低碳炼铁和低碳经济

低碳炼铁和低碳经济

刘文权

（冶金工业规划研究院，北京100711）

摘要通过对钢铁工业不同工序和不同流程CO2排放状况的分析，指出低碳炼铁是钢铁工业发展低碳经济的关键。节能减排，发展循环经济是低碳炼铁的第一步。对国外低碳炼铁技术作了介绍，并对低碳炼铁技术的现状、发展和创新等进行了描述。关键词炼铁二氧化碳低碳经济节能减排

1 引言

“低碳经济”一词首见于英国政府贸工部白皮书《我们未来的能源——创建低碳经济》2003年（Low Carbon Economy or Economy of Low Carbon Exhaustion and Low CO2 Emission）。

2009年哥本哈根气候变化会议后，低碳经济迅速成为全球关注的焦点。低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济发展模式，是对现行大量消耗化石能源、大量排放CO2的生产生活方式的根本变革。我国政府承诺到2020年，单位GDP的CO2排放量比2005年下降40%～45%，并作为约束性指标被纳入国民经济和社会发展中长期规划。钢铁工业是主要温室气体排放行业之一，从全球统计来看，钢铁工业排放的CO2占全球温室气体总排放量4%～5%（国际能源组织IEA发布），而中国钢铁工业占全国CO2排放总量12%左右。因此，钢铁企业承担节能减排的任务责无旁贷并承担巨大的减排压力。减少CO2排放，发展低碳经济成为未来钢铁行业发展的重要前提。

2 低碳炼铁是钢铁工业发展低碳经济的关键

2.1钢铁工业各工序CO2排放状况

碳是钢铁冶金过程能量流与物质流的主要载体，铁矿石依靠焦炭和煤粉还原成铁水，而铁水中的碳又是转炉炼钢过程升温及能量平衡的保证。因此，钢铁工业的基础就是碳冶金学。而钢铁冶金过程产生的CO2主要来自于高炉中煤和焦炭与铁矿石的化学反应，即铁矿石的还原过程，炼铁工序直接和相关CO2排放超过90%[1]。因此，低碳炼铁是钢铁企业CO2减排的关键，见图1。炼铁CO2减排责任重大，而发展低碳炼铁技术任重而道远。

2.2钢铁工业不同生产流程CO2排放差异

2009年，全球高炉生铁产量8.98亿吨；直接还原铁产量6200万吨，仅占世界铁产量的6.9%。我国生铁产量54375万吨，占世界生铁总产量60.53%，已占据全球生铁半壁江山，目前高炉流程为生铁生产主流工艺，且在短期内不会有较大改变。不同流程生产1t钢产生的CO2排放见表1[2]。中国钢铁工业铁钢比高是造成单位钢产量CO2排放强度高的最主要原因。中国钢铁累积量小，废钢资源紧缺，大宗废钢质量差，电价高，导致电炉钢比例低（2008年世界主要国家和地区电炉钢见图2），导致中国钢铁工业铁钢比一直居高不下，近年来中国铁钢比情况见图3。同时高炉流程单位的排放强度是电炉流程的4倍左右。而目前国内大多数电炉钢企业为提高成本竞争力采用配加电炉配加热铁水生产工艺。另外，我国钢铁工业一次能源以煤炭为主，占能源消费总量的70%左右，而且煤发热量，灰分，硫分等质量指标与美国、德国和日本等国相比，存在比较明显的差距。石油类能源和天然气所占比例比其他国家低15%～25%。从而造成能源利用效率相对较

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低。

数据来源：德国蒂森克虏伯公司

图1 传统钢铁生产流程中不同工序的CO 2排放源分布

表1 不同流程生产1t 钢产生的CO 2排放

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图2 2008年世界主要国家和地区电炉钢比 图3 近年来我国铁钢比情况 数据来源：中国钢铁统计2009．中国钢铁工业协会

3 国外钢铁工业低碳炼铁技术研究

炼铁系统（含焦化、烧结球团）是钢铁生产中CO2的主要排放工序，直接和相关排放占钢铁工业总排放量的90%以上。由于装备及工艺技术改进，钢铁工业的CO2排放量与20世纪70年代相比已降低了约50%。目前，工业发达国家正在研发超低CO2排放的钢铁生产工艺。

3.1欧洲超低CO2排放项目（ULCOS）

欧洲钢铁业者在国际钢铁协会的协调下，由安赛乐米塔尔公司牵头对“超低CO2排放(ULCOS)”项目进行研发。ULCOS作为一项研究与技术开发项目，旨在开发突破性的炼钢工艺，达到CO2减排的目标。ULCOS 的研究包括了从基础性工艺的评估到可行性的研究实验，最终实现商业化运作。从所有可能减排CO2的潜在技术中进行分析，选择出最有前景的技术。以成本和技术可行性为基础进行选择，对其工业化示范性水平进行评估，最后实现大规模工业化应用。

该项目集中了欧洲48个钢铁公司、研究院所的力量，旨在通过突破性的技术发展，比如回收高炉煤气，利用氢气和生物质能，开发分离CO2以及如何在适合的地理结构中贮存CO2等技术，使钢铁工业的CO2排放量进一步减小30%～70%。

项目分三个阶段实施。第一阶段（2004年～2009年）：主要任务是分别测试以煤炭、天然气、电以及生物质能为基础的钢铁生产路线，是否有潜力满足钢铁业未来减排CO2的需求；第二阶段（2009年～2015年）：在第一阶段测试成果的基础上，在现有工厂进行两个相当于工业化的试验，并且至少运行一年，检验工艺中可能出现的问题，以便进行修正，并且估算投资和运营费用；第三阶段（2015年～），主要任务是在对第二阶段工业化实验成果进行经济和技术分析的基础上，建设第一条工业生产线，这个阶段有别于一般意义上的研发，它将成为真正的工业实践，而且在该阶段，这个项目会受到欧盟在财政上的大力支持。

图4 欧洲超低CO2排放项目（ULCOS）图5 日本CO2减排革新技术（COURSE50）

3.2日本CO2减排革新技术（COURSE50）

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日本经济产业省在2008年3月公布的“冷却地球－能源革新技术计划”中提出了“应当重点研究的能源革新技术”，即依靠采用突破性技术来实现CO2减排的目标的工作，共选定21个项目，其中之一为COURSE50技术。

COURSE50目标是通过开发CO2吸收液和利用废热的再生技术，实现高炉煤气的CO2分离和回收。进而通过与地下、水下CO2贮留技术革新相结合，将向大气排放的CO2减至最小。主要研发的技术包括用氢还原铁矿石的技术开发；焦炉煤气提高氢含量技术开发；CO2分离、回收技术开发；显热回收技术开发等。减排目标如果能够实现即可使CO2减排30%（使CO2排放从1.64tCO2/t粗钢降低到1.15tCO2/t粗钢）。但考虑此时需要以某种形式补充焦炉煤气的能量，因此考虑是否可应用核电等不产生CO2的能源。

3.3韩国“驱逐碳的炼铁项目”

浦项制铁制定长远开发计划，即开发出超高温氢气核反应堆，它能将950℃以上的高温原子吸收进来。浦项制铁将与韩国核能研究所合作，共同开发第四代核反应堆，从而能够产生950℃以上的高温和以低廉的成本生产出大量的氢。浦项制铁确定的目标是到2050年开发出核反应堆的炼铁新技术。而在此之前，浦项制铁制订了在利用现有技术炼铁的基础上将CO2排放量降低到最低水平的计划方案：在2020年之前生产1吨钢铁排放的CO2要比2007年～2009年平均下降9.0%。浦项制铁计划分两步走。第一步是在2015年之前采用减排新设备和新技术进行废热气发电，使生产1吨钢铁排放的CO2平均减少3%；第二步是在2020年之前，采用不需要再加热的炼钢和热轧工艺技术，使生产1吨钢铁排放的CO2平均再减少6%。由此，到2020年浦项制铁生产1吨钢铁排放的CO2量将由目前的2.18吨下降至1.98吨[3]。

4 低碳炼铁技术发展方向

由于在短期内我国钢铁行业还很难改变以煤为主的能源结构和废钢资源不足的现状。当前CO2的减排主要依赖于在淘汰落后装备和技术的前提下，采用技术改造和不断优化生产流程，提高对副产煤气和余热、余能的回收利用率，从而进一步降低能源消耗，实现节能减排。

4.1节能减排，发展循环经济是低碳经济第一步

中国工程院院长徐匡迪指出“节能、提效、减排，发展循环经济，是走向低碳经济的第一步”。基于我国的单位能耗与国际先进水平尚有15%～20%的差距这一现实，在2020年前，钢铁工业碳减排的主要对策是以节能减排为主；2020年～2030年，钢铁工业设备达到更新周期时，应考虑高炉煤气循环和焦炉煤气重整后喷吹，及H2、CO气体直接还原，将单位产能CO2排放再降低10%～20%。

4.1.1淘汰落后，实现装备大型化

高炉大型化具有生产效率高、降低消耗、节约人力资源、提高铁水质量、减少环境污染等突出优点。据统计，落后的小高炉燃料比一般要比大高炉高30～50kg/t。落后和低水平工业装备能耗高，二次能源回收低，污染处理难度大。如果钢铁企业开征碳税，将对炼铁生产装备、运行成本、生产规模和产品竞争力等产生深远的影响。因此钢铁工业尤其是炼铁要密切关注国家碳税政策制定的进展，及早编制低碳经济规划，研究和制定碳减排的实施方案。

4.1.2降低高炉燃料比的技术

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