钢铁的低碳化是如何炼成的？

    据人民网报道，2021（第十二届）中国钢铁发展论坛上，有关人士透露，《钢铁行业碳达峰及降碳行动方案》已经形成修改完善稿，“钢铁行业碳达峰目标初步定为：2025 年前，钢铁行业实现碳排放达峰；到 2030年，钢铁行业碳排放量较峰值降低 30%”。（碳达峰指的是碳排放进入平台期后，进入平稳下降阶段。）

    作为碳排放量大户，钢铁行业的一系列政策从去年开始就已陆续出台。

    2020 年 1 月，工信部发布《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见（征求意见稿）》，将中国钢铁碳达峰的时间点比国家目标向前推进了 5 年。而行业龙头中国宝武则在此基础上又将目标提前至 2023 年，河钢集团定于 2021 年发布低碳冶金路线图、于 2022 年实现碳达峰，2050 年实现碳中和。2021年2月，《碳排放权交易管理办法(试行)》(以下简称《管理办法》)正式施行，标志着全国碳市场正式启动。根据《管理办法》规定，钢铁企业作为“温室气体排放重点单位”势必纳入“碳配额”机制之中。预计未来随着“碳配额”机制的落地，逐年递减的配额数量，以及逐渐成熟的碳交易机制，钢企将面临碳排指标购买，成本曲线陡峭进一步助推行业优胜劣汰，将倒逼钢铁企业加快转型升级。

    降碳行动的出现对钢铁行业来说，是一项艰难考验还是一次破釜沉舟的机会

    本文将围绕以下两点进行阐述：

    1、未来的钢铁需求量几何？

    2、钢铁冶炼降碳路径介绍

    发展历程

    因历史原因，发达国家的钢铁转型早于国内，且有两个关键节点，第一阶段是工业化、城市化快速发展阶段，第二阶段是城市化达到瓶颈后的转型阶段。

    以美国、日本、德国、法国为例，其均在 40、50 年代至 70 年代对钢铁的需求量有快速的发展。

    原因主要有两点：

    一方面，战后经济复苏，各国产业结构调整，工业化快速发展扩大钢铁需求，钢铁工业成为许多国家重点发展行业。另一方面，城市化伴随工业化崛起，从而进一步催生建筑、基础设施等对于钢材的需求。

    随着发达国家的城市化率进入 70%以上以后，基建、房地产用钢需求快速下降。钢铁需求由螺纹钢为主，逐步转变为机械设备、精工制造等高品质钢材需求；而与此同时，经过长期的积累，经济流通环节开始产生大量的废钢，因此以电炉为代表的的短流程生产得到快速发展。而短流程生产方式较前者更环保，下文会重点提到。

    相比以上发达国家，我国正处于第一阶段向第二阶段转型时期。根据七普数据，中国2020年城镇化率是在63.89%，中国城镇化促进会常务副主席郑新立表示，再用15年的时间，我们平均每年城市化率提高的幅度保持在1个百分点以上。那么2035年我们常住人口的城市化率能够达到70%以上。  

    伴随城镇化逐步饱和，我国钢铁的需求量也将出现下降。此时碳中和相关政策的出现，既是顺应了钢铁行业的发展趋势，又加速了钢铁企业的智慧低碳化转型。加上从钢铁生命周期的角度看，钢铁自身便是一种低碳材料，因此凭借此次机会，钢铁行业或可实现技术突破，进行能源革命，转变管理模式，从而进一步增强产品及生产模式的低碳竞争力。

    长流程与短流程

    在上文中提到的《钢铁行业碳达峰及降碳行动方案行动方案》中，对完成降碳指标给出了以下五点路径：

    ①推动绿色布局方面：要优化产业布局，严禁新增产能，加大绿色物流，推广全生命周期绿色产品。

    ②节能及提升能效路径：包括推广先进适用节能低碳技术、提高余热余能自发电率、应用数字化智能化技术。

    ③优化用能及流程结构路径：包括原燃料结构优化、废钢资源回收利用、发展新能源及可再生能源。

    ④构建循环经济产业链路径：包括区域能源整合、固废资源化利用和推动钢化联产。

    ⑤应用突破性低碳技术路径：包括应用氢冶炼技术等多个方面。

    其中第三条，“优化用能及流程结构，包括废钢资源回收利用”中提到了炼钢的流程。简单来说，当前炼钢有两种典型工艺，当前用的比较多的是长流程工艺，大约占比90%。未来，处于降碳需求，短流程工艺占比将会逐步上升。

    长流程炼钢工艺的源头从铁矿石、原煤开始，高炉和转炉是关键的设备。原煤经过洗煤、配煤后高温干馏，释放出挥发成分后得到冶金焦炭；铁矿石通过研磨磁选成铁精粉，然后以生石灰为溶剂烧结成烧结矿或者加工成球团矿。以上原料加入高炉后冶炼得到碳含量4%以上的液态铁水。高炉铁水经过氧气转炉吹炼配以精炼炉得到合格钢水。钢水经过浇铸连续浇铸或模铸成为钢坯或钢锭，再经过轧制工序最后成为钢材。

    与长流程相对的是短流程工艺，源头主要是废钢和少量铁水。废钢经简单加工破碎或剪切、打包后装入电弧炉中（避免废钢中有密闭空间引起爆炸），利用石墨电极与废钢之间产生电弧所发生的热量来熔炼废钢，并配以精炼炉完成脱气、调成份、调温度、去夹杂等功能，得到合格钢水，后续轧制工序与长流程基本相同。 

    和短流程相比，长流程出钢时间短，大约二十分钟，高炉容积大适合大批量生产，无需外部能源接入成本较低，问题则是无法冶炼难熔合金原料及高炉容积大，不适合特钢生产，在生产过程中会释放大量温室气体。

    而短流程工艺平均出钢时间为50分钟以上，成本上除了电力成本，还受废钢的产量的制约。

    但由于短流程工艺本身采用废钢进行回收再利用，在碳排放量上能大大减少。

    据申宏万源研报统计，在各项技术指标不变的前提下，预计随着我国废钢回收的增加，尤其是产业链专业化 回购推广后，单靠电炉比例的提升便可以完成我国碳排放减少目标。到2030 年我国钢铁碳 16 排放将较 2020 年下降 29%，到 2060 年下降 87%。基本能够完成“碳达峰、碳中和”减排目标。

    为什么不立即提高钢厂短流程炼钢比例？

    除了成本问题外，当前还面临废钢资源不够的问题。

    中国冶金报数据显示，中国钢铁积蓄量尽管已达 100 亿吨左右，但由于尚未到报废期，因此每年回收废钢比例仅约 2%，2019 年中国废钢资源量为 2.4 亿吨，富宝 147 加钢厂废钢库存约 400 万吨。此外，国内钢企生产模式以长流程高炉炼钢为主，因此废钢产出严重不足。

    如何改善这一问题？

    促进产业集聚和整合，建设一体化大型废钢铁加工配送中心或是解决办法。

    2020 年 7 月，工业和信息化部印发《京津冀及周边地区工业资源综合利用产业协同转型提升计划(2020~2022年)》，其中提到统筹区域内资源配置，发挥现有产能优势，引导废旧金属资源向优势企业集聚。推进钢铁企业短流程炼钢技术应用，支持一批钢铁生产企业与废钢回收加工企业合作，建设一体化大型废钢铁加工配送中心。以精细拆解、清洁提取、高效富集为导向，以智能化和数字化管理为手段，在区域内培育一批再生铜、再生铝高值化利用标杆企业。

    产业协同一直是各行各业数字化转型的一个大方向。

    上海寰视网络科技有限公司推出的MICS全域可视化云也一直致力于利用各种网络环境帮助企业实现全地域、全领域、全类型的可视化信息接入，集成连接、调度、存储、应用等可视化云的必备基础处理能力与服务应用，构建集信息互联、统筹管控、高效协同、数据呈现于一体的可视化信息中心。

    在帮助钢铁企业数字化转型上也有丰富经验，往期案例：

    “四个一律”冶炼钢铁强国之魂 上海寰视助力打造宝武集团远程智能运维中心

    上海宝钢集团可视化生产调度中心

    每个行业在进行数字化转型的时候，都会进行一系列探索，钢铁行业的低碳数字化转型仍在初期，未来，我们将继续关注钢铁企业低碳化的最新动向。