不銹鋼全流程碳控排研究

楊瑞軍，王文厚，李敏二，趙 強(qiáng)

（中國(guó)寶武山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

鋼鐵行業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的中流砥柱，同時(shí)也是工業(yè)領(lǐng)域的碳排放大戶。面對(duì)“雙碳”挑戰(zhàn)[1-2]，任務(wù)艱巨，任重而道遠(yuǎn)。

歐盟CBAM 碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)法案[3]已與2023 年5 月17 日正式生效，2023 年10 月—2025 年12 月為過(guò)渡期，需要出口企業(yè)提交季度報(bào)告，從2026 年開始，正式征收碳關(guān)稅。

太鋼作為全球不銹鋼行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，高度重視雙碳工作，按照中國(guó)寶武綠色低碳戰(zhàn)略部署，確立了一個(gè)低碳發(fā)展中心、三個(gè)低碳發(fā)展階段、四個(gè)低碳實(shí)施步驟、六大低碳發(fā)展路徑、最終實(shí)現(xiàn)零碳目標(biāo)的“13460”綠色低碳發(fā)展模式[4]，對(duì)不銹鋼低碳控排冶煉進(jìn)行探索性研究。

本文以300 系不銹鋼為例，從主要工序生產(chǎn)工藝、原料和能耗等方面進(jìn)行研究，分析不銹鋼全流程碳排放分布，提出了不銹鋼制造過(guò)程碳控排的方向和解決措施。

1 300 系不銹鋼碳控排工藝技術(shù)

300 系不銹鋼在常溫下具有奧氏體組織，鋼中Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%、Ni 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～10%，合金元素含量較高，不銹鋼冶煉過(guò)程中要加入大量的鉻、鎳合金。目前，太鋼300 系不銹鋼采用鎳生鐵、高碳鉻鐵和不銹廢鋼為主要原料，鎳鉻系原料全部外購(gòu)，廢鋼部分外購(gòu)。304 不銹鋼是太鋼的主要品種，煉鋼二廠北區(qū)生產(chǎn)的304 不銹鋼年產(chǎn)量約130 萬(wàn)t，占300 系不銹鋼總產(chǎn)量的41%。以下主要針對(duì)304 不銹鋼不同原料條件下的冶煉工藝進(jìn)行碳排放分析測(cè)算。

太鋼304 不銹鋼采用鎳生鐵、鉻生鐵和不銹廢鋼為主要原料，根據(jù)不同的原料開發(fā)了對(duì)應(yīng)的工藝路線及配料結(jié)構(gòu)，如表1 所示。

表1 304 不銹鋼不同工藝配料

煉鋼二廠北區(qū)生產(chǎn)304 不銹鋼采用鎳生鐵工藝，通過(guò)中頻爐熔化生鐵和鉻鐵，預(yù)熔液混勻后兌入AOD 爐冶煉。采用主原料為廢鋼的工藝，通過(guò)電爐熔化廢鋼，預(yù)熔液兌入AOD 爐進(jìn)行冶煉，后部工序主要為熱連軋、冷連軋，工藝流程如圖1 所示。

圖1 鎳生鐵工藝和廢鋼工藝鋼鐵生產(chǎn)工藝流程

2 300 系不銹鋼碳控排路線

2.1 304 不銹鋼生產(chǎn)過(guò)程（大門—大門）碳排放

根據(jù)煉鋼二廠實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程配料結(jié)構(gòu)，計(jì)算太鋼北區(qū)304 不銹鋼制造過(guò)程碳排放量，結(jié)果表明，兩種工藝工序直接碳排放量與中間產(chǎn)品間接碳排放量相差17 kg/t，自產(chǎn)能源間接排放量相差235 kg/t。

生產(chǎn)304 不銹鋼的原料主要為固態(tài)原料，碳排放主要在煉鋼工序產(chǎn)生，占比在50%以上，如表2 所示。將能源系統(tǒng)單獨(dú)列出，則顯示自產(chǎn)能源介質(zhì)（電力、O2、N2和Ar 等）的使用是造成各工序碳排放的最重要因素，占75%以上，如表3 所示。

表3 304 冷連軋卷產(chǎn)品碳排放量各工序分布2

能源系統(tǒng)是內(nèi)部碳排放的最重要因素，304 不銹鋼冷連軋卷各產(chǎn)品因使用自產(chǎn)能源帶入的碳排放的構(gòu)成如表4 所示。其中，電力的使用是能源系統(tǒng)碳排放的最大來(lái)源，鎳生鐵工藝占比65%，廢鋼工藝占比約為72%。

表4 304 冷連軋卷各產(chǎn)品的內(nèi)部能源碳排放量構(gòu)成

2.2 304 不銹鋼生命周期（搖籃—大門）碳排放

304 不銹鋼主要品種結(jié)構(gòu)為冷軋卷，根據(jù)煉鋼二廠北區(qū)304 不銹鋼工藝路線和配料結(jié)構(gòu)，考慮鉻、鎳原料和輔料等上游碳排放量，計(jì)算包括原料制造過(guò)程的碳排放。結(jié)果表明，碳排放主要分布在上游階段，鎳生鐵工藝、廢鋼工藝的產(chǎn)品上游階段占比分別達(dá)到了94.0%、74.2%，而太鋼內(nèi)部制造過(guò)程排放僅占6.0%、25.8%。因此，將碳減排的重點(diǎn)放在上游階段。

上游不同原料對(duì)不銹鋼碳排放的影響程度，如表5 所示。

表5 304 不銹鋼上游不同原料影響因素分析

由表5 可知，從產(chǎn)品生命周期碳減排的角度，應(yīng)優(yōu)先考慮鉻鐵、鎳鐵的影響，減少用量或通過(guò)綠色采購(gòu)減少其單位產(chǎn)品碳排放，是減少產(chǎn)品生命周期碳排放的重要方向。

3 結(jié)論

1）以外購(gòu)固態(tài)原料為主的300 系不銹鋼，由于原料不同而催生了不同的冶煉工藝，以鎳生鐵為原料的中頻爐＋中頻爐工藝，可充分利用原料中Si、C 元素化學(xué)熱，提高冷料比，減少步驟費(fèi)和電耗。

2）冷卷不銹鋼鋼鐵制造過(guò)程（大門—大門）碳排放較低，304 不銹鋼的碳排放中，電力的使用是能源系統(tǒng)碳排放的最大來(lái)源，采用綠電是降低碳排放的重要的措施之一。

3）冷卷不銹鋼全生命周期（搖籃—大門）碳排放量較高，不同工藝差別較大，鎳生鐵工藝、廢鋼工藝的產(chǎn)品上游階段占比分別達(dá)到了94.0%、74.2%。碳排放主要來(lái)源于鉻鎳合金制備過(guò)程，增加不銹廢鋼用量是降低300 系不銹鋼碳排放的最主要的措施之一。

太鋼深刻分析把握不銹鋼全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期碳生成與碳排放特點(diǎn)，積極研究不銹鋼低碳控排，探索綠色低碳技術(shù)，逐步形成由清潔能源制取、低碳不銹鋼原料制備、碳捕集循環(huán)利用、不銹鋼渣資源利用和零碳綠色高性能不銹鋼產(chǎn)品開發(fā)構(gòu)建的不銹鋼低碳冶金技術(shù)路線圖，為太鋼緊緊依靠科技創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，提升綠色低碳發(fā)展能力與水平指明了方向。