鋼鐵工業(yè)對煤化工啟示探析

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鋼鐵工業(yè)亦稱黑色冶金工業(yè)，是所有工業(yè)化國家的首要基礎(chǔ)工業(yè)，是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)與國防建設(shè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。鋼鐵工業(yè)是一個龐大的產(chǎn)業(yè)，國際上通常把鋼產(chǎn)量或人均鋼產(chǎn)量作為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要指標(biāo)。

傳統(tǒng)粗鋼生產(chǎn)分兩步。第一步是高爐煉鐵，以焦炭為原料并加入少量石灰石，通過焦炭燃燒以及石灰石分解得到二氧化碳，提供還原反應(yīng)所需要的熱量并產(chǎn)生還原劑一氧化碳，在高溫下一氧化碳將鐵礦石（主要成分為三氧化二鐵或四氧化三鐵）還原為生鐵，同時(shí)產(chǎn)生大量二氧化碳?xì)怏w。第二步是煉鋼，以一定工藝熔煉生鐵，控制其含碳量（一般小于2%），同時(shí)把原料里的硫、磷等雜質(zhì)去掉，并加入適量的合金成分，最終得到粗鋼。

目前全球的煉鋼企業(yè)大都還在采用傳統(tǒng)粗鋼生產(chǎn)技術(shù)，因而鋼鐵工業(yè)也是碳排放量最大的產(chǎn)業(yè)之一。

迄今為止，我國鋼鐵生產(chǎn)完全以焦炭來煉鋼。改革開放后，隨著國民經(jīng)濟(jì)大發(fā)展，我國鋼鐵工業(yè)取得很大進(jìn)步。1978年粗鋼產(chǎn)量達(dá)3178萬噸，躍升到世界第五位。1996年粗鋼產(chǎn)量超過1億噸。從此以后突飛猛進(jìn)。2001年粗鋼產(chǎn)量突破1.5億噸，超越美國和日本成為世界第一產(chǎn)鋼大國。2020年全球粗鋼產(chǎn)量為18.78億噸，我國以10.53億噸占據(jù)56.1%的份額。

4如此巨大的鋼鐵產(chǎn)量也造成巨量的二氧化碳排放。截至2020年，我國鋼鐵企業(yè)的平均噸鋼二氧化碳排放量高達(dá)1.765噸，鋼鐵工業(yè)二氧化碳排放總量達(dá)19億噸左右，約占全國二氧化碳排放總量的13.5%。3060雙碳目標(biāo)給我國工業(yè)發(fā)展指明了方向，而碳減排也給鋼鐵工業(yè)帶來了巨大壓力。

那么，鋼鐵工業(yè)碳減排如何實(shí)現(xiàn)？與傳統(tǒng)焦炭煉鋼技術(shù)相比，目前國際上先進(jìn)的煉鋼技術(shù)主要有3種工藝：采用天然氣煉鋼工藝，可將噸鋼碳排放降至0.94噸；使用80%氫氣和20%天然氣煉鋼，可將噸鋼碳排放降至0.437噸；完全使用氫氣煉鋼，可實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放。可見，后兩種氫能煉鋼是良好的解決辦法。氫能煉鋼以氫氣替代一氧化碳做還原劑，與三氧化二鐵或者四氧化三鐵反應(yīng)，還原產(chǎn)物為水和鐵。由于沒有二氧化碳排放，氫能煉鋼是碳減排的最佳方案之一。

國外氫能煉鋼，氫氣基本全部采用電解水方法制備，因此多與電力公司合作，以控制耗電成本。以瑞典和德國的兩個新項(xiàng)目為例。2016年，瑞典鋼鐵公司、瑞典大瀑布電力公司和瑞典礦業(yè)集團(tuán)聯(lián)合啟動綠色鋼鐵海布里特（HYBRIT）項(xiàng)目。2018年該項(xiàng)目采用的氫冶金工藝噸鋼二氧化碳排放量僅為0.025噸、電力消耗為4051千瓦時(shí)，但成本比傳統(tǒng)高爐冶煉工藝高20%～30%。該項(xiàng)目2018～2024年為中試研究階段，2025～2035年為示范運(yùn)行階段，到2035年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。2019年4月，德國薩爾茨吉特鋼鐵公司啟動SALCOS項(xiàng)目，把以高爐為基礎(chǔ)的碳密集型煉鋼工藝逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯舆€原煉鐵-電弧爐工藝路線，同時(shí)實(shí)現(xiàn)富余氫氣的多用途利用。

國內(nèi)氫能煉鋼相關(guān)研究與設(shè)計(jì)剛剛起步。河鋼集團(tuán)是我國特大型鋼鐵集團(tuán)，年產(chǎn)鋼4000萬噸以上。2020年11月23日，德國卡斯特蘭薩—特諾恩公司與河鋼集團(tuán)簽訂氫能源開發(fā)和利用工程項(xiàng)目。這個具有示范意義的項(xiàng)目包括一座年產(chǎn)60萬噸粗鋼的富氫氣體直接還原鐵工業(yè)化生產(chǎn)廠，是中國第一座氣基直接還原鐵廠。該廠將使用含氫量約70%的氣源，還原一噸鐵僅產(chǎn)生0.25噸二氧化碳，是全球最綠色的直接還原廠之一。

鋼鐵工業(yè)正在實(shí)踐的氫能煉鋼給了我國煤化工產(chǎn)業(yè)很多啟示。

2018年我國煤化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化煤炭9560萬噸，煤中碳的一部分進(jìn)入到產(chǎn)品中，余下的碳轉(zhuǎn)化成約1.5億噸二氧化碳排入大氣中。中國煤炭工業(yè)協(xié)會發(fā)布的《現(xiàn)代煤化工“十四五”發(fā)展指導(dǎo)意見》提出，我國“十四五”期間現(xiàn)代煤化工轉(zhuǎn)化煤量將達(dá)到每年1.6億噸標(biāo)煤左右。碳減排壓力很大。

鋼鐵能夠用綠氫，為什么煤化工不能將綠氫用起來？這個道理顯而易見。

雖然與鋼鐵工業(yè)相比，我國煤化工的碳排放量算是低的，但為了實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，我們應(yīng)該行動起來，把綠氫用到煤化工產(chǎn)業(yè)中去。

誰來做？應(yīng)該是有經(jīng)濟(jì)實(shí)力的企業(yè)與科研和設(shè)計(jì)單位通力合作。煤化工的創(chuàng)新，既需要能擔(dān)當(dāng)研究和設(shè)計(jì)的單位，更需要有經(jīng)濟(jì)實(shí)力的企業(yè)，就像鋼鐵工業(yè)一樣，需要實(shí)力雄厚的大型煤化工企業(yè)搞示范廠。希望國內(nèi)有實(shí)力的超大型煤化工企業(yè)行動起來，把科研的目標(biāo)放在國內(nèi)企業(yè)還沒有走過的路上，做企業(yè)還沒有做過的事情，把煤化工的綠氫化帶動起來，為雙碳目標(biāo)做出更大貢獻(xiàn)。

作者:唐宏青 單位:無