河南省鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)展方向研究

常德政 施 琪 常勝利 魯然英 張繼光

（1.河南省冶金研究所有限責(zé)任公司；2.河南省金屬學(xué)會(huì)；3.河南濟(jì)源鋼鐵（集團(tuán)）有限公司）

0 引言

鋼鐵行業(yè)為國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，我國鋼產(chǎn)量在1993 年超越美國，1996 年鋼產(chǎn)量破億、超越日本，從此躍居全球第一[1]。鋼鐵行業(yè)是我國污染物和碳排放的重點(diǎn)行業(yè)[2,3]，其中主要污染物排放量占全國總排放量的7%～10%[4]，碳排放量占全國總排放量的15%左右[5]，鋼鐵行業(yè)的綠色低碳發(fā)展是我國改善環(huán)境空氣質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)碳中和的重點(diǎn)領(lǐng)域和關(guān)鍵步驟。

截至2 0 22 年底，河南省擁有煉鐵產(chǎn)能3 352 萬t/年，煉鋼產(chǎn)能3 886 萬t/年，粗鋼產(chǎn)能居全國第9 位；2022 年河南省粗鋼產(chǎn)量3 187.24 萬t，產(chǎn)量居全國第10 位。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，河南省鋼鐵企業(yè)在裝備水平、節(jié)能降耗、綠色低碳方面有了長足的進(jìn)步，但從整體情況看，裝備水平偏低、原料結(jié)構(gòu)不合理、規(guī)模化效益差、能耗水平和污染物排放水平還有提升空間。因此，研究和推進(jìn)河南省鋼鐵行業(yè)的綠色低碳發(fā)展，是在雙碳背景下，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展亟需解決的問題。

1 河南省鋼鐵行業(yè)現(xiàn)狀

河南省現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)19 家，其中長流程鋼鐵13 家，短流程鋼鐵6 家，截止2022 年底，粗鋼產(chǎn)能3 886 萬t/年；鋼鐵企業(yè)分布在安陽、平頂山、信陽、南陽、濟(jì)源、鄭州、焦作、商丘、周口等9 個(gè)地市，如圖1 所示。其中，安陽、鄭州、焦作三地屬于京津冀大氣污染傳輸通道城市，為大氣污染防治重點(diǎn)區(qū)域。

圖1 河南省鋼鐵企業(yè)地理位置分布

河南省大氣污染防治重點(diǎn)區(qū)域粗鋼產(chǎn)能2 496 萬t/年，占全省產(chǎn)能的64%；非重點(diǎn)區(qū)域粗鋼產(chǎn)能1 390 萬t/年，占全省產(chǎn)能的36%。河南省鋼鐵企業(yè)污染防治要求高、任務(wù)重。

1.1 燒結(jié)

河南省鋼鐵企業(yè)有燒結(jié)機(jī)23 座，主要分布在安陽、信陽、濟(jì)源、商丘和平頂山；其中小于180 m2的燒結(jié)機(jī)8 座，180～300 m2燒結(jié)機(jī)8 座，大于300 m2的燒結(jié)機(jī)7 座；總體燒結(jié)產(chǎn)能在5 200 萬t/ 年，其中小于180 m2的燒結(jié)產(chǎn)能1 000 萬t/年，占總燒結(jié)產(chǎn)能19.2%，具體如圖2所示。

圖2 河南省燒結(jié)機(jī)規(guī)模及區(qū)域數(shù)量分布情況

1.2 球團(tuán)

河南省鋼鐵企業(yè)有球團(tuán)生產(chǎn)線8 條，分布在安陽、平頂山、信陽、濟(jì)源和南陽市；其中采用鏈篦機(jī)回轉(zhuǎn)窯工藝的有3 條，其中僅有1 條生產(chǎn)線規(guī)模達(dá)到120 萬t/年，5 條生產(chǎn)線為豎爐工藝，年產(chǎn)球團(tuán)礦約450 萬t；再考慮非鋼鐵企業(yè)每年可以提供的球團(tuán)數(shù)量約200 萬t，河南省鋼鐵行業(yè)球團(tuán)礦總量約650 萬t/年，球團(tuán)礦占高爐原料比約11.1%。河南省球團(tuán)企業(yè)情況具體如圖3 所示。

圖3 河南省球團(tuán)企業(yè)情況

1.3 煉鐵

河南省共有高爐31 座，主要分布在安陽、濟(jì)源、南陽、信陽、商丘、平頂山；大于1 200 m3的高爐有13 座，500～1 000 m3的高爐有12 座，小于500 m3的高爐有6 座；限制類高爐數(shù)量占58%，產(chǎn)能占38.2%，具體如圖4 所示。

圖4 河南省鋼鐵企業(yè)高爐情況

1.4 煉鋼

河南省有轉(zhuǎn)爐32 座，主要分布在安陽、濟(jì)源、南陽、信陽、商丘。大于100 t 的轉(zhuǎn)爐13 座，小于100 t 的轉(zhuǎn)爐19 座；河南省有電爐8 座，主要分布在平頂山、鄭州和焦作，大于100 t 的僅有1 座，其余7 座均小于100 t。轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)能3 436 萬t/a，占河南省粗鋼產(chǎn)能的88.4%；電爐煉鋼產(chǎn)能450 萬t/a，占河南省粗鋼產(chǎn)能的11.6%。小于100 t 的限制類轉(zhuǎn)爐、電爐煉鋼產(chǎn)能1 951 萬t/a，占河南省粗鋼產(chǎn)能的50.2%。河南省鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐情況如圖5 所示，電爐情況如圖6 所示。

圖5 河南省鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐情況

圖6 河南省鋼鐵企業(yè)電爐情況

1.5 污染物排放水平

近年來，河南省不斷推進(jìn)鋼鐵企業(yè)超低排放改造和工業(yè)污染源深度治理工作，行業(yè)減排效果顯著。查閱河南省19 家鋼鐵企業(yè)排污許可證和2022年度執(zhí)行報(bào)告情況，河南省鋼鐵企業(yè)顆粒物、二氧化硫、氮氧化物許可排放量分別為18 875.85 t/a、15 185.54 t/a、29 519.2 t/a；按滿負(fù)荷狀態(tài)下折算，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物實(shí)際排放量分別為11 422.33 t/a、5 780.57 t/a、15 041.08 t/a，具體情況如圖7 所示。

圖7 河南省鋼鐵企業(yè)污染物排放情況

經(jīng)過近幾年超低排放改造，污染物排放水平有了顯著下降，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物實(shí)際排放績效水平分別為0.294 kg/t 粗鋼、0.149 kg/t 粗鋼、0.387 kg/t 粗鋼。

1.6 能耗及碳排放水平

根據(jù)2021 年河南省度鋼鐵行業(yè)能效對(duì)標(biāo)核查和溫室氣體排放清單統(tǒng)計(jì)，河南省鋼鐵行業(yè)綜合能耗為552 kgce/t 粗鋼，全年總能耗為2 145.1 萬tce；碳排放量為5 586.38 萬t，具體見表1。

表1 河南省鋼鐵行業(yè)能耗及碳排放情況

對(duì)比2020 年全國鋼鐵行業(yè)噸鋼綜合能耗545.27 kgce[6]，河南省鋼鐵企業(yè)在多數(shù)沒有焦化的情況下，噸鋼綜合能耗552 kgce，說明在能耗和碳排放方面，還有較大的提升空間。

2 河南省鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)展方向

2.1 優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，整合產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)裝備大型化

河南省鋼鐵行業(yè)總體規(guī)模偏小，產(chǎn)能超過500 萬t 的只有安陽鋼鐵集團(tuán)有限公司1 家，多數(shù)產(chǎn)能都在100～200 萬t 之間，不具有規(guī)模效應(yīng)，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重；分布在河南省的9 個(gè)地市，除安陽市具有一定集聚效應(yīng)外，其他地市多是1 家鋼鐵企業(yè)獨(dú)立發(fā)展；河南省鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)裝備水平相對(duì)落后，34.7%的燒結(jié)機(jī)、87.5%的球團(tuán)生產(chǎn)線、58%的高爐、50%的轉(zhuǎn)爐、87.5%的電爐設(shè)備均屬于限制類生產(chǎn)裝置；以上三個(gè)方面的關(guān)鍵因素，導(dǎo)致本就沒有原料運(yùn)輸優(yōu)勢的河南省鋼鐵行業(yè)，在單位產(chǎn)品物耗、能耗、污染物排放等方面，與國內(nèi)先進(jìn)鋼鐵企業(yè)有較大差距，亟需整合鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能，加快淘汰落后產(chǎn)能，優(yōu)化鋼鐵產(chǎn)業(yè)空間布局，分區(qū)域建設(shè)不同鋼鐵產(chǎn)品類型的生產(chǎn)基地，實(shí)現(xiàn)裝備大型化改造，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈、價(jià)值鏈向高質(zhì)、高端、高附加值邁進(jìn)。

在鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能整合和裝備大型化的過程中，嚴(yán)格按照國家《鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能置換實(shí)施辦法》，嚴(yán)格控制在大氣污染重點(diǎn)區(qū)域新增鋼鐵產(chǎn)能。考慮到河南省的鋼材年消耗量大約為6 000 萬t，是一個(gè)鋼材凈流入省份，可適度以非重點(diǎn)區(qū)域的鋼鐵企業(yè)為依托，特別是空氣質(zhì)量相對(duì)較好的信陽、周口等地，形成幾個(gè)約500 萬t 級(jí)的鋼鐵企業(yè)，不僅有利于原料、物料的統(tǒng)一調(diào)配，形成一定的集聚優(yōu)勢，降低成本，也有利于技術(shù)進(jìn)步和減少污染物排放，提升企業(yè)競爭力；預(yù)計(jì)通過裝備大型化改造，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排在5%左右。

2.2 全流程優(yōu)化工藝過程，提高球團(tuán)比例

立足現(xiàn)有的主體工藝和裝備水平，通過調(diào)整和優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)、工藝結(jié)構(gòu)和用能結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新鋼鐵制造工藝流程、提升流程效能，從而降低污染物排放。特別是提高球團(tuán)礦比例，燒結(jié)機(jī)煙氣循環(huán)，一罐到底和熱裝熱送等流程優(yōu)化；同時(shí)考慮廠區(qū)平面布置的調(diào)整和廠內(nèi)物料的轉(zhuǎn)運(yùn)方式，減少廠內(nèi)運(yùn)輸車輛倒運(yùn)，避免落地礦，從清潔運(yùn)輸方面減少污染物排放和能源消耗，這也是河南省鋼鐵企業(yè)綠色發(fā)展之路。

按照《排污許可申請(qǐng)與核發(fā)技術(shù)規(guī)范 鋼鐵工業(yè)》的相關(guān)要求，參考設(shè)計(jì)基準(zhǔn)廢氣量和排放績效水平，以河南省現(xiàn)有燒結(jié)礦產(chǎn)能和球團(tuán)礦產(chǎn)能為基礎(chǔ)，核算不同球團(tuán)比例情況下，大氣污染物排放量的變化情況，具體如圖8 所示。

圖8 不同球團(tuán)比例情況下污染物排放情況

按球團(tuán)比例從現(xiàn)在的11.2%提升到50%的情況進(jìn)行估算，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放量將從現(xiàn)有的7 125.3 t/a、5 669.3 t/a、8 099 t/a、677.9 萬t/a 減少到6 043.05 t/a、5 027.6 t/a、7183.8 t/a、532.5 萬t/a，降低幅度至少達(dá)到15.1%、10.7%、10.6%和21.5%，能耗也同步減少21.5%。通過全流程優(yōu)化，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排15%以上。

2.3 提高電爐鋼比例，適度增加非重點(diǎn)區(qū)域鋼鐵產(chǎn)能

在產(chǎn)能不變的情況下，提升電爐鋼的比例，是明顯的降碳措施[7,8]。按照河南省現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)產(chǎn)能和污染物排放績效水平，核算不同電爐鋼比例的情況下，全省鋼鐵產(chǎn)能顆粒物和二氧化碳排放量；并考慮設(shè)定50%電爐鋼比例、適度增加鋼鐵產(chǎn)能的情況下，河南省鋼鐵行業(yè)顆粒物和二氧化碳排放量，具體計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同產(chǎn)能不同電爐剛比例下河南省鋼鐵行業(yè)主要污染物排放量預(yù)測

保持現(xiàn)有粗鋼生產(chǎn)能力不變的情況下，如果電爐鋼比例由現(xiàn)在的11.58%提升到50%，那么顆粒物的年排放量將降低2 941 t，二氧化碳的將降低1 836.39 萬t，下降比例分別為25.7%和32.8%；且電爐鋼二氧化硫和氮氧化物的排放量極低，整體將大幅削減鋼鐵行業(yè)的污染物排放。

控制現(xiàn)有顆粒物排放水平，按50%電爐鋼比例核算，粗鋼產(chǎn)能可由現(xiàn)在的3 886 萬t/年提升到5 200 萬t/年；控制二氧化碳排放水平，按50%電爐鋼比例核算，粗鋼產(chǎn)能可由現(xiàn)在的3 886 萬t/年提升到5 500 萬t/年。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人均粗鋼消費(fèi)量的降低，同時(shí)考慮到空氣質(zhì)量的改善需求，建議河南省可在大氣污染非重點(diǎn)區(qū)域適度增加鋼鐵產(chǎn)能，比如在空氣質(zhì)量相對(duì)較好的信陽、周口等地區(qū)，但粗鋼產(chǎn)能控制在4 300 萬t 為宜，且應(yīng)該大比例提高電爐鋼。

通過提升電爐鋼比例，在粗鋼生產(chǎn)能力不變的情況下，粗鋼冶煉工段顆粒物減排量約15%，二氧化碳減排約20%；因電爐不排放二氧化硫和氮氧化物，將更大幅度削減二氧化硫和氮氧化物排放比例。

2.4 提升資源能源回收利用效率，實(shí)現(xiàn)極致能效

河南省鋼鐵企業(yè)2021 年度高爐工序能耗水平在351～428 kgce/t 生鐵，轉(zhuǎn)爐工序能耗水平在-16.2～-30.6 kgce/t 粗鋼，綜合水耗在2.39～3.78 m3/t 粗鋼，綜合能耗在520～645 kgce/t 粗鋼。工序能耗和綜合能耗與國內(nèi)先進(jìn)水平相比，都有一定的提升空間。

與國內(nèi)先進(jìn)鋼鐵企業(yè)相比，河南省鋼鐵企業(yè)在燒結(jié)煙氣余熱回收利用、環(huán)冷機(jī)廢氣低溫余熱利用、高爐爐頂均壓煤氣綜合回收利用、熱風(fēng)爐自動(dòng)燃燒和熱均壓技術(shù)、高爐水淬渣余熱高效利用、轉(zhuǎn)爐煙氣余熱全域回收利用、加熱爐煤氣回收利用、電爐廢鋼預(yù)熱技術(shù)、鋼渣有壓熱燜等，分質(zhì)供水、梯級(jí)用水、循環(huán)利用節(jié)水技術(shù)、閉式冷卻塔技術(shù)、鋼鐵企業(yè)智能化管控方面均需要進(jìn)行改進(jìn)和提高，從而推動(dòng)鋼鐵生產(chǎn)過程的物質(zhì)流、能量流協(xié)同優(yōu)化，提高資源能源利用效率[9]。通過實(shí)施資源能源回收利用，至少可實(shí)現(xiàn)節(jié)能5%。

2.5 落實(shí)鋼鐵行業(yè)超低排放技術(shù)改造，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)污染物減排

按照績效核算法，計(jì)算完成超低排放改造前后污染物排放削減量，說明超低排放改造對(duì)污染物減排的貢獻(xiàn)[10]。現(xiàn)有排放績效按2022 年度實(shí)際排放量計(jì)算，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放績效水平為0.294 kg/t 粗鋼、0.149 kg/t 粗鋼、0.39 kg/t 粗鋼；超低排放改造完成后的排放績效水平，參考2022 年度中鋼協(xié)公布的近20 家通過超低排放企業(yè)的平均值核算，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放績效水平為0.27 kg/t粗鋼、0.11 kg/t粗鋼、0.32 kg/t 粗鋼。

扣除河南省有組織、無組織已經(jīng)通過超低排放評(píng)估監(jiān)測的4 家企業(yè)，按現(xiàn)有的生產(chǎn)規(guī)模，河南省鋼鐵企業(yè)全部完成超低排放改造后，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物污染物年排放量將下降749.2 t、1 016.7 t、1 840.5 t，減排比例在6.5%～17.5%。

2.6 逐步發(fā)展清潔煉鐵技術(shù)，推進(jìn)鋼化聯(lián)產(chǎn)

河南省鋼鐵企業(yè)也應(yīng)該緊跟技術(shù)創(chuàng)新的步伐，加快實(shí)施鋼鐵企業(yè)綠色低碳改造升級(jí)，以“減污降碳協(xié)同增效”為抓手，進(jìn)一步研發(fā)推廣適用的節(jié)能減排技術(shù)、先進(jìn)的鋼鐵低碳工藝、有效的多行業(yè)耦合模式。重點(diǎn)圍繞研究推進(jìn)高爐富氫和煤氣脫碳循環(huán)、富氫直接還原、生物質(zhì)冶煉等煉鐵技術(shù)[11]；開發(fā)等離子冶煉、閃速熔煉等熔融還原技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低碳冶煉；依托鋼化聯(lián)產(chǎn)，推廣應(yīng)用碳捕集、利用與封存（CCUS）等碳匯技術(shù)[12]，在CO2排放到大氣中之前將其捕集，作為工業(yè)生產(chǎn)的原料循環(huán)利用，積極利用焦?fàn)t煤氣富氫與煉鐵工序富碳的特征，聯(lián)合生產(chǎn)甲醇、乙醇的工藝路線；從根本上減少或者消除污染物的排放。

3 未來河南省鋼鐵行業(yè)污染物排放及碳排放分析

在現(xiàn)有產(chǎn)能和預(yù)計(jì)4 300 萬t 產(chǎn)能的基礎(chǔ)上，考慮未來河南省鋼鐵行業(yè)的改進(jìn)方向，在不同條件下核算顆粒物、二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳的排放量。

按長流程鋼鐵和短流程鋼鐵的比例各為50%的情況進(jìn)行估算，其中顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放績效按超低排放的水平考慮，考慮裝備大型化改造、原料結(jié)構(gòu)優(yōu)化、極致能效工程和超低排放改造工程后，傳統(tǒng)工藝碳排放水平為現(xiàn)有的60%；考慮到2050 年，綠色冶金工藝滲透率將達(dá)到25%[13]，污染物的排放水平將下降40%，碳排放水平下降50%。具體核算結(jié)果見表3。

表3 不同產(chǎn)能不同工藝情況下河南省鋼鐵行業(yè)排放情況

如果河南省鋼鐵行業(yè)總體產(chǎn)能按4 300 萬t/年核算，在綠色冶金獲得突破前，隨著裝備大型化、極致能效工程、原料結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提高電爐鋼比例、超排放改造等工程的實(shí)施，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放量均有明顯降低，占現(xiàn)在實(shí)際排放量的比例分別為72.57%、40.50%、45.10%和55.80%；待氫冶金等綠色冶金技術(shù)獲得突破后，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放量占現(xiàn)在實(shí)際排放量的比例分別為43.54%、24.30%、27.06%和27.90%。

如果河南省鋼鐵行業(yè)總體產(chǎn)能按3886 萬t/年核算，在綠色冶金獲得突破前，隨著裝備大型化、極致能效工程、原料結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提高電爐鋼比例、超排放改造等工程的實(shí)施，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放量均有明顯降低，占現(xiàn)在實(shí)際排放量的比例分別為65.59%、36.60%、40.76%和50.43%；待氫冶金等綠色冶金技術(shù)獲得突破后，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放量占現(xiàn)在實(shí)際排放量的比例分別為39.35%、21.96%、24.46%和25.22%；除顆粒物外，基本上處于現(xiàn)在排放量的1/4。

4 結(jié)論

在對(duì)河南省鋼鐵行業(yè)企業(yè)分布、裝備水平、污染物排放和能耗水平進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)河南省鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)展提出6 個(gè)方面的改進(jìn)建議，通過實(shí)施這些改進(jìn)措施，進(jìn)一步核算河南省鋼鐵行業(yè)未來污染物排放和碳排放量，對(duì)河南省深入打好污染防治 攻堅(jiān)戰(zhàn)和實(shí)現(xiàn)碳中和具有積極的參考意義。

（1）河南省現(xiàn)有19 家鋼鐵企業(yè)，分布在9 個(gè)地市，除安陽、平頂山、鄭州外，其他地市均僅有1 家鋼鐵企業(yè)，單個(gè)企業(yè)規(guī)模偏小，不具有規(guī)模效應(yīng)；燒結(jié)機(jī)、球團(tuán)、高爐、轉(zhuǎn)爐和電爐規(guī)格偏小，50%以上的設(shè)備屬于限制類，污染物排放水平和能耗、碳排放水平均有較大的提升空間。

（2）河南省鋼鐵企業(yè)應(yīng)該從整合產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)裝備大型化、全流程優(yōu)化工藝、提高電爐鋼比例、提升資源能源回收利用效率、落實(shí)鋼鐵行業(yè)超低排放技術(shù)改造、發(fā)展清潔煉鐵技術(shù)等6 個(gè)方面持續(xù)努力，減少污染物排放，實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。

（3）通過實(shí)施超低排放改造和提升電爐鋼比例至50%，可大幅度降低污染物排放，也是降低碳排放的主要手段。河南省鋼鐵產(chǎn)能如果控制在現(xiàn)有產(chǎn)能范圍內(nèi)，碳排放量將控制在1408.68 萬t/年，需要采用CCUS 等其他形式進(jìn)行碳回收和碳匯，才能實(shí)現(xiàn)碳中和。