鋼鐵的低碳化是如何煉成的？

    據(jù)人民網(wǎng)報道，2021（第十二屆）中國鋼鐵發(fā)展論壇上，有關(guān)人士透露，《鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰及降碳行動方案》已經(jīng)形成修改完善稿，“鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰目標(biāo)初步定為：2025 年前，鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳排放達(dá)峰；到 2030年，鋼鐵行業(yè)碳排放量較峰值降低 30%”。（碳達(dá)峰指的是碳排放進(jìn)入平臺期后，進(jìn)入平穩(wěn)下降階段。）

    作為碳排放量大戶，鋼鐵行業(yè)的一系列政策從去年開始就已陸續(xù)出臺。

    2020 年 1 月，工信部發(fā)布《關(guān)于推動鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》，將中國鋼鐵碳達(dá)峰的時間點比國家目標(biāo)向前推進(jìn)了 5 年。而行業(yè)龍頭中國寶武則在此基礎(chǔ)上又將目標(biāo)提前至 2023 年，河鋼集團(tuán)定于 2021 年發(fā)布低碳冶金路線圖、于 2022 年實現(xiàn)碳達(dá)峰，2050 年實現(xiàn)碳中和。2021年2月，《碳排放權(quán)交易管理辦法(試行)》(以下簡稱《管理辦法》)正式施行，標(biāo)志著全國碳市場正式啟動。根據(jù)《管理辦法》規(guī)定，鋼鐵企業(yè)作為“溫室氣體排放重點單位”勢必納入“碳配額”機(jī)制之中。預(yù)計未來隨著“碳配額”機(jī)制的落地，逐年遞減的配額數(shù)量，以及逐漸成熟的碳交易機(jī)制，鋼企將面臨碳排指標(biāo)購買，成本曲線陡峭進(jìn)一步助推行業(yè)優(yōu)勝劣汰，將倒逼鋼鐵企業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級。

    降碳行動的出現(xiàn)對鋼鐵行業(yè)來說，是一項艱難考驗還是一次破釜沉舟的機(jī)會

    本文將圍繞以下兩點進(jìn)行闡述：

    1、未來的鋼鐵需求量幾何？

    2、鋼鐵冶煉降碳路徑介紹

    發(fā)展歷程

    因歷史原因，發(fā)達(dá)國家的鋼鐵轉(zhuǎn)型早于國內(nèi)，且有兩個關(guān)鍵節(jié)點，第一階段是工業(yè)化、城市化快速發(fā)展階段，第二階段是城市化達(dá)到瓶頸后的轉(zhuǎn)型階段。

    以美國、日本、德國、法國為例，其均在 40、50 年代至 70 年代對鋼鐵的需求量有快速的發(fā)展。

    原因主要有兩點：

    一方面，戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，各國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，工業(yè)化快速發(fā)展擴(kuò)大鋼鐵需求，鋼鐵工業(yè)成為許多國家重點發(fā)展行業(yè)。另一方面，城市化伴隨工業(yè)化崛起，從而進(jìn)一步催生建筑、基礎(chǔ)設(shè)施等對于鋼材的需求。

    隨著發(fā)達(dá)國家的城市化率進(jìn)入 70%以上以后，基建、房地產(chǎn)用鋼需求快速下降。鋼鐵需求由螺紋鋼為主，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械設(shè)備、精工制造等高品質(zhì)鋼材需求；而與此同時，經(jīng)過長期的積累，經(jīng)濟(jì)流通環(huán)節(jié)開始產(chǎn)生大量的廢鋼，因此以電爐為代表的的短流程生產(chǎn)得到快速發(fā)展。而短流程生產(chǎn)方式較前者更環(huán)保，下文會重點提到。

    相比以上發(fā)達(dá)國家，我國正處于第一階段向第二階段轉(zhuǎn)型時期。根據(jù)七普數(shù)據(jù)，中國2020年城鎮(zhèn)化率是在63.89%，中國城鎮(zhèn)化促進(jìn)會常務(wù)副主席鄭新立表示，再用15年的時間，我們平均每年城市化率提高的幅度保持在1個百分點以上。那么2035年我們常住人口的城市化率能夠達(dá)到70%以上。  

    伴隨城鎮(zhèn)化逐步飽和，我國鋼鐵的需求量也將出現(xiàn)下降。此時碳中和相關(guān)政策的出現(xiàn)，既是順應(yīng)了鋼鐵行業(yè)的發(fā)展趨勢，又加速了鋼鐵企業(yè)的智慧低碳化轉(zhuǎn)型。加上從鋼鐵生命周期的角度看，鋼鐵自身便是一種低碳材料，因此憑借此次機(jī)會，鋼鐵行業(yè)或可實現(xiàn)技術(shù)突破，進(jìn)行能源革命，轉(zhuǎn)變管理模式，從而進(jìn)一步增強(qiáng)產(chǎn)品及生產(chǎn)模式的低碳競爭力。

    長流程與短流程

    在上文中提到的《鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰及降碳行動方案行動方案》中，對完成降碳指標(biāo)給出了以下五點路徑：

    ①推動綠色布局方面：要優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，嚴(yán)禁新增產(chǎn)能，加大綠色物流，推廣全生命周期綠色產(chǎn)品。

    ②節(jié)能及提升能效路徑：包括推廣先進(jìn)適用節(jié)能低碳技術(shù)、提高余熱余能自發(fā)電率、應(yīng)用數(shù)字化智能化技術(shù)。

    ③優(yōu)化用能及流程結(jié)構(gòu)路徑：包括原燃料結(jié)構(gòu)優(yōu)化、廢鋼資源回收利用、發(fā)展新能源及可再生能源。

    ④構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈路徑：包括區(qū)域能源整合、固廢資源化利用和推動鋼化聯(lián)產(chǎn)。

    ⑤應(yīng)用突破性低碳技術(shù)路徑：包括應(yīng)用氫冶煉技術(shù)等多個方面。

    其中第三條，“優(yōu)化用能及流程結(jié)構(gòu)，包括廢鋼資源回收利用”中提到了煉鋼的流程。簡單來說，當(dāng)前煉鋼有兩種典型工藝，當(dāng)前用的比較多的是長流程工藝，大約占比90%。未來，處于降碳需求，短流程工藝占比將會逐步上升。

    長流程煉鋼工藝的源頭從鐵礦石、原煤開始，高爐和轉(zhuǎn)爐是關(guān)鍵的設(shè)備。原煤經(jīng)過洗煤、配煤后高溫干餾，釋放出揮發(fā)成分后得到冶金焦炭；鐵礦石通過研磨磁選成鐵精粉，然后以生石灰為溶劑燒結(jié)成燒結(jié)礦或者加工成球團(tuán)礦。以上原料加入高爐后冶煉得到碳含量4%以上的液態(tài)鐵水。高爐鐵水經(jīng)過氧氣轉(zhuǎn)爐吹煉配以精煉爐得到合格鋼水。鋼水經(jīng)過澆鑄連續(xù)澆鑄或模鑄成為鋼坯或鋼錠，再經(jīng)過軋制工序最后成為鋼材。

    與長流程相對的是短流程工藝，源頭主要是廢鋼和少量鐵水。廢鋼經(jīng)簡單加工破碎或剪切、打包后裝入電弧爐中（避免廢鋼中有密閉空間引起爆炸），利用石墨電極與廢鋼之間產(chǎn)生電弧所發(fā)生的熱量來熔煉廢鋼，并配以精煉爐完成脫氣、調(diào)成份、調(diào)溫度、去夾雜等功能，得到合格鋼水，后續(xù)軋制工序與長流程基本相同。 

    和短流程相比，長流程出鋼時間短，大約二十分鐘，高爐容積大適合大批量生產(chǎn)，無需外部能源接入成本較低，問題則是無法冶煉難熔合金原料及高爐容積大，不適合特鋼生產(chǎn)，在生產(chǎn)過程中會釋放大量溫室氣體。

    而短流程工藝平均出鋼時間為50分鐘以上，成本上除了電力成本，還受廢鋼的產(chǎn)量的制約。

    但由于短流程工藝本身采用廢鋼進(jìn)行回收再利用，在碳排放量上能大大減少。

    據(jù)申宏萬源研報統(tǒng)計，在各項技術(shù)指標(biāo)不變的前提下，預(yù)計隨著我國廢鋼回收的增加，尤其是產(chǎn)業(yè)鏈專業(yè)化 回購?fù)茝V后，單靠電爐比例的提升便可以完成我國碳排放減少目標(biāo)。到2030 年我國鋼鐵碳 16 排放將較 2020 年下降 29%，到 2060 年下降 87%�；�本能夠完成“碳達(dá)峰、碳中和”減排目標(biāo)。

    為什么不立即提高鋼廠短流程煉鋼比例？

    除了成本問題外，當(dāng)前還面臨廢鋼資源不夠的問題。

    中國冶金報數(shù)據(jù)顯示，中國鋼鐵積蓄量盡管已達(dá) 100 億噸左右，但由于尚未到報廢期，因此每年回收廢鋼比例僅約 2%，2019 年中國廢鋼資源量為 2.4 億噸，富寶 147 加鋼廠廢鋼庫存約 400 萬噸。此外，國內(nèi)鋼企生產(chǎn)模式以長流程高爐煉鋼為主，因此廢鋼產(chǎn)出嚴(yán)重不足。

    如何改善這一問題？

    促進(jìn)產(chǎn)業(yè)集聚和整合，建設(shè)一體化大型廢鋼鐵加工配送中心或是解決辦法。

    2020 年 7 月，工業(yè)和信息化部印發(fā)《京津冀及周邊地區(qū)工業(yè)資源綜合利用產(chǎn)業(yè)協(xié)同轉(zhuǎn)型提升計劃(2020~2022年)》，其中提到統(tǒng)籌區(qū)域內(nèi)資源配置，發(fā)揮現(xiàn)有產(chǎn)能優(yōu)勢，引導(dǎo)廢舊金屬資源向優(yōu)勢企業(yè)集聚。推進(jìn)鋼鐵企業(yè)短流程煉鋼技術(shù)應(yīng)用，支持一批鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)與廢鋼回收加工企業(yè)合作，建設(shè)一體化大型廢鋼鐵加工配送中心。以精細(xì)拆解、清潔提取、高效富集為導(dǎo)向，以智能化和數(shù)字化管理為手段，在區(qū)域內(nèi)培育一批再生銅、再生鋁高值化利用標(biāo)桿企業(yè)。

    產(chǎn)業(yè)協(xié)同一直是各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個大方向。

    上海寰視網(wǎng)絡(luò)科技有限公司推出的MICS全域可視化云也一直致力于利用各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境幫助企業(yè)實現(xiàn)全地域、全領(lǐng)域、全類型的可視化信息接入，集成連接、調(diào)度、存儲、應(yīng)用等可視化云的必備基礎(chǔ)處理能力與服務(wù)應(yīng)用，構(gòu)建集信息互聯(lián)、統(tǒng)籌管控、高效協(xié)同、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)于一體的可視化信息中心。

    在幫助鋼鐵企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型上也有豐富經(jīng)驗，往期案例：

    “四個一律”冶煉鋼鐵強(qiáng)國之魂 上海寰視助力打造寶武集團(tuán)遠(yuǎn)程智能運(yùn)維中心

    上海寶鋼集團(tuán)可視化生產(chǎn)調(diào)度中心

    每個行業(yè)在進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時候，都會進(jìn)行一系列探索，鋼鐵行業(yè)的低碳數(shù)字化轉(zhuǎn)型仍在初期，未來，我們將繼續(xù)關(guān)注鋼鐵企業(yè)低碳化的最新動向。