王新東，上官方欽，邢 奕，侯長(zhǎng)江，田京雷?

1) 河鋼集團(tuán)有限公司，石家莊 050023 2) 中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司，北京 100081 3) 北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083

2020年9月22 日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)提出中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這是中國(guó)政府作出的重大戰(zhàn)略決策，是著力解決資源環(huán)境約束突出問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的必然選擇，是構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的莊嚴(yán)承諾.中國(guó)鋼鐵工業(yè)碳排放約占全國(guó)碳排放總量的16%，是實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的重要領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展意義重大.2021年2月，中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布《鋼鐵擔(dān)當(dāng)，開啟低碳新征程—推進(jìn)鋼鐵行業(yè)低碳行動(dòng)倡議書》指出，鋼鐵行業(yè)將面臨從碳排放強(qiáng)度的“相對(duì)約束”到碳排放總量的“絕對(duì)約束”，要加快研究鋼鐵行業(yè)“碳達(dá)峰、碳中和”行動(dòng)方案.2022年2月，國(guó)家生態(tài)環(huán)境部等三部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》中指出，到2025年，鋼鐵工業(yè)基本形成綠色低碳可持續(xù)的高質(zhì)量發(fā)展格局.在綠色低碳方面，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)間耦合發(fā)展的資源循環(huán)利用體系，噸鋼綜合能耗降低2%以上，并確保2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰.

為深入貫徹落實(shí)國(guó)家關(guān)于“碳達(dá)峰、碳中和”的重大戰(zhàn)略部署，扎實(shí)推進(jìn)鋼鐵企業(yè)“碳達(dá)峰、碳中和”行動(dòng)，本文重點(diǎn)研究中國(guó)鋼鐵行業(yè)及國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)低碳發(fā)展規(guī)劃，并以國(guó)內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)為應(yīng)用場(chǎng)景，圍繞 “碳達(dá)峰、碳中和”實(shí)現(xiàn)路徑，基于當(dāng)前企業(yè)生產(chǎn)、裝備、碳排放實(shí)際情況，并充分考慮未來(lái)產(chǎn)能裝備變化、工藝變革、技術(shù)創(chuàng)新、能源轉(zhuǎn)型方面的規(guī)劃，制訂低碳發(fā)展技術(shù)路線圖，構(gòu)建適應(yīng)生態(tài)文明要求和制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的鋼鐵企業(yè)綠色發(fā)展路徑，推動(dòng)鋼鐵綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展.

1 鋼鐵行業(yè)碳排放基本情況

近年來(lái)，隨著全球粗鋼產(chǎn)量增加以及新興國(guó)家鋼鐵產(chǎn)量逐漸增加，全球鋼鐵行業(yè)碳排放總量和碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì).據(jù)世界鋼鐵協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年全球鋼鐵行業(yè)由化石能源燃燒及各種含碳物料反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的直接碳排放量約為26億噸，占全球人為活動(dòng)碳排放總量的7%～9%，而全球鋼鐵行業(yè)包括使用電力、熱力等間接排放的碳排放總量約為35.5億噸，占全球人為活動(dòng)碳排放總量的9%～12%[1].

2021年11 月，世界鋼鐵協(xié)會(huì)（以下簡(jiǎn)稱世界鋼協(xié)）發(fā)布了《2021年可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)報(bào)告》，報(bào)告統(tǒng)計(jì)了2007—2020年間，世界鋼鐵協(xié)會(huì)會(huì)員企業(yè)噸鋼CO2排放量及能源消耗量.結(jié)果顯示：世界鋼協(xié)會(huì)員企業(yè)的噸鋼碳排放量多在1.75～1.9 t范圍內(nèi)波動(dòng)，詳見圖1.世界鋼協(xié)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)只能反映全球鋼鐵行業(yè)碳排放的平均水平，為全面客觀描述不同國(guó)家、不同規(guī)模、不同工藝流程鋼鐵企業(yè)碳排放情況，選取以下典型鋼鐵企業(yè)，對(duì)其碳排放總量及噸鋼碳排放量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.安賽樂(lè)米塔爾公司2010年以來(lái)碳排放量波動(dòng)范圍不大，每年排放1.9～2.0億噸，長(zhǎng)流程噸鋼CO2排放強(qiáng)度保持在2.3～2.4 t，短流程噸鋼CO2排放強(qiáng)度保持在0.5～0.7 t[2].新日本制鐵株式會(huì)社作為目前日本產(chǎn)鋼量最大的鋼鐵企業(yè)，也是日本主要的碳排放企業(yè)之一，2019年度CO2總排放量約為9400萬(wàn)噸，噸鋼CO2排放強(qiáng)度為2.06 t[3].浦項(xiàng)鋼鐵公司是韓國(guó)最大的鋼鐵公司，2019年碳排放量為8020萬(wàn)噸，2020年為7560萬(wàn)噸，略有下降，但噸鋼碳排放強(qiáng)度未見明顯降低，基本維持在2.1 t左右[4].

圖1 全球鋼鐵企業(yè)粗鋼產(chǎn)量、噸鋼碳排放及噸鋼能耗情況[5]Fig.1 Crude steel output, carbon emission, and energy consumption per ton of steel in global steel enterprises

1991—2020 年我國(guó)鋼鐵行業(yè)CO2排放情況如圖2所示，可見我國(guó)鋼鐵行業(yè)噸鋼CO2排放量由1991年的3.91 t降低到2020年的1.60 t，下降幅度達(dá)59%，節(jié)能減排效果顯著.根據(jù)2019年我國(guó)鋼鐵工業(yè)廢鋼資源的利用量 2.16×109t·a-1[6]，可進(jìn)一步作推算得到，2019年我國(guó)鋼鐵行業(yè)長(zhǎng)流程的噸鋼CO2排放量約為1.9 t，全廢鋼電爐短流程的噸鋼CO2排放量約為0.6 t.

圖2 1991—2019年中國(guó)鋼鐵行業(yè)粗鋼產(chǎn)量和CO2排放總量、噸鋼CO2排放量的變化Fig.2 Changes in crude steel output, total CO2 emissions, and CO2 emissions per ton of steel in the Chinese iron and steel industry from 1991 to 2019

中國(guó)近幾年電爐鋼比保持在10%左右，而世界其他主要產(chǎn)鋼國(guó)如美國(guó)電爐鋼比約為70%，印度電爐鋼比為56%，德國(guó)、韓國(guó)電爐鋼比約為30%，日本電爐鋼比約為25%.可見，與國(guó)外先進(jìn)水平相比，我國(guó)鋼鐵行業(yè)長(zhǎng)流程碳排放強(qiáng)度并不落后，問(wèn)題是短流程比例過(guò)低，長(zhǎng)流程比例過(guò)高[7].我國(guó)粗鋼產(chǎn)量基數(shù)大、長(zhǎng)流程比例高、能源結(jié)構(gòu)以煤/焦為主，決定了我國(guó)鋼鐵行業(yè)CO2排放總量較高.中國(guó)鋼鐵工業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的努力，在節(jié)能減排新技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用方面投入了大量資金，取得了明顯的進(jìn)步，支撐了近年來(lái)我國(guó)鋼鐵企業(yè)碳排放強(qiáng)度持續(xù)降低，為進(jìn)一步碳減排奠定了良好基礎(chǔ).但是，僅僅依靠降低噸鋼綜合能耗和噸鋼碳排放強(qiáng)度而不能有效控制產(chǎn)出總量，還不能從根本上解決鋼鐵工業(yè)“碳達(dá)峰、碳中和”問(wèn)題，控制粗鋼總產(chǎn)量和調(diào)整工藝流程結(jié)構(gòu)應(yīng)是進(jìn)一步低碳發(fā)展的有效路徑[8].

2 低碳發(fā)展目標(biāo)

2.1 中國(guó)鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展規(guī)劃

我國(guó)雙碳目標(biāo)提出后，中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)為全面推動(dòng)鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展工作，專門成立了鋼鐵行業(yè)低碳工作推進(jìn)委員會(huì)，結(jié)合中國(guó)資源稟賦、能源結(jié)構(gòu)和鋼鐵工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)我國(guó)鋼鐵行業(yè)“碳達(dá)峰、碳中和”實(shí)施路徑進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究[9]，并形成《鋼鐵行業(yè)碳中和愿景和低碳技術(shù)路線圖》（以下簡(jiǎn)稱《路線圖》），《路線圖》提出了“雙碳”愿景，明確了中國(guó)鋼鐵工業(yè)“雙碳”技術(shù)路徑—系統(tǒng)能效提升、資源循環(huán)利用、流程優(yōu)化創(chuàng)新、冶煉工藝突破、產(chǎn)品迭代升級(jí)、捕集封存利用.《路線圖》還提出了中國(guó)鋼鐵工業(yè)實(shí)施“雙碳”工程的四個(gè)階段：第一階段（2030年前），積極推進(jìn)穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰；第二階段（2030—2040年），創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)深度脫碳；第三階段（2040—050年），重大突破沖刺極限降碳；第四階段（2050—2060年），融合發(fā)展助力碳中和.重點(diǎn)任務(wù)如下：一是深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革；二是持續(xù)工藝流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化；三是創(chuàng)新發(fā)展低碳技術(shù)；四是打造綠色低碳產(chǎn)業(yè)鏈；五是加強(qiáng)全球低碳產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新合作.

2.2 國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)碳中和方案

在中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)研究中國(guó)鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展路線的同時(shí)，國(guó)內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)也結(jié)合自身實(shí)際陸續(xù)發(fā)布雙碳發(fā)展目標(biāo)及低碳冶金路線圖，通過(guò)實(shí)施主要的減碳路徑力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)2050年碳中和的目標(biāo)[10].

中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)于2021年1月在國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)率先發(fā)布碳減排目標(biāo)：2021年發(fā)布低碳冶金路線圖，2023年力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2025年具備減碳30%工藝技術(shù)能力，2035年力爭(zhēng)減碳30%，2050年力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)碳中和.同年11月，寶武集團(tuán)還公布了低碳冶金技術(shù)路線圖，路線圖聚焦鋼鐵流程極限能效減碳、重構(gòu)高爐工藝技術(shù)減碳、氫冶金技術(shù)減碳、短流程近終形制造技術(shù)減碳、循環(huán)經(jīng)濟(jì)減碳、二氧化碳資源化利用技術(shù)減碳六大路徑來(lái)部署和實(shí)施低碳發(fā)展.

河鋼集團(tuán)于2021年3月發(fā)布了《低碳綠色發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》，明確了“碳達(dá)峰、碳中和”的規(guī)劃目標(biāo)；且于2022年3月發(fā)布了《低碳發(fā)展技術(shù)路線圖》，提出了按照碳排放總量和碳排放強(qiáng)度“雙控”的原則，劃分低碳發(fā)展的三個(gè)階段，明確了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的“6+2”低碳技術(shù)路線，即實(shí)施六大降碳技術(shù)路徑和建設(shè)兩大管理平臺(tái).

鞍鋼集團(tuán)于2021年12月發(fā)布低碳冶金路線圖，提出了低碳發(fā)展愿景、“三個(gè)使命”和“五大路徑”.鞍鋼集團(tuán)低碳發(fā)展目標(biāo)為2025年前實(shí)現(xiàn)碳排放總量達(dá)峰；2035年碳排放總量較峰值降低30%，噸鋼碳排放強(qiáng)度降低30%以上.為達(dá)到上述目標(biāo)實(shí)施低碳發(fā)展“五大路徑”：格局流程再造、資源消耗減量、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、綠色礦山示范和前沿技術(shù)創(chuàng)新.從鞍鋼集團(tuán)低碳發(fā)展時(shí)間表可以看出，“五大路徑”在不同階段將各自發(fā)揮主體作用，協(xié)同實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo).

首鋼集團(tuán)于2021年5月發(fā)布了低碳發(fā)展的實(shí)踐與路線，圍繞雙碳目標(biāo)首鋼未來(lái)主要實(shí)施以下四條碳減排技術(shù)路線：一是優(yōu)化制造流程，實(shí)現(xiàn)化石能源減量；二是提升能源效率，加大清潔能源使用；三是推進(jìn)二氧化碳捕集、封存與利用（CCUS），建立低碳循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈；四是制造綠色產(chǎn)品，助力多行業(yè)協(xié)同減碳.

包鋼集團(tuán)于2021年5月披露其“雙碳”目標(biāo)：力爭(zhēng)2023年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2030年具備減碳30%的工藝技術(shù)能力，力爭(zhēng)2042年碳排放量較峰值降低50%，力爭(zhēng)2050年實(shí)現(xiàn)碳中和.

建龍集團(tuán)于2022年3月公布了鋼鐵板塊綠色低碳發(fā)展目標(biāo)：到2025年，碳排放總量將達(dá)到峰值；2033年，碳排放總量較峰值下降20%，碳排放強(qiáng)度較2020年下降25%；2060年實(shí)現(xiàn)碳中和.同時(shí)明確了實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的具體路徑，將通過(guò)工藝流程優(yōu)化提升、前沿技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用、產(chǎn)品綠色低碳轉(zhuǎn)型、用能效率結(jié)構(gòu)優(yōu)化、綠色物流系統(tǒng)升級(jí)以及資源能源循環(huán)利用六大路徑，深入推進(jìn)綠色低碳發(fā)展.

為更準(zhǔn)確描述各減碳技術(shù)在企業(yè)未來(lái)降碳過(guò)程中所做出的貢獻(xiàn)，下文將以河鋼集團(tuán)為例，結(jié)合河鋼生產(chǎn)實(shí)際，制定碳中和發(fā)展目標(biāo)及低碳發(fā)展技術(shù)路線圖，詳細(xì)闡明各技術(shù)的規(guī)劃目標(biāo)及碳減排量，給中國(guó)鋼鐵企業(yè)的低碳發(fā)展提供借鑒.

3 河鋼集團(tuán)低碳發(fā)展路徑

河鋼集團(tuán)是世界最大的鋼鐵材料制造和綜合服務(wù)商之一，十三五期間粗鋼產(chǎn)量維持在4000～4700萬(wàn)噸之間，流程結(jié)構(gòu)以長(zhǎng)流程為主.產(chǎn)品的產(chǎn)能分布中，熱軋板帶占36%，冷軋板深加工占18%，中厚板占17%，棒線型材占29%.河鋼集團(tuán)2017年至2021年碳排放強(qiáng)度如圖3所示，總體而言，河鋼集團(tuán)噸鋼碳排放強(qiáng)度與中鋼協(xié)重點(diǎn)企業(yè)的行業(yè)均值基本保持一致.

圖3 河鋼集團(tuán)2017—2021年噸鋼CO2排放強(qiáng)度Fig.3 CO2 emission intensity per ton of steel of the HBIS Group from 2017 to 2021

河鋼基于當(dāng)前生產(chǎn)、裝備、碳排放實(shí)際情況，并充分考慮未來(lái)產(chǎn)能裝備變化、工藝變革、技術(shù)提升、能源轉(zhuǎn)型方面的規(guī)劃，制訂碳達(dá)峰和碳中和的整體目標(biāo)（圖4）.河鋼集團(tuán)在2019年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，將于2025年較碳排放峰值減排10%，2030年較碳排放峰值減排30%，并在2050年實(shí)現(xiàn)碳中和[11-12].

圖4 2017—2050年河鋼集團(tuán)低碳發(fā)展目標(biāo)Fig.4 Low-carbon development goals of the HBIS Group from 2017 to 2050

河鋼未來(lái)低碳發(fā)展將分為三個(gè)階段：2022—2025年是碳達(dá)峰平臺(tái)期，期間河鋼產(chǎn)業(yè)布局逐步完善、流程不斷優(yōu)化、氫冶金進(jìn)入工程應(yīng)用階段，碳達(dá)峰基礎(chǔ)逐步夯實(shí).2025—2030年是碳排放穩(wěn)步下降期，期間鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程碳排放實(shí)現(xiàn)精細(xì)管控，流程結(jié)構(gòu)、鐵素資源結(jié)構(gòu)、用能結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化.2030年以后進(jìn)入深度脫碳期，生產(chǎn)效率及用能效率發(fā)揮到極致，氫冶金、CCUS技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用，礦山修復(fù)、森林碳匯充分發(fā)揮深度固碳效應(yīng)，到2050年完成深度脫碳化改造.

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，河鋼制定了詳細(xì)的“6+2”低碳綠色發(fā)展路徑及技術(shù)方案，未來(lái)主要通過(guò)實(shí)施六條降碳技術(shù)路徑，即鐵素資源優(yōu)化、流程優(yōu)化重構(gòu)、系統(tǒng)能效提升、用能結(jié)構(gòu)優(yōu)化、低碳技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)耦合降碳，以及建設(shè)碳數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和產(chǎn)品全生命周期（LCA）碳足跡平臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)碳中和發(fā)展目標(biāo).

3.1 鐵素資源優(yōu)化

鋼鐵生產(chǎn)的鐵素資源主要包括鐵礦石和廢鋼鐵.鐵素資源優(yōu)化的主要措施有以下兩方面：一是提高長(zhǎng)流程球團(tuán)比，實(shí)現(xiàn)精料入爐，提高金屬收得率.球團(tuán)礦的單位產(chǎn)品能耗、碳排放和污染物排放均遠(yuǎn)低于燒結(jié)礦，研究表明球團(tuán)工序要比燒結(jié)工序減少45%的碳排放，高爐球團(tuán)比從20%提升至80%，可實(shí)現(xiàn)噸鐵CO2排放降低10.67 kg[13].目前我國(guó)長(zhǎng)流程高爐爐料中球團(tuán)礦整體配比約為13%，遠(yuǎn)低于歐盟等先進(jìn)產(chǎn)鋼國(guó)水平.二是提高長(zhǎng)流程廢鋼利用率.轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中提高廢鋼利用率可降低鐵水消耗，每減少1 t鐵水，可降低碳排放1.5 t左右.

河鋼集團(tuán)將積極開發(fā)高爐大比例球團(tuán)煉鐵技術(shù)[14]，探索不同球團(tuán)比下高爐爐料性能的變化，對(duì)槽下排料、裝料制度、爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以唐鋼新區(qū)為例球團(tuán)比例從2022年的50%提高到2030年的60%左右，到2050年整個(gè)河鋼球團(tuán)比將全部提高到60%左右.目前河鋼廢鋼利用率為11%，未來(lái)一方面通過(guò)改進(jìn)Klockner Oxygen Blown Maxhutte （K-OBM）轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹工藝和氧槍后燃燒，積極開發(fā)轉(zhuǎn)爐高廢鋼比高潔凈度高效冶煉技術(shù)，另一方面是結(jié)合河鋼周邊城市廢鋼資源分布情況，合理布局建設(shè)廢鋼加工中心，保障廢鋼資源的供應(yīng)，長(zhǎng)流程的廢鋼比將在2030年提升至15%，2050年將進(jìn)一步提升至30%左右.經(jīng)過(guò)模型測(cè)算，在河鋼雙碳實(shí)施過(guò)程中，鐵素資源優(yōu)化帶來(lái)的減排量如圖5所示.

由圖5可見，隨著高爐球團(tuán)比例及轉(zhuǎn)爐廢鋼比例的提升，兩種減碳手段帶來(lái)的減碳量不斷提升.到2050年高爐球團(tuán)比例及轉(zhuǎn)爐廢鋼比均達(dá)到最高值，但由于2050年以高爐轉(zhuǎn)爐為主的長(zhǎng)流程生產(chǎn)比例降低，兩種減碳技術(shù)帶來(lái)的減碳效應(yīng)也相應(yīng)降低，因此減碳量不僅僅決于技術(shù)本身的指標(biāo)，而且和技術(shù)的推廣度密切相關(guān).

圖5 2022—2050年河鋼集團(tuán)鐵素資源優(yōu)化帶來(lái)的減排量Fig.5 Emission reduction owing to iron resource optimization of the HBIS Group from 2022 to 2050

3.2 流程優(yōu)化重構(gòu)

鋼鐵生產(chǎn)不同流程工藝碳排放差異較大，工藝流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化是當(dāng)前階段鋼鐵行業(yè)實(shí)施碳減排的重要途徑.流程優(yōu)化重構(gòu)主要包括以下兩個(gè)方面：一是提高全廢鋼電爐(All Scrap Electric Furnace,Scrap-EF)短流程比例，全廢鋼電爐流程碳排放僅為高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程的30%，因此長(zhǎng)流程轉(zhuǎn)為短流程可以降低70%的碳排放.中國(guó)電爐短流程的發(fā)展在很大程度上受制于廢鋼資源的不足，但隨未來(lái)廢鋼資源的增加、電爐技術(shù)發(fā)展以及鋼鐵行業(yè)面臨的減碳?jí)毫Γ姞t流程將會(huì)得到較大發(fā)展.二是開發(fā)流程“界面”技術(shù).“界面”技術(shù)是相對(duì)于鋼鐵生產(chǎn)流程中煉鐵、煉鋼、連鑄、熱軋等主體工序技術(shù)而言的，“界面”技術(shù)是指這些主體工序之間的銜接-匹配、協(xié)調(diào)-緩沖技術(shù)及相應(yīng)的裝置（裝備），是在單元工序功能優(yōu)化、作業(yè)程序優(yōu)化和流程網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等流程設(shè)計(jì)理論創(chuàng)新的基礎(chǔ)上開發(fā)出來(lái)的工序之間關(guān)系的協(xié)同優(yōu)化技術(shù)，包括了相鄰工序之間的物質(zhì)、能量、時(shí)間、空間、信息的關(guān)系協(xié)同-優(yōu)化或是多工序之間關(guān)系的協(xié)同-優(yōu)化.研究表明，工序之間“界面”過(guò)程的能量損失約占制造流程能源消耗總量的2%～7%，“界面”過(guò)程的熱損失占全流程熱損失的20%～50%.鋼鐵生產(chǎn)流程界面之間物質(zhì)流運(yùn)行優(yōu)化及界面功能匹配集成可以提高物質(zhì)流、能量流的運(yùn)行效率，對(duì)降低全流程能耗、物耗、降低成本和促進(jìn)環(huán)保具有重要的作用，未來(lái)“界面”技術(shù)優(yōu)化的節(jié)能潛力約為1.03 GJ·t-1[15-16].

河鋼將在石鋼新區(qū)實(shí)施報(bào)廢汽車廢鋼資源化再利用項(xiàng)目，最終建成以京津冀為核心、輻射全國(guó)的汽車拆解、廢鋼回收、加工、倉(cāng)儲(chǔ)、配送一體化的廢鋼產(chǎn)業(yè)，解決廢鋼資源短缺問(wèn)題.河鋼電爐短流程比例將從2022年的10%左右，提升到2030年的17%左右，到2050年進(jìn)一步提升到30%左右.河鋼集團(tuán)主要針對(duì)煉鐵-煉鋼、煉鋼-連鑄、連鑄-熱軋三個(gè)區(qū)段開展界面優(yōu)化工作，通過(guò)鐵包和鋼包加蓋、縮短優(yōu)化鐵包周轉(zhuǎn)及直軋工藝大幅減少鐵水、鋼水、鑄坯等鐵素物質(zhì)流在傳輸過(guò)程中的溫降，預(yù)計(jì)全流程溫降將從2022年的730 ℃降低至2050年的170 ℃，溫度止損達(dá)到560 ℃.經(jīng)過(guò)模型測(cè)算，在河鋼雙碳實(shí)施過(guò)程中，流程優(yōu)化重構(gòu)帶來(lái)的減排量如圖6所示.

圖6 2022—2050年河鋼集團(tuán)流程優(yōu)化重構(gòu)帶來(lái)的減排量Fig.6 Emission reduction owing to process optimization and reconstruction of the HBIS Group from 2022 to 2050

3.3 系統(tǒng)能效提升

系統(tǒng)能效提升是現(xiàn)階段長(zhǎng)流程鋼鐵企業(yè)減少碳排放的首要選項(xiàng).從1990年至2020年，中國(guó)鋼鐵工業(yè)節(jié)能工作經(jīng)歷了單體設(shè)備節(jié)能、工序優(yōu)化節(jié)能到系統(tǒng)節(jié)能，噸鋼綜合能耗從1.56 t標(biāo)煤降低至0.545 t標(biāo)煤，節(jié)能工作取得顯著進(jìn)步，但是與世界先進(jìn)水平還存在一定差距[17].未來(lái)中國(guó)鋼鐵工業(yè)需要緊緊抓住全球產(chǎn)業(yè)鏈重構(gòu)的機(jī)遇，推動(dòng)數(shù)字化及智能化與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深度融合，進(jìn)一步提升鋼鐵生產(chǎn)全流程的用能效率[18].

河鋼集團(tuán)一方面通過(guò)研究、推廣、應(yīng)用鋼鐵制造全流程節(jié)能降耗的先進(jìn)技術(shù)和裝備，提高能源轉(zhuǎn)換效率；另一方面通過(guò)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化提升系統(tǒng)能源管控水平，把焦化、燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵、煉鋼、軋鋼等各大工序能耗降到最低，做到全系統(tǒng)能效持續(xù)改進(jìn)并實(shí)現(xiàn)能效的極致提升.一是各工序能耗到2025年達(dá)到能耗限額標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)入值，2030年達(dá)到能耗限額標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)值.二是進(jìn)一步提高二次能源的利用效率，提升自發(fā)電比例，從2021年的45%提高到2030年的70%以上，到2050年進(jìn)一步提高到90%以上.經(jīng)過(guò)模型測(cè)算，在河鋼雙碳實(shí)施過(guò)程中，系統(tǒng)能效提升帶來(lái)的減排量如圖7所示.

圖7 2022—2050年河鋼集團(tuán)系統(tǒng)能效提升帶來(lái)的減排量的變化Fig.7 Change of emission reduction owing to system energy efficiency improvement of the HBIS Group from 2022 to 2050

3.4 用能結(jié)構(gòu)優(yōu)化

生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院分析2020年中國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放來(lái)源[19]，結(jié)果表明煤、焦化石能源帶來(lái)的直接排放占80%，在考慮自發(fā)電率情況下凈購(gòu)入電力、熱力二氧化碳排放量占比12%，工業(yè)過(guò)程碳排放量占比8%.由此可見鋼鐵行業(yè)由于能源使用帶來(lái)的碳排放超過(guò)90%，因此優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)是鋼鐵行業(yè)降低碳排放的重要手段.首先需要加快發(fā)展非化石能源，提高新能源和可再生能源的利用，積極推進(jìn)清潔能源替代，逐步建立完善多能互補(bǔ)、系統(tǒng)集成的能源體系，降低對(duì)化石能源的依賴.其次電力是鋼鐵行業(yè)除化石能源之外的第二大碳排放源，考慮各行業(yè)碳中和的協(xié)同效應(yīng)，隨著電力行業(yè)的低碳發(fā)展，未來(lái)全國(guó)電力能源結(jié)構(gòu)將調(diào)整，全社會(huì)電力CO2排放因子不斷降低，相比2022年，2030年全社會(huì)電力的CO2排放因子將下降22%，2050年將進(jìn)一步下降86%，因此不斷提升綠電的使用比例可大幅降低鋼鐵企業(yè)由于電力使用帶來(lái)的隱含碳排放.最后構(gòu)建綠色物流體系，提高鋼鐵行業(yè)的清潔運(yùn)輸比例，也是鋼鐵全流程降碳的手段之一.

河鋼因地制宜發(fā)展光電、風(fēng)電、生物質(zhì)能等新能源及可再生能源，充分挖掘新能源及可再生能源利用潛力，逐步提高新能源和可再生能源的使用占比，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，構(gòu)建多元能源結(jié)構(gòu)體系，到2050年減少煤、焦使用約1400萬(wàn)噸，減少外購(gòu)電量90億千瓦時(shí).到2030年，可再生能源發(fā)電量將達(dá)到27億千瓦時(shí)左右；到2050年，可再生能源發(fā)電量達(dá)到50億千瓦時(shí)左右.河鋼將不斷擴(kuò)大氫能重卡運(yùn)營(yíng)范圍，到2030年，河鋼集團(tuán)將運(yùn)行約15000輛氫燃重卡替代柴油重卡；到2050年，將氫燃料重卡提升至30000輛.經(jīng)過(guò)模型測(cè)算，在河鋼雙碳實(shí)施過(guò)程中，用能結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來(lái)的減排量如圖8所示.

圖8 2022—2050年河鋼集團(tuán)用能結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來(lái)的減排量Fig.8 Emission reduction owing to optimization of the energy consumption structure of the HBIS Group from 2022 to 2050

3.5 低碳技術(shù)變革

創(chuàng)新工藝，加快突破性冶煉技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用是最終實(shí)現(xiàn)全球溫控目標(biāo)的關(guān)鍵.截至目前，全球鋼鐵工業(yè)范圍內(nèi)開展了多項(xiàng)低碳冶煉技術(shù)的研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模減碳和脫碳的突破.按實(shí)現(xiàn)的碳減排影響程度，大體可以分為以下三類：（1）以氫冶金為代表的減碳技術(shù)，當(dāng)前氫冶金初步形成氫基豎爐直接還原煉鐵技術(shù)（Direct reduction iron,DRI） 、氫基流化床直接還原煉鐵技術(shù)、高爐富氫冶煉技術(shù)和富氫熔融還原煉鐵技術(shù)四大技術(shù)路徑；（2）以熔融氧化物高溫電解法為代表的無(wú)碳冶煉技術(shù)；（3）以CCUS為代表的負(fù)碳技術(shù).

河鋼重點(diǎn)布局的顛覆性技術(shù)有氫冶金和CCUS技術(shù).氫冶金流程預(yù)計(jì)到2024年，在張宣科技建成120萬(wàn)噸示范工程；到2025年，生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到380萬(wàn)噸左右；到2030年，生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到560萬(wàn)噸左右；2050年氫冶金生產(chǎn)規(guī)模將達(dá)到1300萬(wàn)噸.CCUS技術(shù)受制于能耗高、成本高、排放源距離遠(yuǎn)、環(huán)境因素等外部條件制約，現(xiàn)階段減排潛力難以完全釋放.河鋼在河北省政府的支持下牽頭成立了河北省二氧化捕集利用與封存產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，正在開展二氧化碳捕集利用、咸水層封存技術(shù)示范.經(jīng)過(guò)模型測(cè)算，在河鋼“雙碳”實(shí)施過(guò)程中，低碳技術(shù)變革帶來(lái)的減排量如圖9所示.

圖9 2022—2050年河鋼集團(tuán)低碳技術(shù)變革帶來(lái)的減排量Fig.9 Emission reduction owing to low-carbon technology reform of the HBIS Group from 2022 to 2050

3.6 產(chǎn)業(yè)耦合降碳

產(chǎn)業(yè)耦合降碳是指充分利用副產(chǎn)煤氣、冶金渣、余熱等鋼廠副產(chǎn)資源和廢塑料、城市中水等城市廢棄資源，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，減少鋼鐵企業(yè)的煤炭、新水等資源、能源的消耗，實(shí)現(xiàn)與石化、化工、建材、社會(huì)等多產(chǎn)業(yè)耦合降碳.中國(guó)工程院院士李衛(wèi)表示，冶金渣含有制備水泥混凝土等需要的成分，如能實(shí)現(xiàn)冶金渣與水泥等領(lǐng)域的跨行業(yè)協(xié)同利用，必將減少天然礦石資源巨大浪費(fèi)和二氧化碳排放.2021年全國(guó)粗鋼產(chǎn)量約10.33億噸，同時(shí)產(chǎn)生約3.3億噸水渣.研究表明，1 t水渣的固廢用于生產(chǎn)可代替水泥熟料的新型膠凝材料，可實(shí)現(xiàn)減排碳0.86 t[20].仿地幔熔鐵浴技術(shù)可利用鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的熔鐵浴將城市有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化為以CO和H2為主要成分的合成氣體，合成氣體再用于鋼鐵生產(chǎn)，從而降低鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中化石能源的消耗.

河鋼產(chǎn)業(yè)耦合降碳方面主要開展以下三方面工作，一是在下屬的礦山企業(yè)進(jìn)行森林碳匯的生態(tài)建設(shè)，與森林資源豐富的地區(qū)共同開發(fā)碳匯系列產(chǎn)品，同時(shí)積極參與雄安新區(qū)“千年秀林”項(xiàng)目，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳中和儲(chǔ)備碳匯資源，預(yù)計(jì)到2030年開發(fā)森林碳匯達(dá)24萬(wàn)噸，到2050年開發(fā)碳匯資源達(dá)100萬(wàn)噸.二是河鋼將通過(guò)與建材行業(yè)構(gòu)建產(chǎn)業(yè)鏈接，開展冶金渣資源化利用研究.預(yù)計(jì)2030年河鋼產(chǎn)生的冶金渣帶來(lái)的減碳將達(dá)到900萬(wàn)噸，該部分減碳量若按水泥及鋼鐵行業(yè)均分，則河鋼將可減少約450萬(wàn)噸每年的CO2排放；但由于長(zhǎng)流程比例降低，高爐渣及轉(zhuǎn)爐渣產(chǎn)生量也將減少，到2050年由冶金渣資源化利用帶來(lái)的減碳量降低至約200萬(wàn)噸.三是河鋼將采用仿地幔熔鐵浴處理有機(jī)固廢，實(shí)現(xiàn)鋼廠與城市共融，預(yù)計(jì)到2030年通過(guò)熔鐵浴技術(shù)具備協(xié)同降碳能力50萬(wàn)噸；預(yù)計(jì)到2050年協(xié)同降碳能力達(dá)到158萬(wàn)噸.經(jīng)過(guò)模型測(cè)算，在河鋼雙碳實(shí)施過(guò)程中，產(chǎn)業(yè)耦合降碳帶來(lái)的減排量如圖10所示.

圖10 2022—2050年河鋼集團(tuán)產(chǎn)業(yè)耦合降碳帶來(lái)的減排量Fig.10 Emission reduction owing to industrial coupling and carbon reduction of the HBIS Group from 2022 to 2050

在河鋼低碳綠色發(fā)展進(jìn)程中，六條降碳技術(shù)路徑持續(xù)發(fā)揮減碳效應(yīng)，對(duì)在這期間各技術(shù)路徑累計(jì)減排量進(jìn)行分析，結(jié)果表明，鐵素資源優(yōu)化的累計(jì)減排量占13%，流程優(yōu)化重構(gòu)的累計(jì)減排量占18%，系統(tǒng)能效提升的累計(jì)減排量占34%，用能結(jié)構(gòu)優(yōu)化的累計(jì)減排量占11%，低碳技術(shù)變革的累計(jì)減排量占17%，產(chǎn)業(yè)耦合降碳的累計(jì)減排量占7%，而這六條降碳路徑將能給河鋼帶來(lái)相較峰值90%以上的降碳量.綜合上述技術(shù)方案及措施，形成了集團(tuán)面向碳中和的低碳發(fā)展技術(shù)路線圖（圖11）.

圖11 河鋼集團(tuán)低碳發(fā)展技術(shù)路線圖Fig.11 Low-carbon development technology roadmap of the HBIS Group

河鋼集團(tuán)堅(jiān)決落實(shí)低碳發(fā)展技術(shù)路線，已經(jīng)高質(zhì)量建成河鋼唐鋼新區(qū)[21-22]，打造了綠色化、智能化、品牌化的新一代流程鋼廠；高標(biāo)準(zhǔn)建成河鋼石鋼新基地，打造了新一代綠色低碳全廢鋼-電爐短流程鋼廠；積極推進(jìn)張宣科技基地建設(shè)，打造氫冶金示范和高端裝備核心零部件制造基地.預(yù)計(jì)2050年河鋼粗鋼產(chǎn)量減少至峰值的75%，氫冶金規(guī)模將達(dá)到1300萬(wàn)噸，全廢鋼及氫冶金電爐短流程比例將超過(guò)60%，長(zhǎng)流程廢鋼比將超過(guò)30%.河鋼降碳路徑包含的具體措施近百項(xiàng)，如果各項(xiàng)措施都采用并落實(shí)到位，到2050年仍有碳排放總量的8%需要進(jìn)一步加大先進(jìn)降碳技術(shù)的應(yīng)用力度和參與碳交易等措施才能實(shí)現(xiàn)中和.

3.7 碳數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

為了確保技術(shù)路徑在產(chǎn)線發(fā)揮減碳效應(yīng)能夠可預(yù)見、可管控，河鋼將要建設(shè)統(tǒng)一的碳數(shù)據(jù)管理平臺(tái).將建設(shè)集團(tuán)內(nèi)部統(tǒng)一規(guī)范的工序、企業(yè)層次的碳排放統(tǒng)計(jì)核算體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳與共享，分析預(yù)測(cè)碳排放趨勢(shì)及減排潛力.同時(shí)構(gòu)建減污降碳協(xié)同治理的工作機(jī)制，以及數(shù)據(jù)計(jì)量、統(tǒng)計(jì)及核算體系、對(duì)標(biāo)及評(píng)估體系、考核體系等，為進(jìn)入全國(guó)統(tǒng)一碳市場(chǎng)做準(zhǔn)備.

3.8 產(chǎn)品 LCA 管理平臺(tái)

河鋼還將與上下游協(xié)同開展全生命周期綠色評(píng)價(jià)和診斷工作，建設(shè)產(chǎn)品LCA管理平臺(tái)，完善鋼鐵產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)，搭建低碳節(jié)能綠色產(chǎn)品生產(chǎn)體系，開展鋼鐵綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)，協(xié)同上下游構(gòu)建碳中和鋼鐵產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈.引導(dǎo)下游行業(yè)綠色消費(fèi)，形成全社會(huì)使用綠色鋼鐵產(chǎn)品的和諧氛圍.

未來(lái)，河鋼將在兩大管理平臺(tái)的基礎(chǔ)上增加碳監(jiān)測(cè)和碳交易板塊，建設(shè)WisCarbon碳中和數(shù)字化公共服務(wù)平臺(tái)，以數(shù)字化助力鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳綠色發(fā)展，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)降碳，利用WisCarbon平臺(tái)打造“碳標(biāo)簽”認(rèn)證樣板，建立鋼鐵行業(yè)碳標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)化體系，為企業(yè)提供產(chǎn)品碳足跡核查、產(chǎn)品碳標(biāo)簽評(píng)價(jià)等服務(wù)，攜手上下游產(chǎn)業(yè)共同打造低碳綠色生態(tài)圈.

4 鋼鐵企業(yè)低碳發(fā)展建議

結(jié)合河鋼集團(tuán)的低碳發(fā)展路線圖的制訂過(guò)程，對(duì)鋼鐵企業(yè)的低碳發(fā)展有如下建議[23-26]：

第一，要高度重視“雙碳”背景下產(chǎn)能、產(chǎn)量控制的重要意義，加強(qiáng)研究產(chǎn)量達(dá)峰后產(chǎn)能優(yōu)化布局問(wèn)題，重點(diǎn)考慮鐵前系統(tǒng)的退出方案.

第二，流程結(jié)構(gòu)調(diào)整是我國(guó)鋼鐵企業(yè)低碳發(fā)展的主攻方向之一，要加快提升全廢鋼電爐短流程比例；氫冶金是一種值得重視的關(guān)鍵共性技術(shù)，但仍處于探索、開發(fā)和逐步成熟的過(guò)程中，要鼓勵(lì)有條件的企業(yè)開展相關(guān)的工業(yè)化試驗(yàn)研究，解決氫冶金技術(shù)推廣在氫源、經(jīng)濟(jì)性、全氫工藝等方面存在的難點(diǎn)問(wèn)題.

第三，對(duì)于高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程將逐步過(guò)渡到以生產(chǎn)平材產(chǎn)品為主，特別是薄板、中厚板等高端板材的大批量產(chǎn)品.以全廢鋼電爐流程生產(chǎn)建筑用長(zhǎng)材來(lái)逐步替代以中、小高爐-轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)螺紋鋼、線材等大宗產(chǎn)品，則高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程將會(huì)獲得更多優(yōu)質(zhì)的原燃料，實(shí)現(xiàn)“精料入爐”，這也將進(jìn)一步促進(jìn)高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程的脫碳化發(fā)展.

第四，從全生命周期角度來(lái)看，鋼鐵是一種低能耗、低排放甚至是排放最低的材料，要以科技進(jìn)步、工藝升級(jí)推進(jìn)鋼鐵材料創(chuàng)新，深入挖掘鋼鐵材料獨(dú)有的高循環(huán)利用優(yōu)勢(shì)，攜手上下游行業(yè)打造低碳綠色產(chǎn)業(yè)協(xié)同生態(tài)圈.

第五，面對(duì)即將到來(lái)的全國(guó)碳市場(chǎng)交易及碳關(guān)稅，各鋼鐵企業(yè)需要及時(shí)開展企業(yè)碳核算體系建設(shè)、產(chǎn)品碳足跡研究等相關(guān)工作，以數(shù)字化、智能化提升碳排放數(shù)據(jù)控制質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)降碳.

第六，各鋼鐵企業(yè)要采取科學(xué)的方法制定“碳達(dá)峰、碳中和”或低碳發(fā)展的“行動(dòng)方案”和“路線圖”，并且還要根據(jù)企業(yè)內(nèi)外部環(huán)境的變化適時(shí)調(diào)整低碳技術(shù)路線圖.