河北省鋼鐵行業綠色低碳技術發展的路徑

馬秀琴 ，林 虹 ，郭忠蓮 ，張旭升 ，曾亞軍

（1.河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300401；2.天津排放權交易所有限公司，天津 300450）

0 引言

鋼鐵行業是河北省的主要支柱產業之一，2021年河北省民營企業100 強名單中，有39 家來自鋼鐵行業，占比超過三分之一，河北省粗鋼產量已連續21年位居全國第一[1]。2021 年河北省粗鋼產量同比減少9.93%，占全國粗鋼產量的21.73%，雖然2021 年國內粗鋼產量近6 年以來首次出現同比減少，但在壓減鋼鐵產量、能耗雙控、京津冀鋼鐵行業錯峰生產等多項政策措施聯動約束下，從壓減絕對數量來看，河北省粗鋼壓減量最多，達到2480.5 萬t，占全國粗鋼壓減量的77.57%，超額完成壓減任務，因此，全國粗鋼產量占比降幅也較大[2]。河北省2018—2021 年粗鋼產量及全國占比如圖1 所示。

圖1 河北省2018—2021 年粗鋼產量及全國占比

鋼鐵行業是河北省制造業中能源消耗量和碳排放量最大的行業，在碳達峰和碳中和目標倒逼的大背景下，河北省鋼鐵行業成為節能減碳的重要領域，同時也是工業轉型、綠色低碳技術發展的主戰場。

1 河北省鋼鐵行業碳排放現狀

1.1 河北省鋼鐵行業各生產工序組成

2019 年，河北省綜合能源消費總量在1 萬t 標準煤以上的重點行業企業有413 家，其中鋼鐵企業149家。按照河北省2019 年的碳核查數據，河北省鋼鐵行業納入碳排放權交易的重點企業中獨立軋鋼企業約占53%，具體企業涉及生產工序及占比如表1 所示[3]。

表1 納入碳排放權交易的鋼鐵企業不同生產工序及占比

1.2 鋼鐵行業不同工序組合的企業碳排放量分布

根據2019 年碳核查數據顯示，河北省鋼鐵行業的碳排放總量為45 649 萬t CO2-e，由燒結、球團、煉鐵、煉鋼、軋鋼工序組成的企業碳排放總量最大，約為23 814 萬t CO2-e，占總排放量的52%；由燒結、煉鐵、煉鋼、軋鋼工序組成的企業，其排放總量為8310萬t CO2-e，占總排放量的18%；6 個工序均有的企業，其排放總量為6977 萬t CO2-e，占總排放量的15%。企業數量占比最多的獨立軋鋼企業，其排放總量為739 萬t CO2-e，僅占總排放量的1.6%[4]。河北省鋼鐵行業不同工序組合的企業碳排放量分布如圖2 所示。

圖2 河北省鋼鐵行業不同工序組合的企業碳排放量分布

2 河北省鋼鐵行業碳排放路徑及節能減排存在的問題

2.1 河北省鋼鐵行業主要生產環節的碳排放

在鋼鐵的生產過程中，所排放的溫室氣體主要是來自以煤為主的能源消耗，涉及CO2、CH4、N2O 等多種溫室氣體，但主要是CO2。鋼鐵生產中的溫室氣體排放源及溫室氣體種類如表2 所示。

表2 鋼鐵生產中的溫室氣體排放源及溫室氣體種類

2.2 河北省鋼鐵行業節能減排存在的問題

（1）鋼鐵生產中長流程占比高，碳排放總量大。從河北省不同鋼鐵生產工藝來看，含有燒結的長流程生產工藝CO2排放量最高，含有球團的長流程生產工藝次之，采用廢鋼電爐短流程工藝CO2排放量最低[5]。長流程的碳排放量遠高于短流程，且高爐-轉爐長流程噸鋼碳排放強度是電爐短流程噸鋼碳排放強度的3.2 倍。

（2）電爐煉鋼普及率低，廢鋼煉鋼技術有待于提高。2020 年，河北省短流程電爐鋼的比例僅為1.56%，目前河北省大型鋼鐵企業廢鋼煉鋼的主要設備為轉爐，隨著河北省鋼鐵產能減量置換及城市鋼廠搬遷改造，部分高爐-轉爐長流程將改為電爐短流程。隨著河北省短流程工藝占比提升，降碳效應將有顯著地轉變。

（3）工藝結構不合理，需提高能源利用效率。當前，在電弧爐短流程煉鋼、高爐大球團比冶煉、直接還原和熔融還原煉鐵技術方面仍有較大提升空間，應結合鋼鐵行業超低排放改造，持續提高燒結煙氣循環、燃氣蒸汽聯合循環發電、爐頂余壓發電、煙氣余熱回收、高爐渣余熱回收、鋼渣余熱回收、一包到底、高爐煤氣熱值提升等節能技術，進一步降低全行業能耗，減少行業碳排放總量。提高余熱發電機組的轉化效率，將中低溫余熱回收工藝改進為高溫高壓工藝，進而提高余能利用率，降低能耗。優化燒結煙氣循環工藝中的煙氣來源，提高高溫煙氣循環比例，進一步降低燒結工序能耗，減少碳排放量。

（4）各企業綠色低碳發展水平差異大。河北省是鋼鐵生產大省，但各企業的綠色低碳發展水平差異大。既有以河鋼為代表，注重能源管理，產品碳排放強度行業先進值的企業，也存在粗放管理，產品能耗大，排放高的企業。

（5）行業的節能低碳技術創新難。雖然國家推薦的重點低碳技術逐漸普及，但河北省針對鋼鐵生產自主研發動力不足、創新進度慢，國內外的新技術應用存在難度，如氫能煉鋼、氫氣直接還原、熔融電解鐵礦石等新技術，技術節能存在瓶頸。

3 河北省鋼鐵行業低碳技術發展所具備的優勢與路徑

3.1 河北省促進鋼鐵行業低碳發展所具備的優勢

（1）可再生能源領域發展勢頭良好。據統計，到2021 年底，河北省可再生能源并網裝機容量為5859萬kW·h。光伏發電裝機容量和風力發電裝機容量總和可達5467.6 萬kW·h，居全國首位，且這兩種可再生能源的裝機容量在國內均排在第二位。河北省列入國家整縣屋頂分布式光伏開發試點縣有37 個，在數量上排在全國第五位。2022 年，響應國家“雙碳”戰略，河北省安排的新能源項目規模接近5000 萬kW·h，已經超過整個“十三五”期間的新增裝機容量總和。此外，河北省政府通盤謀劃，從電力的“發、輸、儲、用”4 個環節提出具體舉措，明確“十四五”各年節點目標任務，以保證到2025 年河北省的可再生能源裝機容量能夠實現“倍增”，總規模達到11 400 萬kW·h 以上，完成投資超過3300 億元。

（2）河北省鋼鐵碳捕獲、利用與封存（carbon capture, utilization and storage, CCUS）技術發展潛力巨大。河北省目前已經在鋼鐵行業開展了CCUS 技術的可行性研究和建設，具體如表3 所示。

表3 河北省部分企業采用的CCUS 技術

其中首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司和德龍鋼鐵有限公司被列為河北省第一批二氧化碳捕集利用封存試點項目。根據國際能源署的預測，全球依靠CCUS 技術實現碳封存的規模將在2050 年達到76 億t，約占2020 年全球碳排放總量的22.4%。河北省2050 年實現碳封存的規模還遠遠低于國際水平，其CCUS 技術發展潛力巨大。

（3）發展氫能具有優勢。在氫能領域，河北省的發展領先勢頭良好。全省累計建成5 個可再生能源制氫項目，建成15 座加氫站，投運334 輛氫燃料電池公交車。國內首條百輛級別氫能重卡運輸線在保定市正式市場化運營，已形成完整產業鏈，年產值可達100 億元。特別值得一提的是，在北京冬奧會期間，張家口市日產17 t 的綠氫制氫能力，滿足了710輛氫燃料電池汽車的用氫需求。到“十四五”末，可培育10～15 家在國內氫能領域領先的企業，氫能產業鏈年產值達到500 億元。

3.2 河北省鋼鐵行業低碳技術發展的路徑

根據河北省鋼鐵行業的發展現狀，結合河北省在綠色電力和氫能領域的發展優勢，本文提出河北省鋼鐵行業低碳技術發展的路徑如下。

（1）優化工藝生產流程，以減少工業生產過程中的直接碳排放，由高爐-轉爐法轉向電爐冶煉法。

使用電爐冶煉法可以顯著降低煉鋼過程的CO2排放量，目前河北省電爐冶煉法產量占比有很大的提升空間，因此可以通過將鋼廠現有的大量高爐-轉爐生產線轉為電爐生產線來實現減碳。工業和信息化部在2020 年12 月31 日發布的《關于推動鋼鐵工業高質量發展的指導意見（征求意見稿）》，要求我國到2025 年電爐鋼產量比例提升至15%以上，力爭達到20%。

（2）在冶煉過程中使用可再生能源。為了減少電網耗電量導致的CO2排放，河北省鋼鐵企業可利用工廠廠房屋頂、車棚等鋪設光伏板，或在適宜的空地投建風機以提高自發電比例；也可以利用省內自有的風力發電和光伏發電優勢降低碳排放。在煉鋼過程中使用可再生的氫能逐步替代傳統化石能源。

（3）提升生產配套設施綠色水平。鋼鐵生產是復雜的系統過程，其中既涉及鋼的冶煉，也涉及物流運輸、庫存管理等配套服務。因此要實現碳中和目標的同時也要提升鋼鐵生產配套設施的綠色水平。

（4）針對鋼鐵生產特點開發和應用CCUS 技術。通過CCUS 技術可以將生產過程中排放的CO2進行提純，繼而投入新的生產過程中，實現CO2資源化利用。鋼鐵行業在實現碳中和的過程中如果完全消除對化石能源的消耗，不僅在技術上實現難度很大，而且在經濟上也會極大地增加鋼鐵生產成本。因此保留一定程度的化石能源使用可能是鋼鐵行業實現碳中和目標最現實的情景。在這種情景下，鋼鐵行業就需要使用CCUS 技術對這部分碳排放進行處理。

4 結語

根據2022 年1 月河北省政府出臺的《關于完整準確全面貫徹新發展理念認真做好碳達峰碳中和工作的實施意見》，結合河北省在綠色電力、氫能和CCUS 領域的發展優勢，本文提出河北省鋼鐵行業綠色低碳技術發展的路徑：①廢鋼電爐短流程煉鋼。廢鋼電爐短流程煉鋼屬于資源的再生循環利用，可以大幅度減少化石能源消耗和CO2排放。②充分發揮河北省在可再生能源領域的優勢，利用風力發電和光伏發電，然后電解水制備氫氣，用氫氣還原鐵礦石，從根本上杜絕CO2排放。③推動鋼鐵行業全生命周期的綠色低碳發展。選用低碳原材料，在物流運輸和產品庫存管理等環節采用低碳技術，全面推動鋼鐵生產全生命周期的綠色低碳發展。④大力發展CO2捕集與碳循環鋼化聯產碳負排技術，進一步深度脫碳。將鋼鐵生產過程中排放的CO2進行提純，繼而投入新的生產過程中，實現CO2資源化利用，為實現鋼鐵行業碳中和提供保障。