国外钢铁工业低碳技术发展与我国减排CO2策略

杨 婷

目前，许多发达国家和地区采取不同的方法和技术策略减排CO2。美国钢铁业签署了气候自愿行动协议，承诺能源强度在2002年数据的基础上改善10%。日本钢铁工业采取自主行动计划，目标是到2010年，其能源消耗比1990年减少10%。其他国家在节能减排方面也采取了类似行动。美国、日本、韩国、澳大利亚和加拿大积极参与亚太清洁发展和气候伙伴合作计划，中国和印度也参与了该项目。欧盟建立了世界最大的温室气体排放国际贸易机制。总之，不管世界各国采取何种CO2减排措施，对于钢铁工业来说，应用环境友好型技术，研发突破性冶炼工艺始终是可持续发展的重要课题。

1.欧洲钢铁工业低碳技术的发展

欧盟碳排放交易机制的目标是：将气候变暖限制在2℃内；到2020年温室气体排放量在1990年的基础上至少减少20%；到2050年降低50%。在《京都议定书》框架下，欧盟27国的碳排放量至今已降低5%，目标是到2012年降低8%。欧盟成员国根据各自减排任务，通过国家分配计划（NAP：National Allocation Plan）将CO2的排放限额分解至每个生产装置，其操作者需在每年底按照具体要求向当局汇报排放水平，超过限额的部分将处以罚款。2002年启动了超低CO2炼钢（ULCOS）项目，该项目由14个欧洲国家的48个企业和相关机构共同参与完成，旨在采用一系列的突破性理念，从基础性到可行性以及最终的工业化研究。该项目将采用一系列突破性理念使CO2排放量减少30%～70%。这些技术包括：高炉炉顶煤气在脱碳之后的重新利用；CO2的捕集与贮存；电解；氢的利用等。该项目目标是至少实现一项碳排放量减半的突破性炼钢技术。

德国是欧盟最大的产钢国，2010年粗钢产量为4381万吨，占欧盟粗钢产量的25.3%，全球排名第7位。为减排温室气体，德国钢铁业制定了到2005年把CO2排放量在1992年的基础上减少16%~17%，到2012年将CO2的排放量减少22%的目标。

德国钢铁工业长期着手可持续发展的整体战略，从经济、生态学和社会的观点来看，基本任务就是提高成品钢材和资源使用效率。

原料、能源和环境效率是德国钢铁工业的头等大事，同时还包括原料的二次利用、副产品气体和渣的利用、厂区内废料，如粉尘和泥渣的再利用以及水的利用等。钢铁工业的这些措施在提高竞争力和改善经济方面取得了极大成功。取得这些进展的主要措施是在高炉生产中降低还原剂消耗量，加大电炉钢比例并改进电炉炼钢工艺，采用薄板坯连铸，通过安装能源回收装置和有效利用生产中所产生的气体使设备能力最优化。

近50年来，德国钢铁工业的能源消耗量明显降低，其一次能源消耗量1960年为29.5GJ/t铁，到2007年降至17.4 GJ/t铁，降低41%。电炉冶炼能耗从1965年的630kWh/t钢降至2007年的345kWh/t钢，下降45%。特别是德国高炉还原剂的消耗量已经达到了极限值，大幅降低了单位产品CO2的排放量。2008年德国高炉还原剂消耗量降到489.4kg/t铁，其中焦炭消耗354.2kg/t铁，煤比106kg/t铁，其他还原剂消耗29.2kg/t铁。

德国钢铁工业一直致力于装备大型化技术改造。高炉数量从20世纪70年代的105座降到2000年的22座，目前每座高炉平均产铁量约200万吨/年；转炉从45座降到现在的25座，每座转炉平均产钢量达120万吨/年。最大的转炉为蒂森钢铁公司的2座380 吨转炉，每座转炉产钢量超过200万吨/年；电炉从90座降至29座。

1973年以来，德国连铸技术发展迅猛，1985年连铸比超过80%，1988年连铸比达到90%以上，2009年连铸比约为98%。随着连铸比的增加和热装热送技术的应用，轧钢加热炉的能耗从2.0 GJ/t钢降到1.2GJ/t钢。

通过采取一系列措施，德国钢铁工业近50年来的能源消耗量明显降低，尤其是高炉还原剂的消耗量已经达到了极限，这将极大地降低单位产品CO2排放量。迄今为止，其长流程工艺的排放量低于1.8 t CO2/t粗钢，而综合长流程和短流程路线的排放量则降为1.3 t CO2/t粗钢。从2005年1月起，欧盟执行CO2排放交易。为此，德国将不再新建用碳量大且还要附加CO2排放证书的钢铁联合企业。

对于钢铁行业的温室气体减排，法国作出了“尽力而为”的承诺，计划通过使用能源，优化废钢利用、更好地利用副产品以及提高钢铁性能来实现CO2减排目标。通过一系列的努力，法国钢铁工业在过去的40年间，能源强度下降了190%，相应的CO2排放量降低了260%。

2.日本钢铁工业低碳技术的发展

根据《京都议定书》，日本2008～2012年CO2等温室气体的平均排放量要比1990年实际减少6%。日本为应对气候变暖，启动了自主行动计划。以粗钢产量1亿吨为前提，以1990年度为基准，2010年度的钢铁生产工序能耗减少10%（相当于减少CO2排放量9%）。但是，粗钢产量超过1亿吨时，包括充分运用京都机制等对策，尽最大努力实现减排目标。

根据日本铁钢联盟的统计数据，日本2009年度粗钢产量9645万吨，比1990年度下降13.7%。其中2009年度能源消费量比1990年度下降17.6%；CO2排放量比1990年度下降17.8%。

日本的吨钢能耗多年来一直居世界领先地位，其能源费用占生产成本的比重逐年下降，这一成绩的取得是因为日本不但从全连铸、热装热送及直接轧制等流程方面考虑节能，而且注重细节节能。通过“生产工序节能”、“对社会节能的贡献”和“革新性技术开发”三大支柱，推进自主行动计划。

从发展过程看，日本钢铁工业的节能是从生产工序合理化和连续化，实现粗放式节能开始，之后进一步全面回收利用余能，实现总体节能。近年，为贯彻建设循环型社会方针，更加强了对废物的循环利用，不仅厂内的钢铁渣和含铁粉尘得到了较好利用，甚至连社会废物，如废塑料、废轮胎和医疗废物等也得到了部分利用，除有利于节能外，还有利于减少废物填埋占地和减少污染。主要采取的节能减排措施有：

（1）副产煤气（焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气等）除用于本厂工业炉和锅炉燃料外，多余部分用于发电自用，基本没有放散。

（2）炼焦工序：干熄焦普及率达83%；煤调温、煤预热和煤成型均已得到部分应用；焦炉燃烧全部实现自动化控制；炼焦中掺入2%废塑料，能量利用率达94%。此外，由日本政府组织开发的下一代新型焦炉Scope21已投入工业化试生产，可节能20%，生产效率为目前焦炉的2.4~3倍，非微粘结煤配比达60%，新日铁大分厂计划建实用炉。

（3）烧结工序：冷却矿余热回收、烧结均压气回收、分级布料、烧结机局部除尘、主风机高效化和防止漏风以及电机转数控制等节能措施已基本普及。

（4）炼铁工序：炉顶余压发电已全部普及；热风炉余热利用和喷吹煤粉全部普及；喷吹废塑料率先在JFE的京滨、福山两厂应用，能量利用率达75%～80%，2010年共用废塑料约30万t。对高炉鼓风系统普遍采取了防止漏风、降低压损和热风管保温等节能措施。

（5）转炉炼钢工序：OG-IDF转数控制，制氧机、除尘器和冷却泵等设备高效化，连铸断面近终形化和铸坯热送等节能措施已普及。新日铁广畑厂高炉停产后，全部以废钢铁为原料吹氧喷煤化铁后炼钢，并利用废轮胎12万t/a，充分利用轮胎可燃部分及其中的子午线钢丝，节能效果良好。

（6）电炉炼钢工序：要采用废钢预热、削峰填谷等常用节能措施外，普钢电炉厂利用空闲能力处理医疗废物、干电池和汽车粉碎屑等含有金属的废物，综合节能效果和经济效果良好。

（7）热轧工序：主要采用了自身预热燃烧器加热炉、钢坯热送热装、电机转数控制和连续无头轧制等节能措施。

（8）冷轧及其他工序：主要有冷却水系统高效化、热处理炉连续化和余热回收、电机转数控制等节能措施。

（9）开发使用高功能钢材：日本钢铁业致力于开发汽车轻量化的高强度钢板，在使用阶段实现节能的高功能钢材等以适应需求。2001年，日本设立了“LCA（生命周期评价法）能源评价调查委员会”，用LCA对六种高功能钢材给整个社会带来的节能效果进行了评价分析，其中包括汽车用钢板、船舶用厚板、锅炉用钢管、建筑用H型钢、电车用不锈钢钢板和变压器用电工钢板。今后每年都进行跟踪评价分析。

日本减排温室气体的重点是充分利用能源，开发节能技术是其实现减排的主要手段，目前日本正重点从以下几个方面开展技术研发：

（1）提出了在不用水的干式炉渣粒状化方法下回收矿渣显热，即采用转环雾化器（Rotary Cup tomizer，简称RCA）的炉渣显热回收法解决余热回收的问题。

（2）提出了在石灰烧成时使用转炉废气以利用转炉废气显热的方法。该方法可以使转炉废气中的粉尘黏附在石灰上，在除去粉尘的同时，利用废气显热烧成石灰。

（3）开发中温区热电子元件，利用该温度差产生的电动势，将热能直接转换成电能。如对于炉壁强制冷却或热交换器这样的结构，在高温壁和低温壁之间安装热电组件就能发电。

（4）研究了低温废热利用方法，包括kalina循环发电，uehara循环发电，氨蒸汽循环发电（开发将200℃以下废气及70～100℃排水作为热源，利用氨蒸气循环的废热回收发电装置）。

（5）研究了高炉渣和钢渣的循环利用技术。在日本钢渣一方面被作为建筑工程、钢渣肥料和土壤改良剂；另一方面JFE钢铁成功开发出利用钢铁渣固定CO2以生成碳酸钙的技术，不仅改善了海洋生态环境，且在制造过程中充分利用了CO2。

此外，日本钢铁公司从自备电厂烟气中回收CO2供化工原料应用也得到了推广。新日铁从焦炉煤气中提取氢供应燃料电池汽车加氢站，为社会节油减排做贡献。JFE还应用污泥硝化产生的沼气发电。

此外，在政策方面，日本政府出台了一系列政策，其中包括碳税和排放贸易。碳税包括“石油和煤炭税”和“气候变化税”。自2003年10月起，日本开始征收石油和煤炭税。并于2007年初开始征收环境税。该税种的实施刺激了新能源和节能产品的加快研制与更新换代。

3.美国钢铁工业低碳技术的发展

根据美国钢铁协会（AISI）的统计数据，在过去的25年里，美国钢铁行业的吨钢能耗已由1970年的32GJ下降到2009年的约15GJ，降低了60%。

上世纪六、七十年代以来，美国电炉钢产量大幅增加，近些年其电炉钢比例已超过60%，电炉炼钢已成为美国最主要的炼钢方法。

电炉钢在美国迅速发展并超过转炉钢占据主导地位的原因，首先是美国拥有充足廉价的废钢、电力资源；其次电炉厂投资低、建设周期短、生产经营灵活，还有一个重要因素就是电炉短流程钢厂在节能环保方面远远强于消耗大量焦炭、碳排放高的转炉流程钢厂。

能耗核算为15GJ/t钢，按美国能源部能源信息署给出吨标煤的碳排放系数0.69计算，吨钢二氧化碳排放量为1.3吨。吨钢能耗和二氧化碳排放强度远低于国际钢铁协会平均值。由此可见，钢铁生产流程的结构改变对钢铁行业二氧化碳减排有着巨大作用。

2004年2月，布什政府宣布了气候变化行动将作为京都议定书的替代计划。该行动计划包括从2002年至2012年温室气体单位GDP排放量降低18%，加强能源部现存的温室气体排放自愿登记计划，增加研发方面的联邦资助，以及通过税收刺激促进可再生能源的投资等。美国钢铁工业协会也正在自觉参与政府的削减温室气体排放的计划，AISI提出了在2012年吨钢钢材能源消耗比2002年降低10%的目标。

美国能源部采取国际合作的形式，针对钢铁业开发了以下技术：无焦炼铁技术，用转底炉生产DRI或粒铁作为电炉等的补充原料；LCS激光等直线测量系统测量转炉和钢包的耐火砖厚度，延长设备寿命，节省耐材能耗；高强度轧辊；DOC系统（稀释氧燃系统），通过一个单独的高速喷口喷燃气和氧气，使燃气和氧气在混合之前就加热，可以提高轧钢厂的产量和效率；镀锌板废料锌去除技术。

美国钢铁协会目前正致力于降低钢铁工业CO2排放的技术研发项目包括：

（1）用氢闪速熔炼生产生铁（用氢做燃料），通过替代炼铁生产过程中所用的煤和焦炭中碳，目前该研究仍处于初步阶段；

（2）熔融氧化物电解研究，由MIT材料科学工程系科学家Donald R. Sadoway 教授领导的科研团队在实验室利用环境更加友好的熔融氧化物电解工艺成功地获得了生产铁的新方法。熔融氧化物电解工艺与常规金属生产技术有着明显的不同，是将电流通过液态氧化铁，分解成为铁水和氧气，生产完全不含碳的铁，因此不产生二氧化碳；

（3）新型悬浮炼铁技术、二氧化碳地质储存研究等。

4.我国钢铁工业减排CO2的技术策略

纵观国际钢铁行业减排温室气体的策略，欧盟减排温室气体的目标明确，减排的力度也比较大，他们根据自身废钢储备量较大的特点，把增加炼钢中废钢的比例、减少对铁水的需求作为最有效的减少CO2排放的措施；日本钢铁业则在节能上狠下功夫，通过充分利用余热回收能源和高效利用富余煤气，提高能源效率；美国钢铁业通过提高电炉钢比例，改变钢铁生产的流程结构，从而达到减排CO2的目的。

对于我国钢铁企业来说，实现CO2减排除了要借鉴国际钢铁工业的成功经验外，还需要结合我国钢铁企业的特点，有的放矢地进行。一方面，我国钢铁企业大量高耗能设备依然存在，余热、余能回收利用率低，导致我国钢铁企业能耗一直居高不下；另一方面，尽管电炉短流程吨钢CO2排放量大大低于高炉——转炉长流程的CO2排放量，但由于我国社会废钢积蓄量少、价格高，使我国钢铁业不可能像欧洲和美国钢铁业那样通过大力发展短流程炼钢来降低CO2排放水平。此外，若采用新的冶炼技术，如运用天然气和氢气作为还原剂，则现阶段其来源和成本是个问题；若采用铁矿的电解冶炼技术，因其耗电量大，对于现阶段我国以煤为主的能源结构显然是不切实际的。

从欧洲、日本和美国钢铁工业低碳技术的发展路线分析可知，未来我国钢铁工业需要在提高能源利用效率、加大二次能源的回收利用，开发突破性冶炼技术以及寻求利用新能源解决方案方面做出更多的努力。

4.1 提高能源利用效率

钢铁生产过程中使用的能源种类繁多，主要有原料煤、焦炭、副生气体、电力、余热等等。而这些能源的能级相差甚大，用能设备对能源的要求亦不相同。为了提高能源使用效率，必须分级用能，阶梯利用，充分发挥各自的作用。

分级利用就是将一定的初始能量多次利用的一种方法，是一种为了不浪费能源而根据其特点物尽其用的方法。例如，对于高压高温蒸汽应先用于作功，然后再供热、采暖等。

我国能源利用效率与发达国家相比存在一定差距，每吨标准煤的产出效率相当于美国的28.6%，欧盟的16.8%，日本的10.3%。我国钢铁工业的能源结构与韩国和日本相似，一次能源也是以煤为主，但韩国与日本钢铁企业单位钢铁产品的碳排放强度略低于我国，其差别主要是我国钢铁企业的能效较低。

提高能源利用效率就是要充分、合理、科学地利用好副产资源和高能高用、梯级利用、能级匹配、高效回收。

4.2 提高废钢铁的利用率

在高炉——转炉生产流程中，高炉的CO2发生量占总发生量的60%。因此，转炉生产配入多少铁水对钢铁厂产生的CO2排放量有直接影响。换言之，炼钢时多配入废钢而少用铁水就可以减排CO2。计算表明，转炉减少10%的铁水单耗，即可将钢铁厂的CO2排放量减少6%。

废钢是铁矿石的替代品，据统计每年利用5000万吨废钢可减排1亿吨CO2。因为在钢铁生产流程中，能源消耗和污染排放主要集中在烧结、焦化、炼铁等工序，而循环使用清洁废钢，是不经过这些高能耗环节，直接进入转炉、电炉工序。据测算，与使用铁矿石相比，用废钢炼钢可节约能源60%、节水40%，减少排放废水76%、废气86%、废渣72%。同时，废钢还是一种可以循环利用的再生资源。每多用1吨废钢，可少用1.7吨精矿粉，减少4.3吨原生铁矿石的开采。

4.3 加快淘汰落后产能

根据国务院已出台的《钢铁产业调整和振兴规划》，将严格控制钢铁总量，加快淘汰落后。严格控制新增产能，不再核准和支持单纯新建、扩建产能的钢铁项目，所有项目必须以淘汰落后为前提。目前，我国大中型钢铁企业在节能减排上取得的进步较明显，但一些地方小钢铁企业由于工艺装备落后，导致能耗较高、污染严重。世界先进焦炉炭化室高度在6m以上，我国主体水平仅为4.3m；先进大型高炉为3000m3~5000m3，我国主体水平为300m3~3000m3，先进炼钢转炉为200t~350t，我国主体水平为20t~100t。所以推进淘汰落后钢铁生产能力，也是钢铁行业节能减排的重要途径。

4.4 提高二次能源利用率

钢铁工业的能源转化功能体现在生产过程中所用煤炭的能值有34%左右转化为副产煤气（焦炉煤气、转炉煤气、高炉煤气）和生产过程中所产生的余压、余热、余能。据分析，钢铁企业所产生的二次能源量占钢铁企业总能耗的15%左右。日本新日铁已将可回收的二次能源总量的92%进行了回收利用。我国宝钢也回收利用了二次能源总量的77%，而大多数钢铁企业二次能源回收利用是在50%以下。如果我国钢铁工业能达到日本的二次能源回收水平，估计每年可以减排CO28000万t。因此，加强二次能源的回收利用将是我国钢铁工业节能减排的主攻方向。

4.5 开发突破性冶炼技术

今天的钢铁生产已经最佳地利用了能源。因此，为了进一步大幅度降低CO2的排放，需要从根本上开发新的钢铁生产工艺技术。由于现代炼钢生产已经有很高的能源效率，并且可以大幅度降低CO2的排放，因而所谓的突破就是导致钢铁制造方式有重大改变的“新发现”。这就需要研究开发创新型的炼铁与炼钢生产工艺，通过利用再生炭资源或取消炭的使用，改变化石燃料的使用，开发出低碳或无碳钢铁生产工艺。如氢气还原炼铁技术，该技术最大的优势是高炉使用H2作还原剂可以实现快速还原，并且减少CO2的排放，这是非常有利于环保的炼铁方法，但很难获得廉价的氢气，所以在氢源方面，有关副产煤气的制氢技术受到重视。

4.6 开发利用新能源

我国钢铁企业应适时参与水能、风能、太阳能发电项目试点工作，充分利用钢铁企业的自身优势发展氢能产业，如日本焦炉煤气重整后制成富氢煤气输入高炉，加速还原铁矿石；欧洲也开始利用太阳能进行高温冶炼研究；韩国POSCO也在开展核能—制氢—氢还原的前沿技术研究等。

5.结论

目前，我国钢铁工业能源消耗占全国工业总能耗的25%；新水消耗占全国工业用水总量的3%，废水排放量占工业总排放量的14%，SO2排放量占工业总排放量的8%，固体废物占工业废弃物总量的16%。由于CO2既不是废弃物也不是污染物，其排放指标目前还未列入国家考核企业的指标中。国家现已提出了到2020年的碳减排目标，未来肯定会对钢铁生产的碳排放形成约束，以促使钢铁行业在工艺、规模、技术等方面发生根本性变化，从而有可能导致行业新一轮洗牌。世界经济走向低碳化已是大势所趋。钢铁企业应未雨绸缪，高度关注国家碳税政策制定的进展，尽早制定节能减排发展策略，研究和安排企业碳减排实施方案，使企业真正走上低能耗、低污染、低排放的经济发展模式。