淺析如何依靠關鍵技術降低鋼鐵行業碳排放量

摘" "要：鋼鐵行業的主體責任不僅僅是發展經濟，也有對生態環境保護的責任。但目前該行業因為多種原因限制而導致碳排放量較高，所以面臨著減碳的巨大挑戰。為此，以關鍵技術創新為主要突破點，從去除過剩產能、行業全流程、氫冶金技術和節水減污技術研發四個角度出發，探索鋼鐵行業實現碳中和目標的技術方案，以促進鋼鐵行業的高質量發展。

關鍵詞：關鍵技術；創新；鋼鐵行業；碳排放

中圖分類號：F062.2" " " " 文獻標志碼：A" " " 文章編號：1673-291X（2023）22-0035-03

一、背景及現狀

鋼鐵材料的生產和消費是中國經濟發展的重要基礎，中國鋼鐵行業如若能夠實現發展質量的有效提高，那么就能夠助力中國經濟質量的高效發展。與此同時，鋼鐵行業又是深受關注的高碳排放行業。“碳中和、碳排放”戰略目標使鋼鐵行業的高質量發展面臨嚴峻挑戰，同時也是鋼鐵行業高質量發展進程中實現跨越式進步的重大契機。在此背景下，中國鋼鐵行業既有發展的機遇，也有發展的問題和挑戰。如何抓住機遇實現鋼鐵行業高質量發展、如何破解碳減排目標的挑戰是鋼鐵行業目前要解決的問題。

鋼鐵行業目前是能源消耗和碳排放的大戶，中國鋼鐵行業碳排放量占全球鋼鐵碳排放總量的60 %以上，占全國碳排放總量的15 %左右[1]。傳統粗鋼冶煉過程中主要應用化石燃料，現有的低碳關鍵技術因為廢鋼成本高的因素限制，使用占比很少，在現實中的應用并沒有得到普及。在冶金工藝過程中，雖然有一定的關鍵技術創新，但技術尚不成熟，也未得到實質性的應用。在將科技金融與環境管理相結合中建立的碳交易市場，是遏止碳排放的重要工具。目前，雖然對于鋼鐵行業碳配額的分配方法、分配基準線及排放量核算方面已經有了清晰的可操作的實際方法，但將鋼鐵行業納入全國碳交易市場的具體時間還未可知，基于此，碳交易市場工具能夠對鋼鐵行業碳減排的積極作用效果也受到限制。面對我國在鋼鐵行業方面降低碳排放強度和總量中遇到的現實瓶頸，從中國鋼鐵行業碳排放的角度去分析原因是科學有效的方法。思考如何利用低碳關鍵技術對中國鋼鐵行業碳排放的問題正本清源，能夠幫助低碳關鍵技術的研發，積極推動低碳關鍵技術的應用。為此，本文從中國鋼鐵行業碳排放的現狀出發，專注于探索鋼鐵行業碳排放的源頭渠道治理方案，從化解過剩的產能、全流程的監控減排、發展氫冶金關鍵技術和行業污廢水處理的技術等四個方面探索鋼鐵行業高碳排的原因，并基于原因分析的結果提出行業減排的技術解決方案。

二、鋼鐵行業高碳排放量原因分析

（一）鋼鐵行業產能過剩引致碳排放總量巨大

鋼鐵行業是為國家建設發展提供原材料的重要行業之一。我國工業化能力和水平的提升，促進了經濟發展，也引發了很多問題。其中產能過剩問題是鋼鐵行業發展所引發的問題之一，加之近幾年全球鋼鐵需求大幅下降，使之前就已經存在很久的鋼鐵產能過剩問題進一步加劇。鋼鐵行業主要涉及黑色金屬的冶煉及加工，在該行業的發展過程中需要消耗大量的能源。并且鋼鐵行業能源消耗的排放控制、利用效率、鋼鐵產品生產工藝方面的技術落后和過去鋼鐵行業生產重“量”輕“質”的現象，給我國的生態環境埋下了很多未解決的問題，這種未及時解決的問題積累過多就形成了鋼鐵行業高碳排量的后果。

（二）鋼鐵行業生產流程中的高碳排

在鋼鐵行業生產的整個流程中，各種各樣的能源一次性進入該流程。能源在生產的全流程中經歷著復雜的變化，有的能源在變化過程結束之后形成可繼續消耗的二次能源，有的能源伴隨著生產過程的繼續進展產生高碳氣體，從而污染環境。因此，鋼鐵行業生產全流程是一個存在各種能源的形態演變和有污染氣體排放的過程。但在鋼鐵生產過程中又存在著能源利用率低的問題，長流程的生產反而又是生產所必須具備的。鋼鐵行業高爐—轉爐流程是鋼鐵行業長流程過程中的主要流程。該流程的典型特征是鐵—煤化工過程，此過程中關鍵的技術問題是能源配置技術落后、集成度低，碳排放一直是處于高位狀態。在我國鋼鐵行業中生產操作過程中存在著操作水平較低、氧氣利用率低等問題，氧壓使用的不合理會導致能源消耗量過大，對整個行業的碳排放產生消極影響。電力消耗也是不容小覷的問題，電力的不合理消耗會導致鋼鐵行業和電力行業雙重碳排放的增加。綜上所述，我國鋼鐵生產全流程有著先進和落后技術并存，以及結構性矛盾異常突出兩方面的困擾。因此，若鋼鐵行業想要順利達成碳減排，那么流程碳減排是非常重要的一步。

（三）氫冶金技術不成熟

鋼鐵行業自身也在積極探索低碳能源技術，技術創新是轉化能源結構的必由之路。氫能因其易獲取、多用途以及自身具有清潔低碳的屬性已經被多國鋼鐵行業使用。氫冶金技術的原理是將用于原有生產鋼鐵的原材料替換為氫，以此來減少長流程煉鋼的碳排放。這是目前各國積極探索得出的鋼鐵行業的重要減碳途徑之一。現有的利用氫冶金技術主要有兩種技術手段，一種是高爐富氫冶煉技術，另一種是氫基直接還原技術。其中，高爐富氫冶煉由于改造成本較低、富氫氣體易獲取、可操作性強，被認為是從現階段的“碳冶金”過渡到“氫冶金”的橋梁[2]。但是，這并不意味著高爐富氫冶煉可以快速發展成為主流技術。因為該技術的先決條件是擁有完整、可持續且高效運轉的配套綠氫產業鏈，其中氫氣能源高效的獲取源頭涵蓋在完整的產業鏈中，必須要保證氫氣氣源能夠安全運輸，并且在長距離儲運時保證合理供需，配置完善的資源環境。可現實是，上述多環節的獲取途徑構建得并不完善。在氫氣氣源問題上，制氫的方式還存在著高碳排的現實問題。結合氫氣轉化效率和氫冶金在實現過程中的挑戰，故而該工藝僅限于中短期過渡使用，并不是一種長期的解決方案。

（四）鋼鐵行業節水減污技術研發力度弱

鋼鐵行業的生產過程包含多種化學變化和物理變化，對水資源的整合利用也是該行業生產關鍵環節之一。因此，對鋼鐵行業精細化用水、綠色節水和低碳治污提出了更高的技術要求和管理要求，并因此建立了鋼鐵行業降碳排的新方向。目前我國鋼鐵行業生產過程中，水資源的利用和水污染治理還不能做到有效同步。行業發展過程中對于水污染末端治理力度不夠，用水用能效率還需要很大的提升空間來滿足目前行業低碳發展的控制需求，因此，急需推進污染控制與碳減排統籌。另外，我國地域幅員遼闊，各個區域之間存在水資源分布與鋼鐵行業的布局匹配度較低的問題，水資源高效利用和污染深度治理成為鋼鐵行業當前面臨的重要環保難題之一[3]。目前，大型鋼鐵企業與城市之間的物質流、能量流和水資源的交互關系研究缺乏，鋼鐵與城市聯系單一，鋼鐵企業三廢排放對一部分城市的環境承載力造成嚴重威脅[4]。

三、發揮關鍵技術對降低鋼鐵行業碳排的積極作用

（一）推進關鍵技術創新，使其在化解產能過剩中發揮作用

我國目前主要是從供給側著手解決鋼鐵行業產能過剩問題，并且未來還會進一步推進供給側結構性改革，從而提高行業供給質量。而提高供給質量的方法之一就是利用技術為其賦值。“中低端水平”一直是我國鋼鐵行業整體布局的固有標簽，而創新行業技術是目前打破這個固有標簽的方法。技術創新首要前提是培養符合創新需求的人才，而高校是人才培養的主陣地。因此，需要積極推動鋼鐵行業與高校的合作，培養能夠支撐行業技術創新的人才。但是，人才培養是一個長期過程，在符合技術創新要求的人才培養周期內，需要政府作為主要的干預力量對鋼鐵行業進行引導和監督，倒逼企業主動以市場需求為導向，主動遵循鋼材產品的相關標準，主動實現供給端與需求端的精準對接。

（二）生產全流程與關鍵技術創新融合

鋼鐵行業要利用低碳的生產手段，著力在該行業發展可循環的低碳經濟。可以推動行業全流程的轉型升級為技術目標，推進建立可循環的綠色鋼鐵生產長流程。為此，需要考慮從源頭生產流程的技術性減排，以達到從源頭進行碳排管控的目的。鋼鐵行業應進行碳源技術的改造，從源頭上提高技術標準，嚴把原料質量關。研發在全流程的過程中高效率治理監控技術，結合自身的生產技術特點，有的放矢地對鋼鐵行業自身排放源進行全面檢查，針對鋼鐵生產全流程能量的運行和轉換情況，制定符合自身的排放情況治理技術路線。積極推進低氮化的燃燒技術改進，改進噸鋼余熱余能回收技術，提高減排技術的效率。著力提高行業檢測分析技術能力，大力加強控制設備的智能技術研發，提升利用智能技術分析和應用。政府方面要鼓勵支持行業企業實施高級排程系統，從產學研相結合方式加快攻克氫冶金技術難題，對于行業排放提出具體的限值要求，對行業的低排放改造技術的路徑提出明確要求。

（三）行業內部加快實現氫冶金技術突破

從冶金技術的角度來思考低碳排的路線研究發現，氫氣冶金是目前的主流發展路線。雖然該方法有效，但可行性仍然有待商榷。因為目前還不具有成熟的氫氣氣源的提取技術，所以目前的核心要點是實現氣源技術的創新。為此，提倡開展符合該行業發展情況的氫氣氣源冶煉關鍵技術的研發。氣基豎爐直接還原技術是該關鍵技術的創新方向，該技術融合了熱力學和動力學等多個學科。氫冶金技術的突破要結合多個學科專業，推進化工行業和冶金技術行業的合作研發，積極探索利用電解水高效制氫的技術路徑，解決我國目前氫冶金技術方面存在的資源匱乏、成本高等問題，實現氫能生產的綠色低碳化。高效的市場技術研發離不開政府的支持。政府應結合先前制定的氫冶金發展計劃形成相應的技術路線，結合相關產業鼓勵政策，宏觀整合不同區域資源，在符合發展條件的地區推進氫冶金技術產業的產業化發展。另外，各國的資源稟賦有所差別，借鑒國外技術對于我國氫冶金技術的發展有著重要意義。為此，需與國外開展積極合作，依托我國目前具有的科研技術基礎，結合國外氫冶煉技術裝備，實現裝備技術研發與創新。鋼鐵行業企業自身需加快制定企業氫冶金戰略規劃，做好氫源技術開發、氫冶金技術市場調研、能源技術評估等工作，并避免行業受到投資風險的沖擊。

（四）構建多層次節水減污技術體系

鋼鐵行業冶金工程中的供給水和給排水是一個復雜且系統的應用技術。該行業會產生大量廢水，出于減少碳排的目的，應該重視鋼鐵行業廢水重復利用的技術系統構建。在鋼鐵行業節水減污的技術體系中，首要的是對鋼鐵行業結構性減污水平能力的測度。在行業生產理念中要強調行業全流程的污水治理，生產過程上要秉持節約用水的生產理念，要提高用水和廢水回收效率，以滿足鋼鐵行業的可持續發展需要。大力推動污水循回利用和資源化，推進工業污水資源化[5]。設置污水排放的總量指標要求，實現對排放的精準把控，推動鋼鐵行業開展水污染防治技術研發，構建低碳生產流程。對鋼鐵行業的生產用水及排出廢水，建立可以參照的行業水質技術檢驗標準，通過試驗和技術經濟等方面的綜合比較，結合比較結果制定用水標準。另外，對于鋼鐵行業用水量巨大問題，可以考慮將城市居民的生活廢水處理后用于鋼鐵行業的生產。鋼鐵行業生產園區的水資源合理調配也是需要考慮的重要方面，需要基于鋼鐵的生產周期和不同工序形成系統的調配安排，并借助人工智能技術對行業供給和用排水系統進行周期監控。要設置高效合理的生產全流程的行業水資源量化調控技術，由原來人工為主的低效管控模式向高效智能化的管控模式發展，并且引入以行業生產和污染控制為主要內容的數據庫技術，構建專業化、范圍廣和周期長的鋼鐵行業水源處理與回收利用的核心技術數據庫。在生產用水的水處理過程中使用大數據分析方法，利用數學模型精準模擬水資源循環過程的碳排放情況，研究水資源短程循環回收利用過程中的污染物最低排放技術，開發低碳的廢水處理工藝。

四、結論

鋼鐵工業不僅是國民經濟的壓艙石，而且是我國走向世界、引領全球的優勢產業之一，因此，必須將綠色發展注入鋼鐵行業，從而形成行業高質量發展的生態底色。但同時也要看到，鋼鐵行業由于產能總量大、生產全流程中碳排總量高、氫氣煉鋼技術的不完善和煉鋼過程用水不合理等原因使得碳排放嚴重。鋼鐵行業技術創新過程是實現碳中和目標的主要過程。鋼鐵行業的低碳發展需要構建更合理的供給體系，對生產全流程過程優化，推動氫氣煉鋼的技術突破和多個產業的協同，通過科學的技術路徑選擇和系統方案的實施，實現我國鋼鐵工業的碳中和戰略目標。

參考文獻：

[1]" "張琦，張薇，王玉潔，等.中國鋼鐵工業節能減排潛力及能效提升途徑[J].鋼鐵，2019，54（2）：7-14.

[2]" "姚同路，吳偉，楊勇，等.“雙碳”目標下中國鋼鐵工業的低碳發展分析[J].鋼鐵研究學報，2022，34（6）：505-513.

[3]" "謝勇冰，張笛，趙赫，等.“雙碳”戰略下鋼鐵行業節水減污技術發展的探討[J].過程工程學報，2022，22（10）：1425-1428.

[4]" "張慶芝，何楓，雷家骕.技術效率視角下我國鋼鐵企業節能減排與企業規模研究[J].軟科學，2013，27（8）：6-10.

[5]" "韓麗娟，張淑芝.工業生產實施污水資源化問題探討[J].水資源保護，2003（5）：45-46.

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