专家观点 | 朱廷钰：碳中和背景下钢铁行业减污降碳协同发展路径
- 2023/8/9 11:38:03
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- 来源：清华大学碳中和研究院ICON 作者：朱廷钰
- 关键词:碳中和CCUS
一 “三大特点”“三大挑战”看钢铁行业减污降碳协同发展背景
钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业，2022年我国粗钢产量为10.13亿吨，占全球粗钢总量的55.3%，连续27年保持世界第一。钢铁工业是一个长流程多工序的复杂生产系统，包括烧结、球团、焦炉、高炉、转炉等多个生产工序，从物质流来看，65%以钢铁产品的形式输出，另外35%则以废水、废气、废渣等污染物及化学品副产品形式输出，还伴随着大量未利用的余热，能质归趋多元化。
钢铁工业污-碳排放具有以下三大特点：
一是污-碳排放量大：我国钢铁工业以煤为主能源结构使得污-碳同根同源、排放量大。我国一次能源结构中煤炭占比高于65%，钢铁行业目前每年消耗煤炭的量超过6亿吨，导致烟粉尘、二氧化硫、氮氧化物等污染物排放总量近120万吨，CO2排放则高达18亿吨，污-碳排放均位列工业行业首位。
二是污-碳排放强度高：在生产结构方面，我国短流程炼钢占比仅10%左右，远低于欧美等发达国家，以长流程为主的生产结构导致综合能耗高、污/碳排放强度大。由于我国废钢资源严重不足，短期内难以支撑电炉大规模发展，生产结构难以快速调整。
三是污-碳协同效应显著：从全生命周期角度分析，超低排放全面实施后，其高能耗、高物耗引发了一定的“碳增量”效应。如半干法脱硫用的CaO来自于石灰窑，SCR脱硝用的还原剂NH3则主要来自于合成氨，生产过程中都是高污染、高能耗。
在碳中和背景下，钢铁行业实现减污降碳协同发展目标，面临三大挑战：(1)现有生产结构是碳排放高的本质之源，因此需要对现有工业过程进行流程再造，也就是减生产之碳；(2)对现有超低排放技术进行迭代升级，减少因高能耗物耗引发全生命周期碳增量，也就是降治污之碳；(3)对已有工业生产不可避免的过程碳排放进行捕集利用，通过CCU深度减排，也就是固锁定之碳。
二 “三类技术”助力钢铁行业减污降碳协同发展
绿色低碳冶炼技术：高炉是污-碳排放的重点工序、其能效利用有待提升，污染物排放总量亟待削减。而诸如高炉炉顶均压煤气全回收技术可对燃料提效利用、高炉炉料结构优化技术则可通过原燃料调整来降低污染物排放总量，都正在行业内全面推广。此外，最难但最有潜力的则是高炉煤气精脱硫技术，高炉煤气是钢铁生产能源结构的重要组成部分，目前常通过燃烧后烟气净化实现超低排放，而实施精脱硫进行源头减排，可避免建设分散的末端治理设施，具有显著环境经济效益。高炉煤气精脱硫技术难点是羰基硫水解催化剂寿命问题，是目前公认的超低排放卡脖子技术。
减污协同降碳技术：主要是通对现有超低排放技术体系进行优化，对生产过程中的余热充分回收利用，并将污染物控制技术与生产深度融合。以超低排放处理的重点工序烧结、球团为例，烧结烟气选择性循环技术、烧结烟气CO氧化耦合SCR脱硝技术、球团烟气嵌入式脱硝技术等，都展示出了一定的应用前景。
烧结烟气选择性循环技术是基于现有超低排放技术更多是通过提升脱除效率来实现污染物排放浓度降低，通过削减烟气量达到污染物总量减排目的。烧结机排放烟气是由20多个风箱组成的，不同风箱烟气排放特征存在显著差异，通过对复杂燃烧过程中多污染物迁移转化规律及复杂热工制度下多物理场热量传输机制的解析，选择温度高、污染物富集的特征烟气参与循环，在保证烧结矿质量的前提下，能够实现烟气量和污染物总量减排30%以上。
烧结烟气CO氧化耦合SCR脱硝技术是基于烧结烟气排烟温度较低，与传统SCR脱硝催化剂适用窗口不匹配。烧结烟气氮氧化物超低排放70%以上均采用SCR脱硝，需要设置热风炉，通过燃烧大量高炉煤气对烟气进行补热。烧结烟气本身含有大量CO，如果能够利用其燃烧产生的化学能，就可以替代高炉煤气为中低温SCR脱硝补热，节省高炉煤气用量的同时，实现CO2减排，目前解决催化剂的抗硫中毒能力是科研攻关的难点。
球团烟气嵌入式脱硝技术则是利用球团生产过程中合适的温度窗口来脱硝。以链篦机-回转窑为例，其排放烟气经冷却-焙烧-预热-干燥等多个温度区间，其中预热-干燥段烟气温度(300~500℃)与SCR脱硝所需温度区间基本吻合。因此结合球团生产热工制度，采用嵌入式SCR脱硝技术，将彻底规避热风炉烟气再生及GGH换热系统，实现末端治理前移、环保-生产深度融合，运行能耗和费用都实现大幅降低。
CCUS深度脱碳技术：CCUS是钢铁等难减排行业深度脱碳的必要解决方案。钢铁行业CO2排放呈现出多点源排放，各工序排放烟气、产生煤气的CO2浓度、温度差异显著。而针对不同特征，有机胺液相吸收、分子筛变压吸附技术均有应用场景。CO2利用技术中，需注意与钢铁行业本身的耦合，钢渣矿化、合成化学品、转炉炼钢过程资源化利用等均具有较高潜力。而在CO2封存方面，环渤海地区、西南地区等地与排放源匹配较好，具有较大地质利用与封存潜力。
三 “五大维度”展望钢铁行业减污降碳协同发展
碳中和背景下，钢铁行业减污降碳协同发展面临新的挑战。基于此，提出如下发展建议：生产绿色化、管控合理化、控污节能化、脱碳可行化、减排全面化。
（1）生产绿色化：主要是大力发展高比例球团高炉冶炼、短流程炼钢、氢冶金等绿色技术，实现源头减污降碳。
（2）管控合理化：将现有单工序污染计量的方式过渡至全流程总量核算，即工序与工序之间、污染物与污染物之间，给予钢铁企业一定的调控自由度，相较而言更加合理。
（3）控污节能化：主要是通过原/燃料净化实现源头减排、烟气循环耦合节能降碳、嵌入式环保及能质资源化等多种技术，实现污染减排耦合节能。
（4）脱碳可行化：包括通过钢化联产制备高附加值化学品，通过钢渣矿化实现以废治废，为捕获的CO2找到应用出口，实现深度脱碳可行化。
（5）减排全面化：就是除了常规污染物之外，要重视二恶英、VOCs、CO等非常规污染物，真正实现全污染物的全面减排。
专家简介：朱廷钰，中国科学院过程工程研究所研究员 文稿来源：朱廷钰团队 发布时间：2023年8月8日
原标题：专家观点 | 朱廷钰：碳中和背景下钢铁行业减污降碳协同发展路径
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