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钢铁行业节能减排与绿色发展空间巨大“无煤炼钢”!沃尔沃从造车的原材料钢材入手,减少碳排放

更新时间:2021-11-21 05:16:10点击:

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钢铁行业节能减排与绿色发展空间巨大

首钢股份炼钢作业部1号转炉 李旭龙/摄

发展新能源汽车的根本目的是减轻环境污染,但是由于我国的电力来源,主要是火电为主。所以之前也有舆论说,在中国市场,新能源汽车充的电都是火电,火电不是清洁能源。所以在中国发展新能源汽车就是个伪命题。不过这个问题很好解决。随着我国电力来源的转型,今后包括核能,太阳能,风能,会越来越多。但是,清洁的电力是解决了。那么汽车生产环节中,依然存在着化石燃料的使用。比如说钢铁都是用煤炭来冶炼的。所以如何实现汽车在生产过程中的碳中和,就成为了今后汽车厂商都要面临的重要问题。

“无煤炼钢”!沃尔沃从造车的原材料钢材入手,减少碳排放

当今全球汽车制造商的最大目标之一是实现碳中和。当然,只要内燃机还在生产,完全碳中和是很难的。因此,世界各国政府机构下属的环保机构正在对排放大量碳的汽车公司征收巨额的碳排放税。

“近些年,中国钢铁工业在吨钢能耗和吨钢排放量方面都取得了明显进步,但是由于新世纪以来粗钢产出总量剧增,从而引起钢铁工业的总能耗、总排放量非但没有下降,反而明显增加!”中国工程院院士、原冶金部副部长殷瑞钰在近日举办的钢铁行业节能技术和高效节能电机交流会上说。

作为碳排大户,钢铁行业如何摘掉高碳的帽子,成为业界关注的重点。殷瑞钰院士的一番话恰恰指出了钢铁行业碳减排的难度之大、问题之重,尤其是在我国提出努力在2030年前实现碳达峰和努力争取2060年实现碳中和的大背景下钢铁行业的节能减排的意义,提升到了新高度。

“无煤炼钢”!沃尔沃从造车的原材料钢材入手,减少碳排放

如果没有办法避免这种情况,可以通过购买一些分配给每个公司的碳信用来避免惩罚性税收。然而,这些措施确实是权宜之计。当然,出售碳信用对特斯拉这样的造车新势力公司来说是一个非常有吸引力的巨大收益,但这并不能给他们无限的碳信用。

实现2060碳中和目标钢铁行业减排潜力巨大

“无煤炼钢”!沃尔沃从造车的原材料钢材入手,减少碳排放

对于汽车厂商来说,不可能无限制的去通过购买其他公司的碳信用额度,来满足自己公司生产扩张的需求。而且对于用户来说,更希望看到汽车厂商通过技术创新来实现碳中和而不是向造车新势力公司购买来实现。所以现在几乎所有的汽车品牌都在想办法减少碳排放。有一些汽车厂商已经开始收集雨水,然后净化再利用成为工业用水。

还有一些厂商在工厂内大量的设置太阳能发电板,通过太阳能发电来抵消一部分工业生产所需要的用电量。

冶金工业规划研究院党委书记、总工程师,中国节能协会冶金工业节能专业委员会主任委员李新创表示,“十三五”以来,我国钢铁行业节能与绿色发展取得了巨大成就,但目前仍存在能源消费和环境排放总量压力巨大、工艺流程结构不合理、绿色发展水平不平衡等问题;同时,行业中使用高效节能电机比例较少,电机系统运行效率相对较低,存在大量绿色化改造空间。

“无煤炼钢”!沃尔沃从造车的原材料钢材入手,减少碳排放

沃尔沃汽车想出了一种全新的解决办法,沃尔沃决定回到汽车制造的基础,那就是钢铁。沃尔沃所属的瑞典长期以来以生产优质钢铁而闻名。因此很多人也相信沃尔沃汽车之所以经久耐用,也是由于瑞典发达的钢铁制造工业。

沃尔沃认为如果可以减少钢铁生产过程当中的碳排放,那么汽车生产的碳排放总量也可以减少。

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从沃尔沃的解释来看,这个想法是有根据的。因为钢铁材料生产中产生的碳约占汽车生产过程中产生的碳排放量的 35%。根据沃尔沃的说法,电气化也不会成为实现碳中和的完美解决方案。由于电动汽车也使用钢材。

从数据来看,目前我国钢铁行业能源消费总量约占全国能源消费总量的九分之一;碳排放量占全球钢铁碳排总量的60%以上;黑色金属冶炼和压延加工业二氧化硫、氮氧化物和颗粒物排放量在全部工业行业中分别排名第三、第三、第一。

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因此,沃尔沃决定与瑞典钢铁制造商 SSAB合作,研究一种无需使用化石燃料即可生产钢铁的技术。首先,它表示不会使用焦炭,焦炭被认为是生产铁的必需品。焦炭是从煤中提取碳而得到的高纯度碳燃料,用作铁矿石冶炼的还原剂。问题在于,在这个过程中,焦炭与从铁矿石中分离出来的氧气发生反应,产生大量的二氧化碳。

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它是一种用于制造更高纯度和更坚固的铁的材料,但不幸的是,它在生产过程中会排放二氧化碳,而这一数量占一辆汽车的 35% 令人惊讶。然而,要改变18世纪以来一直沿用的冶炼技术并不容易。尽管如此,据说沃尔沃和 SSAB 正在引入使用电力和氢气冶炼铁的技术,包括氢还原铁。

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具体来说,这项新技术什么时候会使用还不得而知,但暂时会限制在测试车和概念车上使用。这是因为该设施尚未扩大到可以进行大规模生产的程度。尽管如此,沃尔沃表示计划在制造和分销过程中引入各种减少碳排放的想法,包括未来不含焦的炼铁。

据了解,我国钢厂在节能方面,经历了两个主要阶段,分别是20世纪80年代的单体节能及与之相应的系统节能,以及90年代的工序/装置结构重组和流程整体优化的系统节能。

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沃尔沃已经宣布将从 2018 年到 2025 年将碳排放量减少到 40%,但他们正在一项一项实施这些计划。也许沃尔沃可以在 2040 年实现成为碳中和品牌的目标。

殷瑞钰表示:“钢铁行业作为工业的重要领域,是能源消费大户,同时也是二氧化碳排放大户。我国粗钢产量巨大,造成了我国钢铁行业二氧化碳排放总量占全国二氧化碳排放总量的份额仍然较高。此外,由于我国钢铁行业用能结构以煤为主,且流程结构上高炉-转炉长流程占主导,导致吨钢二氧化碳排放处于较高水平。未来要实现国家的碳减排承诺,我国钢铁工业仍然将面临着巨大的压力,必须走钢铁工业‘脱碳化’发展的道路。”

而电炉炼钢恰恰符合“脱碳化”的发展道路。

据了解,电炉炼钢主要利用电弧热,在电弧作用区,温度高达4000℃。电炉短流程炼钢工艺由于直接使用废钢作原料,直接省去了造成污染的诸多环节,受到许多钢铁企业的青睐。据环保专家测算,用废钢直接炼钢比用铁矿石炼铁炼钢可减少86%的废气,76%的废水和97%的废渣,有利于清洁生产和排废减量化。

李新创表示,目前我国电弧炉短流程炼钢工艺生产的粗钢产量仅占总产量10%左右,远低于美国68%、欧盟40%、日本24%的发展水平;废钢比仅为18.7%,仍有较大提升空间。

值得注意的是,到2020年,我国钢铁蓄积量将达到100亿吨, 废钢资源年产出量将超过2.1亿吨;到2025年,我国钢铁蓄积量将达到120亿吨,废钢资源年产出量将达到2.7—3亿吨;2030年,我国钢铁蓄积量将达到132亿吨,废钢资源年产出量将达到3.2—3.5亿吨。届时,以废钢为原材料的电炉炼钢工艺必将在粗钢产量总量中占据重要地位。

产量增加不代表行业春天的到来

数据显示,我国2019年粗钢产量达到9.96亿吨,国内钢材市场占有率达到98.6%,2020年将再创10亿吨以上新高。

“产量增加并不代表行业春天来了,在看到钢铁产量增加的同时,还应该参考铁矿石的采购价格以及国内钢材市场中钢材的售价是多少。目前国内仍然存在产能过剩问题。”殷瑞钰认为。

只注重产品生产数量,忽略产品的生产成本以及销售价格,很容易使人盲目自信。我国钢铁工业的发展离不开充足的能源供给,在钢铁冶炼过程中会消耗大量的煤炭资源、水资源以及铁矿石。

工信部节能与综合利用司副司长王孝洋表示,我国目前已成为世界第一制造大国,2019年,我国规模以上工业增加值达31.7万亿元,占GDP的比重为32%,能源消费总量48.6亿吨标准煤,其中工业能源消费占比超过60%,工业领域大宗资源消耗量占全社会90%以上,水资源消耗占四分之一左右。进口铁矿石超10亿吨,对外依存度超过85%,石油对外依存度约70%,天然气对外依存度超40%,资源瓶颈日益突显。

为达成能源利用效率提升的工业绿色发展重要目标,工信部近年在工业节能、绿色发展方面做出了一系列强有力的动作。

王孝洋表示,工信部近年不断加大新技术、新产品筛选和推广力度。定期编制印发《国家工业节能技术装备推荐目录》《“能效之星”产品目录》《绿色数据中心先进适用技术目录》等技术装备产品推广目录,引导工业企业采用先进高效节能技术产品。

此外,还通过加大节能监察工作力度等行政手段,推动企业淘汰低效电机。

据统计,2016—2019年,全国累计监察高耗能企业超过2万家,钢铁等主要高耗能行业基本实现全覆盖。查处违反强制性单位产品能耗限额标准的违规企业888家,不达标电机14万台。高强度的节能监察执法持续向企业传递正向压力,推动企业加快实施节能技术改造,依法依规合理用能。

值得注意的是,工信部还针对创新开展节能诊断服务工作,推动企业采用高效节能设备。培育壮大一批节能诊断服务机构,帮助企业全面查找用能问题,充分发掘节能潜力。近两年来,累计组织为1.4万家企业提供节能诊断服务,有效推动工业节能向各行业、大中小企业全面深入推进,进一步促进企业节能降耗、降本增效,提高节能管理水平。

“通过不断努力,2016—2019年,规模以上企业单位工业增加值能耗下降超过15%,相当于节省了4.8亿吨标准煤,节约能源成本约4000亿元,实现了经济效益和环境效益的双赢,为推动制造业绿色高质量发展作出了积极贡献。”王孝洋说。

节能减排助力钢铁行业健康发展

节能曾被认为是煤炭、石油、天然气、核能以外最重要的“能源”。

中国节能协会秘书长宋忠奎表示,节能的意义在于,在创造同等体量GDP以及生产相同数量、质量的产品同时 ,所消耗的能源以及排放量均有所减少,从而成为实现减排、碳中和的有效途径。

电机是我国用电量最大的终端用能设备。据统计,电机的总用电量占全社会的64%左右,其中,工业领域电机用电量约占工业用电量的80%。大力推进高效电机设备的生产和应用,是加快工业节能与绿色发展的重点领域和重要举措。同时,钢铁行业作为电机使用大户,目前使用高效节能电机的比例还比较少,电机系统运行效率相对也较低,存在大量绿色化改造空间。

湘潭电机股份有限公司研究员级高工周慧玲表示,在冶金企业中,高压电机消耗了绝大部分的电能,其拖动的负载多为离心风机和水泵及轧钢机械负载。而不同的电机在节能方面采用的技术方法也就不尽相同,有些是电机本身不断降耗增效、有些是异步改永磁使低负荷运行时更具节能效益、有些是改变系统从而节能,其中电机是应系统的要求而改变。

在节能方面,为了保障高效节能电机应用的健康发展,国家于2011年全面推行高效节能惠民政策,这使得电机行业的发展迈上了一个新台阶。全国各大电机供应商在财政部节能补贴的推动下,主动进行节能优化。随后又在2013年推行高压电机能效分级,国家质检总局及国家标准化管理委员会联合发布了《高压三相笼型异步电动机能效限定值及能效等级》国家强制标准。

随着市场竞争的压力,以及我国对环境和能源的日益重视,近年来各钢铁企业开始关注烧结过程的能源利用和污染物排放控制,开始向清洁烧结,绿色烧结转变。烧结烟气循环技术作为一种高效的节能减排技术逐渐在我国钢铁企业中研究实施。

2020年中国环境保护产业协会发布的《钢铁企业超低排放改造实施指南》提到,鼓励企业结合自身实际,配套烧结机头烟气循环系统。目前已有多家钢铁企业进行了烧结烟气循环工艺改造,节能减排效果显著。

根据国务院印发《“十二五”节能减排综合性工作方案》,新建烧结机必须配套建设烟气处理设施,对脱硫脱硝装置的要求是全部外排烟气都要经过脱硫脱硝。为了适应发展需要,以降低烧结烟气处理装置的基建成本和生产成本,应用节能技术为目的,应在新建烧结机上实施烟气循环工艺。在已经投产的烧结机上实施改造,应用烧结烟气循环工艺,应针对各厂自身的实际情况和需求,站在不同角度,有针对性地实施。

北京中冶设备研究设计总院有限公司能源所所长刘江表示,烧结工序烟气排放量较大,占钢铁企业总排放量的一半以上。随着国家环保要求越来越严格,从20世纪开始,相继在烧结厂采用了脱硫、脱硝、二噁英等烟气处理装置。而且不同于燃煤电厂,烧结烟气处理装置面临投资大、运行费用高、效率低、副产品复杂等问题,但如果直接外排烧结烟气则会带走大量的热量,造成能源浪费。因此,针对烧结固体燃耗较高问题,能耗仍有降低空间。