河北省钢铁行业绿色低碳技术发展的路径

马秀琴 ，林 虹 ，郭忠莲 ，张旭升 ，曾亚军

（1.河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401；2.天津排放权交易所有限公司，天津 300450）

0 引言

钢铁行业是河北省的主要支柱产业之一，2021年河北省民营企业100 强名单中，有39 家来自钢铁行业，占比超过三分之一，河北省粗钢产量已连续21年位居全国第一[1]。2021 年河北省粗钢产量同比减少9.93%，占全国粗钢产量的21.73%，虽然2021 年国内粗钢产量近6 年以来首次出现同比减少，但在压减钢铁产量、能耗双控、京津冀钢铁行业错峰生产等多项政策措施联动约束下，从压减绝对数量来看，河北省粗钢压减量最多，达到2480.5 万t，占全国粗钢压减量的77.57%，超额完成压减任务，因此，全国粗钢产量占比降幅也较大[2]。河北省2018—2021 年粗钢产量及全国占比如图1 所示。

图1 河北省2018—2021 年粗钢产量及全国占比

钢铁行业是河北省制造业中能源消耗量和碳排放量最大的行业，在碳达峰和碳中和目标倒逼的大背景下，河北省钢铁行业成为节能减碳的重要领域，同时也是工业转型、绿色低碳技术发展的主战场。

1 河北省钢铁行业碳排放现状

1.1 河北省钢铁行业各生产工序组成

2019 年，河北省综合能源消费总量在1 万t 标准煤以上的重点行业企业有413 家，其中钢铁企业149家。按照河北省2019 年的碳核查数据，河北省钢铁行业纳入碳排放权交易的重点企业中独立轧钢企业约占53%，具体企业涉及生产工序及占比如表1 所示[3]。

表1 纳入碳排放权交易的钢铁企业不同生产工序及占比

1.2 钢铁行业不同工序组合的企业碳排放量分布

根据2019 年碳核查数据显示，河北省钢铁行业的碳排放总量为45 649 万t CO2-e，由烧结、球团、炼铁、炼钢、轧钢工序组成的企业碳排放总量最大，约为23 814 万t CO2-e，占总排放量的52%；由烧结、炼铁、炼钢、轧钢工序组成的企业，其排放总量为8310万t CO2-e，占总排放量的18%；6 个工序均有的企业，其排放总量为6977 万t CO2-e，占总排放量的15%。企业数量占比最多的独立轧钢企业，其排放总量为739 万t CO2-e，仅占总排放量的1.6%[4]。河北省钢铁行业不同工序组合的企业碳排放量分布如图2 所示。

图2 河北省钢铁行业不同工序组合的企业碳排放量分布

2 河北省钢铁行业碳排放路径及节能减排存在的问题

2.1 河北省钢铁行业主要生产环节的碳排放

在钢铁的生产过程中，所排放的温室气体主要是来自以煤为主的能源消耗，涉及CO2、CH4、N2O 等多种温室气体，但主要是CO2。钢铁生产中的温室气体排放源及温室气体种类如表2 所示。

表2 钢铁生产中的温室气体排放源及温室气体种类

2.2 河北省钢铁行业节能减排存在的问题

（1）钢铁生产中长流程占比高，碳排放总量大。从河北省不同钢铁生产工艺来看，含有烧结的长流程生产工艺CO2排放量最高，含有球团的长流程生产工艺次之，采用废钢电炉短流程工艺CO2排放量最低[5]。长流程的碳排放量远高于短流程，且高炉-转炉长流程吨钢碳排放强度是电炉短流程吨钢碳排放强度的3.2 倍。

（2）电炉炼钢普及率低，废钢炼钢技术有待于提高。2020 年，河北省短流程电炉钢的比例仅为1.56%，目前河北省大型钢铁企业废钢炼钢的主要设备为转炉，随着河北省钢铁产能减量置换及城市钢厂搬迁改造，部分高炉-转炉长流程将改为电炉短流程。随着河北省短流程工艺占比提升，降碳效应将有显著地转变。

（3）工艺结构不合理，需提高能源利用效率。当前，在电弧炉短流程炼钢、高炉大球团比冶炼、直接还原和熔融还原炼铁技术方面仍有较大提升空间，应结合钢铁行业超低排放改造，持续提高烧结烟气循环、燃气蒸汽联合循环发电、炉顶余压发电、烟气余热回收、高炉渣余热回收、钢渣余热回收、一包到底、高炉煤气热值提升等节能技术，进一步降低全行业能耗，减少行业碳排放总量。提高余热发电机组的转化效率，将中低温余热回收工艺改进为高温高压工艺，进而提高余能利用率，降低能耗。优化烧结烟气循环工艺中的烟气来源，提高高温烟气循环比例，进一步降低烧结工序能耗，减少碳排放量。

（4）各企业绿色低碳发展水平差异大。河北省是钢铁生产大省，但各企业的绿色低碳发展水平差异大。既有以河钢为代表，注重能源管理，产品碳排放强度行业先进值的企业，也存在粗放管理，产品能耗大，排放高的企业。

（5）行业的节能低碳技术创新难。虽然国家推荐的重点低碳技术逐渐普及，但河北省针对钢铁生产自主研发动力不足、创新进度慢，国内外的新技术应用存在难度，如氢能炼钢、氢气直接还原、熔融电解铁矿石等新技术，技术节能存在瓶颈。

3 河北省钢铁行业低碳技术发展所具备的优势与路径

3.1 河北省促进钢铁行业低碳发展所具备的优势

（1）可再生能源领域发展势头良好。据统计，到2021 年底，河北省可再生能源并网装机容量为5859万kW·h。光伏发电装机容量和风力发电装机容量总和可达5467.6 万kW·h，居全国首位，且这两种可再生能源的装机容量在国内均排在第二位。河北省列入国家整县屋顶分布式光伏开发试点县有37 个，在数量上排在全国第五位。2022 年，响应国家“双碳”战略，河北省安排的新能源项目规模接近5000 万kW·h，已经超过整个“十三五”期间的新增装机容量总和。此外，河北省政府通盘谋划，从电力的“发、输、储、用”4 个环节提出具体举措，明确“十四五”各年节点目标任务，以保证到2025 年河北省的可再生能源装机容量能够实现“倍增”，总规模达到11 400 万kW·h 以上，完成投资超过3300 亿元。

（2）河北省钢铁碳捕获、利用与封存（carbon capture, utilization and storage, CCUS）技术发展潜力巨大。河北省目前已经在钢铁行业开展了CCUS 技术的可行性研究和建设，具体如表3 所示。

表3 河北省部分企业采用的CCUS 技术

其中首钢京唐钢铁联合有限责任公司和德龙钢铁有限公司被列为河北省第一批二氧化碳捕集利用封存试点项目。根据国际能源署的预测，全球依靠CCUS 技术实现碳封存的规模将在2050 年达到76 亿t，约占2020 年全球碳排放总量的22.4%。河北省2050 年实现碳封存的规模还远远低于国际水平，其CCUS 技术发展潜力巨大。

（3）发展氢能具有优势。在氢能领域，河北省的发展领先势头良好。全省累计建成5 个可再生能源制氢项目，建成15 座加氢站，投运334 辆氢燃料电池公交车。国内首条百辆级别氢能重卡运输线在保定市正式市场化运营，已形成完整产业链，年产值可达100 亿元。特别值得一提的是，在北京冬奥会期间，张家口市日产17 t 的绿氢制氢能力，满足了710辆氢燃料电池汽车的用氢需求。到“十四五”末，可培育10～15 家在国内氢能领域领先的企业，氢能产业链年产值达到500 亿元。

3.2 河北省钢铁行业低碳技术发展的路径

根据河北省钢铁行业的发展现状，结合河北省在绿色电力和氢能领域的发展优势，本文提出河北省钢铁行业低碳技术发展的路径如下。

（1）优化工艺生产流程，以减少工业生产过程中的直接碳排放，由高炉-转炉法转向电炉冶炼法。

使用电炉冶炼法可以显著降低炼钢过程的CO2排放量，目前河北省电炉冶炼法产量占比有很大的提升空间，因此可以通过将钢厂现有的大量高炉-转炉生产线转为电炉生产线来实现减碳。工业和信息化部在2020 年12 月31 日发布的《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见（征求意见稿）》，要求我国到2025 年电炉钢产量比例提升至15%以上，力争达到20%。

（2）在冶炼过程中使用可再生能源。为了减少电网耗电量导致的CO2排放，河北省钢铁企业可利用工厂厂房屋顶、车棚等铺设光伏板，或在适宜的空地投建风机以提高自发电比例；也可以利用省内自有的风力发电和光伏发电优势降低碳排放。在炼钢过程中使用可再生的氢能逐步替代传统化石能源。

（3）提升生产配套设施绿色水平。钢铁生产是复杂的系统过程，其中既涉及钢的冶炼，也涉及物流运输、库存管理等配套服务。因此要实现碳中和目标的同时也要提升钢铁生产配套设施的绿色水平。

（4）针对钢铁生产特点开发和应用CCUS 技术。通过CCUS 技术可以将生产过程中排放的CO2进行提纯，继而投入新的生产过程中，实现CO2资源化利用。钢铁行业在实现碳中和的过程中如果完全消除对化石能源的消耗，不仅在技术上实现难度很大，而且在经济上也会极大地增加钢铁生产成本。因此保留一定程度的化石能源使用可能是钢铁行业实现碳中和目标最现实的情景。在这种情景下，钢铁行业就需要使用CCUS 技术对这部分碳排放进行处理。

4 结语

根据2022 年1 月河北省政府出台的《关于完整准确全面贯彻新发展理念认真做好碳达峰碳中和工作的实施意见》，结合河北省在绿色电力、氢能和CCUS 领域的发展优势，本文提出河北省钢铁行业绿色低碳技术发展的路径：①废钢电炉短流程炼钢。废钢电炉短流程炼钢属于资源的再生循环利用，可以大幅度减少化石能源消耗和CO2排放。②充分发挥河北省在可再生能源领域的优势，利用风力发电和光伏发电，然后电解水制备氢气，用氢气还原铁矿石，从根本上杜绝CO2排放。③推动钢铁行业全生命周期的绿色低碳发展。选用低碳原材料，在物流运输和产品库存管理等环节采用低碳技术，全面推动钢铁生产全生命周期的绿色低碳发展。④大力发展CO2捕集与碳循环钢化联产碳负排技术，进一步深度脱碳。将钢铁生产过程中排放的CO2进行提纯，继而投入新的生产过程中，实现CO2资源化利用，为实现钢铁行业碳中和提供保障。