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一 “三大特點”“三大挑戰”看鋼鐵行業減污降碳協同發展背景
鋼鐵工業是我國國民經濟的重要基礎產業，2022年我國粗鋼產量為10.13億噸，占全球粗鋼總量的55.3%，連續27年保持世界第一。鋼鐵工業是一個長流程多工序的復雜生產系統，包括燒結、球團、焦爐、高爐、轉爐等多個生產工序，從物質流來看，65%以鋼鐵產品的形式輸出，另外35%則以廢水、廢氣、廢渣等污染物及化學品副產品形式輸出，還伴隨著大量未利用的余熱，能質歸趨多元化。
鋼鐵工業污-碳排放具有以下三大特點：
一是污-碳排放量大：我國鋼鐵工業以煤為主能源結構使得污-碳同根同源、排放量大。我國一次能源結構中煤炭占比高于65%，鋼鐵行業目前每年消耗煤炭的量超過6億噸，導致煙粉塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物排放總量近120萬噸，CO2排放則高達18億噸，污-碳排放均位列工業行業首位。
二是污-碳排放強度高：在生產結構方面，我國短流程煉鋼占比僅10%左右，遠低于歐美等發達國家，以長流程為主的生產結構導致綜合能耗高、污/碳排放強度大。由于我國廢鋼資源嚴重不足，短期內難以支撐電爐大規模發展，生產結構難以快速調整。
三是污-碳協同效應顯著：從全生命周期角度分析，超低排放全面實施后，其高能耗、高物耗引發了一定的“碳增量”效應。如半干法脫硫用的CaO來自于石灰窯，SCR脫硝用的還原劑NH3則主要來自于合成氨，生產過程中都是高污染、高能耗。
在碳中和背景下，鋼鐵行業實現減污降碳協同發展目標，面臨三大挑戰：(1)現有生產結構是碳排放高的本質之源，因此需要對現有工業過程進行流程再造，也就是減生產之碳；(2)對現有超低排放技術進行迭代升級，減少因高能耗物耗引發全生命周期碳增量，也就是降治污之碳；(3)對已有工業生產不可避免的過程碳排放進行捕集利用，通過CCU深度減排，也就是固鎖定之碳。
二 “三類技術”助力鋼鐵行業減污降碳協同發展
綠色低碳冶煉技術：高爐是污-碳排放的重點工序、其能效利用有待提升，污染物排放總量亟待削減。而諸如高爐爐頂均壓煤氣全回收技術可對燃料提效利用、高爐爐料結構優化技術則可通過原燃料調整來降低污染物排放總量，都正在行業內全面推廣。此外，最難但最有潛力的則是高爐煤氣精脫硫技術，高爐煤氣是鋼鐵生產能源結構的重要組成部分，目前常通過燃燒后煙氣凈化實現超低排放，而實施精脫硫進行源頭減排，可避免建設分散的末端治理設施，具有顯著環境經濟效益。高爐煤氣精脫硫技術難點是羰基硫水解催化劑壽命問題，是目前公認的超低排放卡脖子技術。
減污協同降碳技術：主要是通對現有超低排放技術體系進行優化，對生產過程中的余熱充分回收利用，并將污染物控制技術與生產深度融合。以超低排放處理的重點工序燒結、球團為例，燒結煙氣選擇性循環技術、燒結煙氣CO氧化耦合SCR脫硝技術、球團煙氣嵌入式脫硝技術等，都展示出了一定的應用前景。
燒結煙氣選擇性循環技術是基于現有超低排放技術更多是通過提升脫除效率來實現污染物排放濃度降低，通過削減煙氣量達到污染物總量減排目的。燒結機排放煙氣是由20多個風箱組成的，不同風箱煙氣排放特征存在顯著差異，通過對復雜燃燒過程中多污染物遷移轉化規律及復雜熱工制度下多物理場熱量傳輸機制的解析，選擇溫度高、污染物富集的特征煙氣參與循環，在保證燒結礦質量的前提下，能夠實現煙氣量和污染物總量減排30%以上。
燒結煙氣CO氧化耦合SCR脫硝技術是基于燒結煙氣排煙溫度較低，與傳統SCR脫硝催化劑適用窗口不匹配。燒結煙氣氮氧化物超低排放70%以上均采用SCR脫硝，需要設置熱風爐，通過燃燒大量高爐煤氣對煙氣進行補熱。燒結煙氣本身含有大量CO，如果能夠利用其燃燒產生的化學能，就可以替代高爐煤氣為中低溫SCR脫硝補熱，節省高爐煤氣用量的同時，實現CO2減排，目前解決催化劑的抗硫中毒能力是科研攻關的難點。
球團煙氣嵌入式脫硝技術則是利用球團生產過程中合適的溫度窗口來脫硝。以鏈篦機-回轉窯為例，其排放煙氣經冷卻-焙燒-預熱-干燥等多個溫度區間，其中預熱-干燥段煙氣溫度(300~500℃)與SCR脫硝所需溫度區間基本吻合。因此結合球團生產熱工制度，采用嵌入式SCR脫硝技術，將徹底規避熱風爐煙氣再生及GGH換熱系統，實現末端治理前移、環保-生產深度融合，運行能耗和費用都實現大幅降低。
CCUS深度脫碳技術：CCUS是鋼鐵等難減排行業深度脫碳的必要解決方案。鋼鐵行業CO2排放呈現出多點源排放，各工序排放煙氣、產生煤氣的CO2濃度、溫度差異顯著。而針對不同特征，有機胺液相吸收、分子篩變壓吸附技術均有應用場景。CO2利用技術中，需注意與鋼鐵行業本身的耦合，鋼渣礦化、合成化學品、轉爐煉鋼過程資源化利用等均具有較高潛力。而在CO2封存方面，環渤海地區、西南地區等地與排放源匹配較好，具有較大地質利用與封存潛力。
三 “五大維度”展望鋼鐵行業減污降碳協同發展
碳中和背景下，鋼鐵行業減污降碳協同發展面臨新的挑戰。基于此，提出如下發展建議：生產綠色化、管控合理化、控污節能化、脫碳可行化、減排全面化。
（1）生產綠色化：主要是大力發展高比例球團高爐冶煉、短流程煉鋼、氫冶金等綠色技術，實現源頭減污降碳。
（2）管控合理化：將現有單工序污染計量的方式過渡至全流程總量核算，即工序與工序之間、污染物與污染物之間，給予鋼鐵企業一定的調控自由度，相較而言更加合理。
（3）控污節能化：主要是通過原/燃料凈化實現源頭減排、煙氣循環耦合節能降碳、嵌入式環保及能質資源化等多種技術，實現污染減排耦合節能。
（4）脫碳可行化：包括通過鋼化聯產制備高附加值化學品，通過鋼渣礦化實現以廢治廢，為捕獲的CO2找到應用出口，實現深度脫碳可行化。
（5）減排全面化：就是除了常規污染物之外，要重視二惡英、VOCs、CO等非常規污染物，真正實現全污染物的全面減排。
專家簡介：朱廷鈺，中國科學院過程工程研究所研究員 文稿來源：朱廷鈺團隊 發布時間：2023年8月8日
原標題：專家觀點 | 朱廷鈺：碳中和背景下鋼鐵行業減污降碳協同發展路徑
