四川釩鈦鋼鐵行業“碳達峰”形勢及路徑

陳 鋼，蒲 靈，李 懿，楊 超，馬又琳

(四川省工業環境監測研究院，四川 成都 610000)

鋼材由于具有良好的性能、相對低廉的成本，以及原材料易于獲取等優點，廣泛應用于生產和生活的各個領域，鋼鐵工業也因此成為中國國民經濟的重要基礎性行業[1]。統計數據顯示，2020年，中國粗鋼總量達到10.53億噸，成為世界鋼鐵產量增加的主要驅動力。

中國鋼鐵工業發展至今取得了舉世矚目的成就，然而，隨著其快速發展，一些問題也日益凸顯出來，資源、能源和環境問題逐漸成為鋼鐵工業可持續發展的掣肘[2-9]。作為典型的能源密集型行業，鋼鐵工業總能耗占全國工業總能耗的20%～25%，占全國總能耗的15%左右[10]。大量的含碳能源和資源消耗也帶來了CO2排放量居高不下問題，使得鋼鐵工業成為僅次于發電和建筑材料的第三大溫室氣體排放產業，貢獻了全國15%左右的溫室氣體排放量[11]。

四川省鋼鐵工業起步較早，發展較快，受益于近年來供給側改革、取締“地條鋼”、環保限產等一系列措施，現已培育了一批骨干企業和重點產品，全川形成了多家規?；恼庝撹F企業。2020年，四川生鐵、粗鋼、成品鋼材產量分別為2136.8萬噸、2792.6萬噸、3437.2萬噸。與2019年相比較，分別同比增長0.3%、2.2%和4.1%，其中，約三分之二來自于釩鈦鋼鐵。全省鋼鐵行業CO2排放量約5000萬t/a，占全省CO2排放量的15%，占工業領域碳排放總量的30%。

四川由于特殊的地理位置和資源稟賦，在省內鋼鐵行業“碳達峰”和“碳中和”工作中面臨不同于全國其它地區鋼鐵企業的特殊性和差異性，需要制定針對性的方案和實施路徑。

1 四川釩鈦鋼鐵的特點

1.1 資源特殊性

四川鋼鐵主要為釩鈦鋼鐵。釩鈦資源是我國重要的戰略資源，四川省擁有鈦資源保有儲量占全國的93%，居世界第一位，是全球釩鈦磁鐵礦的主要成礦帶之一。釩鈦鋼鐵大量運用于軍事、醫療、交通等領域，其中在我國目前已投運的高鐵中，有70%的鋼軌來自攀鋼含釩鋼軌；在醫療康復、航空航天、3D打印等多個領域的鈦合金產品，大多也來自四川。

按照四川省工業高質量發展規劃，釩鈦鋼鐵作為先進材料產業，計劃到2022年產業規模達到1.1萬億元[6]。打造攀枝花市創建釩鈦產業創新中心，建設世界級釩鈦產業基地[7]，將四川建設成為世界釩鈦產業基地的重要一環。在建筑用鋼方面，四川省內鋼鐵企業絕大多數以生產建筑用鋼為主，由于省內城市化進程加快，每年建筑用鋼的缺口在500萬噸以上。因此四川省鋼鐵市場是一個純輸入型的，鋼材需求旺盛。綜上，釩鈦鋼鐵不同于全國壓減鋼鐵產能的大趨勢，增加四川省的釩鈦鋼鐵產能是必然的選擇。

1.2 釩鈦鋼鐵生產特殊性

鋼鐵行業大致分為長流程和短流程兩種工藝。短流程相比長流程煉鋼擁有四大優勢。第一，投資總額省，約為長流程煉鋼的1/3～1/2；第二，建設周期短，短流程煉鋼新建生產線建設周期比長流程新建生產線的建設周期短一半以上；第三，短流程比長流程節省75%的能源消耗；第四，排放省。有研究表明，使用廢鋼的電爐短流程相較于長流程噸鋼可減少2/3 的CO2排放。按照國家規劃，到2025年短流程比例要達到20%以上。四川省擁有豐富的水電資源，結合四川省的特殊外部環境和內部需求，現有短流程比例以達到30%。綜上，相比國內其他省市，四川省的長短流程的比例更為合理。

1.3 釩鈦鋼鐵能源特殊性

四川省的水能資源約占75%，煤炭資源約占23.5%，天然氣及石油資源約占1.5%。四川省鋼鐵企業除去必要用煤的工序，在電能使用方面，特別是電爐煉鋼工序使用的電能，75%以上是清潔的水電。省內鋼鐵企業的能源結構相對合理。

2 四川釩鈦鋼鐵“碳達峰”面臨的主要挑戰

2.1 碳達峰與行業發展的現實矛盾

四川釩鈦磁鐵礦中鐵的品位低，硫含量高，焦鐵比高，導致了生產過程中SO2和CO2的排放量相比普通磁鐵礦都要高上不少。根據李建等[12]人的研究發現，燒結礦中TiO2含量在0.17%～2.38%，隨著燒結礦礦中TiO2含量每增加1個百分點，高爐鐵水產量預計降低3.04%，焦鐵比增加 11.01 kg/t。根據統計數據，全國高爐評價焦鐵比為 361.3 kg/t[13]，而四川釩鈦鋼鐵高爐焦鐵比大多處于 430 kg/t～500 kg/t[14]，這意味著以釩鈦鐵礦石的高爐每噸排放CO2的量要增加約0.2噸。

按照四川省工業高質量發展規劃，釩鈦鋼鐵作為先進材料產業，計劃到2022年產業規模達到1.1萬億元[6]。為了實現上述目標，四川省釩鈦鋼鐵產能在現有情況下，需要擬再新增1000萬t/a。意味著，流程大約還要增加CO2排放量2200萬t/a，約占四川現有鋼鐵行業排放量的40%。巨大的發展需求和碳達峰的現實壓力存在較大的沖突和矛盾。

2.2 能源結構調整和工藝節能的潛力較小

由于釩鈦磁鐵礦本身品位低，在鐵礦石選礦階段和鐵水煉鋼階段需要處理出鈦精礦以及釩渣，在煉鐵工序中增加了一級提釩工藝[2]。釩渣可進一步根據需要加工為五氧化二釩或釩鐵，增加了能源消耗，同時由于礦石中含鈦量較高，導致較普通鐵礦相比，高爐的焦鐵比更高。由于煉鐵過程中能耗水平的顯著增加，導致從工藝生產的特點決定了釩鈦鋼鐵生產過程能耗較普通鐵礦高，而四川省現有釩鈦鋼鐵行業外供電以清潔的水電為主，因此在理論上，釩鈦鋼鐵可供節能降耗的空間有限。

3 四川釩鈦鋼鐵“碳達峰”路線和建議

3.1 發揮優勢，統籌考慮釩鈦產業戰略

經上文分析可知，應適度發展釩鈦鋼鐵產業，發揮釩鈦產品的優勢，調整鋼鐵產品結構，增加含釩、含鈦鋼材的產量。結合廢鋼資源量，統籌考慮長短流程比例，短流程鋼鐵企業生產不易過快增長。

3.2 引入智能管理，提高生產效率，降低能耗

在鋼鐵行業中，智能管理可以應用在生產的各個環節，以提高生產效率，減少廢氣產生。比如，在轉爐，智能管理著重于端點控制技術、爐氣分析和聲吶排渣等；在電弧爐，引入智能管理可以有效控制電源；在鑄造方面，智能管理著重于鋼包渣檢測系統以及節能熄火等；在車間，通過大數據信息化管理可以有效控制鐵水穩定，鋼鐵標簽跟蹤以及智能控制鑄造機等使用[15-16]。引入大數據管理，可以有助于將減少煉鋼損失，降低能源消耗。

3.3 優化工藝流程，提高循環利用率

由于釩鈦磁鐵礦的資源稟賦及冶煉特點，可以通過改進材料處理系統，優化爐子設計和容易控制等方式來優化工藝流程。研究表明，通過優化工藝流程，改進工藝技術可以有效減排40%～45%，并且在鋼鐵工藝流程中，有30%～50%的余熱可以進行循環使用[17]。

3.4 大力開發實施超低排放技術，促進可持續發展

1)CO2捕集利用與封存技術。CO2捕集利用與封存(CCUS)是指將CO2從工業過程、能源利用或大氣中分離出來，直接加以利用或注入地層以實現CO2永久減排的過程。CCUS按技術流程分為捕集、輸送、利用與封存等，可以應用到鋼鐵大部分生產流程中[18]。

CO2利用：由于CO2的運輸和儲存涉及基礎設施、儲存條件等復雜因素，因此直接利用捕集后的CO2是一種有效且相對方便的方法。在鋼鐵行業中，利用CO2的方面有：將CO2用于混合鋼包中的鋼水，可以有助于除去爐內的雜質降低爐渣中的鐵的損失，并提高脫磷率，但由于CO2具有氧化腐蝕性，設備的使用壽命可能會降低；將CO2用于煉鋼過程中，在高溫下CO2與Fe、P、Si反應，這有助于減少氧氣與鐵水直接反應造成的揮發和氧化；將CO2替代N2作為保護氣體，由于CO2的物理和化學性質決定了其可以代替N2作為煉鋼的保護氣體，這有助于降低成品鋼中的氮含量和孔隙率，從而很大程度上減少鋼材的損失[19]。

CO2運輸：捕集的CO2運送到可利用或封存場地的過程。根據運輸方式的不同，分為罐車運輸、船舶運輸和管道運輸，其中罐車運輸包括汽車運輸和鐵路運輸兩種方式。

CO2儲存：通過工程技術手段將捕集的CO2注入深部地質儲層，實現CO2與大氣長期隔絕的過程。按照封存位置不同，可分為陸地封存和海洋封存；按照地質封存體的不同，可分為咸水層封存、枯竭油氣藏封存等。有研究表明，鋼鐵生產工藝中，能用到的CO2的量只占總排放量的5%～10%,意味著絕大多數的CO2需要貯存起來。

2)全氫高爐煉鐵技術。全氫高爐煉鐵技術被認為是鋼鐵生產技術中最有效的減排技術之一，核心原理是在煉鋼過程中使用氫氣來替代焦炭，關鍵環節為氫氣的制造以及其直接還原鐵的工藝。目前實際應用的氫氣有兩種，一種是由化石燃料產生的氫氣；另一種是通過可再生能源、廢熱以及核能產生的氫氣[20]。

3.5 積極探索跨行業合作

針對釩鈦鋼鐵的特殊性，應充分考慮釩鈦戰略資源的利用，積極探索釩鈦鋼鐵生產中副產品的高附加值利用。《關于推動鋼鐵工業高質量發展的指導意見(征求意見稿)》指出，推進產業間耦合發展，構建跨資源循環利用體系，力爭率先實現碳排放達峰。鋼鐵生產過程中，鋼鐵生產的副產品，如高爐渣，可以制水泥，而蒸汽和副產煤氣可以用于發電[21]。

4 結語

在當前“碳達峰”的要求下，減碳、降碳，應對氣候變化，是中華民族對世界的鄭重承諾。釩鈦鋼鐵的長流程、高耗能特點，導致CO2的排放量高于普通磁鐵礦，這是釩鈦鋼鐵必須要面對的問題。同時，四川省良好的清潔能源利用率、合適的長短流程比例都為下一步盡快實現達峰提供了有力保障。四川的釩鈦鋼鐵行業需要在低碳工藝研發、全流程工藝節能、超低排放技術運用等方面加大技術創新的力度和新技術的運用。在管理上，釩鈦鋼鐵應做好碳資產管理，為全行業盡快實現達峰和中和貢獻力量。