xiàn)有的低碳關(guān)鍵技術(shù)因?yàn)閺U鋼成本高的因素限制，使用占比很少，在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用并沒(méi)有得到普及。在冶金工藝過(guò)程中，雖然有一定的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，但技術(shù)尚不成熟，也未得到實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用。在將科技金融與環(huán)境管理相結(jié)合中建立的碳交易市場(chǎng)，是遏止碳排放的重要工具。目前，雖然對(duì)于鋼鐵行業(yè)碳配額的分配方法、分配基準(zhǔn)線及排放量核算方面已經(jīng)有了清晰的可操作的實(shí)際方法，但將鋼鐵行業(yè)納入全國(guó)碳交易市場(chǎng)的具體時(shí)間還未可知，基于此，碳交易市場(chǎng)工具能夠?qū)︿撹F行業(yè)碳減排的積極作用效果也受到限制。面對(duì)我國(guó)在鋼鐵行業(yè)方面降低碳排放強(qiáng)度和總量中遇到的現(xiàn)實(shí)瓶頸，從中國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放的角度去分析原因是科學(xué)有效的方法。思考如何利用低碳關(guān)鍵技術(shù)對(duì)中國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放的問(wèn)題正本清源，能夠幫助低碳關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，積極推動(dòng)低碳關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用。為此，本文從中國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放的現(xiàn)狀出發(fā)，專注于探索鋼鐵行業(yè)碳排放的源頭渠道治理方案，從化解過(guò)剩的產(chǎn)能、全流程的監(jiān)控減排、發(fā)展氫冶金關(guān)鍵技術(shù)和行業(yè)污廢水處理的技術(shù)等四個(gè)方面探索鋼鐵行業(yè)高碳排的原因，并基于原因分析的結(jié)果提出行業(yè)減排的技術(shù)解決方案。

二、鋼鐵行業(yè)高碳排放量原因分析

（一）鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩引致碳排放總量巨大

鋼鐵行業(yè)是為國(guó)家建設(shè)發(fā)展提供原材料的重要行業(yè)之一。我國(guó)工業(yè)化能力和水平的提升，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也引發(fā)了很多問(wèn)題。其中產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題是鋼鐵行業(yè)發(fā)展所引發(fā)的問(wèn)題之一，加之近幾年全球鋼鐵需求大幅下降，使之前就已經(jīng)存在很久的鋼鐵產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題進(jìn)一步加劇。鋼鐵行業(yè)主要涉及黑色金屬的冶煉及加工，在該行業(yè)的發(fā)展過(guò)程中需要消耗大量的能源。并且鋼鐵行業(yè)能源消耗的排放控制、利用效率、鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)工藝方面的技術(shù)落后和過(guò)去鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)重“量”輕“質(zhì)”的現(xiàn)象，給我國(guó)的生態(tài)環(huán)境埋下了很多未解決的問(wèn)題，這種未及時(shí)解決的問(wèn)題積累過(guò)多就形成了鋼鐵行業(yè)高碳排量的后果。

（二）鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)流程中的高碳排

在鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)的整個(gè)流程中，各種各樣的能源一次性進(jìn)入該流程。能源在生產(chǎn)的全流程中經(jīng)歷著復(fù)雜的變化，有的能源在變化過(guò)程結(jié)束之后形成可繼續(xù)消耗的二次能源，有的能源伴隨著生產(chǎn)過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)展產(chǎn)生高碳?xì)怏w，從而污染環(huán)境。因此，鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)全流程是一個(gè)存在各種能源的形態(tài)演變和有污染氣體排放的過(guò)程。但在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中又存在著能源利用率低的問(wèn)題，長(zhǎng)流程的生產(chǎn)反而又是生產(chǎn)所必須具備的。鋼鐵行業(yè)高爐—轉(zhuǎn)爐流程是鋼鐵行業(yè)長(zhǎng)流程過(guò)程中的主要流程。該流程的典型特征是鐵—煤化工過(guò)程，此過(guò)程中關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題是能源配置技術(shù)落后、集成度低，碳排放一直是處于高位狀態(tài)。在我國(guó)鋼鐵行業(yè)中生產(chǎn)操作過(guò)程中存在著操作水平較低、氧氣利用率低等問(wèn)題，氧壓使用的不合理會(huì)導(dǎo)致能源消耗量過(guò)大，對(duì)整個(gè)行業(yè)的碳排放產(chǎn)生消極影響。電力消耗也是不容小覷的問(wèn)題，電力的不合理消耗會(huì)導(dǎo)致鋼鐵行業(yè)和電力行業(yè)雙重碳排放的增加。綜上所述，我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)全流程有著先進(jìn)和落后技術(shù)并存，以及結(jié)構(gòu)性矛盾異常突出兩方面的困擾。因此，若鋼鐵行業(yè)想要順利達(dá)成碳減排，那么流程碳減排是非常重要的一步。

（三）氫冶金技術(shù)不成熟

鋼鐵行業(yè)自身也在積極探索低碳能源技術(shù)，技術(shù)創(chuàng)新是轉(zhuǎn)化能源結(jié)構(gòu)的必由之路。氫能因其易獲取、多用途以及自身具有清潔低碳的屬性已經(jīng)被多國(guó)鋼鐵行業(yè)使用。氫冶金技術(shù)的原理是將用于原有生產(chǎn)鋼鐵的原材料替換為氫，以此來(lái)減少長(zhǎng)流程煉鋼的碳排放。這是目前各國(guó)積極探索得出的鋼鐵行業(yè)的重要減碳途徑之一?，F(xiàn)有的利用氫冶金技術(shù)主要有兩種技術(shù)手段，一種是高爐富氫冶煉技術(shù)，另一種是氫基直接還原技術(shù)。其中，高爐富氫冶煉由于改造成本較低、富氫氣體易獲取、可操作性強(qiáng)，被認(rèn)為是從現(xiàn)階段的“碳冶金”過(guò)渡到“氫冶金”的橋梁[2]。但是，這并不意味著高爐富氫冶煉可以快速發(fā)展成為主流技術(shù)。因?yàn)樵摷夹g(shù)的先決條件是擁有完整、可持續(xù)且高效運(yùn)轉(zhuǎn)的配套綠氫產(chǎn)業(yè)鏈，其中氫氣能源高效的獲取源頭涵蓋在完整的產(chǎn)業(yè)鏈中，必須要保證氫氣氣源能夠安全運(yùn)輸，并且在長(zhǎng)距離儲(chǔ)運(yùn)時(shí)保證合理供需，配置完善的資源環(huán)境?？涩F(xiàn)實(shí)是，上述多環(huán)節(jié)的獲取途徑構(gòu)建得并不完善。在氫氣氣源問(wèn)題上，制氫的方式還存在著高碳排的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。結(jié)合氫氣轉(zhuǎn)化效率和氫冶金在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的挑戰(zhàn)，故而該工藝僅限于中短期過(guò)渡使用，并不是一種長(zhǎng)期的解決方案。

（四）鋼鐵行業(yè)節(jié)水減污技術(shù)研發(fā)力度弱

鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程包含多種化學(xué)變化和物理變化，對(duì)水資源的整合利用也是該行業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。因此，對(duì)鋼鐵行業(yè)精細(xì)化用水、綠色節(jié)水和低碳治污提出了更高的技術(shù)要求和管理要求，并因此建立了鋼鐵行業(yè)降碳排的新方向。目前我國(guó)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，水資源的利用和水污染治理還不能做到有效同步。行業(yè)發(fā)展過(guò)程中對(duì)于水污染末端治理力度不夠，用水用能效率還需要很大的提升空間來(lái)滿足目前行業(yè)低碳發(fā)展的控制需求，因此，急需推進(jìn)污染控制與碳減排統(tǒng)籌。另外，我國(guó)地域幅員遼闊，各個(gè)區(qū)域之間存在水資源分布與鋼鐵行業(yè)的布局匹配度較低的問(wèn)題，水資源高效利用和污染深度治理成為鋼鐵行業(yè)當(dāng)前面臨的重要環(huán)保難題之一[3]。目前，大型鋼鐵企業(yè)與城市之間的物質(zhì)流、能量流和水資源的交互關(guān)系研究缺乏，鋼鐵與城市聯(lián)系單一，鋼鐵企業(yè)三廢排放對(duì)一部分城市的環(huán)境承載力造成嚴(yán)重威脅[4]。

三、發(fā)揮關(guān)鍵技術(shù)對(duì)降低鋼鐵行業(yè)碳排的積極作用

（一）推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，使其在化解產(chǎn)能過(guò)剩中發(fā)揮作用

我國(guó)目前主要是從供給側(cè)著手解決鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題，并且未來(lái)還會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，從而提高行業(yè)供給質(zhì)量。而提高供給質(zhì)量的方法之一就是利用技術(shù)為其賦值?！爸械投怂健币恢笔俏覈?guó)鋼鐵行業(yè)整體布局的固有標(biāo)簽，而創(chuàng)新行業(yè)技術(shù)是目前打破這個(gè)固有標(biāo)簽的方法。技術(shù)創(chuàng)新首要前提是培養(yǎng)符合創(chuàng)新需求的人才，而高校是人才培養(yǎng)的主陣地。因此，需要積極推動(dòng)鋼鐵行業(yè)與高校的合作，培養(yǎng)能夠支撐行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的人才。但是，人才培養(yǎng)是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，在符合技術(shù)創(chuàng)新要求的人才培養(yǎng)周期內(nèi)，需要政府作為主要的干預(yù)力量對(duì)鋼鐵行業(yè)進(jìn)行引導(dǎo)和監(jiān)督，倒逼企業(yè)主動(dòng)以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，主動(dòng)遵循鋼材產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，主動(dòng)實(shí)現(xiàn)供給端與需求端的精準(zhǔn)對(duì)接。

（二）生產(chǎn)全流程與關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新融合

鋼鐵行業(yè)要利用低碳的生產(chǎn)手段，著力在該行業(yè)發(fā)展可循環(huán)的低碳經(jīng)濟(jì)?？梢酝苿?dòng)行業(yè)全流程的轉(zhuǎn)型升級(jí)為技術(shù)目標(biāo)，推進(jìn)建立可循環(huán)的綠色鋼鐵生產(chǎn)長(zhǎng)流程。為此，需要考慮從源頭生產(chǎn)流程的技術(shù)性減排，以達(dá)到從源頭進(jìn)行碳排管控的目的。鋼鐵行業(yè)應(yīng)進(jìn)行碳源技術(shù)的改造，從源頭上提高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)把原料質(zhì)量關(guān)。研發(fā)在全流程的過(guò)程中高效率治理監(jiān)控技術(shù)，結(jié)合自身的生產(chǎn)技術(shù)特點(diǎn)，有的放矢地對(duì)鋼鐵行業(yè)自身排放源進(jìn)行全面檢查，針對(duì)鋼鐵生產(chǎn)全流程能量的運(yùn)行和轉(zhuǎn)換情況，制定符合自身的排放情況治理技術(shù)路線。積極推進(jìn)低氮化的燃燒技術(shù)改進(jìn)，改進(jìn)噸鋼余熱余能回收技術(shù)，提高減排技術(shù)的效率。著力提高行業(yè)檢測(cè)分析技術(shù)能力，大力加強(qiáng)控制設(shè)備的智能技術(shù)研發(fā)，提升利用智能技術(shù)分析和應(yīng)用。政府方面要鼓勵(lì)支持行業(yè)企業(yè)實(shí)施高級(jí)排程系統(tǒng)，從產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合方式加快攻克氫冶金技術(shù)難題，對(duì)于行業(yè)排放提出具體的限值要求，對(duì)行業(yè)的低排放改造技術(shù)的路徑提出明確要求。

（三）行業(yè)內(nèi)部加快實(shí)現(xiàn)氫冶金技術(shù)突破

從冶金技術(shù)的角度來(lái)思考低碳排的路線研究發(fā)現(xiàn)，氫氣冶金是目前的主流發(fā)展路線。雖然該方法有效，但可行性仍然有待商榷。因?yàn)槟壳斑€不具有成熟的氫氣氣源的提取技術(shù)，所以目前的核心要點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)氣源技術(shù)的創(chuàng)新。為此，提倡開(kāi)展符合該行業(yè)發(fā)展情況的氫氣氣源冶煉關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。氣基豎爐直接還原技術(shù)是該關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新方向，該技術(shù)融合了熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)等多個(gè)學(xué)科。氫冶金技術(shù)的突破要結(jié)合多個(gè)學(xué)科專業(yè)，推進(jìn)化工行業(yè)和冶金技術(shù)行業(yè)的合作研發(fā)，積極探索利用電解水高效制氫的技術(shù)路徑，解決我國(guó)目前氫冶金技術(shù)方面存在的資源匱乏、成本高等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)氫能生產(chǎn)的綠色低碳化。高效的市場(chǎng)技術(shù)研發(fā)離不開(kāi)政府的支持。政府應(yīng)結(jié)合先前制定的氫冶金發(fā)展計(jì)劃形成相應(yīng)的技術(shù)路線，結(jié)合相關(guān)產(chǎn)業(yè)鼓勵(lì)政策，宏觀整合不同區(qū)域資源，在符合發(fā)展條件的地區(qū)推進(jìn)氫冶金技術(shù)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。另外，各國(guó)的資源稟賦有所差別，借鑒國(guó)外技術(shù)對(duì)于我國(guó)氫冶金技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。為此，需與國(guó)外開(kāi)展積極合作，依托我國(guó)目前具有的科研技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)外氫冶煉技術(shù)裝備，實(shí)現(xiàn)裝備技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新。鋼鐵行業(yè)企業(yè)自身需加快制定企業(yè)氫冶金戰(zhàn)略規(guī)劃，做好氫源技術(shù)開(kāi)發(fā)、氫冶金技術(shù)市場(chǎng)調(diào)研、能源技術(shù)評(píng)估等工作，并避免行業(yè)受到投資風(fēng)險(xiǎn)的沖擊。

（四）構(gòu)建多層次節(jié)水減污技術(shù)體系

鋼鐵行業(yè)冶金工程中的供給水和給排水是一個(gè)復(fù)雜且系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)。該行業(yè)會(huì)產(chǎn)生大量廢水，出于減少碳排的目的，應(yīng)該重視鋼鐵行業(yè)廢水重復(fù)利用的技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)建。在鋼鐵行業(yè)節(jié)水減污的技術(shù)體系中，首要的是對(duì)鋼鐵行業(yè)結(jié)構(gòu)性減污水平能力的測(cè)度。在行業(yè)生產(chǎn)理念中要強(qiáng)調(diào)行業(yè)全流程的污水治理，生產(chǎn)過(guò)程上要秉持節(jié)約用水的生產(chǎn)理念，要提高用水和廢水回收效率，以滿足鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展需要。大力推動(dòng)污水循回利用和資源化，推進(jìn)工業(yè)污水資源化[5]。設(shè)置污水排放的總量指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)排放的精準(zhǔn)把控，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)開(kāi)展水污染防治技術(shù)研發(fā)，構(gòu)建低碳生產(chǎn)流程。對(duì)鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)用水及排出廢水，建立可以參照的行業(yè)水質(zhì)技術(shù)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)試驗(yàn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面的綜合比較，結(jié)合比較結(jié)果制定用水標(biāo)準(zhǔn)。另外，對(duì)于鋼鐵行業(yè)用水量巨大問(wèn)題，可以考慮將城市居民的生活廢水處理后用于鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)。鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)園區(qū)的水資源合理調(diào)配也是需要考慮的重要方面，需要基于鋼鐵的生產(chǎn)周期和不同工序形成系統(tǒng)的調(diào)配安排，并借助人工智能技術(shù)對(duì)行業(yè)供給和用排水系統(tǒng)進(jìn)行周期監(jiān)控。要設(shè)置高效合理的生產(chǎn)全流程的行業(yè)水資源量化調(diào)控技術(shù)，由原來(lái)人工為主的低效管控模式向高效智能化的管控模式發(fā)展，并且引入以行業(yè)生產(chǎn)和污染控制為主要內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，構(gòu)建專業(yè)化、范圍廣和周期長(zhǎng)的鋼鐵行業(yè)水源處理與回收利用的核心技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。在生產(chǎn)用水的水處理過(guò)程中使用大數(shù)據(jù)分析方法，利用數(shù)學(xué)模型精準(zhǔn)模擬水資源循環(huán)過(guò)程的碳排放情況，研究水資源短程循環(huán)回收利用過(guò)程中的污染物最低排放技術(shù)，開(kāi)發(fā)低碳的廢水處理工藝。

四、結(jié)論

鋼鐵工業(yè)不僅是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的壓艙石，而且是我國(guó)走向世界、引領(lǐng)全球的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)之一，因此，必須將綠色發(fā)展注入鋼鐵行業(yè)，從而形成行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的生態(tài)底色。但同時(shí)也要看到，鋼鐵行業(yè)由于產(chǎn)能總量大、生產(chǎn)全流程中碳排總量高、氫氣煉鋼技術(shù)的不完善和煉鋼過(guò)程用水不合理等原因使得碳排放嚴(yán)重。鋼鐵行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新過(guò)程是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的主要過(guò)程。鋼鐵行業(yè)的低碳發(fā)展需要構(gòu)建更合理的供給體系，對(duì)生產(chǎn)全流程過(guò)程優(yōu)化，推動(dòng)氫氣煉鋼的技術(shù)突破和多個(gè)產(chǎn)業(yè)的協(xié)同，通過(guò)科學(xué)的技術(shù)路徑選擇和系統(tǒng)方案的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)我國(guó)鋼鐵工業(yè)的碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)。

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