邢奕等：钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 9 1555m3 0.746t Methonal Syngas Dehydration Hydrogen Carbon monoxide 1.0t Carbon Dimethylether Methylace ylation Ethanol tate 图8DMTE生产乙醇技术路线图 Fig.8 Dimethyltellurium technology roadmap for ethanol production DMTE技术乙醇产能预计超过300万ta,年产值 的废钢，且废钢质量参差不齐，废钢进口受到国外 达150亿 管制，以煤和焦炭为主的高炉炼铁为核心的长流 2.3.3碳封存 程制造工艺近些年不会发生根本变化.(4)直接还 捕集的CO2除了在钢铁厂内部循环利用和厂 原炼铁技术在国内刚刚起步，且国内“富煤、贫 外化学转化之外，也可将其运输至储存地点，在高 油、少气”的能源现状限制其快速发展 温高压条件下以超临界形式注入地下进行长期封 3.2钢铁行业低碳排放技术路线展望 存，实现与大气的长期隔离.封存CO2的地点通常 钢铁行业低碳排放技术路线展望如下： 为深层盐水层、枯竭的油气田和采煤层，在地质封 (1)通过优化工艺生产流程的方式减少工业 存的同时，起到强化提高石油、地热、地层深部咸 生产过程中的直接碳排放，利用副产能源重整技 水等能源开采的作用 术提高能源利用效率，降低间接碳排放.高炉炼铁 国内的地质封存与利用技术主要以提高石油 作为碳排放量最高的工序，应首先对其进行升级 采集率为主，煤层气驱替技术目前处于研发阶段 改造，可采取氧气鼓风高炉炉顶煤气循环+氢气喷 以国内油田的CO2驱油项目为例，吉林油田和新 吹+CCUS组合技术，预计生产每吨粗钢可减少 疆油田的注汽产油比分别为4.67：1和3.57：1，即 500kgCO2排放.另外在降碳方面应优先选用高成 注入4.67t或3.57t二氧化碳能够产出1t油.中科 熟度减碳技术，如1000mm超厚料层低碳烧结技 院武汉土力研究所等单位在鄂尔多斯盆地开展 术、长流程废钢预热技术和CO2转炉高炉底吹技 C0,驱煤层气研究7，在2015年完成燃煤电厂 术，有效支撑2030年碳达峰目标的实现 CO2捕集和驱替煤层气研究与试验示范，2018一 (2)改变钢铁行业能源结构，高CO2排放因子 2020年完成了C02驱煤层气关键技术研究.国家 煤炭应逐渐一步一步转变为煤气→天然气→氢气 能源投资集团有限责任公司在内蒙古建成了世界 清洁能源实现钢铁碳零排.采用碳含量较低的燃 上规模最大的深部咸水层地质封存示范项目P, 料和或还原剂，降低工业过程产生的直接碳排放 截止目前已封存30余万吨CO2 利用光伏发电、风能和地热能等清洁能源发电替 3总结与展望 代火力发电，减少因能源消耗产生的间接碳排放 另外，废弃生物质的使用还有许多潜在的好处，包 3.1钢铁行业碳排放现状总结 括回收其能量含量、节约不可再生化石燃料、降 (1)我国钢铁行业能源资源消耗密集且以化 低生产成本和消除垃圾填埋场处理.未来可使用 石能源为主，占全国碳排放总量18%以上，为碳排 废塑料和废轮胎（其中也含有一些铁）代替一些煤 放量最高的非电行业.(2)粗钢产销量大，粗钢产 在钢铁厂和电弧炉中生产钢铁 量从21世纪初1.3亿吨增长至2020年的10.65亿 (3)大力发展CO2捕集与碳循环钢化联产碳 吨，钢铁生产将逐渐从以往的爆发式增长进人到 负排技术，进一步深度脱碳.预计2050年钢铁行 平台稳定期，预计近些年粗钢产量保持在10~ 业粗钢产量为7亿吨刷，短流程电炉炼钢占比与 12亿吨左右.(3)我国钢铁行业生产工艺流程以吨 当前美国相同，达到70%（碳排放因子取生产每吨 钢C02排放量为1.7~2.2t的长流程高炉-转炉为 粗钢约排放0.6tCO2),长流程氧气鼓吹氢基高炉 主，其生产的粗钢比例约占总产量的90%，而吨钢 占比达到30%（碳排放因子取生产每吨粗钢排放 CO2排放量为0.6t的短流程电弧炉炼钢的粗钢产 约1.4tC02,则2050年排放约6.88亿吨C02,碳 量仅占10%.但我国电费偏高，缺少足够用于电炉 中和难度大，需要通过末端碳捕集的方式才能实DMTE 技术乙醇产能预计超过 300 万 t·a−1，年产值 达 150 亿. 2.3.3    碳封存 捕集的 CO2 除了在钢铁厂内部循环利用和厂 外化学转化之外，也可将其运输至储存地点，在高 温高压条件下以超临界形式注入地下进行长期封 存，实现与大气的长期隔离. 封存 CO2 的地点通常 为深层盐水层、枯竭的油气田和采煤层，在地质封 存的同时，起到强化提高石油、地热、地层深部咸 水等能源开采的作用[26] . 国内的地质封存与利用技术主要以提高石油 采集率为主，煤层气驱替技术目前处于研发阶段. 以国内油田的 CO2 驱油项目为例，吉林油田和新 疆油田的注汽产油比分别为 4.67∶1 和 3.57∶1，即 注入 4.67 t 或 3.57 t 二氧化碳能够产出 1 t 油. 中科 院武汉土力研究所等单位在鄂尔多斯盆地开展 CO2 驱煤层气研究 [27] ， 在 2015 年完成燃煤电 厂 CO2 捕集和驱替煤层气研究与试验示范，2018— 2020 年完成了 CO2 驱煤层气关键技术研究. 国家 能源投资集团有限责任公司在内蒙古建成了世界 上规模最大的深部咸水层地质封存示范项目[28] ， 截止目前已封存 30 余万吨 CO2 . 3    总结与展望 3.1    钢铁行业碳排放现状总结 （1）我国钢铁行业能源资源消耗密集且以化 石能源为主，占全国碳排放总量 18% 以上，为碳排 放量最高的非电行业. （2）粗钢产销量大，粗钢产 量从 21 世纪初 1.3 亿吨增长至 2020 年的 10.65 亿 吨，钢铁生产将逐渐从以往的爆发式增长进入到 平台稳定期 ，预计近些年粗钢产量保持在 10～ 12 亿吨左右. （3）我国钢铁行业生产工艺流程以吨 钢 CO2 排放量为 1.7～2.2 t 的长流程高炉−转炉为 主，其生产的粗钢比例约占总产量的 90%，而吨钢 CO2 排放量为 0.6 t 的短流程电弧炉炼钢的粗钢产 量仅占 10%. 但我国电费偏高，缺少足够用于电炉 的废钢，且废钢质量参差不齐，废钢进口受到国外 管制，以煤和焦炭为主的高炉炼铁为核心的长流 程制造工艺近些年不会发生根本变化. （4）直接还 原炼铁技术在国内刚刚起步，且国内“富煤、贫 油、少气”的能源现状限制其快速发展. 3.2    钢铁行业低碳排放技术路线展望 钢铁行业低碳排放技术路线展望如下： （1）通过优化工艺生产流程的方式减少工业 生产过程中的直接碳排放，利用副产能源重整技 术提高能源利用效率，降低间接碳排放. 高炉炼铁 作为碳排放量最高的工序，应首先对其进行升级 改造，可采取氧气鼓风高炉炉顶煤气循环+氢气喷 吹+CCUS 组合技术 ，预计生产每吨粗钢可减少 500 kgCO2 排放. 另外在降碳方面应优先选用高成 熟度减碳技术，如 1000 mm 超厚料层低碳烧结技 术、长流程废钢预热技术和 CO2 转炉高炉底吹技 术，有效支撑 2030 年碳达峰目标的实现. （2）改变钢铁行业能源结构，高 CO2 排放因子 煤炭应逐渐一步一步转变为煤气→天然气→氢气 清洁能源实现钢铁碳零排. 采用碳含量较低的燃 料和/或还原剂，降低工业过程产生的直接碳排放. 利用光伏发电、风能和地热能等清洁能源发电替 代火力发电，减少因能源消耗产生的间接碳排放. 另外，废弃生物质的使用还有许多潜在的好处，包 括回收其能量含量、节约不可再生化石燃料、降 低生产成本和消除垃圾填埋场处理. 未来可使用 废塑料和废轮胎 (其中也含有一些铁) 代替一些煤 在钢铁厂和电弧炉中生产钢铁. （3）大力发展 CO2 捕集与碳循环钢化联产碳 负排技术，进一步深度脱碳. 预计 2050 年钢铁行 业粗钢产量为 7 亿吨[18] ，短流程电炉炼钢占比与 当前美国相同，达到 70%(碳排放因子取生产每吨 粗钢约排放 0.6 t CO2 )，长流程氧气鼓吹氢基高炉 占比达到 30%(碳排放因子取生产每吨粗钢排放 约 1.4 t CO2 )，则 2050 年排放约 6.88 亿吨 CO2，碳 中和难度大，需要通过末端碳捕集的方式才能实 0.746 t Methonal Syngas 1555 m3 Steel plant exhaust gas Hydrogen 1.0 t Ethanol Separa tion Dehydration Dimethylether Carbon monoxide Carbon ylation Methylace tate Hydrog enation 图 8    DMTE 生产乙醇技术路线图 Fig.8    Dimethyltellurium technology roadmap for ethanol production 邢    奕等： 钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 · 9 ·