钢铁的低碳化是如何炼成的?

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文章附图

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:

未来的钢铁需求量几何?

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。

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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。