鋼鐵行業低碳冶金技術路徑研究

胡麗娟

（中鋼集團工程設計研究院有限公司，北京 100089）

0 引言

鋼鐵行業是世界上最重要的工業部門之一，同時也是最大的碳排放行業之一[1]。隨著全球氣候變化問題的日益加劇，如何推動鋼鐵行業實現低碳轉型成為了全球工業界面臨的一項重要挑戰。在此背景下，探究鋼鐵行業低碳冶金技術路徑成為了一個重要的研究領域。鋼鐵生產的碳排放主要來自燃燒化石燃料和還原鐵礦石過程中釋放的CO2。因此，減少鋼鐵行業的碳排放需要從燃料轉型和生產優化兩個方面入手[2]。在燃料方面，選用可替代化石燃料的低碳能源，如可再生能源和核能等，是一種常見的途徑。針對生產過程方面，推廣低碳冶金技術是降低碳排放的有效手段，低碳冶金技術是指采用低碳的還原劑替代傳統的高碳還原劑，如焦炭和煤粉，以減少鋼鐵生產中的碳排放。同時，優化生產工藝和提高資源利用效率也是降低碳排放的重要途徑。近年來，全球范圍內已經涌現出一系列鋼鐵行業低碳冶金技術，如直接還原技術、液相還原技術、生鐵加氫技術等。本文旨在對鋼鐵行業低碳冶金技術路徑進行深入研究，探索低碳冶金技術的發展趨勢和未來發展方向。文章在研究鋼鐵行業低碳冶金技術發展現狀的基礎上，提出優化鐵素資源、廢氣凈化及廢渣回收以及封存利用CO2等技術。本研究的意義在于為鋼鐵行業低碳轉型提供理論和實踐指導，推動鋼鐵行業實現可持續發展。

1 鋼鐵行業低碳冶金技術發展現狀

根據2019 年的數據，中國的鋼鐵行業碳排放量為2.15 億t 二氧化碳，占全球鋼鐵行業碳排放的54%。中國政府已經采取了一系列措施，以減少鋼鐵行業的碳排放[3]。2017—2022 年的全球合計鋼鐵產量如圖1 所示。

圖1 2017—2022 年的全球合計鋼鐵產量

截至2020 年底，中國已經關閉了130 多個落后的鋼鐵企業，并且已經推廣了一些低碳技術，如電弧爐、氫還原和生物質還原技術。電弧爐冶煉技術相較于傳統高爐冶煉技術，可將碳排放量降低80%以上。鐵礦石還原技術利用水蒸氣和天然氣等為還原劑，將鐵礦石還原為生鐵，可將碳排放量降低60%以上，該技術在中國和其他一些國家的鋼鐵企業中已得到廣泛應用。根據2020 年發布的“中國鋼鐵行業碳達峰行動計劃”，到2030 年，中國的鋼鐵行業碳排放量將達到峰值，隨后呈逐步減少趨勢[4]。預計到2030 年，鋼鐵行業的碳排放量將減少30%～50%。

根據2020 年的數據，美國的鋼鐵行業碳排放量為1.15 億t 二氧化碳，約占全球鋼鐵行業碳排放的29%。美國政府已經采取了一系列措施，以減少鋼鐵行業的碳排放，如建立鋼鐵行業的能源效率標準和投資低碳鋼鐵生產技術的研發。根據美國國家鋼鐵研究所（Steel Market Development Institute）的研究，現已采取了高爐改造、生物質還原技術、廢鋼回收和碳捕捉技術等措施。氫氣取代焦炭技術利用氫氣取代焦炭作為還原劑，減少了CO2排放，同時降低了鋼鐵生產過程中的污染物排放[5]。美國鋼鐵行業的碳排放量可以在2030 年前減少30%～50%。

根據2020 年的數據，日本的鋼鐵行業碳排放量為4 286 萬t 二氧化碳，約占全球鋼鐵行業碳排放的11%。日本政府已經制定了鋼鐵行業的碳中和目標，即到2050 年將鋼鐵行業的碳排放量減少80%。為了實現這一目標，日本的鋼鐵企業已經開始采用一些低碳技術，如電弧爐和生物質還原技術。主要運用集成氫制備技術，將氫氣制備與鋼鐵生產過程相集成，可以將碳排放量降低90%以上。該技術已在一些歐洲和日本的鋼鐵企業中進行試驗和應用，據估計，日本鋼鐵行業采用這些技術可以將碳排放量減少30%～40%。

2 鋼鐵行業低碳冶金技術路徑

2.1 優化鐵素資源

在鋼鐵行業低碳冶金技術中，優化鐵素資源是一個重要的環節。鐵素是冶金行業生產鐵合金、鑄鐵、鋼鐵等產品的重要原材料，原材料的質量和成本對產品的質量和成本具有重要影響。采用高品質鐵礦石是優化鐵素資源的一種方法，高品質鐵礦石可以提高鐵素產率和質量，減少爐渣生成量，降低冶煉能耗，從而減少碳排放。此外，高品質鐵礦石還可以降低煉鋼過程中的氧化物排放，進一步減少碳排放。高品質鐵礦石成分的數據范圍會根據實際采樣和檢測情況有所變化，數據范圍及成分如表1 所示。

表1 高品質鐵礦石成分

中國鋼鐵工業協會發布的數據顯示，2019 年中國鋼鐵工業共使用鐵礦石8.33 億t，其中高品質鐵礦石占比為23.2%。高品質鐵礦石使用量雖然不多，但可以有效提高鋼鐵產量和質量，減少爐渣生成量，降低冶煉能耗和碳排放。采用優質鐵礦石生產的鋼材，其能耗比普通鋼材降低約15%，同時碳排放降低約10%。

廢舊鋼鐵回收可以減少對新鐵素的需求，降低能耗和碳排放。根據統計數據，廢舊鋼鐵回收可以節約70%的能源和大量的鐵礦石。中國鋼鐵工業協會發布的數據顯示，2019 年中國廢鋼回收量為2.12 億t，其中重型廢鋼回收量為1.1 億t，占比51.9%。廢舊鋼鐵回收可以減少對新鐵素的需求，降低能耗和碳排放。采用廢舊鋼鐵回收生產的鋼材，其能耗相比使用新鐵礦石生產的鋼材降低約40%，同時碳排放降低約80%。

2.2 廢氣凈化及廢渣回收

鋼鐵生產中會產生大量的廢氣，包括高溫煙氣、CO、CO2、SO2等。通過廢氣凈化系統對廢氣進行處理，不僅可以減少對環境的污染，還可以回收其中的能量，提高能源利用效率。例如我國河鋼集團寶鋼不銹鋼股份有限公司的一項技術創新項目將CO、CO2等廢氣通過高溫反應轉化為合成氣，再利用合成氣發電，使能源利用效率達到了95%以上。另外，一些低碳冶金技術還需要消耗氧化鋁和硅鐵等其他資源，因此，選擇低碳冶金技術時也需要綜合考慮資源利用率和環境影響等因素。表2 列出了一些低碳冶金技術的資源利用率和環境影響方面的對比數據（數據來源：《中國鋼鐵工業可持續發展報告（2020）》）。

表2 低碳冶金技術的資源利用率和環境影響對比數據

從表2 中可以看出，不同的低碳冶金技術在鐵素資源利用率、氧化鋁和硅鐵的利用率、SO2和CO2的排放量等方面存在較大差異。因此，選擇低碳冶金技術時，需要綜合考慮各種因素，選取最適合的技術。鋼鐵生產中產生的廢渣也可以進行資源化利用，鋼渣可以用于水泥生產，鋼礦渣可以用于道路建設等，通過對鋼渣的細分和加工，將其轉化為具有高附加值的粉末冶金原料，可以提高資源利用效率。

對于含有較高含量的鐵、鈣、鎂等元素的鋼渣，經過高溫加熱處理后進行精煉處理，這些元素可以發生化學反應而得到去除。例如，對于一種含有w（CaO）=10%、w（MgO）=5%和w（FeO）=5%的鋼渣，經過高溫精煉后，其w（CaO）和w（MgO）可以降至1%以下，w（FeO）則降至2%以下。而對于含有較多氧化皮和銹蝕物的鋼渣，對其進行酸洗處理后，可以得到較為干凈的鋼渣塊。例如，對于一種含有30%（質量分數）氧化皮和銹蝕物的鋼渣，經過酸洗處理后，其氧化皮和銹蝕物質量分數可以降至5%以下。

2.3 封存利用CO2

在鋼鐵行業低碳冶金技術中，CO2的封存與資源化利用技術是一項重要的技術手段。CCS 是將CO2從鋼鐵制造工藝中捕獲并封存到地下儲存庫或利用地點的技術，工藝流程如圖2 所示。

圖2 CCS 封存利用過程

在CCS 過程中，CO2被捕獲并壓縮到液態，然后被輸送到地下儲存庫。這種技術可以減少大量的CO2排放，同時可以促進鋼鐵行業的可持續發展。據國際能源署（IEA）的數據顯示，2019 年全球CCS 裝置共有19 個，總裝置容量m（CO2）為4 000 萬t/a。其中，北美地區的CCS 裝置占比最高，達到了45%，歐洲地區占比為40%，亞洲地區占比為15%。同時，CO2回收技術和利用技術在鋼鐵行業中也得到一定的應用。例如在韓國，一些鋼鐵公司利用廢氣中的CO2生產石油化學品；在中國，一些鋼鐵公司將CO2轉化為化肥，用于農業生產。這些技術的應用有助于提高鋼鐵行業的資源利用效率和經濟效益，同時可以降低CO2排放量。

3 結語

通過研究鋼鐵行業低碳冶金技術的發展路徑和關鍵技術，找出減少鋼鐵行業碳排放的有效措施，并對鋼鐵行業低碳冶金技術路徑進行深入研究，為鋼鐵行業低碳轉型提供了理論和實踐指導。在低碳冶金技術的研發過程中，需要充分考慮鋼鐵行業的生產實際和市場需求。低碳冶金技術需要在降低碳排放的同時保證生產效率和產品質量，以及在成本可控的前提下提高經濟效益，從而得到推廣應用。