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钢铁产业碳中和途径及其关键技术研究

钢铁产业是国民经济发展的支柱产业。我国是世界第一钢铁大国,2020年粗钢产量达到10.65亿吨,占全球粗钢总产量的56%,但我国钢铁生产以高炉-转炉长流程为主,严重依赖煤基化石能源,是导致碳排放量较高的首要因素。2020年,钢铁产业二氧化碳排放量占我国碳排放总量的16%左右。有效降低二氧化碳排放强度和加强碳捕捉利用是钢铁产业亟待解决的难题,也是国家的重大战略需求。因此,钢铁产业亟待研发和应用碳中和前沿技术,实现低碳绿色化转型升级。即将实施的碳税政策更凸显其倒逼作用,将对资源能源密集型的钢铁产业产生直接深远的影响。

从技术层面来看,钢铁产业实现碳中和主要包括以下几步:

第一步,针对碳达峰和碳减排平台阶段,研发和应用低碳冶炼与全流程低碳加工及智能制造技术,实现高能效和低碳化。在工艺优化、强化冶炼、余热和二次资源高效循环利用、超低排放改造、系统节能、产品高质化等基础上,研发应用低碳高炉、高效连铸、铸轧一体化、在线组织性能调控等低碳冶炼、加工新技术,同时开发全流程信息物理系统,实现高可靠性、高稳定性全流程智能制造,最大程度地提高能源利用效率和实现碳减排,为碳中和奠定基础。

第二步,针对钢铁产业快速降碳阶段,在低碳高能效冶炼基础上,研发和应用钢铁-化工联产技术(见图1),增加碳汇,实现碳净零排放。基于碳捕集利用,研发应用钢铁-化工-氢能一体化网络集成CCU技术(steel-chemicals-energy networking integration,简写为SCENWI,也称神威CCU技术),通过钢铁-化工协同,为我国以高炉-转炉长流程为主的钢铁产业实现碳净零排放提供最合理、最彻底的解决方案。

第三步,针对钢铁产业深度脱碳阶段,在低碳高能效和钢铁-化工联产基础上,辅以氢能替代化石能源,研发应用氢基竖炉-电炉短流程新工艺技术,在适宜区域实现钢铁工艺流程革新和能源结构优化,为深脱碳或无涉碳钢铁生产提供全新途径。

与国外相比,国内目前在氢冶金、钢铁-化工联产等碳中和前沿技术研发方面尚处于起步阶段,工业化应用较多处于空白,总体属于“跟跑”阶段。因此,碳中和冶炼极有可能成为制约我国钢铁工业未来发展的“卡脖子”技术。由于国外技术保密和限制,我国今后在核心技术应用方面极易受制于人,急需加快碳中和冶金研发步伐,突破关键技术,打破国外技术封锁,抢占低碳前沿阵地,实现核心技术、关键装备、标准体系、研发平台和人才队伍的全面超越,引领钢铁产业低碳绿色化发展。

钢铁产业是国民经济发展的支柱产业。我国是世界第一钢铁大国,2020年粗钢产量达到10.65亿吨,占全球粗钢总产量的56%,但我国钢铁生产以高炉-转炉长流程为主,严重依赖煤基化石能源,是导致碳排放量较高的首要因素。2020年,钢铁产业二氧化碳排放量占我国碳排放总量的16%左右。有效降低二氧化碳排放强度和加强碳捕捉利用是钢铁产业亟待解决的难题,也是国家的重大战略需求。因此,钢铁产业亟待研发和应用碳中和前沿技术,实现低碳绿色化转型升级。即将实施的碳税政策更凸显其倒逼作用,将对资源能源密集型的钢铁产业产生直接深远的影响。

从技术层面来看,钢铁产业实现碳中和主要包括以下几步:

第一步,针对碳达峰和碳减排平台阶段,研发和应用低碳冶炼与全流程低碳加工及智能制造技术,实现高能效和低碳化。在工艺优化、强化冶炼、余热和二次资源高效循环利用、超低排放改造、系统节能、产品高质化等基础上,研发应用低碳高炉、高效连铸、铸轧一体化、在线组织性能调控等低碳冶炼、加工新技术,同时开发全流程信息物理系统,实现高可靠性、高稳定性全流程智能制造,最大程度地提高能源利用效率和实现碳减排,为碳中和奠定基础。

第二步,针对钢铁产业快速降碳阶段,在低碳高能效冶炼基础上,研发和应用钢铁-化工联产技术(见图1),增加碳汇,实现碳净零排放。基于碳捕集利用,研发应用钢铁-化工-氢能一体化网络集成CCU技术(steel-chemicals-energy networking integration,简写为SCENWI,也称神威CCU技术),通过钢铁-化工协同,为我国以高炉-转炉长流程为主的钢铁产业实现碳净零排放提供最合理、最彻底的解决方案。

第三步,针对钢铁产业深度脱碳阶段,在低碳高能效和钢铁-化工联产基础上,辅以氢能替代化石能源,研发应用氢基竖炉-电炉短流程新工艺技术,在适宜区域实现钢铁工艺流程革新和能源结构优化,为深脱碳或无涉碳钢铁生产提供全新途径。

与国外相比,国内目前在氢冶金、钢铁-化工联产等碳中和前沿技术研发方面尚处于起步阶段,工业化应用较多处于空白,总体属于“跟跑”阶段。因此,碳中和冶炼极有可能成为制约我国钢铁工业未来发展的“卡脖子”技术。由于国外技术保密和限制,我国今后在核心技术应用方面极易受制于人,急需加快碳中和冶金研发步伐,突破关键技术,打破国外技术封锁,抢占低碳前沿阵地,实现核心技术、关键装备、标准体系、研发平台和人才队伍的全面超越,引领钢铁产业低碳绿色化发展。