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王國棟 儲滿生 袁國 秦高梧 韓躍新 張殿華 張琦
鋼鐵產業(yè)碳中和背景及其實現(xiàn)路徑
鋼鐵產業(yè)是國民經濟發(fā)展的支柱產業(yè)。我國是世界第一鋼鐵大國，2020年粗鋼產量達到10.65億噸，占全球粗鋼總產量的56%，但我國鋼鐵生產以高爐-轉爐長流程為主，嚴重依賴煤基化石能源，是導致碳排放量較高的首要因素。2020年，鋼鐵產業(yè)二氧化碳排放量占我國碳排放總量的16%左右。有效降低二氧化碳排放強度和加強碳捕捉利用是鋼鐵產業(yè)亟待解決的難題，也是國家的重大戰(zhàn)略需求。因此，鋼鐵產業(yè)亟待研發(fā)和應用碳中和前沿技術，實現(xiàn)低碳綠色化轉型升級。即將實施的碳稅政策更凸顯其倒逼作用，將對資源能源密集型的鋼鐵產業(yè)產生直接深遠的影響。
從技術層面來看，鋼鐵產業(yè)實現(xiàn)碳中和主要包括以下幾步：
第一步，針對碳達峰和碳減排平臺階段，研發(fā)和應用低碳冶煉與全流程低碳加工及智能制造技術，實現(xiàn)高能效和低碳化。在工藝優(yōu)化、強化冶煉、余熱和二次資源高效循環(huán)利用、超低排放改造、系統(tǒng)節(jié)能、產品高質化等基礎上，研發(fā)應用低碳高爐、高效連鑄、鑄軋一體化、在線組織性能調控等低碳冶煉、加工新技術，同時開發(fā)全流程信息物理系統(tǒng)，實現(xiàn)高可靠性、高穩(wěn)定性全流程智能制造，最大程度地提高能源利用效率和實現(xiàn)碳減排，為碳中和奠定基礎。
第二步，針對鋼鐵產業(yè)快速降碳階段，在低碳高能效冶煉基礎上，研發(fā)和應用鋼鐵-化工聯(lián)產技術（見圖1），增加碳匯，實現(xiàn)碳凈零排放。基于碳捕集利用，研發(fā)應用鋼鐵-化工-氫能一體化網絡集成CCU技術（steel-chemicals-energy networking integration，簡寫為SCENWI，也稱神威CCU技術），通過鋼鐵-化工協(xié)同，為我國以高爐-轉爐長流程為主的鋼鐵產業(yè)實現(xiàn)碳凈零排放提供最合理、最徹底的解決方案。
第三步，針對鋼鐵產業(yè)深度脫碳階段，在低碳高能效和鋼鐵-化工聯(lián)產基礎上，輔以氫能替代化石能源，研發(fā)應用氫基豎爐-電爐短流程新工藝技術，在適宜區(qū)域實現(xiàn)鋼鐵工藝流程革新和能源結構優(yōu)化，為深脫碳或無涉碳鋼鐵生產提供全新途徑。
與國外相比，國內目前在氫冶金、鋼鐵-化工聯(lián)產等碳中和前沿技術研發(fā)方面尚處于起步階段，工業(yè)化應用較多處于空白，總體屬于“跟跑”階段。因此，碳中和冶煉極有可能成為制約我國鋼鐵工業(yè)未來發(fā)展的“卡脖子”技術。由于國外技術保密和限制，我國今后在核心技術應用方面極易受制于人，急需加快碳中和冶金研發(fā)步伐，突破關鍵技術，打破國外技術封鎖，搶占低碳前沿陣地，實現(xiàn)核心技術、關鍵裝備、標準體系、研發(fā)平臺和人才隊伍的全面超越，引領鋼鐵產業(yè)低碳綠色化發(fā)展。
鋼鐵產業(yè)是國民經濟發(fā)展的支柱產業(yè)。我國是世界第一鋼鐵大國，2020年粗鋼產量達到10.65億噸，占全球粗鋼總產量的56%，但我國鋼鐵生產以高爐-轉爐長流程為主，嚴重依賴煤基化石能源，是導致碳排放量較高的首要因素。2020年，鋼鐵產業(yè)二氧化碳排放量占我國碳排放總量的16%左右。有效降低二氧化碳排放強度和加強碳捕捉利用是鋼鐵產業(yè)亟待解決的難題，也是國家的重大戰(zhàn)略需求。因此，鋼鐵產業(yè)亟待研發(fā)和應用碳中和前沿技術，實現(xiàn)低碳綠色化轉型升級。即將實施的碳稅政策更凸顯其倒逼作用，將對資源能源密集型的鋼鐵產業(yè)產生直接深遠的影響。
從技術層面來看，鋼鐵產業(yè)實現(xiàn)碳中和主要包括以下幾步：
第一步，針對碳達峰和碳減排平臺階段，研發(fā)和應用低碳冶煉與全流程低碳加工及智能制造技術，實現(xiàn)高能效和低碳化。在工藝優(yōu)化、強化冶煉、余熱和二次資源高效循環(huán)利用、超低排放改造、系統(tǒng)節(jié)能、產品高質化等基礎上，研發(fā)應用低碳高爐、高效連鑄、鑄軋一體化、在線組織性能調控等低碳冶煉、加工新技術，同時開發(fā)全流程信息物理系統(tǒng)，實現(xiàn)高可靠性、高穩(wěn)定性全流程智能制造，最大程度地提高能源利用效率和實現(xiàn)碳減排，為碳中和奠定基礎。
第二步，針對鋼鐵產業(yè)快速降碳階段，在低碳高能效冶煉基礎上，研發(fā)和應用鋼鐵-化工聯(lián)產技術（見圖1），增加碳匯，實現(xiàn)碳凈零排放?；谔疾都?，研發(fā)應用鋼鐵-化工-氫能一體化網絡集成CCU技術（steel-chemicals-energy networking integration，簡寫為SCENWI，也稱神威CCU技術），通過鋼鐵-化工協(xié)同，為我國以高爐-轉爐長流程為主的鋼鐵產業(yè)實現(xiàn)碳凈零排放提供最合理、最徹底的解決方案。
第三步，針對鋼鐵產業(yè)深度脫碳階段，在低碳高能效和鋼鐵-化工聯(lián)產基礎上，輔以氫能替代化石能源，研發(fā)應用氫基豎爐-電爐短流程新工藝技術，在適宜區(qū)域實現(xiàn)鋼鐵工藝流程革新和能源結構優(yōu)化，為深脫碳或無涉碳鋼鐵生產提供全新途徑。
與國外相比，國內目前在氫冶金、鋼鐵-化工聯(lián)產等碳中和前沿技術研發(fā)方面尚處于起步階段，工業(yè)化應用較多處于空白，總體屬于“跟跑”階段。因此，碳中和冶煉極有可能成為制約我國鋼鐵工業(yè)未來發(fā)展的“卡脖子”技術。由于國外技術保密和限制，我國今后在核心技術應用方面極易受制于人，急需加快碳中和冶金研發(fā)步伐，突破關鍵技術，打破國外技術封鎖，搶占低碳前沿陣地，實現(xiàn)核心技術、關鍵裝備、標準體系、研發(fā)平臺和人才隊伍的全面超越，引領鋼鐵產業(yè)低碳綠色化發(fā)展。
東大的鋼鐵碳中和技術路線
在上述背景下，東北大學成立低碳鋼鐵前沿技術研究院，協(xié)同研發(fā)氫冶金、鋼鐵-化工聯(lián)產、跨工業(yè)系統(tǒng)智能制造等低碳關鍵共性前沿技術（見圖2），提出了CCU技術。
神威CCU技術首先解決氫能來源問題，在鋼廠內部副產煤氣制氫、化石能源制氫和石化廢氫（灰氫和藍氫）基礎上，重點開發(fā)可再生能源發(fā)電、高效電解水制氫（綠氫），進而研發(fā)富氫還原高爐煉鐵、氫基豎爐直接還原-電爐短流程技術，實現(xiàn)氫冶金低碳冶煉。同時，基于二氧化碳捕集利用思想，將鋼鐵生產的尾氣進行高效低成本凈化、捕集、分離，得到一氧化碳和二氧化碳，作為化工產業(yè)的原料氣，用于合成甲酸、乙酸、乙醇及其他化工產品，通過鋼鐵-化工產業(yè)協(xié)同實現(xiàn)鋼鐵產業(yè)二氧化碳凈零排放。
東大的鋼鐵碳中和關鍵技術研究
低碳冶煉技術
在國家“2011”計劃（高等學校創(chuàng)新能力提升計劃）支持下，東北大學礦冶學科群以“工藝綠色化、裝備智能化、產品高質化”為目標，開展了鋼鐵全流程一體化協(xié)同創(chuàng)新，研發(fā)了一系列低碳綠色化關鍵共性技術，主要包括以下內容：
1.選礦
難選鐵礦石懸浮磁化焙燒技術。東北大學自主研發(fā)了“預氧化-蓄熱還原-再氧化”懸浮磁化焙燒新技術，成功開發(fā)懸浮焙燒工業(yè)化裝備與高效分選系統(tǒng)，填補國內外技術空白，實現(xiàn)貧雜赤鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦石及含鐵固廢等資源高效利用，盤活國產鐵礦資源100億噸以上，提高難選鐵礦石回收率15個百分點以上，提高鐵精礦品位3個百分點～10個百分點，大幅降低采礦、冶煉工序碳排放量。
新型常溫高效鐵礦石浮選藥劑。傳統(tǒng)浮選藥劑凝固點高，分散性差，礦漿需加溫40攝氏度以上，能源浪費和環(huán)境污染嚴重，開發(fā)貧雜鐵礦石常溫高效浮選藥劑體系迫在眉睫。為此，東北大學自主研發(fā)新型常溫高效鐵礦石浮選藥劑體系，根據藥劑極性基團活性原子的電子態(tài)密度與礦物表面活性位點原子的電子態(tài)密度匹配關系，開發(fā)TD-Ⅱ、HBGT-135等新型浮選藥劑，解決浮選過程能耗高、效率差等問題。
新型陶瓷介質攪拌磨機技術。在選礦各環(huán)節(jié)中，磨礦成本占總成本的50%以上。開發(fā)新型高效綠色磨礦技術，努力降低球耗與電耗，成為礦山降本增效的重要課題。東北大學自主研發(fā)新型陶瓷介質攪拌磨機在鞍鋼弓長嶺選礦廠工業(yè)應用，球耗成本降低55.61%以上，磨礦電耗降低50.26%，磨礦單體解離度提高11.31%，選別指標提高0.2個百分點，預計年綜合經濟效益達到1600多萬元。
2.煉鐵
低碳高爐集成技術。東北大學與多家鋼企合作研發(fā)富氫煤氣噴吹、復合鐵焦、爐頂煤氣循環(huán)-高富氧冶煉優(yōu)化匹配的低碳高爐煉鐵技術，研究結果表明噴吹焦爐煤氣137立方米/噸鐵，頂煤氣循環(huán)率為48.8%，鼓風富氧率為71.7%，則高爐噸鐵能耗降低22.1%、碳排放降低51.8%。目前正在進行關鍵技術的工業(yè)化試驗。
3.煉鋼、精煉和連鑄
轉爐高廢鋼比冶煉技術。東北大學重點研發(fā)氧燃法廢鋼預熱、復吹轉爐高效冶煉技術與裝備，主要特點有：采用模塊化設計，根據企業(yè)裝備及空間而定制設計；集成多工況燃控模型、高效氧燃槍與燃控自動化技術；快速升溫，10分鐘加熱到800攝氏度以上；成本低，低熱值煤氣消耗200立方米/噸廢鋼～300立方米/噸廢鋼；噸鋼鐵水比降低30千克，二氧化碳減排50千克。
高效連鑄關鍵技術。東北大學自主研發(fā)形成以連鑄坯凝固末端重壓下、微合金鋼表面裂紋控制為代表的高效連鑄關鍵技術，開辟表面無缺陷、低軋制壓縮比高效生產高端鋼材新流程。與常規(guī)模鑄制坯相比，金屬收得率提升近15%，噸鋼節(jié)約標煤1.32千克；實現(xiàn)微合金鋼熱裝送，噸鋼節(jié)約標煤20千克～30千克。該技術已在中國寶武等國內外鋼企的29條產線推廣應用，獲得國家科技進步獎1項、省部級一等獎5項。
電弧爐高效冶煉技術。東北大學自主開發(fā)形成電弧爐節(jié)能煉鋼、快速熔煉等全套電弧爐高效冶煉技術，實現(xiàn)全廢鋼電弧爐短流程低成本環(huán)境友好高效冶煉技術的國產化；能耗降低20%以上，噸鋼碳排放降至667千克，冶煉周期縮短約40%，效率提高50%以上，運行成本降低30%以上。該技術已在中國寶武等鋼企的多座電弧爐上推廣應用，并在江蘇金虹公司投產國內首條低成本環(huán)境友好型全廢鋼電弧爐高效熔煉短流程生產線，達到國際領先水平。
高品質特殊鋼電渣重熔關鍵技術。東北大學自主研發(fā)形成以全參數(shù)過程穩(wěn)定的電渣重熔潔凈度控制為代表的高品質特殊鋼電渣重熔關鍵技術，解決了國家重大工程和重大裝備用多種“卡脖子”材料急需。與傳統(tǒng)工藝相比，該技術能耗和碳排放降低效果顯著，已推廣應用于60多家特鋼企業(yè)，獲得國家科技進步獎一等獎1項、省部級一等獎3項。
4.軋鋼
新一代TMCP（控制軋制和控制冷卻技術）理論技術與裝備研發(fā)及工程化。東北大學研發(fā)成功系列首臺（套）板、帶、管、型、棒、線材一體化在線組織調控核心裝備，成為我國熱軋鋼材生產線主力機型，覆蓋全部熱軋鋼材門類，推動離線熱處理工藝在線化，節(jié)能降耗，提高產品品質。該技術應用至寶鋼、鞍鋼、首鋼、河鋼等90%以上大型鋼企50余條生產線，在鞍鋼、南鋼建成國家級示范線，年創(chuàng)效益超百億元。
薄帶連鑄硅鋼基礎理論與產業(yè)化技術。通過基礎研究、工業(yè)化技術開發(fā)，東北大學研發(fā)了獨創(chuàng)的顛覆性工業(yè)技術和超高性能產品，開發(fā)高磁感電工鋼薄帶鑄軋短流程工藝，目前已與敬業(yè)集團開展產學研合作，開展高品鋼薄帶鑄軋產業(yè)化項目，旨在開發(fā)生產領先的高磁感硅鋼產品。
5.系統(tǒng)節(jié)能
智慧化能源管控系統(tǒng)。東北大學開發(fā)能源管控系統(tǒng)，實現(xiàn)鋼企能源精益化管理，為節(jié)能和碳減排提供工具，其中智能化能源管控平臺項目在鞍鋼鲅魚圈分公司上線運行；煤氣預測與多介質耦合優(yōu)化項目在首鋼京唐能源管控中心上線運行；與寶信合作承擔重點研發(fā)項目，在寶鋼股份上線運行。
全流程智能制造
鋼鐵工業(yè)屬于大型復雜流程工業(yè)，涵蓋煉鐵-煉鋼-軋制-熱處理等工序，是充分發(fā)揮場景優(yōu)勢與數(shù)據資源優(yōu)勢的最佳載體，也是人工智能、大數(shù)據賦能產業(yè)增效的最具代表性領域，引領示范作用強。
東北大學提出依托云計算、大數(shù)據、5G+邊緣計算等先進信息通信技術，以信息物理系統(tǒng)為核心、工業(yè)互聯(lián)網為載體的鋼鐵全流程智能制造架構，取得了重要突破，形成自主知識產權和高質量、低成本、高效率改造路徑與模式，已在鞍鋼、河鋼、華菱漣鋼、建龍集團撫順新鋼鐵實施中。
氫冶金
在我國能源轉型過程中，氫能扮演著“高效低碳的二次能源、靈活智慧的能源載體、綠色清潔的工業(yè)原料”角色。綠色氫能被認為是無碳經濟的關鍵之鑰，將氫能應用于冶金是冶金行業(yè)低碳綠色化轉型的有效途徑。一般意義上的氫冶金是指入爐還原氣含氫高于55%條件下，還原鐵礦石、球團礦生產優(yōu)質DRI（直接還原鐵）的氣基豎爐直接還原?；跉湟苯鸬臍饣Q爐-電爐短流程具有碳減排50%以上潛力，是歐洲國家和美日等先進產鋼國研發(fā)的熱點。
為基于我國原燃料條件發(fā)展氫冶金，東北大學進行了以下研究工作：
高品位鐵精礦制備技術。基于河北、山西、吉林、遼寧、山東、湖北、安徽多地磁鐵礦資源（大于30億噸），成功開發(fā)高品位鐵精礦（全鐵＞70.5%、二氧化硅2.0%）制備技術和設備，建成年產10萬噸高品位鐵精礦示范線。
氣基豎爐專用氧化球團制備技術。通過多地高品位鐵精礦的氧化焙燒試驗系統(tǒng)研究，結果基于國內鐵礦條件可生產冶金性能優(yōu)良的氣基豎爐專用氧化球團。
煤制氣-富氫豎爐示范工程設計。籌建富氫豎爐-電爐短流程示范工程，已完成整個工藝系統(tǒng)和工程設計，自主開發(fā)了氣基豎爐核心裝置，形成了多項知識產權成果。
全氫氣基豎爐關鍵技術。與某大型鋼企合作，研發(fā)基于可再生能源制氫-全氫豎爐直接還原關鍵技術，包括全氫豎爐爐料、工藝系統(tǒng)設計、重大工藝裝備、操作優(yōu)化、安全控制技術、智能冶煉。
鋼鐵-化工聯(lián)產
我國將來很長一段時間鋼鐵生產仍將以高爐-轉爐流程為主，應在加強氫冶金研發(fā)的同時，重點發(fā)展鋼鐵-化工聯(lián)產技術，即將鋼鐵副產含一氧化碳、二氧化碳尾氣進行捕集和分離，作為合成氣提供給化工廠用作加氫催化合成燃料、塑料、肥料等化工產品。這樣做既減少鋼鐵生產的二氧化碳排放，同時為化工行業(yè)輸入原本需要消耗化石或生物質才能獲得的碳資源。另外，由于鋼鐵系統(tǒng)副產氫能不足，須引入新能源行業(yè)，利用可再生能源制氫。因此，鋼鐵-化工聯(lián)產是通過鋼鐵、化工、氫能三大行業(yè)跨工業(yè)生產系統(tǒng)的網絡協(xié)作和一體化網絡集成，在保留高爐前提下實現(xiàn)高爐-轉爐長流程最合理、最可持續(xù)的減排方式，也是通過鋼鐵-化工協(xié)同，實現(xiàn)碳排放趨零的最徹底的解決方案。
鋼鐵-化工聯(lián)產的難點主要體現(xiàn)在尾氣多級協(xié)同凈化捕集分離、二氧化碳高效催化合成、大規(guī)模低成本制氫、高附加值化工產品制備等方面。為此，東北大學開展了以下研究工作：
尾氣高效凈化捕集技術及裝置。開發(fā)國際領先的一步法高爐尾氣脫硫工藝，脫硫率達99.9%，比主流技術節(jié)省20%成本，并與相關企業(yè)合作研發(fā)了世界首套多塔重回流變壓吸附裝置。
尾氣高效吸附劑。開發(fā)具有自主知識產權的離子液沸石、“分子陷阱門”材料等吸附劑，用于高效、低成本、選擇性吸附，在鋼廠尾氣、煙道氣、天然氣分離等領域具有廣泛應用前景。
二氧化碳液相催化還原制甲醇。研發(fā)銅納米顆粒催化劑和ZnZr離子交換的HTC催化劑，進行了二氧化碳催化還原制甲醇的系統(tǒng)研究和工藝技術開發(fā)。
二氧化碳加氫合成甲烷。結合載體界面電子效應和多組元設計，開發(fā)高活性、高選擇性稀土氧化物負載的Ni催化劑，在常壓和300攝氏度條件下獲得轉化率99%以上的選擇性。
光催化二氧化碳還原制甲醇。以太陽光為能源，以水或氫氣為還原劑，利用Ta3N5（五氮化三鉭）、Cu2O（氧化亞銅）基高效光催化劑，常溫常壓將二氧化碳轉化為甲醇，甲醇產率223.2μmol/g cat.，具有綠色、環(huán)保、節(jié)能優(yōu)點。
二氧化碳電催化制乙烯。以綠色電能為能源，通過電催化技術將鋼鐵尾氣中的二氧化碳轉變?yōu)橐蚁┑雀吒郊又祷瘜W品。隨著太陽能、風能等清潔能源轉換為電能的成本不斷降低，電化學二氧化碳還原有望在可預期的將來規(guī)模部署。重點研究了催化中心結構精準構筑和高活性、高選擇性、長壽命氣體擴散電極的制備。
合作研發(fā)二氧化碳微生物發(fā)酵法生產乙酸技術。合作單位以復合產乙酸菌將二氧化碳在常溫常壓條件下，加氫穩(wěn)定高效轉化乙酸高附加值產品，攻克生物發(fā)酵法氣體溶解度低、產率低、選擇性差等難題，實驗室條件下實現(xiàn)二氧化碳和氫氣利用率達98%，產酸菌穩(wěn)定性和選擇性遠高于現(xiàn)有其他技術。
鋼鐵-化工聯(lián)產技術中試。目前，東北大學與某鋼企合作建設鋼鐵碳中和關鍵技術中試基地，以高爐煤氣為氣源，進行煤氣凈化和選擇性捕集分離、二氧化碳熱催化合成甲醇、電催化制乙烯、生物催化制乙酸的中試研究，以期擇優(yōu)選定技術經濟性合理的二氧化碳轉化利用工藝路線。
在我國全面實現(xiàn)工業(yè)化進程中，鋼鐵產業(yè)仍是起重要支撐和推動作用的支柱產業(yè)。針對國家“30·60”碳減排目標，當前鋼鐵產業(yè)正處于低碳綠色化和數(shù)字智能化轉型關鍵時期。為此，鋼鐵產業(yè)應以節(jié)能高能效為基礎，重點發(fā)展多產業(yè)協(xié)同的碳捕捉利用，并輔以能源替代發(fā)展氫冶金，最終實現(xiàn)碳中和。
毋庸置疑的是，體量巨大的鋼鐵產業(yè)實現(xiàn)碳中和是一個相當艱巨的任務，需要集聚全社會的優(yōu)勢力量，通過產學研用深度融合、多行業(yè)協(xié)同和多學科交叉，構建以“基礎-研發(fā)-工程-應用”為框架的鋼鐵行業(yè)科技創(chuàng)新完整全鏈條，以點帶面實現(xiàn)關鍵共性技術重大突破，最終形成在鋼鐵-化工-新能源-建材-高端裝備制造等組成的新產業(yè)鏈中起到重要中樞節(jié)點功能的全新鋼鐵產業(yè)。
