雙碳背景下耐火材料科技創新的思考

李紅霞

中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司 河南洛陽471039

習近平總書記在“領導人氣候峰會”上宣布：“中方力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。”碳達峰是指全國溫室氣體排放達到頂峰，碳中和是指碳生產和碳消納的平衡，實現碳負荷歸零。由于中國承諾實現從碳達峰到碳中和的時間，遠遠短于發達國家所有時間，需要付出艱苦的努力。“十四五”是碳達峰的關鍵期、窗口期。按照中央決策部署，中國將重點聚焦在構建清潔低碳安全高效的能源體系、實施重點行業領域減污降碳行動、推動綠色低碳技術實現重大突破、完善綠色低碳政策和市場體系、倡導綠色低碳生活、提升生態碳匯能力等方面。基于“碳達峰”和“碳中和”的雙碳目標，本文中主要圍繞高溫工業降碳綠色發展趨勢，指出了耐火材料科技創新的方向以及研究重點。

1 雙碳背景下耐火材料所服務的主要高溫行業的發展

據統計，2019年我國制造業占GDP比重為27.2%，典型流程工業包括石化、化工、鋼鐵、有色、建材等行業總產值占全國企業年總產值的51.98%。規模龐大的流程制造業背后是巨高的碳排放，其中，基礎原材料工業對CO2排放的貢獻占比70%，因為我國制造過程中高碳排放的生鐵、粗鋼、氧化鋁、水泥、10種有色金屬以及石化和化工產品等產量連續多年位居世界第一，這也是我國單位GDP能耗是世界平均水平的130%、碳排放量占世界的28%的主要原因之一。據測算，我國單位GDP能耗要達到目前世界的平均水平，意味著每年需減少10億t標煤的消耗，節能減碳潛力巨大［1］。因此，電力、鋼鐵、有色、化工、建材等高溫行業是我國節能降碳的重點領域，目前這些高碳排放行業已制定和推進碳達峰、碳中和行動方案和技術路線圖，在碳中和與去產能的巨大壓力驅動下，產業與產品結構調整、科技創新等全面發力，其碳達峰、碳中和時間表上均超前2030年和2060年。

耐火材料是高溫工業的重要支撐，不可或缺，其產業發展和科技創新與節能降碳重點高溫行業的發展和技術路徑息息相關，在雙碳背景下耐火材料的發展充滿了機遇與挑戰。

2 雙碳目標下鋼鐵行業的發展與冶金用耐火材料的科技創新

我國耐火材料產量世界第一，70%以上用于冶金行業，貫穿冶金始終。鋼鐵行業的發展、科技的創新與技術的進步顯著驅動耐火材料產業的發展和科技創新。

據統計，2020年全國生鐵、粗鋼產量分別為88 752萬t和105 300萬t，分別同比增長4.3%和5.2%。據統計，我國鋼鐵生產每年排放CO2超過19.6億t，占全國溫室氣體總排放的15%左右［1］，位居工業行業碳排放第二，鋼鐵行業的降碳壓力巨大，是減少碳排放的重點領域，其重點在排放占比為70%的煉鐵工序。

2021年初，中國寶武鋼鐵集團有限公司（簡稱中國寶武）率先向社會發布要提前實現碳達峰、碳中和的目標［2］：以優化管理、提升效率的路徑力爭2023年實現碳達峰；以技術創新、優化流程的路徑力爭2035年減碳30%；以工藝革命、流程再造的路徑力爭2050年實現碳中和。為此，中國寶武提出了“以綠色發展為統領，以低碳冶金和智慧制造實現鋼鐵生產過程的綠色化，以精品化實現鋼鐵產品使用過程的綠色化，為構建碳中和社會作貢獻”的綠色低碳發展思路。

河鋼集團有限公司在鋼鐵業內率先發布了低碳綠色發展行動計劃［3］。2021年發布低碳冶金路線圖，2022年實現碳達峰，2025年碳排放量較峰值降10%以上，2030年碳排放量較峰值降30%以上，2050年實現碳中和。

鋼鐵行業的節能減排離不開技術創新。中國寶武對低碳創新發展進行了探索與實踐，在非高爐煉鐵技術方面已有突破。在八一鋼鐵建設了非高爐煉鐵工藝的歐冶爐，基于COREX-3000的深入認識與實踐，對非高爐煉鐵工藝進行技術攻關與再創新。2019年，八一鋼鐵430 m3高爐改建成了富氫碳循環氧氣高爐，并與歐冶爐及其他輔助配套工藝裝備一起，成為寶武低碳冶金創新試驗平臺，并于2020年7月15日建成投運，在2020年實現了鼓風氧含量35%的第一階段試驗目標，突破了傳統高爐的富氧冶煉極限。河鋼集團有限公司大力實施氫冶金技術，率先在河北張家口建成全球首例120萬t氫冶金示范工程生產線，從制備綠色能源、低成本制氫、焦爐煤氣凈化、氫冶金、二氧化碳脫除等流程進行創新，解決鋼鐵冶金過程產生的環境污染和碳排放問題；“十四五”期間，在唐山、邯鄲分別建設120萬t產線，打造氫能還原與利用研發平臺；加快二氧化碳捕集利用與封存技術（CCUS）研發示范與應用；加快推進仿地幔鐵浴熔池技術的研發與應用。

煉鐵是鋼鐵行業突破節能減碳的關鍵工序。在非焦煉鐵方面，北京科技大學和建龍集團提出氫基熔融還原煉鐵新技術（CISP），避免燒結與焦化工序，實現粉礦直接入爐，該工藝對于礦粉的適應性強，可以處理高磷礦、釩鈦礦等。毛新平院士［4］曾在《碳中和背景下的近終形制造技術》報告中介紹到，2016年奧鋼聯提出了用氫離子進行最終還原精煉的SuSteel項目，即采用等離子氫作為燃料和還原劑實現鐵礦石直接煉鋼，可連續生產粗鋼，不需要傳統的煉鋼工序，該工藝涉及的技術包括氫等離子體焰炬熔煉爐、尾氣預熱和預還原鐵礦石。目前非焦煉鐵新技術的研究是國內外研究的熱點，主要有高比例球團高爐煉鐵、全氧富氫高爐低碳煉鐵、氣基豎爐富氫直接還原煉鐵、基于低階煤的富氫直接還原煉鐵、氫基熔融還原煉鐵，以及生物質煉鐵技術的研究。

此外，中國鋼鐵生產中CO2排放比長流程少45%的電爐短流程占比不到10%，遠低于美國62%、歐盟39%、日本22%的發展水平，也低于全球25.2%的平均水平。中國積蓄廢鋼資源量的不斷增長為發展短流程電爐煉鋼提供了有利條件，有序推進中國電爐煉鋼發展已成為業內共識。煉鋼新技術包括電爐煉鋼、CO2替代N2Ar轉爐底吹技術循環［5］及跨行業聯產技術和近終形鑄軋綠色低碳技術。

綜上所述，鋼鐵行業在如何減少CO2排放方面，主要聚焦于以下關鍵低碳冶金技術：一是尋求CO2在長流程鋼鐵工序內的規模化自我消化［5］；二是變革鋼鐵制造流程，發展短流程電爐煉鋼及近終形鑄軋技術；三是采用非化石氫冶金從源頭減少CO2排放；四是冶金—煤化工耦合冶煉直接還原鐵，探索煉鐵生產過程的負碳排放；五是研發高品質鋼鐵材料，提高壽命，減少資源消耗；六是能源替代和智慧制造，提高用能效率，降低排放。

因此，圍繞鋼鐵行業減污降碳、高質量綠色發展，耐火材料要重點開展以下內容：

（1）非高爐煉鐵用長壽命耐火材料的研究。關注非化石氫冶金，包括氣基豎爐還原和氫基熔融還原煉鐵、全氧富氫高爐低碳煉鐵、生物質煉鐵等技術，研究氫冶金用長壽命耐火材料，熔融還原煉鐵用長壽命耐火材料等關鍵材料。

（2）轉爐、電爐及精煉新技術用綠色功能化耐火材料的研究。轉爐底吹可以有效降低碳氧積，提高鋼水純凈度，但導致轉爐底部耐火材料損壞嚴重，尤其是底吹粉時壽命還不足2 000爐。高品質鋼生產的煉鋼新技術使耐火材料的服役環境更極端和復雜，包括更高的溫度，熔渣、熔融金屬及氣體的侵蝕，機械磨損，更劇烈的熱沖擊，更高的壓力和高溫真空。這些苛刻的服役環境向耐火材料工作者發出了挑戰。

（3）高品質鋼高效連鑄用耐火材料的研究。目前在澆鑄高品質鋼時存在的問題包括增碳問題（超低碳鋼），非金屬夾雜物問題，特別是簾線鋼、軸承鋼、稀土鋼等高品質鋼的問題更加嚴重；連鑄效率低，特別是合金元素如Mn、B、Ti、稀土等過多導致功能耐火材料蝕損壽命降低；澆鑄含Ti、Al、稀土鋼時浸入式水口堵塞，影響鋼的質量；高品質高溫合金生產用系列高性能耐火材料等。

（4）近終形連鑄用高品質耐火材料的研究。ESP、薄帶連鑄、非晶薄帶材生產用關鍵功能耐火材料，如浸入式水口、布流水口、側封板、噴嘴等。

（5）冶金高溫裝置熱管理用系列高性能節能耐火材料的研究。

（6）用后耐火材料及冶金渣的高值化利用。

3 耐火材料行業的挑戰和機遇

與雙碳目標、綠色發展、智慧制造、發展與安全等相關的系列政策將進一步驅動高溫工業科技創新，催生變革性高溫新技術不斷涌現，這將極大地推動耐火材料的科技創新和產業變革。此外，材料全生命周期碳足跡的核算，低碳綠色標準的建立，將使耐火材料產業發展面臨巨大挑戰，同時也將更充滿機遇和活力。但總體來講，隨著高溫工業碳達峰目標實現和技術創新，耐火材料發展總的趨勢是量降質增。

從雙碳目標、低碳綠色高質量發展角度看，我國耐火材料產業存在著一些突出的問題。首先是耐火原料出口多，我國耐火原料出口在世界占比高，各品級鎂砂、碳化硅、棕剛玉、白剛玉等碳排放量很高；我國耐火材料產量第一，其中不定形耐火材料占比低，高能耗的普通硅磚出口量大，綠色高品質材料占比較低，產品結構需要進一步優化；耐火材料制造以天然氣等化石能源為主，碳排放高；耐火材料制造過程能效與余熱廢熱利用率需要進一步提高；用后耐火材料再資源化利用率需要進一步提高。

在碳中和及所服務高溫行業新技術快速發展的背景下，耐火材料行業面臨嚴峻的挑戰。碳達峰、碳中和不僅是技術的選擇，更是發展權、發展方式的變革，因此耐火材料產業必須貫徹節能減排、低碳綠色等新發展理念，堅持供給側結構性改革，研究原料去碳化、能源減／脫碳化、生產制造流程減碳化、進一步提高能效、提高碳匯能力等。雙碳目標的實現，政策法規脫碳化會逐漸加強，脫碳化立法，碳配額、碳交易、碳稅、碳負面清單、碳規劃等對產業的發展在短期內從某種意義上將強過科技的進步，需要行業高度重視。

耐火材料行業要實現低碳排放、碳中和，還需要深度調整產業布局與結構，不僅要靠近原料更要靠近市場，淘汰落后產能和高能耗裝備；發展低碳排放的可替代原料；開發高性能材料，提高壽命與功能，以減少資源和能源消耗；發展節能減排關鍵技術，使用非化石清潔能源，提高能源效率；優化流程，推動智慧制造與綠色制造；抑制初加工原料、低端產品等高碳排放原材料的出口；發展碳吸收、碳消納的技術。

4 耐火材料行業科技創新的方向

圍繞鋼鐵行業產品高端化、智能化制造的高質量減碳綠色發展，耐火材料科技創新應聚焦減量化，開發高性能、長壽化、輕量化的產品；聚焦功能化，開發利于高品質鋼生產及提高高溫工業的能效的材料；聚焦綠色環保，開發減污降碳、環境友好、生態化、可循環利用的耐火材料；聚焦材料部件化，提高耐火材料在線檢測和智能化水平。耐火材料科技應從材料組成、結構設計、制備技術與材料應用工程等方面思考。

一是原料的減碳化研究。要創新耐火原料制備流程，發展低碳排放的可替代原料；發展基于產物氣循環利用菱鎂礦、白云石礦的綠色煅燒和CO2富集與利用技術；發展低碳排放的新型加熱技術，提高原料制備效率；開展輕質高強微孔骨料、燒結原料替代電熔原料的系統研究；發展新型綠色無機結合劑，替代酚醛樹脂、瀝青等碳排放高的有機結合劑；發展綠色添加劑、減水劑等表面活性劑；基于循環利用的原料價值鏈創新，提高用后耐火材料的高質量循環利用比例；聚焦提高低品質原料綜合利用率；發展冶金渣等固廢替代耐火原料技術。

二是先進高溫材料的研究與材料部件化研究。開展結構功能一體化設計，開展從納米到毫米的跨尺度材料復合、梯度結構復合、層狀結構復合、表面改性等研究，實現材料的高溫力學性能、熱物理性、功能性最優化調控；研究新型加熱技術用長壽命結構功能一體化高溫高透波長壽命爐襯材料、等離子加熱用高性能長壽命爐襯材料；垃圾焚燒及工業危廢無害化處理裝備用耐火材料；發展節能減排關鍵技術，開發高性能長壽命綠色高溫隔熱材料，提高能源效率；聚焦新能源領域用結構／功能新材料，研究高效、長壽、綠色煤氣化用新型耐火材料，燃氣輪機用新型高抗熱震及高隔熱功能耐火材料；跨專業開展多學科交叉的創新，融合材料、高溫傳感器、雷達監視與計算模擬等，使高溫材料模塊化、部件化，實現耐火材料服役在線監控和服役壽命的最大化。

三是耐火材料評價與方法創新。耐火材料在高溫復雜服役環境下，熱、力與侵蝕介質耦合作用機制研究，建立服役失效模型和數據庫，開展服役壽命與服役行為預測的研究，為不同環境用新型高效耐火材料的研發提供依據；開展耐火材料關鍵性能如抗熱震性、抗滲透性、抗侵蝕性、功能性等協同提升研究，基于材料化學與物理的組成與結構調控，梯度材料設計、微結構調控，結合熱力學模擬計算復合材料基因工程，進行新的高性能材料的設計與制備，并與實驗室高溫模擬驗證相結合，為研發服役行為優良、長壽且可靠的系列綠色耐火材料提供基礎。

四是制備技術減碳化發展。開展含骨料復雜形狀耐火材料均勻成型研究及近終形制備，以解決耐火材料結構功能化、輕量化、復雜形狀材料制備的關鍵共性技術；研發定形制品成型新裝備，提高效率減少能耗；研發燒結新技術新裝備，如采用微波燒結技術、等離子燒結等新技術；耐火材料制造流程的優化，減少工序能耗及工序界面熱損，推進智慧制造。

五是做好減碳基礎設施研究。耐火材料生命周期評估（LCA）法、碳足跡噸CO2排放的計算；企業碳排放核算與核查；核定行業碳排放總量；碳市場機制與碳管理；碳排放核算標準等行業低碳發展系列標準的制定等。這些均是提高用能效率、低碳綠色發展的基礎性工作，也是進入所服務行業的綠色通行證，對推動低碳技術發展和規范市場秩序具有主要作用。這些基礎工作都在聚焦一個“立”字，在實現耐火材料全生命周期的綠色化、促進高溫行業實現雙碳目標中將發揮重要作用。