我国水泥和钢铁行业突破性低碳技术研究

佟 庆 魏欣旸 秦旭映 郭玥锋

1.清华大学核能与新能源技术研究院

2.澳门科技大学商学院

3.清华大学核能与新能源技术研究院

4.北京航空航天大学苏州创新研究院

0 前言

水泥和钢铁工业属于我国高耗能行业[1]，为国民经济做出巨大贡献的同时，也是我国两个主要的CO2排放行业。此外，水泥和钢铁行业已进入全国碳排放权交易市场[2]。根据能源统计数据[3]和国家温室气体清单数据[4]匡算，2017年水泥行业CO2排放量约为12亿t，钢铁行业约为15亿t。

这两个行业的碳排放机理主要包括燃料燃烧排放、工业生产过程排放（水泥生产过程的碳酸盐分解产生CO2排放、炼钢过程的原料脱碳产生CO2排放）、电力消耗所对应的电力生产环节的排放（也称间接排放）。

近年来，这两个行业以节能和提高能效技术为主要途径，通过减少燃料燃烧或电力消耗所对应的CO2排放，取得了一定的CO2减排效果，但随着应对气候变化国际形势的发展以及全国碳市场的深入进行，水泥和钢铁行业在节能减碳方面会面临越来越大的压力，有必要进一步探讨这两个行业更为突破性、前瞻性的先进低碳技术[6]。

本文综述了水泥行业和钢铁行业几种突破性的低碳技术，介绍了这些技术的原理、减排效果、障碍及措施，以期对这两个行业未来的减排提供一些借鉴。

1 水泥行业突破性低碳技术

水泥工业是国民经济中重要的基础产业，属于能源、资源密集型行业，煤炭消费量基数大，是碳排放大户。我国水泥产量占全球水泥总产量的60%，连续近三十年来居世界第一，CO2排放强度较高[7]。2014年发布的《国家应对气候变化规划（2014～2020年）》指导方针中指出“2020年水泥行业CO2排放量基本稳定在‘十二五’末的水平”。可见，水泥行业必须积极响应国家应对气候变化战略，实现水泥行业转型升级。

碳酸盐分解的工业生产过程排放是水泥行业最大的排放源（约50%～60%），其次是燃料燃烧排放（约30%～40%）。

水泥行业减排一般采用能效提高（节煤、节电）、燃料替代、熟料替代这几种技术。提高能效水平是最直接有效的减排方式。近年来，我国水泥行业有关能效提高的生产技术取得较大进步，未来依靠提高能效的减排空间有限。用天然气和生物质燃料来替代煤炭等传统燃料的替代技术，虽然理论上减排潜力较大，但我国应用替代燃料的生产线较少，技术也受到法律和政策的制约。对于熟料替代技术，过低的熟料虽然降低了CO2，但也会造成大量使用混合材和掺和料，增加单位混凝土的水泥用量，对建筑物安全产生潜在影响。

因此，需要探索除这三种技术之外的更为突破性的技术。《国家应对气候变化规划（2014年～2020年）》中指出，“水泥行业要鼓励采用电石渣、造纸污泥、脱硫石膏、粉煤灰、冶金渣尾矿等工业废渣和火山灰等非碳酸盐原料替代传统石灰石原料”。为此，原料替代技术应成为水泥工业未来减排的突破性技术。此外，由于水泥生产产生的CO2中50%以上是无法避免的，因此，水泥行业采用CO2捕获和封存技术（CCS），也是促进水泥行业未来减排的一项突破性技术。下面着重介绍水泥生料原料替代技术和碳捕获和封存技术(CCS)。

1.1 水泥生料原料替代技术

理论上讲，水泥原料中只要各化学组分配比合适，就能生产出合格的水泥熟料。传统技术下，来自石灰石原料的生料碳酸盐分解的碳排放比例较高，通常每生产1 t水泥熟料需要消耗约1.3 t石灰石原料，这些原料在高温下分解会产生约42%的CO2，而采用含有CaO但CO2含量低的替代原料，就能有效降低水泥生产中工艺过程CO2排放。

目前，可采用其它原料替代石灰石原料的材料有电石渣、硅钙渣、钢渣、石英污泥、造纸污泥等，对这几种替代材料的减排技术分析如下。

1.1.1 技术原理和减排效果

1)电石渣替代

电石渣是化工行业的废渣，主要成分是CaO或Ca(OH)2，含量为65%～80%。电石渣的成分较为稳定，有害物质较少，可完全取代石灰石原料生产水泥。

根据刘晶等[9]开展的研究表明，以1条2 500 t/d水泥熟料的电石渣生产线为例，水泥熟料年产量70万t，计算结果表明，与传统采用石灰石作为钙质原料的生产线相比，电石渣配料比例为60%时，单位熟料的工艺过程CO2排放降低227.5 kg，企业年度工艺减排CO2高达16万t。

2)硅钙渣替代

硅钙渣是指用碱石灰石烧结法提取高铝粉煤灰中氧化铝产生的新型固体废弃物，目前利用范围局限，绝大部分都通过填埋方式处理，污染环境，侵占土地。硅钙渣含有一定量的CaO，可以减少配料中石灰石的比例，这些经高温煅烧的废渣作为替代原料生产水泥，也可获得一定量的CO2减排。

刘丽芬等[10]开展工业试验研究表明，生料中掺入30%的硅钙渣可生产合格的硅酸盐水泥熟料，利用硅钙渣替代石灰石在现有工业生产线上烧制水泥熟料是切实可行的。

根据刘晶等开展的分析表明，若采用30%硅钙渣替代石灰石，所得单位熟料的工艺CO2排放量为437.1 kg，若不采用硅钙渣替代石灰石，单位熟料的工艺过程CO2排放量为533.56 kg，因此单位熟料的工艺CO2排放降低96.46 kg。

3)钢渣替代

部分水泥企业为充分利用当地资源，降低生产成本，采用钢渣配料生产水泥熟料。根据刘晶等开展的研究表明，对比某公司采用钢渣配料前后的生产数据，计算钢渣的减排效果明显。在原配料方案中，单位熟料的工艺过程CO2排放量为543.8 kg，采用生料中搭配使用约4%的钢渣后，单位熟料的CO2排放量为539.4 kg，减排了4.4 kg CO2，此外钢渣的使用还能明显改善生料易烧性从而降低煤耗。

4)石英污泥替代

石英污泥是石英砂厂采掘的石英矿经破碎、水洗、筛选、烘干、提炼硅后剩下的废污泥。石英污泥的主要化学成分为 CaO、SiO2、AL2O3、Fe2O3、SO3和MgO等，因此可以替代石灰石。此外，石英污泥为粉末状物料，配料波动少，整体比较稳定，可用于改善生料的易磨性。根据马源等[11]实验和研究表明，相比传统方案，在采用石英污泥替代原料后，标准煤耗从106.23 kg/t降低至103.88 kg/t，下降了2.35 kg/t。

5)造纸污泥替代

根据刘伟等[12]研究表明，经对某废纸污泥渣进行化学分析，造纸污泥中含有 CaO、SiO2、AL2O3、Fe2O3、和MgO，而且其中Al2O3含量较高，对于生料配料来说是一种很好的铝质校正原料，其余化学成分对熟料质量也基本不存在不良影响，而且污泥的热值还比较高、可以充分利用其热值烧成熟料。理论上每掺入1%的湿造纸污泥，吨熟料实物煤耗可降低1.91 kg。

1.1.2 障碍及措施

采用电石渣、硅钙渣、钢渣、石英污泥、造纸污泥等工业废弃物用作替代原料，不仅能可靠、低成本地利用废弃物，同时能有效减少工艺过程的CO2排放量。但是，也存在以下障碍限制这些原料替代技术在水泥工业中的应用和发展。

1)水泥产品性能障碍

与化石燃料产生的灰渣相比，某些替代材料的灰分具有不同的组分和含量，这些材料在窑中产生的熟料成分波动较大。如果熟料中磷元素超标，会降低生产水泥的早期强度并导致更长的凝固时间。此外，使用替代材料也会影响水泥的长期强度。因此，使用各种替代材料需要注意各种原料的配比以及对后续工艺流程做出调整，需要进一步加大研发和示范力度，摸索出成熟稳定的技术方案。

2)技术经济障碍[13]

使用替代材料的额外成本主要包括加工工艺的研究、设计、建造等费用，以及原材料采购、处理和运输费用等。因此，需要仔细评估替代原料的经济性，并希望政府给予一些政策支持，也建议企业充分利用碳市场等激励机制。

3)国家标准和市场接受度障碍

当地工业副产品市场和替代原料水泥生产许可条件也是阻碍替代原料技术在水泥工业中广泛应用的障碍。此外，在一些国家和区域市场，国家标准与替代原料生产的水泥性质之间仍然不相容，还需要配套开展生产许可和标准制定或修订等工作。

1.2 碳捕获与封存技术（CCS）

1.2.1 CCS技术原理和减排效果

碳捕获与封存技术（CCS）[14]是一项新兴的、具有大规模减碳潜力的技术，可将水泥行业产生的CO2捕集并存储于特定地质结构中，从而减少CO2向大气的排放。刘虹等[15]研究推算表明，估计我国2020～2030年水泥行业利用CCS技术捕获CO2的市场潜力在3亿t～4亿t左右。

1.2.2 障碍及措施

根据顾阿伦等[16]研究分析，水泥行业减排技术按照减排成本由低到高的排序为能效提高技术、燃料替代技术、混合水泥技术和CCS技术，可见CCS技术成本最高。这也是制约此项技术在我国应用和发展的主要障碍。

除此之外，此项技术本身还存在一定的技术难度和地质存储潜力方面的不确定性，还需要认真分析和评估CCS技术路线，对适合中国发展的CCS技术进行重点研发与示范，并应加强CO2储存的研究，对有可能最先作为CO2储存的含油、气、煤的盆地结构的地质进行重点调查研究，对于监测可能、储存潜力、泄漏风险等方面进行全面调查与评估。

2 钢铁行业突破性低碳技术

李新创等[17]研究结果表明，在全球温控目标2℃情景下，降低需求、能效提升、创新工艺为钢铁工业贡献的减排潜力为46%、21%、33%。在1.5℃温控情景下，降低需求、能效提升、创新工艺为钢铁工业贡献的减排潜力为34%、16%、50%。可见，钢铁行业随着温控目标要求的提高，创新工艺对钢铁行业的减排作用更为凸显。下面重点介绍相比传统高炉炼铁而言，具有突破性创新工艺的直接还原炼铁技术和电弧炉炼钢技术。

2.1 直接还原炼铁技术

2.1.1 技术原理和减排效果

直接还原炼铁技术[18]是以非焦煤为能源，在不熔化、不造渣的条件下，原料基本保持原有物理形态，铁的氧化物经还原获得以金属铁为主要成分的固态产品技术方法，是现代钢铁工业重要工序之一。

直接还原炼铁技术按所使用的还原剂的形态分为气基法（竖炉法、流化床法等）、煤基法（回转窑法、隧道窑法、煤基竖炉法、转底炉法等）。迄今为止，有数十种直接还原工艺实现了工业化生产，其中气基竖炉占直接还原铁的主导地位。

传统的高炉炼铁，铁水的含碳量为4.50%，而钢的含碳量平均为0.35%，因此采用高炉铁水炼钢，脱碳环节会排放约140～175 kg CO2/t钢。对比而言，煤基直接还原炼铁含碳仅为0.30%，气基直接还原铁含碳通常≤1.50%，用直接还原铁炼钢，脱碳环节可以减少向大气排放约100～150 kg CO2/t钢。

2.1.2 技术障碍及措施

我国直接还原炼铁技术的主要应用障碍[19]有以下三种。

1)生产规模过小。中国直接还原铁企业均采用煤基直接还原工艺，该方法通常单机生产能力均较小，多数直接还原铁厂的年生产能力均小于5万t。过小的生产规模不能形成规模效应，使工厂的原料组织、产品销售及环保等环节都出现一些问题。竖炉气基直接还原可实现大规模生产，是我国发展该技术的主要出路。

2)缺乏稳定的原料供应渠道。直接还原炼铁技术必须采用高品质的原料，但我国缺乏适合直接还原铁生产所用的高品位铁矿石资源，如全部采取进口又面临国际市场矿石价格不断上涨的困难。建立国内外两种资源组成的稳定畅通的原料供应渠道，是我国发展直接还原炼铁技术的当务之急。

3)气基直接还原发展缓慢。国外发展经验表明，利用气基竖炉法是迅速发展直接还原炼铁技术的有效途径，但我国由于受到天然气资源的限制，气基直接还原发展缓慢。煤制气技术已成为化工行业的常规技术，使得煤制气-竖炉工艺成为我国发展直接还原炼铁技术的方向之一。但由于煤炭的使用越来越受到限制，需要寻找更清洁的制氢方法。张平等[20]研究表明，高温气冷堆核能技术最适合制氢，其产生的氢气可以用于直接还原炼铁，也即可以实现高温堆制氢与直接还原炼铁技术的耦合，这将大幅度降低钢铁冶炼过程中温室气体和其它有害物质的排放，可能带来行业革命性的变化。

2.2 电弧炉炼钢技术

2.2.1 技术原理和减排效果

电弧炉炼钢以废钢或直接还原铁为主要原料，用电弧的热效应炼钢。

相比以高炉铁水为原料的长流程转炉炼钢技术，以废钢或直接还原铁为原料的短流程电炉炼钢节能减碳优势明显。采用电弧炉炼钢，其制造每吨粗钢的能耗和CO2排放分别为250 kg标煤和600 kg左右，而传统的长流程炼钢的能耗和CO2排放分别是750 kg标煤和2 000 kg左右[21]。

2.2.2 技术障碍及措施

一直以来，我国短流程电弧炉炼钢发展速度不快，2015年电弧炉炼钢占全部炼钢产能的比例在6%左右，与美国63%、韩国30%、日本23%相比，差距较大。遇到的障碍主要有以下两方面。

1)优质废钢资源紧缺。近10余年来，中国钢产量高居世界之首位，然而由于总的废钢积累量不足，废钢资源紧缺导致的废钢价格较高制约了电弧炉炼钢技术的发展。此外，随着汽车、家电等包含各种有色金属材料的大量使用，使得难以解体分离的产品不断增加，优质废钢资源非常紧缺，造成废钢质量不稳定，残留的有害元素富集、杂质较多。解决这一问题的主要方法为建设废钢回收、加工、配送体系，并采用有效提高去除并回收废钢中有害元素的技术，提高铁与有害元素的分离率[22]。

2)电力紧张、发电能源结构不合理、电力成本较高。电弧炉是用电大户，虽然近年来中国电力装机容量迅速增长，但国民经济其他部门和人民生活质量迅速提高，对电量的需求也快速增长，特别是中国发电技术构成不合理，火力发电所占比例仍然比较高，对化石能源依赖度较高，电力成本也较高。这就需要进一步优化电弧炉生产工艺，加强精细管理与操作，充分利用钢水中化学反应产生的化学能和排放废气中的物理能，如二次燃烧技术和废钢预热技术。同时，开发新型电弧炉，高效利用电能，降低电炉炼钢能耗。

3 结语

技术进步是低碳发展的必由之路，本文介绍的这些突破性低碳技术无疑有着降低水泥和钢铁行业温室气体排放的巨大潜能，但要将其变为工程化应用的技术，还需要采取更强有力的措施来促进技术的研发创新动力、科研成果的转化应用速度以及工业化应用进程。

建议我国政府主管部门、水泥和钢铁的行业主管部门把发展行业突破性低碳技术作为一项战略性措施，加强顶层设计，统一规划，制定科学的、超脱地方和部门利益的低碳发展路线图。分清主次和轻重缓急，集中力量，围绕重大关键技术进行联合攻关，以期尽快掌握我国水泥和钢铁行业最急需的关键低碳技术。

此外，鉴于低碳技术国际转移所面临的各种障碍，且我国水泥和钢铁行业有其自身的国情和特点，在明确我国水泥和钢铁行业低碳技术发展的优先领域基础上，必须立足于自主创新和研发，掌握自主核心技术，在此基础上实现成果转化和应用。