我國水泥和鋼鐵行業突破性低碳技術研究

佟 慶 魏欣旸 秦旭映 郭玥鋒

1.清華大學核能與新能源技術研究院

2.澳門科技大學商學院

3.清華大學核能與新能源技術研究院

4.北京航空航天大學蘇州創新研究院

0 前言

水泥和鋼鐵工業屬于我國高耗能行業[1]，為國民經濟做出巨大貢獻的同時，也是我國兩個主要的CO2排放行業。此外，水泥和鋼鐵行業已進入全國碳排放權交易市場[2]。根據能源統計數據[3]和國家溫室氣體清單數據[4]匡算，2017年水泥行業CO2排放量約為12億t，鋼鐵行業約為15億t。

這兩個行業的碳排放機理主要包括燃料燃燒排放、工業生產過程排放（水泥生產過程的碳酸鹽分解產生CO2排放、煉鋼過程的原料脫碳產生CO2排放）、電力消耗所對應的電力生產環節的排放（也稱間接排放）。

近年來，這兩個行業以節能和提高能效技術為主要途徑，通過減少燃料燃燒或電力消耗所對應的CO2排放，取得了一定的CO2減排效果，但隨著應對氣候變化國際形勢的發展以及全國碳市場的深入進行，水泥和鋼鐵行業在節能減碳方面會面臨越來越大的壓力，有必要進一步探討這兩個行業更為突破性、前瞻性的先進低碳技術[6]。

本文綜述了水泥行業和鋼鐵行業幾種突破性的低碳技術，介紹了這些技術的原理、減排效果、障礙及措施，以期對這兩個行業未來的減排提供一些借鑒。

1 水泥行業突破性低碳技術

水泥工業是國民經濟中重要的基礎產業，屬于能源、資源密集型行業，煤炭消費量基數大，是碳排放大戶。我國水泥產量占全球水泥總產量的60%，連續近三十年來居世界第一，CO2排放強度較高[7]。2014年發布的《國家應對氣候變化規劃（2014～2020年）》指導方針中指出“2020年水泥行業CO2排放量基本穩定在‘十二五’末的水平”。可見，水泥行業必須積極響應國家應對氣候變化戰略，實現水泥行業轉型升級。

碳酸鹽分解的工業生產過程排放是水泥行業最大的排放源（約50%～60%），其次是燃料燃燒排放（約30%～40%）。

水泥行業減排一般采用能效提高（節煤、節電）、燃料替代、熟料替代這幾種技術。提高能效水平是最直接有效的減排方式。近年來，我國水泥行業有關能效提高的生產技術取得較大進步，未來依靠提高能效的減排空間有限。用天然氣和生物質燃料來替代煤炭等傳統燃料的替代技術，雖然理論上減排潛力較大，但我國應用替代燃料的生產線較少，技術也受到法律和政策的制約。對于熟料替代技術，過低的熟料雖然降低了CO2，但也會造成大量使用混合材和摻和料，增加單位混凝土的水泥用量，對建筑物安全產生潛在影響。

因此，需要探索除這三種技術之外的更為突破性的技術。《國家應對氣候變化規劃（2014年～2020年）》中指出，“水泥行業要鼓勵采用電石渣、造紙污泥、脫硫石膏、粉煤灰、冶金渣尾礦等工業廢渣和火山灰等非碳酸鹽原料替代傳統石灰石原料”。為此，原料替代技術應成為水泥工業未來減排的突破性技術。此外，由于水泥生產產生的CO2中50%以上是無法避免的，因此，水泥行業采用CO2捕獲和封存技術（CCS），也是促進水泥行業未來減排的一項突破性技術。下面著重介紹水泥生料原料替代技術和碳捕獲和封存技術(CCS)。

1.1 水泥生料原料替代技術

理論上講，水泥原料中只要各化學組分配比合適，就能生產出合格的水泥熟料。傳統技術下，來自石灰石原料的生料碳酸鹽分解的碳排放比例較高，通常每生產1 t水泥熟料需要消耗約1.3 t石灰石原料，這些原料在高溫下分解會產生約42%的CO2，而采用含有CaO但CO2含量低的替代原料，就能有效降低水泥生產中工藝過程CO2排放。

目前，可采用其它原料替代石灰石原料的材料有電石渣、硅鈣渣、鋼渣、石英污泥、造紙污泥等，對這幾種替代材料的減排技術分析如下。

1.1.1 技術原理和減排效果

1)電石渣替代

電石渣是化工行業的廢渣，主要成分是CaO或Ca(OH)2，含量為65%～80%。電石渣的成分較為穩定，有害物質較少，可完全取代石灰石原料生產水泥。

根據劉晶等[9]開展的研究表明，以1條2 500 t/d水泥熟料的電石渣生產線為例，水泥熟料年產量70萬t，計算結果表明，與傳統采用石灰石作為鈣質原料的生產線相比，電石渣配料比例為60%時，單位熟料的工藝過程CO2排放降低227.5 kg，企業年度工藝減排CO2高達16萬t。

2)硅鈣渣替代

硅鈣渣是指用堿石灰石燒結法提取高鋁粉煤灰中氧化鋁產生的新型固體廢棄物，目前利用范圍局限，絕大部分都通過填埋方式處理，污染環境，侵占土地。硅鈣渣含有一定量的CaO，可以減少配料中石灰石的比例，這些經高溫煅燒的廢渣作為替代原料生產水泥，也可獲得一定量的CO2減排。

劉麗芬等[10]開展工業試驗研究表明，生料中摻入30%的硅鈣渣可生產合格的硅酸鹽水泥熟料，利用硅鈣渣替代石灰石在現有工業生產線上燒制水泥熟料是切實可行的。

根據劉晶等開展的分析表明，若采用30%硅鈣渣替代石灰石，所得單位熟料的工藝CO2排放量為437.1 kg，若不采用硅鈣渣替代石灰石，單位熟料的工藝過程CO2排放量為533.56 kg，因此單位熟料的工藝CO2排放降低96.46 kg。

3)鋼渣替代

部分水泥企業為充分利用當地資源，降低生產成本，采用鋼渣配料生產水泥熟料。根據劉晶等開展的研究表明，對比某公司采用鋼渣配料前后的生產數據，計算鋼渣的減排效果明顯。在原配料方案中，單位熟料的工藝過程CO2排放量為543.8 kg，采用生料中搭配使用約4%的鋼渣后，單位熟料的CO2排放量為539.4 kg，減排了4.4 kg CO2，此外鋼渣的使用還能明顯改善生料易燒性從而降低煤耗。

4)石英污泥替代

石英污泥是石英砂廠采掘的石英礦經破碎、水洗、篩選、烘干、提煉硅后剩下的廢污泥。石英污泥的主要化學成分為 CaO、SiO2、AL2O3、Fe2O3、SO3和MgO等，因此可以替代石灰石。此外，石英污泥為粉末狀物料，配料波動少，整體比較穩定，可用于改善生料的易磨性。根據馬源等[11]實驗和研究表明，相比傳統方案，在采用石英污泥替代原料后，標準煤耗從106.23 kg/t降低至103.88 kg/t，下降了2.35 kg/t。

5)造紙污泥替代

根據劉偉等[12]研究表明，經對某廢紙污泥渣進行化學分析，造紙污泥中含有 CaO、SiO2、AL2O3、Fe2O3、和MgO，而且其中Al2O3含量較高，對于生料配料來說是一種很好的鋁質校正原料，其余化學成分對熟料質量也基本不存在不良影響，而且污泥的熱值還比較高、可以充分利用其熱值燒成熟料。理論上每摻入1%的濕造紙污泥，噸熟料實物煤耗可降低1.91 kg。

1.1.2 障礙及措施

采用電石渣、硅鈣渣、鋼渣、石英污泥、造紙污泥等工業廢棄物用作替代原料，不僅能可靠、低成本地利用廢棄物，同時能有效減少工藝過程的CO2排放量。但是，也存在以下障礙限制這些原料替代技術在水泥工業中的應用和發展。

1)水泥產品性能障礙

與化石燃料產生的灰渣相比，某些替代材料的灰分具有不同的組分和含量，這些材料在窯中產生的熟料成分波動較大。如果熟料中磷元素超標，會降低生產水泥的早期強度并導致更長的凝固時間。此外，使用替代材料也會影響水泥的長期強度。因此，使用各種替代材料需要注意各種原料的配比以及對后續工藝流程做出調整，需要進一步加大研發和示范力度，摸索出成熟穩定的技術方案。

2)技術經濟障礙[13]

使用替代材料的額外成本主要包括加工工藝的研究、設計、建造等費用，以及原材料采購、處理和運輸費用等。因此，需要仔細評估替代原料的經濟性，并希望政府給予一些政策支持，也建議企業充分利用碳市場等激勵機制。

3)國家標準和市場接受度障礙

當地工業副產品市場和替代原料水泥生產許可條件也是阻礙替代原料技術在水泥工業中廣泛應用的障礙。此外，在一些國家和區域市場，國家標準與替代原料生產的水泥性質之間仍然不相容，還需要配套開展生產許可和標準制定或修訂等工作。

1.2 碳捕獲與封存技術（CCS）

1.2.1 CCS技術原理和減排效果

碳捕獲與封存技術（CCS）[14]是一項新興的、具有大規模減碳潛力的技術，可將水泥行業產生的CO2捕集并存儲于特定地質結構中，從而減少CO2向大氣的排放。劉虹等[15]研究推算表明，估計我國2020～2030年水泥行業利用CCS技術捕獲CO2的市場潛力在3億t～4億t左右。

1.2.2 障礙及措施

根據顧阿倫等[16]研究分析，水泥行業減排技術按照減排成本由低到高的排序為能效提高技術、燃料替代技術、混合水泥技術和CCS技術，可見CCS技術成本最高。這也是制約此項技術在我國應用和發展的主要障礙。

除此之外，此項技術本身還存在一定的技術難度和地質存儲潛力方面的不確定性，還需要認真分析和評估CCS技術路線，對適合中國發展的CCS技術進行重點研發與示范，并應加強CO2儲存的研究，對有可能最先作為CO2儲存的含油、氣、煤的盆地結構的地質進行重點調查研究，對于監測可能、儲存潛力、泄漏風險等方面進行全面調查與評估。

2 鋼鐵行業突破性低碳技術

李新創等[17]研究結果表明，在全球溫控目標2℃情景下，降低需求、能效提升、創新工藝為鋼鐵工業貢獻的減排潛力為46%、21%、33%。在1.5℃溫控情景下，降低需求、能效提升、創新工藝為鋼鐵工業貢獻的減排潛力為34%、16%、50%。可見，鋼鐵行業隨著溫控目標要求的提高，創新工藝對鋼鐵行業的減排作用更為凸顯。下面重點介紹相比傳統高爐煉鐵而言，具有突破性創新工藝的直接還原煉鐵技術和電弧爐煉鋼技術。

2.1 直接還原煉鐵技術

2.1.1 技術原理和減排效果

直接還原煉鐵技術[18]是以非焦煤為能源，在不熔化、不造渣的條件下，原料基本保持原有物理形態，鐵的氧化物經還原獲得以金屬鐵為主要成分的固態產品技術方法，是現代鋼鐵工業重要工序之一。

直接還原煉鐵技術按所使用的還原劑的形態分為氣基法（豎爐法、流化床法等）、煤基法（回轉窯法、隧道窯法、煤基豎爐法、轉底爐法等）。迄今為止，有數十種直接還原工藝實現了工業化生產，其中氣基豎爐占直接還原鐵的主導地位。

傳統的高爐煉鐵，鐵水的含碳量為4.50%，而鋼的含碳量平均為0.35%，因此采用高爐鐵水煉鋼，脫碳環節會排放約140～175 kg CO2/t鋼。對比而言，煤基直接還原煉鐵含碳僅為0.30%，氣基直接還原鐵含碳通常≤1.50%，用直接還原鐵煉鋼，脫碳環節可以減少向大氣排放約100～150 kg CO2/t鋼。

2.1.2 技術障礙及措施

我國直接還原煉鐵技術的主要應用障礙[19]有以下三種。

1)生產規模過小。中國直接還原鐵企業均采用煤基直接還原工藝，該方法通常單機生產能力均較小，多數直接還原鐵廠的年生產能力均小于5萬t。過小的生產規模不能形成規模效應，使工廠的原料組織、產品銷售及環保等環節都出現一些問題。豎爐氣基直接還原可實現大規模生產，是我國發展該技術的主要出路。

2)缺乏穩定的原料供應渠道。直接還原煉鐵技術必須采用高品質的原料，但我國缺乏適合直接還原鐵生產所用的高品位鐵礦石資源，如全部采取進口又面臨國際市場礦石價格不斷上漲的困難。建立國內外兩種資源組成的穩定暢通的原料供應渠道，是我國發展直接還原煉鐵技術的當務之急。

3)氣基直接還原發展緩慢。國外發展經驗表明，利用氣基豎爐法是迅速發展直接還原煉鐵技術的有效途徑，但我國由于受到天然氣資源的限制，氣基直接還原發展緩慢。煤制氣技術已成為化工行業的常規技術，使得煤制氣-豎爐工藝成為我國發展直接還原煉鐵技術的方向之一。但由于煤炭的使用越來越受到限制，需要尋找更清潔的制氫方法。張平等[20]研究表明，高溫氣冷堆核能技術最適合制氫，其產生的氫氣可以用于直接還原煉鐵，也即可以實現高溫堆制氫與直接還原煉鐵技術的耦合，這將大幅度降低鋼鐵冶煉過程中溫室氣體和其它有害物質的排放，可能帶來行業革命性的變化。

2.2 電弧爐煉鋼技術

2.2.1 技術原理和減排效果

電弧爐煉鋼以廢鋼或直接還原鐵為主要原料，用電弧的熱效應煉鋼。

相比以高爐鐵水為原料的長流程轉爐煉鋼技術，以廢鋼或直接還原鐵為原料的短流程電爐煉鋼節能減碳優勢明顯。采用電弧爐煉鋼，其制造每噸粗鋼的能耗和CO2排放分別為250 kg標煤和600 kg左右，而傳統的長流程煉鋼的能耗和CO2排放分別是750 kg標煤和2 000 kg左右[21]。

2.2.2 技術障礙及措施

一直以來，我國短流程電弧爐煉鋼發展速度不快，2015年電弧爐煉鋼占全部煉鋼產能的比例在6%左右，與美國63%、韓國30%、日本23%相比，差距較大。遇到的障礙主要有以下兩方面。

1)優質廢鋼資源緊缺。近10余年來，中國鋼產量高居世界之首位，然而由于總的廢鋼積累量不足，廢鋼資源緊缺導致的廢鋼價格較高制約了電弧爐煉鋼技術的發展。此外，隨著汽車、家電等包含各種有色金屬材料的大量使用，使得難以解體分離的產品不斷增加，優質廢鋼資源非常緊缺，造成廢鋼質量不穩定，殘留的有害元素富集、雜質較多。解決這一問題的主要方法為建設廢鋼回收、加工、配送體系，并采用有效提高去除并回收廢鋼中有害元素的技術，提高鐵與有害元素的分離率[22]。

2)電力緊張、發電能源結構不合理、電力成本較高。電弧爐是用電大戶，雖然近年來中國電力裝機容量迅速增長，但國民經濟其他部門和人民生活質量迅速提高，對電量的需求也快速增長，特別是中國發電技術構成不合理，火力發電所占比例仍然比較高，對化石能源依賴度較高，電力成本也較高。這就需要進一步優化電弧爐生產工藝，加強精細管理與操作，充分利用鋼水中化學反應產生的化學能和排放廢氣中的物理能，如二次燃燒技術和廢鋼預熱技術。同時，開發新型電弧爐，高效利用電能，降低電爐煉鋼能耗。

3 結語

技術進步是低碳發展的必由之路，本文介紹的這些突破性低碳技術無疑有著降低水泥和鋼鐵行業溫室氣體排放的巨大潛能，但要將其變為工程化應用的技術，還需要采取更強有力的措施來促進技術的研發創新動力、科研成果的轉化應用速度以及工業化應用進程。

建議我國政府主管部門、水泥和鋼鐵的行業主管部門把發展行業突破性低碳技術作為一項戰略性措施，加強頂層設計，統一規劃，制定科學的、超脫地方和部門利益的低碳發展路線圖。分清主次和輕重緩急，集中力量，圍繞重大關鍵技術進行聯合攻關，以期盡快掌握我國水泥和鋼鐵行業最急需的關鍵低碳技術。

此外，鑒于低碳技術國際轉移所面臨的各種障礙，且我國水泥和鋼鐵行業有其自身的國情和特點，在明確我國水泥和鋼鐵行業低碳技術發展的優先領域基礎上，必須立足于自主創新和研發，掌握自主核心技術，在此基礎上實現成果轉化和應用。