當(dāng)前，低碳綠色已逐漸成為未來全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主旋律. 鋼鐵行業(yè)作為資源消耗密集型產(chǎn)業(yè)和典型的高碳排放行業(yè)，約占全球能源總消耗的 8%和全球 CO2 排放總量的 7%，我國鋼鐵工業(yè)碳排放約占世界鋼鐵行業(yè)總排放量 60% 和我國總排放量的 16%. 未來要實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，低碳綠色將是重要發(fā)展主題之一. 本文闡述了世界鋼鐵工業(yè)中心轉(zhuǎn)移發(fā)展趨勢，著重分析了我國鋼鐵行業(yè)進入到減量、創(chuàng)新發(fā)展階段的過程中，典型鋼鐵企業(yè)的低碳綠色發(fā)展實踐及規(guī)劃，探討鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)低碳綠色可持續(xù)發(fā)展的主要路徑，為國家“碳達峰、碳中和”目標(biāo)的實現(xiàn)提供實踐案例.
1 世界鋼鐵工業(yè)發(fā)展概況
1.1 世界鋼鐵工業(yè)進入中國時代
現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)經(jīng)過一百多年的技術(shù)變革發(fā)展，每一次的技術(shù)革新都帶來新的機遇和挑戰(zhàn)，世界鋼鐵發(fā)展中心也隨著主導(dǎo)技術(shù)革新的中心國(地區(qū))而變化.
第一次技術(shù)革新產(chǎn)生于 19 世紀(jì) 50～80 年代的工業(yè)革命時期，發(fā)明自英國的貝賽麥工藝使鋼鐵大批量生產(chǎn)成為可能，人類進入大規(guī)模生產(chǎn)液態(tài)鋼的新紀(jì)元，促進鋼鐵材料的迅速普及，開啟了現(xiàn)代鋼鐵文明時代. 據(jù)世界鋼鐵協(xié)會數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在酸性底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法發(fā)明之后的大約 20 年間，英國是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國，曾占世界總產(chǎn)量一半以上.
第二次技術(shù)革新是 20 世紀(jì)后轉(zhuǎn)爐煉鋼法被引進美國，其取代英國成為世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國. 到 20 世紀(jì)中葉，煉鋼技術(shù)不斷發(fā)展，堿性氧氣煉鋼法和電爐煉鋼法成為主要生產(chǎn)工藝，美國大力推進電氣化在鋼鐵制造的廣泛應(yīng)用，推動了電爐煉鋼的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用;自 1890 年至 1970 年間，美國占據(jù)了長達 81 年的“世界鋼鐵生產(chǎn)和消費主導(dǎo)地位”，累計生產(chǎn)了 41.95 億噸鋼，占同期世界總產(chǎn)量的 35%。
第三次技術(shù)革新 是 20 世 紀(jì) 50 年代中期 至 70 年代初期，前蘇聯(lián)和日本推動以裝備大型化和連鑄連軋為代表的系列技術(shù)變革，帶動鋼鐵制造效率的全面提升;前蘇聯(lián)自 1971 年開始成為世界第一產(chǎn)鋼國，在 1988 年產(chǎn)量達到峰值，為 1.63 億噸，占當(dāng)年全球粗鋼產(chǎn)量的 20.9%. 直到 1992 年蘇聯(lián)解體后，日本一躍成為世界第一鋼鐵生產(chǎn)大國，日本在 1973 年和 2007 年有兩個產(chǎn)量峰值(1.19 億 噸和 1.20 億噸)，分別占當(dāng)期世界總產(chǎn)量的 17.3% 和 8.9%。
第四次革新是信息化、自動化技術(shù)與鋼鐵制造深度融合，引發(fā)新一輪鋼鐵制造效率變革，大量先進的集成設(shè)備被研發(fā)出來，實現(xiàn)了提產(chǎn)降本，電子技術(shù)和自動化設(shè)備進行過程控制實現(xiàn)了產(chǎn)品品質(zhì)、效率、風(fēng)險的可控性，計算機技術(shù)管理公司龐大的業(yè)務(wù)，實現(xiàn)了集團化企業(yè)的高效運營，引發(fā)了鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量變革，實現(xiàn)了超薄板卷到涂鍍板的高品質(zhì)板材的規(guī)?；a(chǎn)，降低了汽車和家電等制造行業(yè)的成本.
從鋼產(chǎn)量上來說，日本的主導(dǎo)地位僅僅持續(xù)了 3 年，就被中國取代. 1996 年，我國鋼產(chǎn)量首次突破 1 億噸，在截至 2021 年的 26 年間，我國累計生產(chǎn)粗鋼高達 139.96 億噸，占同期世界總產(chǎn)量的40.5%. 2021 年中國粗鋼產(chǎn)量約 10.33 億噸，約占全球 53%，中國鋼鐵行業(yè)已經(jīng)成為全球鋼鐵的生產(chǎn)、消費、出口中心，世界鋼鐵工業(yè)歷經(jīng)四次發(fā)展中心轉(zhuǎn)移進入“中國時代”.
現(xiàn)代世界鋼鐵發(fā)展歷程中，各個時期世界第一鋼鐵生產(chǎn)國都在推動鋼鐵工業(yè)技術(shù)進步方面發(fā)揮著不可磨滅的作用，隨著鋼鐵中心國的經(jīng)濟快速發(fā)展，先進技術(shù)、工藝和理論被推向了一個新高度. 當(dāng)前從我國作為世界第二大經(jīng)濟體的穩(wěn)健發(fā)展態(tài)勢以及發(fā)展?jié)撃軄砜?，未來我國處于中心國的期間必將是一個較長的階段，如何引領(lǐng)世界鋼鐵工業(yè)發(fā)展、做出何種貢獻，是當(dāng)前我國面臨的重大機遇與挑戰(zhàn).
1.2 碳中和背景下鋼鐵工業(yè)面臨的機遇與挑戰(zhàn)
從通過《聯(lián)合國氣候變化框架公約》(1992 年)到簽訂《京都議定書》(1997 年)，再到簽訂《巴黎協(xié)定》(2015 年)，低碳發(fā)展已成為全球共識. 全球經(jīng)濟總量 75% 以上的國家，已經(jīng)開始走低排放發(fā)展之路，碳中和已經(jīng)成為全球發(fā)展的主流和方向.據(jù)國際能源署(IEA)的鋼鐵技術(shù)路線圖，碳排放的主力—能源、交通、重工業(yè)的減碳潛力最大，鋼鐵與能源行業(yè)密不可分，75% 的鋼鐵能源直接或間接來自煤炭. 歐洲鋼鐵工業(yè)聯(lián)盟指出市場變化影響其碳減排目標(biāo)的達成，尤其是新冠疫情的嚴(yán)重沖擊，需要穩(wěn)定且可預(yù)測的政策框架來保障其降碳目標(biāo)實現(xiàn)，以支持技術(shù)創(chuàng)新、綠色產(chǎn)品公平競爭等;世界鋼鐵協(xié)會也在 IEA 等報告的基礎(chǔ)上全面分析了全球及中國鋼鐵行業(yè)的低碳減排背景、面臨的挑戰(zhàn). 綜合國際政策及國內(nèi)鋼鐵行業(yè)現(xiàn)狀，目前鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展面臨以下幾方面的困難與挑戰(zhàn).
(1)需大幅下降碳排放總量及強度. 在鋼鐵需求量不斷增加的情形下鋼鐵工業(yè)還要實現(xiàn)碳排放總量、強度的大幅下降. 基于當(dāng)前各國公布的規(guī)劃，預(yù)計 2050 年全球鋼鐵需求量將在 2019 年的基礎(chǔ)上增長 40%，約 7 億噸，但是按照《巴黎協(xié)定》要實現(xiàn)的溫控目標(biāo)計算，2050 年的鋼鐵需求只能增長 10%，約 1.8 億噸，且全球鋼鐵行業(yè)的直接碳排放總量比 2019 年減少 55%，碳排放強度下降 60%(噸鋼 CO2 排放量需從 1.4 t 降到 0.6 t).
(2)需大幅降低能源消耗量. 在基準(zhǔn)情形下，2050 年全球鋼鐵行業(yè)的能源消耗量也將比 2019 年 增長 20%，但是能耗強度下降 15%;在可持續(xù)發(fā)展情形下，要求 2050 年全球鋼鐵行業(yè)的能源消耗量比 2019 年減少 10%，能耗強度下降 22%. 能源轉(zhuǎn)型、低碳路徑的選擇都面臨巨大的挑戰(zhàn).
(3)需面臨新階段的綠色貿(mào)易壁壘. 鋼鐵貿(mào)易將面臨傳統(tǒng)的貿(mào)易壁壘和新階段的綠色貿(mào)易壁壘. 區(qū)域貿(mào)易保護措施及碳邊境稅將進一步加大鋼材和鋼材制品的國際貿(mào)易難度. 歐洲議會通過了關(guān)于建立碳邊界調(diào)整機制的修正案，對溫室氣體排放量高的企業(yè)帶來重大挑戰(zhàn). 鋼鐵企業(yè)應(yīng)率先開展企業(yè)評估、報告、計算產(chǎn)品的碳足跡成本等.
(4)需面臨綠色采購壓力. 鋼鐵企業(yè)將面臨來自供應(yīng)鏈下游的綠色采購壓力. 鋼鐵行業(yè)不僅要面臨著凈零排放的挑戰(zhàn)，越來越多的鋼鐵下游客戶也要求鋼鐵企業(yè)提供綠色低碳鋼材，以減少整個價值鏈上的碳足跡，產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的溫室氣體排放(包括生產(chǎn)、使用和報廢階段)越來越重要.
(5)需研發(fā)突破性低碳技術(shù). 據(jù)世界鋼鐵協(xié)會研究，現(xiàn)代化鋼廠正在非常接近熱力學(xué)定律理論極限的狀況下運行，已經(jīng)節(jié)約了大量的能源，使用目前的技術(shù)不可能實現(xiàn)進一步大規(guī)模減排. 《巴黎協(xié)定》制定的溫升目標(biāo)要求鋼鐵行業(yè)必須通過創(chuàng)新和探索新的生產(chǎn)工藝，開發(fā)具有突破性的低碳技術(shù). 如發(fā)展電爐短流程煉鋼工藝，提升其在綠色、節(jié)能和智能方面的技術(shù)發(fā)展;又如，從“碳冶金”向 “氫冶金”近零排放工藝轉(zhuǎn)變，突破關(guān)鍵低碳技術(shù).
2 鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展概況
2.1 國際鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展
全球已有 136 個國家提出“碳中和”承諾，多國選擇把實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)年份定在 2050 年左右. 鋼鐵行業(yè)的重點組織、企業(yè)也紛紛制定了適合自身發(fā)展的低碳規(guī)劃及路徑.
IEA 以 2019 年指標(biāo)為基準(zhǔn)，鋼鐵工業(yè)到 2050 年需要削減 55% 的 CO2 排放，而能源產(chǎn)業(yè)則需要削減 90%，減排路徑主要包括減少鋼材消費、提高工藝效率、優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)、能源替代、電氣化和二氧化碳捕集、封存、利用(CCUS)等. 歐洲鋼鐵工業(yè)聯(lián)盟計劃到 2030 年，歐洲鋼鐵工業(yè) CO2 排放量比2018 年減少 30%，比 1990 年減少約 55%，到 2050 年將減少 80%～95%(相較于 1990 年)，通過實施循環(huán)經(jīng)濟，研發(fā)碳直接避免、智能碳使用、碳捕獲和儲存等突破性技術(shù)實現(xiàn)碳減排. 國外重點企業(yè)如安塞爾米塔爾公司、蒂森克虜伯公司均計劃到2030 年 減排 CO2 30%，分別到 2050 年、2045 年實現(xiàn)碳中和，技術(shù)路線包括智能碳(Smart carbon)路線、直接還原鐵(Direct reduction iron，DRI)路線，以及氫冶金路線、Carbon2Chem 工程，將鋼廠廢氣轉(zhuǎn)化為化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)化學(xué)品，進一步用于制造肥料、塑料或燃料等.
2.2 中國鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展
中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會發(fā)布了《鋼鐵行業(yè)碳中和愿景和低碳技術(shù)路線圖》，明確了中國鋼鐵工業(yè)“雙碳”技術(shù)路徑—系統(tǒng)能效提升、資源循環(huán)利用、流程優(yōu)化創(chuàng)新、冶煉工藝突破、產(chǎn)品迭代升級、捕集封存利用;確保鋼鐵工業(yè) 2030 年前實現(xiàn)碳達峰，到 2040 年 CO2 排放總量較 2020 年降低40%;到 2050 年(中遠期)CO2 排放總量較 2020 年 降低 85%，通過產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同、更高性能鋼鐵產(chǎn)品升級應(yīng)用等舉措，可為下游行業(yè)和社會降碳約 2.8 億噸，為實現(xiàn)碳中和夯實基礎(chǔ);到 2060 年(遠期)，鋼鐵行業(yè) CO2 排放總量較 2020 年降低 95%，借助碳匯與社會力量，實現(xiàn)碳中和. 國內(nèi)重點企業(yè)如寶武集團、河鋼集團、鞍鋼集團、首鋼集團等在首批制定自身低碳發(fā)展戰(zhàn)略的梯隊中，多數(shù)計劃在 2030左右降碳 30%，在 2050 年實現(xiàn)碳中和.各企業(yè)從工藝、技術(shù)、能源等層面發(fā)布的低碳技術(shù)路徑，以河鋼集團為例(圖 1)，實施鐵素資源優(yōu)化、流程優(yōu)化重構(gòu)、系統(tǒng)能效提升、用能結(jié)構(gòu)優(yōu)化、低碳技術(shù)變革、產(chǎn)業(yè)耦合降碳六大技術(shù)路徑，并建設(shè)產(chǎn)品全生命周期評價和企業(yè)碳數(shù)據(jù)管理兩大平臺，未來將為打破綠色壁壘和滿足用戶綠色采購要求提供有效支撐.
3 中國鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展路徑及實踐
近年來，我國鋼鐵工業(yè)在低碳綠色發(fā)展方面做出了巨大努力和成果，結(jié)合各重點企業(yè)、組織發(fā)布的技術(shù)路徑，在“十三五”綠色制造、低碳發(fā)展的成果基礎(chǔ)上，探討未來中國引領(lǐng)鋼鐵行業(yè)發(fā)展的實踐與路徑.
3.1 以超低排放為中心的節(jié)能減排技術(shù)實踐
近年來我國的清潔空氣政策極大地減少了空氣污染物的排放，鋼鐵行業(yè)的超低排放工作也取得較大成效. 截至 2022 年 7 月底，據(jù)生態(tài)環(huán)境部統(tǒng)計，全國共有 251 家企業(yè)、6.81 億噸左右粗鋼產(chǎn)能已完成或正在實施超低排放改造，在改造過程中綠色低碳發(fā)展也取得了較大進展. 但未來仍需要繼續(xù)大幅減少大氣污染物排放，推廣實施已具成效的節(jié)能減排技術(shù).
以河鋼集團為例，自 2016 年累計投入 305 億元，實施重點節(jié)能減排項目 500 余項，全面研發(fā)應(yīng)用鋼鐵行業(yè)多工序多污染物超低排放控制技術(shù)，如焦?fàn)t煙氣多污染物中低溫協(xié)同催化凈化技術(shù)、燒結(jié)煙氣活性焦脫硫脫硝除塵一體化技術(shù)、球團煙氣多污染物超低排放技術(shù)、燒結(jié)煙氣低溫氧化脫硝技術(shù)等，實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)全流程、全污染物、全過程系統(tǒng)減排，極大推動了行業(yè)超低排放水平的提高，新建的唐鋼新區(qū)實現(xiàn)燒結(jié)、球團、焦化工序污染物排放均優(yōu)于 2019 年發(fā)布的《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中的國家超低排放限值，對比值如表 1 所示.
圖 1 河鋼集團低碳發(fā)展技術(shù)路線圖
目前河鋼集團噸鋼粉塵、二氧化硫、氮氧化物排放量分別為 0.21、0.20、0.23 kg，居行業(yè)領(lǐng)先水平. 實施以高溫高壓干熄焦高效發(fā)電技術(shù)、中低溫?zé)煔庥酂岣咝Щ厥占澳芰刻菁壚眉夹g(shù)、燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)、爐頂煤氣余壓發(fā)電技術(shù)、高爐沖渣水余熱利用技術(shù)等為代表的能效提升技術(shù)，實現(xiàn)核心企業(yè)自發(fā)電比例超過 65%，近年新建的唐鋼新區(qū)實現(xiàn)了高效的全流程能源轉(zhuǎn)換體系，自發(fā)電比例達 90%;在水資源循環(huán)利用方面，噸鋼耗新水量逐年降低，目前達到了噸鋼耗新水 2.29 m3，水重復(fù)利用率達到 98.5% 以上，居行業(yè)先進水平. 通過系統(tǒng)管控，分級利用，實現(xiàn)了高爐除塵灰、轉(zhuǎn)爐除塵灰、軋鋼氧化鐵皮、鋼渣水渣等鋼鐵副產(chǎn)物的全回收和再利用.
表 1 鋼鐵行業(yè)多工序多污染物超低排放控制技術(shù)指標(biāo)
溫室氣體和大氣污染物同根同源，主要來源于化石燃料利用. 大量研究表明，如圖 2 所示，圖 2(a)中溫室氣體的排放與圖 2(b)中大氣污染物的排放具有顯著的協(xié)同性，在研發(fā)、推廣、應(yīng)用超低排放節(jié)能技術(shù)的的同時也助力了 CO2 減排，未來逐漸將從以超低排放為中心向以減污降碳協(xié)同治理過渡.
圖 2 1990—2015 年中國溫室氣體、大氣污染物排放量變化趨勢. (a) CO2 排放量;(b)NOx 排放量
河鋼集團邯鋼公司(簡稱“河鋼邯鋼”)焦化廠實施的焦?fàn)t上升管荒煤氣余熱利用技術(shù)，可實現(xiàn)年減排 CO2 約 53500 t，安鋼 7#、8#焦?fàn)t荒煤氣余熱利用工程，可實現(xiàn) CO2 年減排量約 22600 t，預(yù)計 2025 年在行業(yè)內(nèi)推廣的比例由目前的 10% 提 升到 30%，降碳潛力可達到每年 280.9 萬噸.
河鋼邯鋼 2 m×435 m 燒結(jié)機實施的燒結(jié)煙氣選擇性循環(huán)凈化與余熱利用技術(shù)，可實現(xiàn)年減排CO2 約 12.3 萬噸，邯鋼 2 m×360 m 燒結(jié)機實施的該技術(shù)可實現(xiàn)年減排 CO2 約 11 萬噸. 該技術(shù)已在河鋼集團內(nèi)部全面推廣. 未來適用于新建或改造項目，按照全國可實施煙氣循環(huán)共計約 900 臺套燒結(jié)機、合計燒結(jié)面積約 11.6 m×104 m，2025 年預(yù)期推廣比例為 25% 計算，推廣后可實現(xiàn)年減排 CO2 約 447 萬噸.在河鋼集團唐鋼公司(簡稱“河鋼唐鋼”)建成我國首個適合高比例球團冶煉的特殊爐型，按當(dāng)前 960 萬噸粗鋼產(chǎn)能計算，每年可源頭減排 CO2 80 萬噸，二氧化硫減排 108 噸、氮氧化物減排 155 噸.實現(xiàn)高爐煉鐵綠色低碳、長壽冶煉的目標(biāo).未來鋼鐵行業(yè)仍需堅定不移地推進超低排放進程，并以減污降碳協(xié)同為主.
3.2 以氫能為中心的能源結(jié)構(gòu)的變革實踐
在全球能源向清潔化、低碳化、智能化發(fā)展的趨勢下，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)前世界能源技術(shù)變革的重要方向. 國內(nèi)外鋼鐵組織、企業(yè)制定的低碳發(fā)展規(guī)劃中，均包括以氫能為中心的能源結(jié)構(gòu)變革的技術(shù)路徑. 氫能產(chǎn)業(yè)鏈布局工作，建議圍繞以下六方面開展：
(1)積極研發(fā)多元化制氫技術(shù).開展多元化制氫技術(shù)，短期內(nèi)利用鋼鐵行業(yè)富氫的焦?fàn)t煤氣提取氫氣，解決制氫成本問題;大力發(fā)展碳基能源制氫，輔之以碳捕集、利用與封存( Carbon capture， utilization and storage， CCUS) 技術(shù)，加快藍氫應(yīng)用步伐;未來發(fā)揮張家口風(fēng)電及光伏制氫的優(yōu)勢，建設(shè)風(fēng)、光發(fā)電制氫工廠，實現(xiàn)“綠電”制“綠氫”風(fēng)光氫儲產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展。河鋼唐鋼和河鋼邯鋼擁有配套冷軋產(chǎn)線的99.999% 高純氫產(chǎn)線，制氫能力分別為 1400 m3·h−1和 1600 m3·h−1，均采用焦?fàn)t煤氣變壓吸附技術(shù)(PSA)提氫工藝. 河鋼集團(佳華)制氫項目正在建設(shè)中，規(guī)模為 3×104 m3·h−1，年產(chǎn)氫氣 2.1 萬噸，建成后將輻射 200 km 范圍內(nèi)氫氣市場. 計劃到 2025 年，河鋼集團在京津冀地區(qū)建設(shè)不少于 10 座制氫工廠，開發(fā)應(yīng)用以焦?fàn)t煤氣 PSA 技術(shù)為基礎(chǔ)，以化工原料裂解制氫技術(shù)、仿地幔處理有機固廢制氫技術(shù)和干熱巖發(fā)電制氫技術(shù)為有效補充的制氫體系，多元化制氫能力達到 4.3×105 m3·h−1.
圖 3 2010—2021 年全球加氫站數(shù)量變化
(2)加快構(gòu)建加氫站網(wǎng)絡(luò).全球加氫站建設(shè)快速發(fā)展，如圖 3 所示，截止2021 年底，全球共有 33 個國家共計 685 座加氫站投入運營，其中中國已建成加氫站 255 座，在營183 座，加氫站建設(shè)也在迅猛增長. 2020 年 8 月 ，河鋼邯鋼投入運行首座 500 kg、70/35 MPa 雙壓力固定式加氫站;2021 年 1 月，河鋼集團唐山加氫站建成投產(chǎn). 構(gòu)建加氫站網(wǎng)絡(luò)對降低加氫成本、促進產(chǎn)業(yè)良性循環(huán)具有重要意義.
(3)構(gòu)建“柴改氫”工業(yè)綠色生態(tài)物流體系.氫能重卡正加快從示范運營到商業(yè)化落地.2021 年，我國氫能重卡占新能源重卡市場份額由2020 年 的 0.7% 上 升 到 7.46%;氫能重卡銷量 是779 輛 ，較 2020 年增長 42 倍，在重卡的新能源轉(zhuǎn)型中，氫能重卡有望成為比純電重卡更好的選擇.2021 年 7 月，河鋼集團首批次 30 輛 49 t 氫能重卡在河鋼唐鋼正式投入運營，開創(chuàng)氫能“重卡時代”，率先建成了我國第一條“柴改氫”綠色物流鏈，有效減輕了京津冀環(huán)境污染壓力. 截至目前，已開辟氫燃料重卡運輸線路 4 條，投入運營氫燃料重卡 55 輛，累計行駛里程 3×106km，CO2 減排約 7500 t. 2022 年初河鋼唐鋼清潔運輸比例達到85% 以上.
(4)“氫冶金”引領(lǐng)行業(yè)綠色冶金變革.氫冶金是當(dāng)前國際冶金新技術(shù)研發(fā)的重中之重，全球鋼鐵行業(yè)都在積極開展氫冶金實踐.截至目前，初步形成氫基豎爐直接還原煉鐵技術(shù)、氫基流化床直接還原煉鐵技術(shù)、高爐富氫冶煉技術(shù)和富氫熔融還原煉鐵技術(shù)四大技術(shù)路徑. 中國鋼鐵企業(yè)開展的氫冶金項目包括東北大學(xué)煤制氣−氣基豎爐短流程項目，日照鋼鐵集團、中國鋼研氫冶金項目，寶武−氫基豎爐直接還原項目，中晉太行焦?fàn)t煤氣−豎爐直接還原項目以及河鋼集團氫基豎爐直接還原煉鐵技術(shù)。河鋼集團基于資源優(yōu)勢、地域特點、產(chǎn)業(yè)布局、能源結(jié)構(gòu)等綜合考慮，建設(shè)全球首例 120 萬噸氫冶金示范工程，引領(lǐng)傳統(tǒng)鋼鐵冶金工藝變革. 首次采用焦?fàn)t煤氣“自重整”制氫，應(yīng)用焦?fàn)t煤氣凈化、氣體自重整、CO2 脫除及回收等全流程創(chuàng)新工藝，生產(chǎn)高品質(zhì)的直接還原鐵，形成“氫氣直接還原豎爐+電爐煉鋼”短流程新工藝，與同等規(guī)模的“碳冶金”相比，實現(xiàn) CO2 減排 70% 以上.
(5)高爐富氫冶煉.高爐富氫冶煉是向高爐內(nèi)噴吹富氫氣體(焦?fàn)t煤氣、天然氣)或氫氣，是一種低碳煉鐵技術(shù).推進高爐噴吹富氫氣體示范工程建設(shè)，可實現(xiàn)長流程低碳冶煉. 河鋼集團依托高爐原燃料條件，利用河鋼唐鋼現(xiàn)有 1580 m3 高爐，實施高爐噴吹富氫氣體工程改造，推進高爐噴吹富氫氣體示范工程建設(shè)，實現(xiàn)噸鐵噴吹量 60 m3，噸鐵 CO2 減排量超過 50 kg·t−1.
3.3 打造低碳綠色產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈實踐
(1)開展全生命周期評價.
鋼鐵材料具有可持續(xù)性，從整個產(chǎn)業(yè)鏈中來評價鋼鐵材料的碳排放具有優(yōu)勢，高質(zhì)量的鋼鐵可以減少下游的排放，且下游用戶對產(chǎn)品環(huán)境績效的倒逼，都需要一種綜合評價鋼鐵環(huán)境績效的工具，所以在鋼鐵行業(yè)開展生命周期評價很有意義. 鋼鐵企業(yè)現(xiàn)在比較迫切的需求是盡快提高 LCA(Life cycle assessment，生命周期評價)的專業(yè)能力，培養(yǎng)專業(yè)人才，具備獨立的 LCA 計算能力。2022 年 4 月 21 日，河鋼集團建設(shè)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 WisCarbon 碳中和數(shù)字化平臺上線運行，目前已搭建以產(chǎn)品 LCA 為核心的 C trace(Carbon trace，碳足跡)平臺和以碳數(shù)據(jù)管理為核心的C manage(Carbon manage，碳管理)平臺，旨在建立鋼鐵產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)庫，搭建低碳節(jié)能綠色產(chǎn)品生產(chǎn)體系，打造綠色產(chǎn)品供應(yīng)鏈，最終可在產(chǎn)品上打上碳足跡標(biāo)簽，甚至可以實現(xiàn)產(chǎn)品的低碳綠色化方案設(shè)計. 同時，構(gòu)建減污降碳協(xié)同治理工作機制，可掌控全集團總體排放態(tài)勢全景、子分公司排放趨勢實時分析、依據(jù)年度排放計劃精準(zhǔn)施策、公司之間排放強度比對分析，摸清排放底數(shù)實施動態(tài)管理. 未來將不斷推進 WisCarbon 碳中和數(shù)字化平臺的迭代升級，并拓展碳交易、碳資產(chǎn)、碳普惠、碳監(jiān)測等平臺，為行業(yè)貢獻全流程“雙 碳”數(shù)字化解決方案.
(2)打造鋼鐵行業(yè)上下游低碳綠色產(chǎn)業(yè)鏈.整合上下游資源，聯(lián)合上下游重點企業(yè)，形成在“鐵礦石—鋼鐵制造—低碳產(chǎn)品”的綠色供應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈，打造低碳綠色協(xié)同發(fā)展的產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，全面推進綠色制造及低碳發(fā)展。上游礦石資源企業(yè)，在研發(fā)氫冶金原料制備、提高塊礦使用率等領(lǐng)域開展合作;下游用鋼企業(yè)如車企，探討氫冶金產(chǎn)品的利用及汽車軸承鋼、轉(zhuǎn)向用鋼等低碳產(chǎn)品供應(yīng)問題，布局以綠氫制取—氫基直接還原鐵—高效低碳電爐—薄板坯連鑄連軋為核心的“近零碳排放”緊湊流程，如圖 4 所示.
圖 4 “近零排放”工藝流程設(shè)計規(guī)劃. (a)可再生能源制氫到氫基豎爐冶煉;(b)高效、低碳電弧爐冶煉;(c)薄板坯連鑄連軋工藝
從 2023 年中期開始，河鋼集團將向特定車企供應(yīng)低碳汽車用鋼. 相較于傳統(tǒng)鋼材，低碳汽車用鋼的生產(chǎn)過程將減排 CO210%～30%;自 2026 年起，在整車量產(chǎn)過程中逐步使用河鋼集團生產(chǎn)的電爐綠色汽車用鋼，在供應(yīng)鏈端每年預(yù)計將減排 CO2 約 95%.針對消費末端產(chǎn)生的廢鋼資源，結(jié)合發(fā)展電爐短流程工藝，打造廢鋼加工中心，通過投資新建或并購整合社會資源，提高社會廢鋼的回收、加工、配送、金融及貿(mào)易等方面的綜合服務(wù)水平.
(3)構(gòu)建鋼化聯(lián)產(chǎn)協(xié)同新型產(chǎn)業(yè)鏈.化石能源轉(zhuǎn)向可再生能源的趨勢是必然的，未來隨著可再生能源發(fā)電、制氫技術(shù)逐漸成熟，綠電、綠氫將有希望大規(guī)模的用于工業(yè)生產(chǎn)及清潔運輸，綠氫還能應(yīng)用于碳冶金工廠聯(lián)合化工企業(yè)合成制備化學(xué)產(chǎn)品、原料的化工產(chǎn)業(yè)，將構(gòu)建氫能−鋼鐵−化工協(xié)同新型產(chǎn)業(yè)鏈.
3.4 突破性技術(shù)協(xié)同研發(fā)與創(chuàng)新合作實踐
鋼鐵企業(yè)加強高等學(xué)府、科研機構(gòu)的產(chǎn)學(xué)研合作，可在新一輪世界鋼鐵產(chǎn)業(yè)和技術(shù)變革和低碳綠色發(fā)展方面創(chuàng)造一批突破性、顛覆性技術(shù).河鋼集團在世界鋼鐵協(xié)會的指導(dǎo)和支持下，與北京科技大學(xué)聯(lián)合發(fā)起成立了世界鋼鐵發(fā)展研究院，開展未來鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展路徑的探索與研究;與昆士蘭大學(xué)組建可持續(xù)鋼鐵創(chuàng)新中心，開展 CO2 捕集、利用和儲存技術(shù)研究;與中國鋼研科技集團有限公司合作，開展鋼鐵工業(yè)“碳達峰、碳中和”實現(xiàn)路徑研究，推動能源結(jié)構(gòu)、材料結(jié)構(gòu)和工藝結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，為行業(yè)綠色低碳發(fā)展貢獻力量，為世界貢獻“中國智慧”. 通過積極整合全球技術(shù)創(chuàng)新資源，不斷深化與頂級科研院所的戰(zhàn)略合作，搭建技術(shù)聯(lián)盟與創(chuàng)新平臺.
4 結(jié)論
雖然鋼鐵工業(yè)發(fā)展已經(jīng)進入“中國時代”，但低碳發(fā)展道路仍任重道遠. 為促進中國鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展，實現(xiàn)碳達峰碳中和目標(biāo)，未來還應(yīng)重視以下幾方面：
(1)研究歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機制(CBAM)等國際形勢對中國鋼鐵行業(yè)的影響. 從國際形勢來看，CBAM 對中國鋼鐵行業(yè)會產(chǎn)生直接與間接的影響 ，隨著歐盟CBAM 的實施，不排除其他地區(qū)實施的可能，因此面對未來國際綠色低碳貿(mào)易壁壘，仍需持續(xù)跟進政策變化，并不斷在國際貿(mào)易大背景下調(diào)整自身的工作. 中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會推出的鋼鐵行業(yè)環(huán)境產(chǎn)品聲明(EPD)平臺已得到鋼鐵行業(yè)的積極響應(yīng)，下一步拓展推廣過程中，通過實施環(huán)境足跡聲明等方式主動披露環(huán)境信息，并且主動進行綠色低碳轉(zhuǎn)型升級的鋼鐵企業(yè)，才具備充分的國際競爭能力和可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?
(2)推進鋼鐵企業(yè)開展產(chǎn)品全生命周期評價及生態(tài)設(shè)計研究，通過 LCA 量化鋼鐵產(chǎn)品的資源、能源消耗和環(huán)境指標(biāo)，明確產(chǎn)品的綠色程度;開發(fā)具有高性能、輕量化、長壽命、近終型、可循環(huán)的綠色低碳產(chǎn)品;支撐鋼鐵企業(yè)產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計、綠色制造、綠色營銷等，實現(xiàn)節(jié)能減排.
(3)推進氫能發(fā)展戰(zhàn)略及能源體系的建設(shè). 在制氫、運氫、儲氫、用氫的氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，各個環(huán)節(jié)仍需要技術(shù)突破，如綠氫低成本的制備及大規(guī)模供應(yīng)還未實現(xiàn)，當(dāng)前氫氣的運輸、存儲要求高、成本高，氫冶金技術(shù)的突破也是氫能在鋼鐵行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵.
(4)搭建綠色產(chǎn)業(yè)鏈，推進協(xié)同降碳. 下游領(lǐng)頭企業(yè)面臨巨大的碳中和壓力，因此涉及汽車、家電、機械、建筑等多個行業(yè)也在向鋼鐵行業(yè)“施 壓”，這些企業(yè)在全球產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)不可或缺的地位，鋼鐵行業(yè)應(yīng)與下游產(chǎn)業(yè)鏈強者為伍，通過有效的供應(yīng)鏈碳足跡管理來降低碳減排壓力.
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