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一 “三大特點”“三大挑戰(zhàn)”看鋼鐵行業(yè)減污降碳協(xié)同發(fā)展背景
鋼鐵工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，2022年我國粗鋼產(chǎn)量為10.13億噸，占全球粗鋼總量的55.3%，連續(xù)27年保持世界第一。鋼鐵工業(yè)是一個長流程多工序的復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)，包括燒結(jié)、球團、焦?fàn)t、高爐、轉(zhuǎn)爐等多個生產(chǎn)工序，從物質(zhì)流來看，65%以鋼鐵產(chǎn)品的形式輸出，另外35%則以廢水、廢氣、廢渣等污染物及化學(xué)品副產(chǎn)品形式輸出，還伴隨著大量未利用的余熱，能質(zhì)歸趨多元化。
鋼鐵工業(yè)污-碳排放具有以下三大特點：
一是污-碳排放量大：我國鋼鐵工業(yè)以煤為主能源結(jié)構(gòu)使得污-碳同根同源、排放量大。我國一次能源結(jié)構(gòu)中煤炭占比高于65%，鋼鐵行業(yè)目前每年消耗煤炭的量超過6億噸，導(dǎo)致煙粉塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物排放總量近120萬噸，CO2排放則高達18億噸，污-碳排放均位列工業(yè)行業(yè)首位。
二是污-碳排放強度高：在生產(chǎn)結(jié)構(gòu)方面，我國短流程煉鋼占比僅10%左右，遠低于歐美等發(fā)達國家，以長流程為主的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致綜合能耗高、污/碳排放強度大。由于我國廢鋼資源嚴重不足，短期內(nèi)難以支撐電爐大規(guī)模發(fā)展，生產(chǎn)結(jié)構(gòu)難以快速調(diào)整。
三是污-碳協(xié)同效應(yīng)顯著：從全生命周期角度分析，超低排放全面實施后，其高能耗、高物耗引發(fā)了一定的“碳增量”效應(yīng)。如半干法脫硫用的CaO來自于石灰窯，SCR脫硝用的還原劑NH3則主要來自于合成氨，生產(chǎn)過程中都是高污染、高能耗。
在碳中和背景下，鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)減污降碳協(xié)同發(fā)展目標(biāo)，面臨三大挑戰(zhàn)：(1)現(xiàn)有生產(chǎn)結(jié)構(gòu)是碳排放高的本質(zhì)之源，因此需要對現(xiàn)有工業(yè)過程進行流程再造，也就是減生產(chǎn)之碳；(2)對現(xiàn)有超低排放技術(shù)進行迭代升級，減少因高能耗物耗引發(fā)全生命周期碳增量，也就是降治污之碳；(3)對已有工業(yè)生產(chǎn)不可避免的過程碳排放進行捕集利用，通過CCU深度減排，也就是固鎖定之碳。
二 “三類技術(shù)”助力鋼鐵行業(yè)減污降碳協(xié)同發(fā)展
綠色低碳冶煉技術(shù)：高爐是污-碳排放的重點工序、其能效利用有待提升，污染物排放總量亟待削減。而諸如高爐爐頂均壓煤氣全回收技術(shù)可對燃料提效利用、高爐爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)則可通過原燃料調(diào)整來降低污染物排放總量，都正在行業(yè)內(nèi)全面推廣。此外，最難但最有潛力的則是高爐煤氣精脫硫技術(shù)，高爐煤氣是鋼鐵生產(chǎn)能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，目前常通過燃燒后煙氣凈化實現(xiàn)超低排放，而實施精脫硫進行源頭減排，可避免建設(shè)分散的末端治理設(shè)施，具有顯著環(huán)境經(jīng)濟效益。高爐煤氣精脫硫技術(shù)難點是羰基硫水解催化劑壽命問題，是目前公認的超低排放卡脖子技術(shù)。
減污協(xié)同降碳技術(shù)：主要是通對現(xiàn)有超低排放技術(shù)體系進行優(yōu)化，對生產(chǎn)過程中的余熱充分回收利用，并將污染物控制技術(shù)與生產(chǎn)深度融合。以超低排放處理的重點工序燒結(jié)、球團為例，燒結(jié)煙氣選擇性循環(huán)技術(shù)、燒結(jié)煙氣CO氧化耦合SCR脫硝技術(shù)、球團煙氣嵌入式脫硝技術(shù)等，都展示出了一定的應(yīng)用前景。
燒結(jié)煙氣選擇性循環(huán)技術(shù)是基于現(xiàn)有超低排放技術(shù)更多是通過提升脫除效率來實現(xiàn)污染物排放濃度降低，通過削減煙氣量達到污染物總量減排目的。燒結(jié)機排放煙氣是由20多個風(fēng)箱組成的，不同風(fēng)箱煙氣排放特征存在顯著差異，通過對復(fù)雜燃燒過程中多污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及復(fù)雜熱工制度下多物理場熱量傳輸機制的解析，選擇溫度高、污染物富集的特征煙氣參與循環(huán)，在保證燒結(jié)礦質(zhì)量的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)煙氣量和污染物總量減排30%以上。
燒結(jié)煙氣CO氧化耦合SCR脫硝技術(shù)是基于燒結(jié)煙氣排煙溫度較低，與傳統(tǒng)SCR脫硝催化劑適用窗口不匹配。燒結(jié)煙氣氮氧化物超低排放70%以上均采用SCR脫硝，需要設(shè)置熱風(fēng)爐，通過燃燒大量高爐煤氣對煙氣進行補熱。燒結(jié)煙氣本身含有大量CO，如果能夠利用其燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能，就可以替代高爐煤氣為中低溫SCR脫硝補熱，節(jié)省高爐煤氣用量的同時，實現(xiàn)CO2減排，目前解決催化劑的抗硫中毒能力是科研攻關(guān)的難點。
球團煙氣嵌入式脫硝技術(shù)則是利用球團生產(chǎn)過程中合適的溫度窗口來脫硝。以鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯為例，其排放煙氣經(jīng)冷卻-焙燒-預(yù)熱-干燥等多個溫度區(qū)間，其中預(yù)熱-干燥段煙氣溫度(300~500℃)與SCR脫硝所需溫度區(qū)間基本吻合。因此結(jié)合球團生產(chǎn)熱工制度，采用嵌入式SCR脫硝技術(shù)，將徹底規(guī)避熱風(fēng)爐煙氣再生及GGH換熱系統(tǒng)，實現(xiàn)末端治理前移、環(huán)保-生產(chǎn)深度融合，運行能耗和費用都實現(xiàn)大幅降低。
CCUS深度脫碳技術(shù)：CCUS是鋼鐵等難減排行業(yè)深度脫碳的必要解決方案。鋼鐵行業(yè)CO2排放呈現(xiàn)出多點源排放，各工序排放煙氣、產(chǎn)生煤氣的CO2濃度、溫度差異顯著。而針對不同特征，有機胺液相吸收、分子篩變壓吸附技術(shù)均有應(yīng)用場景。CO2利用技術(shù)中，需注意與鋼鐵行業(yè)本身的耦合，鋼渣礦化、合成化學(xué)品、轉(zhuǎn)爐煉鋼過程資源化利用等均具有較高潛力。而在CO2封存方面，環(huán)渤海地區(qū)、西南地區(qū)等地與排放源匹配較好，具有較大地質(zhì)利用與封存潛力。
三 “五大維度”展望鋼鐵行業(yè)減污降碳協(xié)同發(fā)展
碳中和背景下，鋼鐵行業(yè)減污降碳協(xié)同發(fā)展面臨新的挑戰(zhàn)。基于此，提出如下發(fā)展建議：生產(chǎn)綠色化、管控合理化、控污節(jié)能化、脫碳可行化、減排全面化。
（1）生產(chǎn)綠色化：主要是大力發(fā)展高比例球團高爐冶煉、短流程煉鋼、氫冶金等綠色技術(shù)，實現(xiàn)源頭減污降碳。
（2）管控合理化：將現(xiàn)有單工序污染計量的方式過渡至全流程總量核算，即工序與工序之間、污染物與污染物之間，給予鋼鐵企業(yè)一定的調(diào)控自由度，相較而言更加合理。
（3）控污節(jié)能化：主要是通過原/燃料凈化實現(xiàn)源頭減排、煙氣循環(huán)耦合節(jié)能降碳、嵌入式環(huán)保及能質(zhì)資源化等多種技術(shù)，實現(xiàn)污染減排耦合節(jié)能。
（4）脫碳可行化：包括通過鋼化聯(lián)產(chǎn)制備高附加值化學(xué)品，通過鋼渣礦化實現(xiàn)以廢治廢，為捕獲的CO2找到應(yīng)用出口，實現(xiàn)深度脫碳可行化。
（5）減排全面化：就是除了常規(guī)污染物之外，要重視二惡英、VOCs、CO等非常規(guī)污染物，真正實現(xiàn)全污染物的全面減排。
專家簡介：朱廷鈺，中國科學(xué)院過程工程研究所研究員 文稿來源：朱廷鈺團隊 發(fā)布時間：2023年8月8日
原標(biāo)題：專家觀點 | 朱廷鈺：碳中和背景下鋼鐵行業(yè)減污降碳協(xié)同發(fā)展路徑
