佟 慶 魏欣旸 秦旭映 郭玥鋒

1.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院

2.澳門科技大學(xué)商學(xué)院

3.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院

4.北京航空航天大學(xué)蘇州創(chuàng)新研究院

0 前言

水泥和鋼鐵工業(yè)屬于我國高耗能行業(yè)[1]，為國民經(jīng)濟(jì)做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也是我國兩個(gè)主要的CO2排放行業(yè)。此外，水泥和鋼鐵行業(yè)已進(jìn)入全國碳排放權(quán)交易市場[2]。根據(jù)能源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[3]和國家溫室氣體清單數(shù)據(jù)[4]匡算，2017年水泥行業(yè)CO2排放量約為12億t，鋼鐵行業(yè)約為15億t。

這兩個(gè)行業(yè)的碳排放機(jī)理主要包括燃料燃燒排放、工業(yè)生產(chǎn)過程排放（水泥生產(chǎn)過程的碳酸鹽分解產(chǎn)生CO2排放、煉鋼過程的原料脫碳產(chǎn)生CO2排放）、電力消耗所對(duì)應(yīng)的電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)的排放（也稱間接排放）。

近年來，這兩個(gè)行業(yè)以節(jié)能和提高能效技術(shù)為主要途徑，通過減少燃料燃燒或電力消耗所對(duì)應(yīng)的CO2排放，取得了一定的CO2減排效果，但隨著應(yīng)對(duì)氣候變化國際形勢的發(fā)展以及全國碳市場的深入進(jìn)行，水泥和鋼鐵行業(yè)在節(jié)能減碳方面會(huì)面臨越來越大的壓力，有必要進(jìn)一步探討這兩個(gè)行業(yè)更為突破性、前瞻性的先進(jìn)低碳技術(shù)[6]。

本文綜述了水泥行業(yè)和鋼鐵行業(yè)幾種突破性的低碳技術(shù)，介紹了這些技術(shù)的原理、減排效果、障礙及措施，以期對(duì)這兩個(gè)行業(yè)未來的減排提供一些借鑒。

1 水泥行業(yè)突破性低碳技術(shù)

水泥工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)中重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，屬于能源、資源密集型行業(yè)，煤炭消費(fèi)量基數(shù)大，是碳排放大戶。我國水泥產(chǎn)量占全球水泥總產(chǎn)量的60%，連續(xù)近三十年來居世界第一，CO2排放強(qiáng)度較高[7]。2014年發(fā)布的《國家應(yīng)對(duì)氣候變化規(guī)劃（2014～2020年）》指導(dǎo)方針中指出“2020年水泥行業(yè)CO2排放量基本穩(wěn)定在‘十二五’末的水平”?？梢?，水泥行業(yè)必須積極響應(yīng)國家應(yīng)對(duì)氣候變化戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)水泥行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

碳酸鹽分解的工業(yè)生產(chǎn)過程排放是水泥行業(yè)最大的排放源（約50%～60%），其次是燃料燃燒排放（約30%～40%）。

水泥行業(yè)減排一般采用能效提高（節(jié)煤、節(jié)電）、燃料替代、熟料替代這幾種技術(shù)。提高能效水平是最直接有效的減排方式。近年來，我國水泥行業(yè)有關(guān)能效提高的生產(chǎn)技術(shù)取得較大進(jìn)步，未來依靠提高能效的減排空間有限。用天然氣和生物質(zhì)燃料來替代煤炭等傳統(tǒng)燃料的替代技術(shù)，雖然理論上減排潛力較大，但我國應(yīng)用替代燃料的生產(chǎn)線較少，技術(shù)也受到法律和政策的制約。對(duì)于熟料替代技術(shù)，過低的熟料雖然降低了CO2，但也會(huì)造成大量使用混合材和摻和料，增加單位混凝土的水泥用量，對(duì)建筑物安全產(chǎn)生潛在影響。

因此，需要探索除這三種技術(shù)之外的更為突破性的技術(shù)。《國家應(yīng)對(duì)氣候變化規(guī)劃（2014年～2020年）》中指出，“水泥行業(yè)要鼓勵(lì)采用電石渣、造紙污泥、脫硫石膏、粉煤灰、冶金渣尾礦等工業(yè)廢渣和火山灰等非碳酸鹽原料替代傳統(tǒng)石灰石原料”。為此，原料替代技術(shù)應(yīng)成為水泥工業(yè)未來減排的突破性技術(shù)。此外，由于水泥生產(chǎn)產(chǎn)生的CO2中50%以上是無法避免的，因此，水泥行業(yè)采用CO2捕獲和封存技術(shù)（CCS），也是促進(jìn)水泥行業(yè)未來減排的一項(xiàng)突破性技術(shù)。下面著重介紹水泥生料原料替代技術(shù)和碳捕獲和封存技術(shù)(CCS)。

1.1 水泥生料原料替代技術(shù)

理論上講，水泥原料中只要各化學(xué)組分配比合適，就能生產(chǎn)出合格的水泥熟料。傳統(tǒng)技術(shù)下，來自石灰石原料的生料碳酸鹽分解的碳排放比例較高，通常每生產(chǎn)1 t水泥熟料需要消耗約1.3 t石灰石原料，這些原料在高溫下分解會(huì)產(chǎn)生約42%的CO2，而采用含有CaO但CO2含量低的替代原料，就能有效降低水泥生產(chǎn)中工藝過程CO2排放。

目前，可采用其它原料替代石灰石原料的材料有電石渣、硅鈣渣、鋼渣、石英污泥、造紙污泥等，對(duì)這幾種替代材料的減排技術(shù)分析如下。

1.1.1 技術(shù)原理和減排效果

1)電石渣替代

電石渣是化工行業(yè)的廢渣，主要成分是CaO或Ca(OH)2，含量為65%～80%。電石渣的成分較為穩(wěn)定，有害物質(zhì)較少，可完全取代石灰石原料生產(chǎn)水泥。

根據(jù)劉晶等[9]開展的研究表明，以1條2 500 t/d水泥熟料的電石渣生產(chǎn)線為例，水泥熟料年產(chǎn)量70萬t，計(jì)算結(jié)果表明，與傳統(tǒng)采用石灰石作為鈣質(zhì)原料的生產(chǎn)線相比，電石渣配料比例為60%時(shí)，單位熟料的工藝過程CO2排放降低227.5 kg，企業(yè)年度工藝減排CO2高達(dá)16萬t。

2)硅鈣渣替代

硅鈣渣是指用堿石灰石燒結(jié)法提取高鋁粉煤灰中氧化鋁產(chǎn)生的新型固體廢棄物，目前利用范圍局限，絕大部分都通過填埋方式處理，污染環(huán)境，侵占土地。硅鈣渣含有一定量的CaO，可以減少配料中石灰石的比例，這些經(jīng)高溫煅燒的廢渣作為替代原料生產(chǎn)水泥，也可獲得一定量的CO2減排。

劉麗芬等[10]開展工業(yè)試驗(yàn)研究表明，生料中摻入30%的硅鈣渣可生產(chǎn)合格的硅酸鹽水泥熟料，利用硅鈣渣替代石灰石在現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)線上燒制水泥熟料是切實(shí)可行的。

根據(jù)劉晶等開展的分析表明，若采用30%硅鈣渣替代石灰石，所得單位熟料的工藝CO2排放量為437.1 kg，若不采用硅鈣渣替代石灰石，單位熟料的工藝過程CO2排放量為533.56 kg，因此單位熟料的工藝CO2排放降低96.46 kg。

3)鋼渣替代

部分水泥企業(yè)為充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，降低生產(chǎn)成本，采用鋼渣配料生產(chǎn)水泥熟料。根據(jù)劉晶等開展的研究表明，對(duì)比某公司采用鋼渣配料前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算鋼渣的減排效果明顯。在原配料方案中，單位熟料的工藝過程CO2排放量為543.8 kg，采用生料中搭配使用約4%的鋼渣后，單位熟料的CO2排放量為539.4 kg，減排了4.4 kg CO2，此外鋼渣的使用還能明顯改善生料易燒性從而降低煤耗。

4)石英污泥替代

石英污泥是石英砂廠采掘的石英礦經(jīng)破碎、水洗、篩選、烘干、提煉硅后剩下的廢污泥。石英污泥的主要化學(xué)成分為 CaO、SiO2、AL2O3、Fe2O3、SO3和MgO等，因此可以替代石灰石。此外，石英污泥為粉末狀物料，配料波動(dòng)少，整體比較穩(wěn)定，可用于改善生料的易磨性。根據(jù)馬源等[11]實(shí)驗(yàn)和研究表明，相比傳統(tǒng)方案，在采用石英污泥替代原料后，標(biāo)準(zhǔn)煤耗從106.23 kg/t降低至103.88 kg/t，下降了2.35 kg/t。

5)造紙污泥替代

根據(jù)劉偉等[12]研究表明，經(jīng)對(duì)某廢紙污泥渣進(jìn)行化學(xué)分析，造紙污泥中含有 CaO、SiO2、AL2O3、Fe2O3、和MgO，而且其中Al2O3含量較高，對(duì)于生料配料來說是一種很好的鋁質(zhì)校正原料，其余化學(xué)成分對(duì)熟料質(zhì)量也基本不存在不良影響，而且污泥的熱值還比較高、可以充分利用其熱值燒成熟料。理論上每摻入1%的濕造紙污泥，噸熟料實(shí)物煤耗可降低1.91 kg。

1.1.2 障礙及措施

采用電石渣、硅鈣渣、鋼渣、石英污泥、造紙污泥等工業(yè)廢棄物用作替代原料，不僅能可靠、低成本地利用廢棄物，同時(shí)能有效減少工藝過程的CO2排放量。但是，也存在以下障礙限制這些原料替代技術(shù)在水泥工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展。

1)水泥產(chǎn)品性能障礙

與化石燃料產(chǎn)生的灰渣相比，某些替代材料的灰分具有不同的組分和含量，這些材料在窯中產(chǎn)生的熟料成分波動(dòng)較大。如果熟料中磷元素超標(biāo)，會(huì)降低生產(chǎn)水泥的早期強(qiáng)度并導(dǎo)致更長的凝固時(shí)間。此外，使用替代材料也會(huì)影響水泥的長期強(qiáng)度。因此，使用各種替代材料需要注意各種原料的配比以及對(duì)后續(xù)工藝流程做出調(diào)整，需要進(jìn)一步加大研發(fā)和示范力度，摸索出成熟穩(wěn)定的技術(shù)方案。

2)技術(shù)經(jīng)濟(jì)障礙[13]

使用替代材料的額外成本主要包括加工工藝的研究、設(shè)計(jì)、建造等費(fèi)用，以及原材料采購、處理和運(yùn)輸費(fèi)用等。因此，需要仔細(xì)評(píng)估替代原料的經(jīng)濟(jì)性，并希望政府給予一些政策支持，也建議企業(yè)充分利用碳市場等激勵(lì)機(jī)制。

3)國家標(biāo)準(zhǔn)和市場接受度障礙

當(dāng)?shù)毓I(yè)副產(chǎn)品市場和替代原料水泥生產(chǎn)許可條件也是阻礙替代原料技術(shù)在水泥工業(yè)中廣泛應(yīng)用的障礙。此外，在一些國家和區(qū)域市場，國家標(biāo)準(zhǔn)與替代原料生產(chǎn)的水泥性質(zhì)之間仍然不相容，還需要配套開展生產(chǎn)許可和標(biāo)準(zhǔn)制定或修訂等工作。

1.2 碳捕獲與封存技術(shù)（CCS）

1.2.1 CCS技術(shù)原理和減排效果

碳捕獲與封存技術(shù)（CCS）[14]是一項(xiàng)新興的、具有大規(guī)模減碳潛力的技術(shù)，可將水泥行業(yè)產(chǎn)生的CO2捕集并存儲(chǔ)于特定地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，從而減少CO2向大氣的排放。劉虹等[15]研究推算表明，估計(jì)我國2020～2030年水泥行業(yè)利用CCS技術(shù)捕獲CO2的市場潛力在3億t～4億t左右。

1.2.2 障礙及措施

根據(jù)顧阿倫等[16]研究分析，水泥行業(yè)減排技術(shù)按照減排成本由低到高的排序?yàn)槟苄岣呒夹g(shù)、燃料替代技術(shù)、混合水泥技術(shù)和CCS技術(shù)，可見CCS技術(shù)成本最高。這也是制約此項(xiàng)技術(shù)在我國應(yīng)用和發(fā)展的主要障礙。

除此之外，此項(xiàng)技術(shù)本身還存在一定的技術(shù)難度和地質(zhì)存儲(chǔ)潛力方面的不確定性，還需要認(rèn)真分析和評(píng)估CCS技術(shù)路線，對(duì)適合中國發(fā)展的CCS技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研發(fā)與示范，并應(yīng)加強(qiáng)CO2儲(chǔ)存的研究，對(duì)有可能最先作為CO2儲(chǔ)存的含油、氣、煤的盆地結(jié)構(gòu)的地質(zhì)進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)查研究，對(duì)于監(jiān)測可能、儲(chǔ)存潛力、泄漏風(fēng)險(xiǎn)等方面進(jìn)行全面調(diào)查與評(píng)估。

2 鋼鐵行業(yè)突破性低碳技術(shù)

李新創(chuàng)等[17]研究結(jié)果表明，在全球溫控目標(biāo)2℃情景下，降低需求、能效提升、創(chuàng)新工藝為鋼鐵工業(yè)貢獻(xiàn)的減排潛力為46%、21%、33%。在1.5℃溫控情景下，降低需求、能效提升、創(chuàng)新工藝為鋼鐵工業(yè)貢獻(xiàn)的減排潛力為34%、16%、50%?？梢?，鋼鐵行業(yè)隨著溫控目標(biāo)要求的提高，創(chuàng)新工藝對(duì)鋼鐵行業(yè)的減排作用更為凸顯。下面重點(diǎn)介紹相比傳統(tǒng)高爐煉鐵而言，具有突破性創(chuàng)新工藝的直接還原煉鐵技術(shù)和電弧爐煉鋼技術(shù)。

2.1 直接還原煉鐵技術(shù)

2.1.1 技術(shù)原理和減排效果

直接還原煉鐵技術(shù)[18]是以非焦煤為能源，在不熔化、不造渣的條件下，原料基本保持原有物理形態(tài)，鐵的氧化物經(jīng)還原獲得以金屬鐵為主要成分的固態(tài)產(chǎn)品技術(shù)方法，是現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)重要工序之一。

直接還原煉鐵技術(shù)按所使用的還原劑的形態(tài)分為氣基法（豎爐法、流化床法等）、煤基法（回轉(zhuǎn)窯法、隧道窯法、煤基豎爐法、轉(zhuǎn)底爐法等）。迄今為止，有數(shù)十種直接還原工藝實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，其中氣基豎爐占直接還原鐵的主導(dǎo)地位。

傳統(tǒng)的高爐煉鐵，鐵水的含碳量為4.50%，而鋼的含碳量平均為0.35%，因此采用高爐鐵水煉鋼，脫碳環(huán)節(jié)會(huì)排放約140～175 kg CO2/t鋼。對(duì)比而言，煤基直接還原煉鐵含碳僅為0.30%，氣基直接還原鐵含碳通?！?.50%，用直接還原鐵煉鋼，脫碳環(huán)節(jié)可以減少向大氣排放約100～150 kg CO2/t鋼。

2.1.2 技術(shù)障礙及措施

我國直接還原煉鐵技術(shù)的主要應(yīng)用障礙[19]有以下三種。

1)生產(chǎn)規(guī)模過小。中國直接還原鐵企業(yè)均采用煤基直接還原工藝，該方法通常單機(jī)生產(chǎn)能力均較小，多數(shù)直接還原鐵廠的年生產(chǎn)能力均小于5萬t。過小的生產(chǎn)規(guī)模不能形成規(guī)模效應(yīng)，使工廠的原料組織、產(chǎn)品銷售及環(huán)保等環(huán)節(jié)都出現(xiàn)一些問題。豎爐氣基直接還原可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，是我國發(fā)展該技術(shù)的主要出路。

2)缺乏穩(wěn)定的原料供應(yīng)渠道。直接還原煉鐵技術(shù)必須采用高品質(zhì)的原料，但我國缺乏適合直接還原鐵生產(chǎn)所用的高品位鐵礦石資源，如全部采取進(jìn)口又面臨國際市場礦石價(jià)格不斷上漲的困難。建立國內(nèi)外兩種資源組成的穩(wěn)定暢通的原料供應(yīng)渠道，是我國發(fā)展直接還原煉鐵技術(shù)的當(dāng)務(wù)之急。

3)氣基直接還原發(fā)展緩慢。國外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，利用氣基豎爐法是迅速發(fā)展直接還原煉鐵技術(shù)的有效途徑，但我國由于受到天然氣資源的限制，氣基直接還原發(fā)展緩慢。煤制氣技術(shù)已成為化工行業(yè)的常規(guī)技術(shù)，使得煤制氣-豎爐工藝成為我國發(fā)展直接還原煉鐵技術(shù)的方向之一。但由于煤炭的使用越來越受到限制，需要尋找更清潔的制氫方法。張平等[20]研究表明，高溫氣冷堆核能技術(shù)最適合制氫，其產(chǎn)生的氫氣可以用于直接還原煉鐵，也即可以實(shí)現(xiàn)高溫堆制氫與直接還原煉鐵技術(shù)的耦合，這將大幅度降低鋼鐵冶煉過程中溫室氣體和其它有害物質(zhì)的排放，可能帶來行業(yè)革命性的變化。

2.2 電弧爐煉鋼技術(shù)

2.2.1 技術(shù)原理和減排效果

電弧爐煉鋼以廢鋼或直接還原鐵為主要原料，用電弧的熱效應(yīng)煉鋼。

相比以高爐鐵水為原料的長流程轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)，以廢鋼或直接還原鐵為原料的短流程電爐煉鋼節(jié)能減碳優(yōu)勢明顯。采用電弧爐煉鋼，其制造每噸粗鋼的能耗和CO2排放分別為250 kg標(biāo)煤和600 kg左右，而傳統(tǒng)的長流程煉鋼的能耗和CO2排放分別是750 kg標(biāo)煤和2 000 kg左右[21]。

2.2.2 技術(shù)障礙及措施

一直以來，我國短流程電弧爐煉鋼發(fā)展速度不快，2015年電弧爐煉鋼占全部煉鋼產(chǎn)能的比例在6%左右，與美國63%、韓國30%、日本23%相比，差距較大。遇到的障礙主要有以下兩方面。

1)優(yōu)質(zhì)廢鋼資源緊缺。近10余年來，中國鋼產(chǎn)量高居世界之首位，然而由于總的廢鋼積累量不足，廢鋼資源緊缺導(dǎo)致的廢鋼價(jià)格較高制約了電弧爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展。此外，隨著汽車、家電等包含各種有色金屬材料的大量使用，使得難以解體分離的產(chǎn)品不斷增加，優(yōu)質(zhì)廢鋼資源非常緊缺，造成廢鋼質(zhì)量不穩(wěn)定，殘留的有害元素富集、雜質(zhì)較多。解決這一問題的主要方法為建設(shè)廢鋼回收、加工、配送體系，并采用有效提高去除并回收廢鋼中有害元素的技術(shù)，提高鐵與有害元素的分離率[22]。

2)電力緊張、發(fā)電能源結(jié)構(gòu)不合理、電力成本較高。電弧爐是用電大戶，雖然近年來中國電力裝機(jī)容量迅速增長，但國民經(jīng)濟(jì)其他部門和人民生活質(zhì)量迅速提高，對(duì)電量的需求也快速增長，特別是中國發(fā)電技術(shù)構(gòu)成不合理，火力發(fā)電所占比例仍然比較高，對(duì)化石能源依賴度較高，電力成本也較高。這就需要進(jìn)一步優(yōu)化電弧爐生產(chǎn)工藝，加強(qiáng)精細(xì)管理與操作，充分利用鋼水中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能和排放廢氣中的物理能，如二次燃燒技術(shù)和廢鋼預(yù)熱技術(shù)。同時(shí)，開發(fā)新型電弧爐，高效利用電能，降低電爐煉鋼能耗。

3 結(jié)語

技術(shù)進(jìn)步是低碳發(fā)展的必由之路，本文介紹的這些突破性低碳技術(shù)無疑有著降低水泥和鋼鐵行業(yè)溫室氣體排放的巨大潛能，但要將其變?yōu)楣こ袒瘧?yīng)用的技術(shù)，還需要采取更強(qiáng)有力的措施來促進(jìn)技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新動(dòng)力、科研成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用速度以及工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

建議我國政府主管部門、水泥和鋼鐵的行業(yè)主管部門把發(fā)展行業(yè)突破性低碳技術(shù)作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性措施，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)一規(guī)劃，制定科學(xué)的、超脫地方和部門利益的低碳發(fā)展路線圖。分清主次和輕重緩急，集中力量，圍繞重大關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，以期盡快掌握我國水泥和鋼鐵行業(yè)最急需的關(guān)鍵低碳技術(shù)。

此外，鑒于低碳技術(shù)國際轉(zhuǎn)移所面臨的各種障礙，且我國水泥和鋼鐵行業(yè)有其自身的國情和特點(diǎn)，在明確我國水泥和鋼鐵行業(yè)低碳技術(shù)發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域基礎(chǔ)上，必須立足于自主創(chuàng)新和研發(fā)，掌握自主核心技術(shù)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。