哐当哐当，哐当当……2月15日，随着一声声铿锵有力的打桩声响起，位于广东省湛江市的宝山钢铁股份有限公司（下称宝钢股份）“零碳”冶炼项目——拥有自主知识产权的国内首套百万吨级氢基竖炉全面施工建设，吹响了我国钢铁行业向“零碳”制造技术进军的号角。
数据显示，目前我国钢铁行业CO2排放总量较大（占全国15%左右），是工业领域减碳的重点行业之一。为确保2030年前碳达峰，2月7日，工业和信息化部等三部委发布了《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》并指出，坚持总量调控和科技创新降碳相结合，坚持源头治理、过程控制和末端治理相结合，全面推进超低排放改造，统筹推进减污降碳协同治理。
“双碳目标倒逼我国钢铁行业技术创新。”冶金工业信息标准研究院党委书记、院长张龙强对中国知识产权报记者表示，在双碳目标下，低碳冶金的优势将促使国内各大钢铁生产企业加大低碳冶金研发和投资力度。未来，随着一大批拥有自主知识产权的“低碳”钢铁冶金工艺技术不断落地，我国钢铁行业有望迎来“零碳”冶炼时代。
高炉减碳靠改造
2021年11月29日，大型纪录片《钢铁脊梁》在中央广播电视总台央视财经频道首播，全面讲述钢铁行业具有重大影响力和巨大历史价值的故事。在纪录片中出现的汉冶萍煤铁厂矿有限公司完整保留了汉冶萍时期的冶炼炉一座，这是我国现存最早的近代工业中钢铁冶炼遗址，具有非常高的文物价值。
钢铁冶炼炉是钢铁生产的基础设施，同时也是钢铁产业技术升级的重点。按照钢铁生产流程的长短，可分为高炉-转炉长流程和电弧炉短流程的钢铁生产。长流程冶炼一般指在高炉中以焦炭为还原剂，对铁矿石进行冶炼，得到铁水，然后铁水再移至转炉中，通过吹氧去除多余的碳、氧、磷和剩余的硫，得到成分合格的钢水。短流程冶炼一般是指用电弧炉对以废钢为主的原料进行加热冶炼。
目前，我国钢铁工业以高炉-转炉长流程生产为主，一次能源消耗结构主要为煤炭，节能降碳改造升级潜力较大。根据最近发布的《钢铁行业节能降碳改造升级实施指南》披露，截至2020年底，我国钢铁行业高炉工序能效优于标杆水平的产能约占4%，能效低于基准水平的产能约占30%；转炉工序能效优于标杆水平的产能约占6%，能效低于基准水平的产能约占30%。
控碳很难吗？难。以高炉为例，根据日本专家对生产１吨铁所需能耗计算，高炉炼铁过程最低纯碳消耗量为414千克／吨，仅此能耗就约占钢铁长流程总能耗的60%。“目前，长流程钢铁生产仍是中国钢铁生产的主要生产工艺。”北京科技大学冶金与生态工程学院教授白皓对记者表示，没有这些能耗，高炉就无法实现炼铁过程，这也是钢铁工业吨钢能耗高的一个重要原因。
“面对双碳目标，钢铁行业减碳、控碳的路径之一就是从高炉到非高炉。”兰格钢铁研究中心副主任葛昕表示，去年底开始，国内部分钢铁生产企业在现有钢铁产能置换中就存在明显的长流程向短流程转向的趋势，其目标为了在未来钢铁行业的竞争中取得先机。
“氢”装上阵破瓶颈
“钢铁冶炼的长流程向短流程转向是控碳的方式之一，另一个更清洁的冶炼方法就是氢能冶炼技术。”张龙强介绍，氢能在冶金领域的创新与应用，将推动传统“碳冶金”向新型“氢冶金”转变，使钢铁生产摆脱对化石能源的绝对依赖，一旦技术取得突破，将全面改变钢铁行业高碳排放的格局。
2019年1月,中国宝武与中核集团、清华大学签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》,共同打造核氢冶金产业联盟。前不久，基于相关技术，中国宝武旗下的宝钢股份在湛江基地开工建设（一期）1 座百万吨级、具备全氢工艺试验条件的氢基竖炉直接还原示范工程及配套设施，可按不同比例灵活使用焦炉煤气、天然气和氢气。
宝钢股份相关负责人介绍，未来，湛江基地将在氢基竖炉的基础上，利用南海地区光伏、风能配套上“光-电-氢”“风-电-氢”绿色能源，形成与钢铁冶金工艺相匹配的全循环、封闭的流程，产线碳排放较长流程降低90%以上，并通过碳捕集、森林碳汇等实现绿氢全流程零碳工厂。
在清洁冶炼技术方面，北京科技大学冶金工程专业作为世界一流建设学科，在钢铁冶金新技术方面具有强大的研究实力，目前已经在冶金与生态工程学院组建了二氧化碳科学研究中心，并加强与企业深度合作。2021年4月，拥有自主知识产权的氢基熔融还原冶炼技术在内蒙古自治区乌海市成功落地转化。该技术是由建龙集团与北京科技大学等科研单位联合开发出的第一代氢基熔融还原CISP新工艺，其关键设备及零部件均实现国产化。
与此同时，“中国钢铁企业在积极开展与减碳技术相关的研究和实践中也取得了诸多创新成果。”张龙强表示，在“2021全球专利创新指数”，排名前30名企业中有13家中国钢铁企业入选，其中中国宝武位列第三，排在全球专利创新指数第一阵营。
在白皓看来，宝钢股份的百万吨级氢基竖炉工程作为低碳冶金的示范工程以及建龙集团的氢基熔融还原冶炼技术的落地应用，无疑对我国钢铁行业的创新引领、推动科学减碳具有重要意义。
按图索骥可控碳
近年来，我国不同的钢铁企业根据国家、地方、行业的双碳政策以及结合自身实际分别制定碳减排规划和路线图。“中国宝武、河钢集团等企业已率先提出到2050年的减碳技术路线。”白皓表示，以中国宝武为例，其提出了绿色低碳发展主要思路，并在宝钢股份宝山基地开展富氢高炉试验、湛江基地开展氢基竖炉试验、梅山基地开展大废钢试验，在八一钢铁开展富氧和炉顶煤气循环试验等。
河钢集团提出的技术路径包括优化产业布局及流程结构变革，推进全流程减排；优化用能并构建多元能源结合体系，加快低碳转型；开展全生命周期评价，助力钢铁材料性能和寿命提升；打造低碳循环经济产业链，实现协同降碳，开展低碳研发技术示范等。
张龙强表示，当前，我国钢铁行业降碳的主要方向包括：继续实施产能产量双控，控制粗钢总量；落实钢铁行业碳达峰实施方案，统筹推进减污降碳协同治理；有序推进结构调整；开展能效提升及评估，支持企业提高绿色能源使用比例；制定氢冶金行动方案，加快推进低碳冶炼技术研发应用。
“实现碳达峰、碳中和并非一蹴而就，而是全社会的一场持久战。”张龙强表示，行业企业应充分学习、了解相关政策，完整、准确、全面贯彻新发展理念，统筹兼顾、科学谋划、有序推进钢铁行业低碳发展，通过做好顶层设计、加强标准引领、储备低碳动能、夯实低碳基础、革新低碳技术，推动双碳目标实现。
白皓建议，未来钢铁工业要实现碳达峰、碳中和目标，需要在流程结构、能源结构、生产工艺的变革，走低碳冶炼之路。推动行业资源综合利用、节能和减排三大维度指标的显著提升，只有应用钢铁绿色低碳关键技术，钢铁企业才能实现良好的经济、环境和社会效益的制造模式。
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