國外鋼鐵工業(yè)低碳技術發(fā)展與我國減排二氧化碳策略

　　目前，許多發(fā)達國家和地區(qū)采取不同的方法和技術策略減排CO2。美國鋼鐵業(yè)簽署了氣候自愿行動協(xié)議，承諾能源強度在2002年數據的基礎上改善10%。日本鋼鐵工業(yè)采取自主行動計劃，目標是到2010年，其能源消耗比1990年減少10%。其他國家在節(jié)能減排方面也采取了類似行動。美國、日本、韓國、澳大利亞和加拿大積極參與亞太清潔發(fā)展和氣候伙伴合作計劃，中國和印度也參與了該項目。歐盟建立了世界最大的溫室氣體排放國際貿易機制?？傊还苁澜绺鲊扇『畏NCO2減排措施，對于鋼鐵工業(yè)來說，應用環(huán)境友好型技術，研發(fā)突破性冶煉工藝始終是可持續(xù)發(fā)展的重要課題。

　　1.歐洲鋼鐵工業(yè)低碳技術的發(fā)展

　　歐盟碳排放交易機制的目標是：將氣候變暖限制在2℃內；到2020年溫室氣體排放量在1990年的基礎上至少減少20%；到2050年降低50%。在《京都議定書》框架下，歐盟27國的碳排放量至今已降低5%，目標是到2012年降低8%。歐盟成員國根據各自減排任務，通過國家分配計劃（NAP：National Allocation Plan）將CO2的排放限額分解至每個生產裝置，其操作者需在每年底按照具體要求向當局匯報排放水平，超過限額的部分將處以罰款。2002年啟動了超低CO2煉鋼（ULCOS）項目，該項目由14個歐洲國家的48個企業(yè)和相關機構共同參與完成，旨在采用一系列的突破性理念，從基礎性到可行性以及最終的工業(yè)化研究。該項目將采用一系列突破性理念使CO2排放量減少30%-70%。這些技術包括：高爐爐頂煤氣在脫碳之后的重新利用；CO2的捕集與貯存；電解；氫的利用等。該項目目標是至少實現一項碳排放量減半的突破性煉鋼技術。

　　德國是歐盟最大的產鋼國，2010年粗鋼產量為4381萬噸，占歐盟粗鋼產量的25.3%，全球排名第7位。為減排溫室氣體，德國鋼鐵業(yè)制定了到2005年把CO2排放量在1992年的基礎上減少16%-17%，到2012年將CO2的排放量減少22%的目標。

　　德國鋼鐵工業(yè)長期著手可持續(xù)發(fā)展的整體戰(zhàn)略，從經濟、生態(tài)學和社會的觀點來看，基本任務就是提高成品鋼材和資源使用效率。

　　原料、能源和環(huán)境效率是德國鋼鐵工業(yè)的頭等大事，同時還包括原料的二次利用、副產品氣體和渣的利用、廠區(qū)內廢料，如粉塵和泥渣的再利用以及水的利用等。鋼鐵工業(yè)的這些措施在提高競爭力和改善經濟方面取得了極大成功。取得這些進展的主要措施是在高爐生產中降低還原劑消耗量，加大電爐鋼比例并改進電爐煉鋼工藝，采用薄板坯連鑄，通過安裝能源回收裝置和有效利用生產中所產生的氣體使設備能力最優(yōu)化。

　　近50年來，德國鋼鐵工業(yè)的能源消耗量明顯降低，其一次能源消耗量1960年為29.5GJ/t鐵，到2007年降至17.4GJ/t鐵，降低41%。電爐冶煉能耗從1965年的630kWh/t鋼降至2007年的345kWh/t鋼，下降45%。特別是德國高爐還原劑的消耗量已經達到了極限值，大幅降低了單位產品CO2的排放量。2008年德國高爐還原劑消耗量降到489.4kg/t鐵，其中焦炭消耗354.2kg/t鐵，煤比106kg/t鐵，其他還原劑消耗29.2kg/t鐵。

　　德國鋼鐵工業(yè)一直致力于裝備大型化技術改造。高爐數量從20世紀70年代的105座降到2000年的22座，目前每座高爐平均產鐵量約200萬噸/年；轉爐從45座降到現在的25座，每座轉爐平均產鋼量達120萬噸/年。最大的轉爐為蒂森鋼鐵公司的2座380噸轉爐，每座轉爐產鋼量超過200萬噸/年；電爐從90座降至29座。

　　1973年以來，德國連鑄技術發(fā)展迅猛，1985年連鑄比超過80%，1988年連鑄比達到90%以上，2009年連鑄比約為98%。隨著連鑄比的增加和熱裝熱送技術的應用，軋鋼加熱爐的能耗從2.0GJ/t鋼降到1.2GJ/t鋼。

　　通過采取一系列措施，德國鋼鐵工業(yè)近50年來的能源消耗量明顯降低，尤其是高爐還原劑的消耗量已經達到了極限，這將極大地降低單位產品CO2排放量。迄今為止，其長流程工藝的排放量低于1.8t CO2/t粗鋼，而綜合長流程和短流程路線的排放量則降為1.3t CO2/t粗鋼。從2005年1月起，歐盟執(zhí)行CO2排放交易。為此，德國將不再新建用碳量大且還要附加CO2排放證書的鋼鐵聯合企業(yè)。

　　對于鋼鐵行業(yè)的溫室氣體減排，法國作出了“盡力而為”的承諾，計劃通過使用能源，優(yōu)化廢鋼利用、更好地利用副產品以及提高鋼鐵性能來實現CO2減排目標。通過一系列的努力，法國鋼鐵工業(yè)在過去的40年間，能源強度下降了190%，相應的CO2排放量降低了260%。

　　2.日本鋼鐵工業(yè)低碳技術的發(fā)展

　　根據《京都議定書》，日本2008-2012年CO2等溫室氣體的平均排放量要比1990年實際減少6%。日本為應對氣候變暖，啟動了自主行動計劃。以粗鋼產量1億噸為前提，以1990年度為基準，2010年度的鋼鐵生產工序能耗減少10%（相當于減少CO，排放量9%）。但是，粗鋼產量超過1億噸時，包括充分運用京都機制等對策，盡最大努力實現減排目標。

　　根據日本鐵鋼聯盟的統(tǒng)計數據，日本2009年度粗鋼產量9645萬噸，比1990年度下降13.7%。其中2009年度能源消費量比1990年度下降17.6%；CO2排放量比1990年度下降17.8%。

　　日本的噸鋼能耗多年來一直居世界領先地位，其能源費用占生產成本的比重逐年下降，這一成績的取得是因為日本不但從全連鑄、熱裝熱送及直接軋制等流程方面考慮節(jié)能，而且注重細節(jié)節(jié)能。通過“生產工序節(jié)能”、“對社會節(jié)能的貢獻”和“革新性技術開發(fā)”三大支柱，推進自主行動計劃。

　　從發(fā)展過程看，日本鋼鐵工業(yè)的節(jié)能是從生產工序合理化和連續(xù)化，實現粗放式節(jié)能開始，之后進一步全面回收利用余能，實現總體節(jié)能。近年，為貫徹建設循環(huán)型社會方針，更加強了對廢物的循環(huán)利用，不僅廠內的鋼鐵渣和含鐵粉塵得到了較好利用，甚至連社會廢物，如廢塑料、廢輪胎和醫(yī)療廢物等也得到了部分利用，除有利于節(jié)能外，還有利于減少廢物填埋占地和減少污染。主要采取的節(jié)能減排措施有：

　?。?）副產煤氣（焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣等）除用于本廠工業(yè)爐和鍋爐燃料外，多余部分用于發(fā)電自用，基本沒有放散。

　?。?）煉焦工序：干熄焦普及率達83%；煤調溫、煤預熱和煤成型均已得到部分應用；焦爐燃燒全部實現自動化控制；煉焦中摻入2%廢塑料，能量利用率達94%。此外，由日本政府組織開發(fā)的下一代新型焦爐Scope21已投入工業(yè)化試生產，可節(jié)能20%，生產效率為目前焦爐的2.4-3倍，非微粘結煤配比達60%，新日鐵大分廠計劃建實用爐。

　?。?）燒結工序：冷卻礦余熱回收、燒結均壓氣回收、分級布料、燒結機局部除塵、主風機高效化和防止漏風以及電機轉數控制等節(jié)能措施已基本普及。

　?。?）煉鐵工序：爐頂余壓發(fā)電已全部普及；熱風爐余熱利用和噴吹煤粉全部普及；噴吹廢塑料率先在JFE的京濱、福山兩廠應用，能量利用率達75%-80%，2010年共用廢塑料約30萬t。對高爐鼓風系統(tǒng)普遍采取了防止漏風、降低壓損和熱風管保溫等節(jié)能措施。

　　（5）轉爐煉鋼工序：OG-IDF轉數控制，制氧機、除塵器和冷卻泵等設備高效化，連鑄斷面近終形化和鑄坯熱送等節(jié)能措施已普及。新日鐵廣煙廠高爐停產后，全部以廢鋼鐵為原料吹氧噴煤化鐵后煉鋼，并利用廢輪胎12萬t/a，充分利用輪胎可燃部分及其中的子午線鋼絲，節(jié)能效果良好。

　?。?）電爐煉鋼工序：要采用廢鋼預熱、削峰填谷等常用節(jié)能措施外，普鋼電爐廠利用空閑能力處理醫(yī)療廢物、干電池和汽車粉碎屑等含有金屬的廢物，綜合節(jié)能效果和經濟效果良好。

　?。?）熱軋工序：主要采用了自身預熱燃燒器加熱爐、鋼坯熱送熱裝、電機轉數控制和連續(xù)無頭軋制等節(jié)能措施。

　?。?）冷軋及其他工序：主要有冷卻水系統(tǒng)高效化、熱處理爐連續(xù)化和余熱回收、電機轉數控制等節(jié)能措施。

　?。?）開發(fā)使用高功能鋼材：日本鋼鐵業(yè)致力于開發(fā)汽車輕量化的高強度鋼板，在使用階段實現節(jié)能的高功能鋼材等以適應需求。2001年，日本設立了“LCA（生命周期評價法）能源評價調查委員會”，用LCA對六種高功能鋼材給整個社會帶來的節(jié)能效果進行了評價分析，其中包括汽車用鋼板、船舶用厚板、鍋爐用鋼管、建筑用H型鋼、電車用不銹鋼鋼板和變壓器用電工鋼板。今后每年都進行跟蹤評價分析。

　　日本減排溫室氣體的重點是充分利用能源，開發(fā)節(jié)能技術是其實現減排的主要手段，目前日本正重點從以下幾個方面開展技術研發(fā)：

　?。?）提出了在不用水的干式爐渣粒狀化方法下回收礦渣顯熱，即采用轉環(huán)霧化器（Rotary Cup tomizer，簡稱RCA）的爐渣顯熱回收法解決余熱回收的問題。

　?。?）提出了在石灰燒成時使用轉爐廢氣以利用轉爐廢氣顯熱的方法。該方法可以使轉爐廢氣中的粉塵黏附在石灰上，在除去粉塵的同時，利用廢氣顯熱燒成石灰。

　?。?）開發(fā)中溫區(qū)熱電子元件，利用該溫度差產生的電動勢，將熱能直接轉換成電能。如對于爐壁強制冷卻或熱交換器這樣的結構，在高溫壁和低溫壁之間安裝熱電組件就能發(fā)電。

　?。?）研究了低溫廢熱利用方法，包括kalina循環(huán)發(fā)電，uehara循環(huán)發(fā)電，氨蒸汽循環(huán)發(fā)電（開發(fā)將200℃以下廢氣及70-100℃排水作為熱源，利用氨蒸氣循環(huán)的廢熱回收發(fā)電裝置）。

　　（5）研究了高爐渣和鋼渣的循環(huán)利用技術。在日本鋼渣一方面被作為建筑工程、鋼渣肥料和土壤改良劑；另一方面JFE鋼鐵成功開發(fā)出利用鋼鐵渣固定CO2以生成碳酸鈣的技術，不僅改善了海洋生態(tài)環(huán)境，且在制造過程中充分利用了CO2。

　　此外，日本鋼鐵公司從自備電廠煙氣中回收CO2供化工原料應用也得到了推廣。新日鐵從焦爐煤氣中提取氫供應燃料電池汽車加氫站，為社會節(jié)油減排做貢獻。JFE還應用污泥硝化產生的沼氣發(fā)電。

　　此外，在政策方面，日本政府出臺了一系列政策，其中包括碳稅和排放貿易。碳稅包括“石油和煤炭稅”和“氣候變化稅”。自2003年10月起，日本開始征收石油和煤炭稅。并于2007年初開始征收環(huán)境稅。該稅種的實施刺激了新能源和節(jié)能產品的加快研制與更新換代。

　　3.美國鋼鐵工業(yè)低碳技術的發(fā)展

　　根據美國鋼鐵協(xié)會（AISI）的統(tǒng)計數據，在過去的25年里，美國鋼鐵行業(yè)的噸鋼能耗已由1970年的32GJ下降到2009年的約15GJ，降低了60%。

　　上世紀六、七十年代以來，美國電爐鋼產量大幅增加，近些年其電爐鋼比例已超過60%，電爐煉鋼已成為美國最主要的煉鋼方法。

　　電爐鋼在美國迅速發(fā)展并超過轉爐鋼占據主導地位的原因，首先是美國擁有充足廉價的廢鋼、電力資源；其次電爐廠投資低、建設周期短、生產經營靈活，還有一個重要因素就是電爐短流程鋼廠在節(jié)能環(huán)保方面遠遠強于消耗大量焦炭、碳排放高的轉爐流程鋼廠。

　　能耗核算為15GJ/t鋼，按美國能源部能源信息署給出噸標煤的碳排放系數0.69計算，噸鋼二氧化碳排放量為1.3噸。噸鋼能耗和二氧化碳排放強度遠低于國際鋼鐵協(xié)會平均值。由此可見，鋼鐵生產流程的結構改變對鋼鐵行業(yè)二氧化碳減排有著巨大作用。

　　2004年2月，布什政府宣布了氣候變化行動將作為京都議定書的替代計劃。該行動計劃包括從2002年至2012年溫室氣體單位GDP排放量降低18%，加強能源部現存的溫室氣體排放自愿登記計劃，增加研發(fā)方面的聯邦資助，以及通過稅收刺激促進可再生能源的投資等。美國鋼鐵工業(yè)協(xié)會也正在自覺參與政府的削減溫室氣體排放的計劃，AISI提出了在2012年噸鋼鋼材能源消耗比2002年降低10%的目標。

　　美國能源部采取國際合作的形式，針對鋼鐵業(yè)開發(fā)了以下技術：無焦煉鐵技術，用轉底爐生產DRI或粒鐵作為電爐等的補充原料；LCS激光等直線測量系統(tǒng)測量轉爐和鋼包的耐火磚厚度，延長設備壽命，節(jié)省耐材能耗；高強度軋輥；DOC系統(tǒng)（稀釋氧燃系統(tǒng)），通過一個單獨的高速噴口噴燃氣和氧氣，使燃氣和氧氣在混合之前就加熱，可以提高軋鋼廠的產量和效率；鍍鋅板廢料鋅去除技術。

　　美國鋼鐵協(xié)會目前正致力于降低鋼鐵工業(yè)CO2排放的技術研發(fā)項目包括：

　?。?）用氫閃速熔煉生產生鐵（用氫做燃料），通過替代煉鐵生產過程中所用的煤和焦炭中碳，目前該研究仍處于初步階段；

　?。?）熔融氧化物電解研究，由MIT材料科學工程系科學家Donald R.Sadoway教授領導的科研團隊在實驗室利用環(huán)境更加友好的熔融氧化物電解工藝成功地獲得了生產鐵的新方法。熔融氧化物電解工藝與常規(guī)金屬生產技術有著明顯的不同，是將電流通過液態(tài)氧化鐵，分解成為鐵水和氧氣，生產完全不含碳的鐵，因此不產生二氧化碳；

　?。?）新型懸浮煉鐵技術、二氧化碳地質儲存研究等。

　　4.我國鋼鐵工業(yè)減排CO2的技術策略

　　縱觀國際鋼鐵行業(yè)減排溫室氣體的策略，歐盟減排溫室氣體的目標明確，減排的力度也比較大，他們根據自身廢鋼儲備量較大的特點，把增加煉鋼中廢鋼的比例、減少對鐵水的需求作為最有效的減少CO2排放的措施；日本鋼鐵業(yè)則在節(jié)能上狠下功夫，通過充分利用余熱回收能源和高效利用富余煤氣，提高能源效率；美國鋼鐵業(yè)通過提高電爐鋼比例，改變鋼鐵生產的流程結構，從而達到減排CO2的目的。

　　對于我國鋼鐵企業(yè)來說，實現CO2減排除了要借鑒國際鋼鐵工業(yè)的成功經驗外，還需要結合我國鋼鐵企業(yè)的特點，有的放矢地進行。一方面，我國鋼鐵企業(yè)大量高耗能設備依然存在，余熱、余能回收利用率低，導致我國鋼鐵企業(yè)能耗一直居高不下；另一方面，盡管電爐短流程噸鋼CO2排放量大大低于高爐——轉爐長流程的CO2排放量，但由于我國社會廢鋼積蓄量少、價格高，使我國鋼鐵業(yè)不可能像歐洲和美國鋼鐵業(yè)那樣通過大力發(fā)展短流程煉鋼來降低CO2排放水平。此外，若采用新的冶煉技術，如運用天然氣和氫氣作為還原劑，則現階段其來源和成本是個問題；若采用鐵礦的電解冶煉技術，因其耗電量大，對于現階段我國以煤為主的能源結構顯然是不切實際的。

　　從歐洲、日本和美國鋼鐵工業(yè)低碳技術的發(fā)展路線分析可知，未來我國鋼鐵工業(yè)需要在提高能源利用效率、加大二次能源的回收利用，開發(fā)突破性冶煉技術以及尋求利用新能源解決方案方面做出更多的努力。

　　4.1  提高能源利用效率

　　鋼鐵生產過程中使用的能源種類繁多，主要有原料煤、焦炭、副生氣體、電力、余熱等等。而這些能源的能級相差甚大，用能設備對能源的要求亦不相同。為了提高能源使用效率，必須分級用能，階梯利用，充分發(fā)揮各自的作用。

　　分級利用就是將一定的初始能量多次利用的一種方法，是一種為了不浪費能源而根據其特點物盡其用的方法。例如，對于高壓高溫蒸汽應先用于作功，然后再供熱、采暖等。

　　我國能源利用效率與發(fā)達國家相比存在一定差距，每噸標準煤的產出效率相當于美國的28.6%，歐盟的16.8%，日本的10.3%。我國鋼鐵工業(yè)的能源結構與韓國和日本相似，一次能源也是以煤為主，但韓國與日本鋼鐵企業(yè)單位鋼鐵產品的碳排放強度略低于我國，其差別主要是我國鋼鐵企業(yè)的能效較低。

　　提高能源利用效率就是要充分、合理、科學地利用好副產資源和高能高用、梯級利用、能級匹配、高效回收。

　　4.2  提高廢鋼鐵的利用率

　　在高爐——轉爐生產流程中，高爐的CO2發(fā)生量占總發(fā)生量的60%。因此，轉爐生產配入多少鐵水對鋼鐵廠產生的CO2排放量有直接影響。換言之，煉鋼時多配入廢鋼而少用鐵水就可以減排CO2。計算表明，轉爐減少10%的鐵水單耗，即可將鋼鐵廠的CO2排放量減少6%。

　　廢鋼是鐵礦石的替代品，據統(tǒng)計每年利用5000萬噸廢鋼可減排1億噸CO2。因為在鋼鐵生產流程中，能源消耗和污染排放主要集中在燒結、焦化、煉鐵等工序，而循環(huán)使用清潔廢鋼，是不經過這些高能耗環(huán)節(jié)，直接進入轉爐、電爐工序。據測算，與使用鐵礦石相比，用廢鋼煉鋼可節(jié)約能源60%、節(jié)水40%，減少排放廢水76%、廢氣86%、廢渣72%。同時，廢鋼還是一種可以循環(huán)利用的再生資源。每多用1噸廢鋼，可少用1.7噸精礦粉，減少4.3噸原生鐵礦石的開采。

　　4.3  加快淘汰落后產能

　　根據國務院已出臺的《鋼鐵產業(yè)調整和振興規(guī)劃》，將嚴格控制鋼鐵總量，加快淘汰落后。嚴格控制新增產能，不再核準和支持單純新建、擴建產能的鋼鐵項目，所有項目必須以淘汰落后為前提。目前，我國大中型鋼鐵企業(yè)在節(jié)能減排上取得的進步較明顯，但一些地方小鋼鐵企業(yè)由于工藝裝備落后，導致能耗較高、污染嚴重。世界先進焦爐炭化室高度在6m以上，我國主體水平僅為4.3m；先進大型高爐為3000m3-5000m3，我國主體水平為300m3-3000m3，先進煉鋼轉爐為200t-350t，我國主體水平為20t-100t。所以推進淘汰落后鋼鐵生產能力，也是鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的重要途徑。

　　4.4  提高二次能源利用率

　　鋼鐵工業(yè)的能源轉化功能體現在生產過程中所用煤炭的能值有34%左右轉化為副產煤氣（焦爐煤氣、轉爐煤氣、高爐煤氣）和生產過程中所產生的余壓、余熱、余能。據分析，鋼鐵企業(yè)所產生的二次能源量占鋼鐵企業(yè)總能耗的15%左右。日本新日鐵已將可回收的二次能源總量的92%進行了回收利用。我國寶鋼也回收利用了二次能源總量的77%，而大多數鋼鐵企業(yè)二次能源回收利用是在50%以下。如果我國鋼鐵工業(yè)能達到日本的二次能源回收水平，估計每年可以減排CO2 8000萬t。因此，加強二次能源的回收利用將是我國鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排的主攻方向。

　　4.5  開發(fā)突破性冶煉技術

　　今天的鋼鐵生產已經最佳地利用了能源。因此，為了進一步大幅度降低CO2的排放，需要從根本上開發(fā)新的鋼鐵生產工藝技術。由于現代煉鋼生產已經有很高的能源效率，并且可以大幅度降低CO2的排放，因而所謂的突破就是導致鋼鐵制造方式有重大改變的“新發(fā)現”。這就需要研究開發(fā)創(chuàng)新型的煉鐵與煉鋼生產工藝，通過利用再生炭資源或取消炭的使用，改變化石燃料的使用，開發(fā)出低碳或無碳鋼鐵生產工藝。如氫氣還原煉鐵技術，該技術最大的優(yōu)勢是高爐使用H2作還原劑可以實現快速還原，并且減少CO2的排放，這是非常有利于環(huán)保的煉鐵方法，但很難獲得廉價的氫氣，所以在氫源方面，有關副產煤氣的制氫技術受到重視。

　　4.6  開發(fā)利用新能源

　　我國鋼鐵企業(yè)應適時參與水能、風能、太陽能發(fā)電項目試點工作，充分利用鋼鐵企業(yè)的自身優(yōu)勢發(fā)展氫能產業(yè)，如日本焦爐煤氣重整后制成富氫煤氣輸入高爐，加速還原鐵礦石；歐洲也開始利用太陽能進行高溫冶煉研究；韓國POSCO也在開展核能一制氫一氫還原的前沿技術研究等。

　　5.結論

　　目前，我國鋼鐵工業(yè)能源消耗占全國工業(yè)總能耗的25%；新水消耗占全國工業(yè)用水總量的3%，廢水排放量占工業(yè)總排放量的14%，SO2排放量占工業(yè)總排放量的8%，固體廢物占工業(yè)廢棄物總量的16%。由于CO2既不是廢棄物也不是污染物，其排放指標目前還未列入國家考核企業(yè)的指標中。國家現已提出了到2020年的碳減排目標，未來肯定會對鋼鐵生產的碳排放形成約束，以促使鋼鐵行業(yè)在工藝、規(guī)模、技術等方面發(fā)生根本性變化，從而有可能導致行業(yè)新一輪洗牌。世界經濟走向低碳化已是大勢所趨。鋼鐵企業(yè)應未雨綢繆，高度關注國家碳稅政策制定的進展，盡早制定節(jié)能減排發(fā)展策略，研究和安排企業(yè)碳減排實施方案，使企業(yè)真正走上低能耗、低污染、低排放的經濟發(fā)展模式。

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