“雙碳”背景下鋼鐵工藝流程先進性研究

王念欣，曾 暉，欒吉益，陳萬福，王成鎮

（山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟南 250101）

1 前 言

全球氣候變化已經給全人類的可持續發展帶來了嚴重威脅和嚴峻挑戰，溫室氣體減排已成世界共識[1］。積極應對氣候變化，加快推進綠色低碳發展，是實現可持續發展、推進生態文明建設的內在要求，是加快轉變經濟發展方式、調整經濟結構、推進新的產業革命的重大機遇，也是我國作為負責任大國的國際義務。“碳中和”目標任重而道遠[2］，中國的莊嚴承諾展現了負責任大國的擔當。“雙碳目標”對我國能源轉型、產業結構產生持續影響[3］。煉鋼能源結構優化轉型是“雙碳”目標的重要路徑，我國鋼鐵行業節能減碳需減少長流程煉鋼，增加短流程煉鋼占比，“雙碳”背景下鋼鐵先進工藝流程的研究逐漸提上日程。“中國寶武碳中和冶金技術路線圖”的全球鋼鐵業引領[4］，展示了中國寶武作為全球鋼鐵業引領者的責任與擔當。我國經濟進入高質量發展階段，鋼鐵行業從原來的“增量、擴能”快速發展期，進入了“減量、調整”新時代。2021 年2月，工信部發布《繼續奮斗勇往直前開啟鋼鐵行業高質量發展新征程》文章提出：“要以深化鋼鐵供給側結構性改革為主線，實行產能產量雙控政策，確保2021年全國粗鋼產量同比下降”。在碳達峰、碳中和的硬約束下，鋼鐵行業不具備粗鋼產量繼續大幅增長的條件。產能產量“雙控”政策將成為鋼鐵行業“十四五”發展新常態[5］。

2 鋼鐵工業綠色低碳發展路徑調研

2.1 鋼鐵行業綠色低碳發展路徑

確保2020 年前實現碳達峰，到2030 年（近期）鋼鐵行業具備較2020 年CO2排放總量降低15%的資源條件和技術能力；到2040年（近中期），鋼鐵行業CO2排放總量較2020 年降低40%；到2050 年（中遠期），鋼鐵行業CO2排放總量較2020年降低85%，通過產業鏈協同、更高性能鋼鐵產品升級應用等措施，可為下游行業和社會降碳約2.8 億t，為實現碳中和夯實基礎；到2060 年（遠期），鋼鐵行業CO2排放總量較2020 年降低95%，借助碳匯與社會力量，實現碳中和。

2.2 鋼鐵工業低碳發展路徑分析[6］

從長遠發展來看，中國鋼鐵行業要加快做好行業低碳轉型發展的頂層設計，提前謀劃與布局碳減排工作，完善碳排放管理支撐體系建設。結合自身實際，加大科技創新，以碳排放管理有效推動化解過剩產能、電弧爐短流程煉鋼、先進低碳技術研發等工作，讓低碳轉型真正成為鋼鐵工業實現高質量發展、提高競爭力的重要抓手和引擎。

在政府統籌規劃和政策引導下，鋼鐵企業應進一步調整能源及流程結構，有效促進低碳轉型；完善低碳發展制度和體系，加快制定低碳發展標準體系，優化完善產業布局，創新驅動行業升級；加大先進低碳技術的研發力度，引領新型低碳發展；建立碳排放及監管剛性約束制度，完善綠色金融市場體系，盡快納入全國統一碳市場；強化能效提升及能耗監控，科學助力減排降碳；加強與業內權威咨詢機構交流合作，及時關注政策發展方向，制定切實可行的低碳發展戰略規劃，把握綠色低碳經濟發展下的新機遇，通過低碳轉型，協同行業及區域合作，聯合打造低碳經濟圈，為企業贏得更廣闊的發展空間。

3 工藝流程先進性綜合評價

3.1 工藝流程先進性評價思路

鋼鐵生產是復雜的系統過程，涉及鋼的冶煉，同時也涉及物流運輸、庫存管理等配套服務。實現碳中和目標的同時也要提升鋼鐵生產配套設施的綠色水平。因此，如何通過智能化、數字化技術全面準確地對鋼鐵生產流程進行評價，從而全面提升節能和能效水平，是我們亟待解決的問題。

具體評價系統包括：綠色、低碳、智能、能耗、管理指標獲取終端和評價服務器，所述評價服務器分別與綠色、低碳、智能、能耗、管理指標獲取終端通過網絡數據連接。

綠色、低碳、智能、能耗、管理指標獲取終端，分別用于采集鋼鐵生產過程中的綠色、低碳、智能、能耗、管理指標分項數據，利用綠色、低碳、智能、能耗、管理指標評估工具計算出每個指標分項的分值，將所有指標分項的分值求和后得出該指標實際分值，并將該指標實際分值發送至評價服務器。

評價服務器，用于根據獲取的綠色指標實際分值、低碳指標實際分值、智能指標實際分值、能耗指標實際分值和管理指標實際分值，利用加權算法計算出相應的綠色指標總分值、低碳指標總分值、智能指標總分值、能耗指標總分值和管理指標總分值，通過將各維度分值相加，以確定鋼鐵生產流程評價分值。

評價系統結構及評價方法流程見圖1、圖2。

圖1 工藝流程先進性評價系統結構

圖2 工藝流程先進性評價方法流程

3.2 工藝流程先進性評價指標

評價指標體系：5項一級指標和N項二級指標。

一級指標包括：綠色指標、低碳指標、智能指標、能耗指標和環境指標。

3.2.1 綠色指標

綠色指標的二級評價指標和相應的分值見表1。

表1 綠色指標的二級評價指標和相應的分值

3.2.2 低碳指標

低碳指標的二級評價指標和相應的分值見表2。

表2 低碳指標的二級評價指標和相應的分值

3.2.3 智能指標

智能指標的二級評價指標和相應的分值如表3所示。

表3 智能指標的二級評價指標和相應的分值

3.2.4 能耗指標

能耗指標的二級評價指標和相應的分值如表4所示。

表4 能耗指標的二級評價指標和相應的分值

3.2.5 環境管理指標

環境管理指標分項的評價指標和相應的分值見表5。

表5 環境管理指標的二級評價指標和相應的分值

3.3 工藝流程先進性評價體系

根據獲取的綠色指標實際分值A0、低碳指標實際分值B0、智能指標實際分值C0、能耗指標實際分值D0和管理指標實際分值E0，利用加權算法計算出相應的綠色指標總分值A總、低碳指標總分值B總、智能指標總分值C總、能耗指標總分值D總和管理指標總分值E總；

通過以下公式計算出綠色指標分值A、低碳指標分值B、智能指標分值C、能耗指標分值D和管理指標分值E。

通過公式M=A+B+C+D+E，將各維度分值相加，以確定鋼鐵生產流程評價分值M。

4 “雙碳”背景下鋼鐵先進工藝流程發展建議

面對全球碳減排發展趨勢及激烈的鋼鐵市場競爭，首先需明晰鋼鐵行業“雙碳”目標核心關鍵：達峰是發展問題，核心是解決發展中的結構調整；降碳是技術應用問題，以先進技術降低能源和資源消耗；脫碳是技術革命問題，要推進創新性、突破性、前沿性低碳技術的研發、示范及應用；中和是發展方式的新變革，須多領域協同推進，在生產原料、冶煉技術、配套設施等方面對原有生產方式進行革新。其次，在能耗雙控、鐵礦石對外依存度高的背景下，廢鋼優勢逐步顯現，廢鋼作為可無限循環使用的綠色載能資源，未來以廢鋼為原材料的電爐煉鋼占比將逐步提升；在雙碳目標大背景下，未來鋼企盈利情況、發展規模大小都將取決于其環保、綠色生產能力。同時，鋼鐵企業綠色發展是以循環經濟為基本原則，以清潔生產為基礎，重點做好節能減排和資源高效利用，實現與其他行業和周邊社會低碳生態化鏈接，從而保證良好經濟、環境和社會效益的發展模式。

4.1 加速推進整個鋼鐵新生態綠色低碳化

“雙碳”目標之下，綠色、高質量發展是重要目標，為適應行業結構升級，鋼企紛紛進行低碳和低能耗規劃，在技術改進、氫冶煉、循環經濟、環境改造、生態打造等全方位進行綠色轉型。

（1）以超低排放改造為抓手、以低碳轉型為導向，持之以恒綠色發展、著力提升綠色低碳能級，錨定綠色低碳主攻方向，致力于技術創新、技術突破和技術推廣，集中資源、協同攻關突破綠色核心關鍵技術，實現生態環境高水平保護和應對氣候變化的“雙贏”。

（2）加速推進綠色低碳技術創新工程、關注我國鋼鐵行業EPD（環境產品聲明）平臺、加速完善低碳轉型綠色金融支撐體系、積極參與構建鋼鐵行業低碳技術標準體系，在低碳冶煉技術、工藝流程低碳優化、能源循環綜合利用等方面積極探索，研發新技術，真正做到協同減污降碳。

（3）開展鋼鐵行業CO2綜合利用，加快推進轉爐底吹CO2煉鋼技術項目。

（4）在目前高爐－轉爐長流程工藝基礎上采取各種減碳措施，包括不限于高爐噴氫、富氧、爐頂煤氣脫碳循環以及長流程大比例廢鋼減碳工藝、全廢鋼電爐工藝、富氫全氫直接還原鐵混合廢鋼電爐工藝等。

4.2 氫冶金或成為綠色低碳轉型的重要突破口

氫還原目前是替代碳還原最可行的途徑。它有理論技術支撐，且已經具備實踐應用條件，對高爐富氫循環、氫基熔融還原和氫基直接還原等路線，國內外企業都已經開展了示范研究，并取得了積極進展。

（1）建議聚焦以氫冶金為代表的顛覆性、革命性工藝創新技術，以CCUS為代表的碳利用技術，圍繞基礎理論、工藝路線、裝備制造、系統集成等，開展全流程、全產業鏈的系統攻關，攻克鋼鐵生產低碳技術難題。

（2）盡早著手開展以氫作為還原劑的氫冶金技術研發應用，探索氫能冶金示范應用，研究探索“焦爐煤氣+富氫豎爐直接還原鐵+電爐”和“綠電+電解水+全氫豎爐直接還原鐵+綠電+電爐工藝”，依賴于氫能的發展和布局。

（3）開展光伏發電基礎性分析研究，加快研究推進光伏發電項目，創新商業模式；利用光伏、風能、水電等綠電，通過電解水制氫，支撐鋼鐵主業的氫冶金低碳化轉型，同時逐步完善輸氫、儲氫等相關配套措施，并積極爭取氫冶金技術研發和示范的財政和稅收支持。

（4）加大綠電投資，緊隨國家最近出臺的綠證政策，在綠色能源方面加快布局。

4.3 統籌做好智能制造頂層設計

智能制造是提高生產效率、降低生產成本的重要途徑。各企業不可能按照完全統一的模式來進行智能制造方面的頂層設計。

（1）要通過行業跨專業深度融合和聯合持續攻關，形成具有自身特色的鋼鐵制造流程智能化技術和頂層設計。

（2）要結合自身的發展條件和實際需求慎重決策，處理好科研項目與工程項目之間的關系，既要重視硬件建設，更要重視軟件的開發與研究。要加強與工程技術企業、大學和科研院所的分工協作，共同營造開放創新的生態環境，穩步高效推進智能制造的發展。

（3）要著力提升智慧制造能級，著力打造國內一流、國際先進的城市鋼廠綠色發展樣板和行業轉型發展典范。

（4）要以智能制造為舉措，利用數字化技術賦能產業鏈供應鏈協同，推進5G、人工智能、區塊鏈、無人行車、特種機器人等生產場景的智能化關鍵技術應用，圍繞工廠設計與數字化交付、數字孿生模型等智能工廠建設以及生產智能管理等加快推動與上下游產業鏈智能制造建設進程。

（5）建立完善智慧制造標準和評價體系，完成鋼鐵主業智慧制造評價指數測評，加快數字化轉型，突破一批關鍵核心技術，打造一批智能制造試點示范，促進產業協同、實現高質量發展。

4.4 以節能提效推進鋼鐵行業綠色轉型升級

提高能效水平是鋼鐵行業現階段最可控也是最經濟的綠色低碳轉型的路徑。

（1）以能效約束為驅動、以低碳轉型為導向、以技術創新為支撐，堅持節能優先方針，依托先進節能技術、裝備、產品的研發和推廣應用。按照“一次能源‘使用’，節約優先；二次能源‘利用’，提高效率；新舊能源‘混用’，協調互補；未來能源‘通用’，聯通共享”四個階段原則，通過工藝和裝備節能極致化、能源轉換極致化、二次能源回收利用極致化、設備節能極致化、新能源體系建立極致化、能源管理極致化，賦能鋼鐵企業實現節能降耗、降本增效，實現從“節能”到“用能”驅動轉型變革。

（2）持續組織開展全流程節能降碳分析、余熱余能極限回收，制定實施年度節能降碳方案，持續大力推進節能改善、能耗提升項目。

（3）積極推進用能結構、工藝結構、產品結構優化，降低過程排放，減少全生命周期排放。用能方面積極推進煤炭減量替代消費，加大新能源利用比例；工藝方面持續發展電爐煉鋼，加快完善廢鋼回收利用體系建設，推進廢鋼資源高效利用；產品方面加快產品迭代升級，增強高端產品供給能力，加強高強高韌、耐蝕耐磨、輕量化長壽命鋼材的應用，降低鋼材的消費強度。

（4）極致能效提升方面，統籌做好工藝和裝備節能極致化、二次能源回收利用極致化、能源轉換極致化、設備節能極致化、新能源體系建立極致化、能源管理極致化，追求全流程的極致效率，加快先進適用性技術研究和應用，以創新驅動、精益化管理實現企業的整體節能減排效率最高、經濟效益最好。

5 結 語

根據鋼鐵產業發展規劃，結合當前鋼鐵行業內外部環境及相關政策，主動應對挑戰，對“雙碳”背景下工藝流程的先進性進行了評價研究，形成了“雙碳”背景下鋼鐵先進工藝流程發展建議，為鋼鐵行業“綠色低碳智能低耗”高質量發展提供了重要依據及參考指導。