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中國寶武實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的六個(gè)技術(shù)研發(fā)方向
中國寶武實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的六個(gè)技術(shù)研發(fā)方向
——中央研究院院長助理 毛曉明
2021年11月18日，由中國寶武倡議并聯(lián)合全球鋼鐵業(yè)及生態(tài)圈伙伴單位共同發(fā)起的全球低碳冶金創(chuàng)新聯(lián)盟宣布成立，來自15個(gè)國家62家企業(yè)的企業(yè)家、專家、學(xué)者集聚一堂，共商應(yīng)對低碳挑戰(zhàn)之策，共謀開創(chuàng)綠色鋼鐵未來之路。在隨后舉行的全球低碳冶金創(chuàng)新論壇上，中國寶武黨委書記、董事長陳德榮發(fā)表主旨演講，從寶武的責(zé)任、寶武的方向和寶武的行動(dòng)三個(gè)部分介紹了中國寶武碳中和行動(dòng)方案，全面闡述了中國寶武立志成為鋼鐵業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的先行者和引領(lǐng)者，致力于綠色制造和制造綠色，使鋼鐵的全生命周期均可為構(gòu)建碳中和社會(huì)作出貢獻(xiàn)，重塑鋼鐵行業(yè)在人類可持續(xù)發(fā)展歷史中的關(guān)鍵地位的決心和行動(dòng)。陳德榮書記、董事長在“寶武的方向”部分詳細(xì)描述了六個(gè)方面的技術(shù)突破方向。
一：極致能效
方向之一是極致能效。之所以要把提升能源效率、實(shí)現(xiàn)極致能效放在首要位置，是考慮到成本、技術(shù)成熟度、資源可用性及政策部署，在變革性大幅減碳技術(shù)沒有完全成熟之前，全流程能源效率提升應(yīng)該要成為鋼鐵行業(yè)節(jié)能減碳的優(yōu)先工作。
2018年以來，寶鋼股份能源與環(huán)保委員會(huì)組織專業(yè)技術(shù)骨干，系統(tǒng)梳理出包含數(shù)百項(xiàng)可適用技術(shù)在內(nèi)的節(jié)能低碳技術(shù)庫，目前還在不斷地更新迭代，部分采用后，僅寶山基地就可能形成30萬噸標(biāo)煤節(jié)能減碳舉措，并據(jù)此制定了寶山基地的能效提升三年行動(dòng)方案。世界鋼協(xié)數(shù)據(jù)也表明，鋼鐵行業(yè)噸鋼能源強(qiáng)度尚有15-20%的下降潛力。瞄準(zhǔn)余熱余能資源化、提升界面能效的創(chuàng)新與應(yīng)用，聚焦冶金爐渣顯熱回收利用、提高魚雷罐車周轉(zhuǎn)次數(shù)降低鐵鋼之間的鐵水溫降、鑄軋之間的熱裝熱送減少能源浪費(fèi)等鋼鐵能源領(lǐng)域共性難題技術(shù)突破，以及中低溫余熱資源的深度回收利用、余壓資源潛力充分發(fā)揮和副產(chǎn)煤氣極限回收和資源化等，挖掘余熱余能潛力，實(shí)現(xiàn)“消滅活套、應(yīng)收盡收”這個(gè)中國寶武挑戰(zhàn)極致能效的目標(biāo)，能夠以最低風(fēng)險(xiǎn)、最快速度、最大限度地提供現(xiàn)有流程轉(zhuǎn)型升級(jí)所需要的能源指標(biāo)保障，達(dá)到發(fā)展與減排的科學(xué)協(xié)同。
二：富氫碳循環(huán)高爐工藝
方向之二是富氫碳循環(huán)高爐工藝。這是中國寶武歷經(jīng)數(shù)年開發(fā)的獨(dú)門絕技之一，也是最有希望在世界冶金史上留下寶武印記的技術(shù)。經(jīng)過幾百年的發(fā)展，現(xiàn)代高爐煉鐵工藝已十分成熟，無論是熱效率還是產(chǎn)能規(guī)模，在當(dāng)今冶金界都找不到比高爐更優(yōu)秀的反應(yīng)器，鋼鐵冶金完全放棄高爐工藝路線是非?？上У摹Ｖ袊鴱U鋼保有量和循環(huán)量較少，采用電爐短流程低碳工藝不足以保障國民經(jīng)濟(jì)對鋼鐵產(chǎn)品量的需求。高爐流程短時(shí)間內(nèi)還將是中國鋼鐵工業(yè)的主流流程，中國寶武更是近94%的流程都是高爐長流程，總資產(chǎn)以數(shù)千億計(jì)。如果高爐流程不能延續(xù)了，那寶武數(shù)千億計(jì)的長流程資產(chǎn)將歸零，這對寶武整個(gè)資產(chǎn)的保值將會(huì)帶來巨大壓力。中國寶武無論是從保持自身競爭力的需要出發(fā)，還是從技術(shù)進(jìn)步的需要出發(fā)，都要為“保衛(wèi)高爐”而戰(zhàn)，為煉鐵的榮譽(yù)而戰(zhàn)。
高爐之所以碳排放高，是因?yàn)楦郀t需要以煤制備成的大塊焦炭作為骨架、還原劑和熱源，來保障將鐵礦石冶煉成金屬鐵的高效過程，由于受化學(xué)反應(yīng)平衡限制，氣相中需要保持過剩的CO，因此碳的利用率有限制，爐頂氣體中還含有很大一部分CO，而CO同樣是良好的還原劑。在當(dāng)前工藝中，煤氣中的這些CO濃度太低，只能用來燃燒放熱，不能用于還原。在化石燃料時(shí)代，這種工藝是最佳工藝，但在碳中和背景下，煤氣中的CO就成為了寶貴的資源，應(yīng)該發(fā)揮更重要的作用。
中國寶武在探索的富氫碳循環(huán)高爐技術(shù)可以有效地解決這個(gè)問題。富氫碳循環(huán)高爐技術(shù)特點(diǎn)的關(guān)鍵是全氧和煤氣提質(zhì)循環(huán)，高爐實(shí)現(xiàn)全氧鼓風(fēng)后，避免了大量氮?dú)膺M(jìn)入高爐爐頂煤氣中，有利于CO和CO2的分離，分離得到的高濃度CO煤氣送至風(fēng)口和爐身，用于還原鐵礦石，這就是碳循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)碳化學(xué)能的完全利用。同時(shí)，煤氣循環(huán)也使煤氣中的氫氣在高爐內(nèi)循環(huán)，解決了高爐使用大量富氫物質(zhì)后氫利用率下降的問題，為富氫物質(zhì)在高爐內(nèi)的大量使用提供了先決條件，從而降低高爐流程對化石能源的消耗。八一鋼鐵的富氫碳循環(huán)高爐已完成了一期和二期的中試試驗(yàn)，明年將開展第三期的試驗(yàn)。目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以富氫碳循環(huán)為主要技術(shù)手段，最大程度利用碳的化學(xué)能，以降低高爐還原劑比為方向，加上綠色電加熱和原料綠色化技術(shù)措施，完全具有實(shí)現(xiàn)高爐流程的大幅減碳的潛力，有望繼續(xù)延續(xù)高爐的輝煌。
為進(jìn)一步降低高爐流程碳排放，圍繞碳循環(huán)高爐還將開發(fā)的技術(shù)有：一是綠色電加熱。過去冶金工廠將高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣循環(huán)使用，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為將這些煤氣用來加熱、發(fā)電是高效化利用，隨著低碳冶金的推進(jìn)，把煤氣這種化學(xué)能作為加熱能源是一種非常奢侈的行為?；瘜W(xué)能在冶金工廠中只能用于還原的化學(xué)過程，而所有加熱過程，寶武將考慮用綠電加熱。二是微波燒結(jié)預(yù)還原技術(shù)。通過微波燒結(jié)替代傳統(tǒng)的焦粉煤粉加熱燒結(jié)，高溫余熱再用于氫氣與氧化鐵的還原耗熱，使氫氣既冷卻了燒結(jié)礦，又對燒結(jié)礦進(jìn)行了預(yù)還原，最終降低燒結(jié)礦進(jìn)入高爐以后對還原劑的消耗，實(shí)現(xiàn)減碳的目的。三是在轉(zhuǎn)爐的鋼包、中間包、軋鋼的鋼坯加熱全流程推行電加熱，將煤氣加熱爐窯變成綠色電加熱爐窯。四是新型爐料技術(shù)，包括預(yù)還原爐料和碳鐵復(fù)合爐料，將這些新型爐料與常規(guī)爐料一同加入高爐，可以利用金屬鐵的催化作用，提升爐身效率，達(dá)到減少燃料消耗、降低CO2排放的目的。這些技術(shù)與富氫碳循環(huán)高爐一起，將構(gòu)成寶武未來的碳中和高爐工藝。
三：氫基豎爐
方向之三是氫基豎爐。用氫氣還原氧化鐵時(shí)，其主要產(chǎn)物是金屬鐵和水蒸氣，還原后的尾氣對環(huán)境沒有任何不利的影響，可以明顯減輕對環(huán)境的負(fù)荷。使用清潔能源制取氫氣，使用氫氣還原鐵礦石煉鐵，有望實(shí)現(xiàn)近零碳排放的鋼鐵冶煉過程，是鋼鐵走向碳中和的重要路徑之一。氫還原煉鐵是歐美鋼鐵同行在探討的主流工藝，中國寶武在這個(gè)方面當(dāng)然也不會(huì)缺席，也不應(yīng)該缺席。
采用綠色氫冶金雖然清潔，但由于氫氣是最輕的氣體，體積能量密度太小，發(fā)熱量只有碳的72%，在還原鐵礦石的過程中熱量不足，不適合用來冶煉液態(tài)金屬鐵。因此，從冶金原理出發(fā)，寶武確定的氫冶金路徑是開發(fā)氫基豎爐直接還原煉鐵工藝，生產(chǎn)固態(tài)金屬鐵。寶鋼股份積極響應(yīng)，主動(dòng)承擔(dān)中國寶武氫冶金技術(shù)開發(fā)任務(wù)，和廣東省商議后，終止了湛江基地本在規(guī)劃中的四號(hào)高爐和五號(hào)高爐的擴(kuò)建，改為建造一套兼具工業(yè)試驗(yàn)和商業(yè)化運(yùn)營功能的百萬噸級(jí)氫基豎爐。第一步先實(shí)施焦?fàn)t煤氣的氫基豎爐工藝，在后續(xù)工序配套大功率電爐和薄板坯連鑄，形成一個(gè)非常緊湊的短流程低碳冶金路線。未來考慮利用南海的天然氣，乃至南海地區(qū)風(fēng)電、光伏發(fā)電的綠氫來實(shí)現(xiàn)全氫的豎爐冶煉和極致的短流程工藝，目前已完成全部設(shè)計(jì)方案。
四：近終形制造
方向之四是近終形制造。近終形制造技術(shù)是指力求從鋼水澆鑄開始，就盡可能接近最終產(chǎn)品尺寸的連鑄連軋一體化工藝技術(shù)，以便進(jìn)一步減少中間加工工序，節(jié)省能源、減少貯存和縮短生產(chǎn)時(shí)間。與傳統(tǒng)工藝相比，近終形制造技術(shù)流程更短，不需要經(jīng)過多道工序，避免了反復(fù)加熱，從而使得生產(chǎn)過程更加高效，能耗及排放更低，被認(rèn)為是近代鋼鐵工業(yè)發(fā)展中的一項(xiàng)重大工藝技術(shù)革新。中國寶武已經(jīng)開發(fā)出薄帶連鑄連軋技術(shù)，連同全球冶金技術(shù)工作者已經(jīng)探索出的薄板坯連鑄連軋技術(shù)、棒線材連鑄連軋技術(shù)將是軋制區(qū)域碳中和的重要工藝路線。在未新建產(chǎn)線的情況下，寶武最近正在推進(jìn)棒線生產(chǎn)線的直接軋制，在重慶鋼鐵一條棒線產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)了直軋，同時(shí)正在籌劃在新疆建設(shè)一座全新的、極致短流程的薄帶連鑄零碳工廠。
五：冶金資源循環(huán)利用
方向之五是冶金資源循環(huán)利用。將循環(huán)資源在冶金領(lǐng)域有效、充分地利用是實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要手段，充分利用好含鐵含碳固廢、鋼鐵循環(huán)材料和有機(jī)生物質(zhì)資源是實(shí)現(xiàn)鋼鐵綠色低碳發(fā)展的關(guān)鍵路徑。選擇經(jīng)濟(jì)合理的內(nèi)部循環(huán)路徑，充分利用廠內(nèi)固廢中的鐵、碳資源，可以減少礦煤資源消耗和實(shí)現(xiàn)固廢“零排放”。以廢鋼為代表的鋼鐵循環(huán)材料是充分還原后的金屬，屬于載能和環(huán)保資源，大比例使用鋼鐵循環(huán)材料將是未來低碳冶金的重要發(fā)展方向，可以節(jié)約高爐鐵水使用，從而大幅減少CO2和污染物排放。我國有機(jī)固廢資源豐富，其中僅農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物產(chǎn)量就達(dá)數(shù)億噸，生物質(zhì)生長時(shí)吸收的CO2和燃燒時(shí)排放的CO2構(gòu)成平衡，不會(huì)增加大氣中的濃度，因此被視為碳中性物質(zhì)，冶金過程可使用生物質(zhì)作為化石燃料的替代物，從而減少CO2排放。
六：CO2回收及利用
方向之六是CO2回收及利用?，F(xiàn)代工業(yè)文明是建立在以碳為代表的化石能源基礎(chǔ)上的，鋼鐵行業(yè)完全避免碳，從技術(shù)角度來說并不一定是最合適的。清潔地使用碳的化學(xué)能，建立內(nèi)外部的碳循環(huán)，過程中再加入適當(dāng)?shù)木G色能量，對碳和氫進(jìn)行科學(xué)組合，實(shí)現(xiàn)C、CO、CO2循環(huán)及產(chǎn)品化利用，在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面會(huì)更有利于冶金過程，最終形成冶金工業(yè)中完整、可行的碳中和路徑，也更利于目前鋼鐵行業(yè)的順利轉(zhuǎn)型。中國寶武從2015年開始的低碳冶金探索，就是冶金煤化工耦合，試圖把冶金過程產(chǎn)生的煤氣制成化產(chǎn)品，來減少向大氣排放CO2的。CO2資源化利用的前提在于低成本捕獲和凈化冶金煤氣中的CO2，然后往清潔燃料、有機(jī)原料和化工產(chǎn)品制備走，業(yè)內(nèi)已有多家企業(yè)在嘗試，寶武也進(jìn)行了CO2分離的試驗(yàn)，已穩(wěn)定運(yùn)行了一年多。寶武還正在與石油企業(yè)策劃CO2管道輸送驅(qū)油技術(shù)。
以上六個(gè)方面的技術(shù)將是中國寶武未來實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的研發(fā)方向技術(shù)突破后，各制造基地可根據(jù)自身情況從中進(jìn)行組合形成各基地的碳中和實(shí)施路徑。
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