【事件】
5月30日，財政部發布《財政支持做好碳達峰碳中和工作的意見》，明確了財政支持的六大重點方向和領域，重點行業領域綠色低碳轉型是其中之一。在這一政策的加持下，鋼鐵行業推進“雙碳”的步伐將加快。
鋼鐵是具有剛性需求的基礎性材料。但目前，資源瓶頸和環境壓力越來越強烈地對鋼鐵發展構成了實質性約束。我國鋼鐵行業耗用的煤炭約占全國的20%，排放的二氧化碳約占全國的15%，在制造業中名列首位。在實施國家“雙碳”戰略中，鋼鐵行業肩負著重大的責任，面臨巨大的壓力。尋求現實、有效、經濟的減排模式和路徑，是鋼鐵行業面臨的重要課題。
習近平總書記重要講話、國家的頂層設計文件已經為該課題提供了一些明確的思路。習近平總書記2021年9月13日在陜西榆林化工公司考察時指出：“煤化工產業潛力巨大、大有前途，要提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能，促進煤化工產業高端化、多元化、低碳化發展。”今年2月份發布的《關于促進鋼鐵工業高質量發展的指導意見》提到“積極推進鋼鐵與建材、電力、化工、有色等產業耦合發展，提高鋼渣等固廢資源綜合利用效率”；《2030年前碳達峰行動方案》提出“深挖節能降碳潛力，鼓勵鋼化聯產”，昭示著國家對鋼鐵行業實現“雙碳”目標提出了產業耦合的循環發展思路。本期，我們將圍繞此路徑進行深入探討。
【深度】
01 如何確定鋼鐵減排新模式？——立足四大現實
據調研，鋼鐵工業實現“雙碳”目標的技術路徑，大體可分為中近期和遠期兩大類型。
一類是遠期目標和路徑。從源頭開發不用碳的綠色能源和以“綠氫”代炭的還原體系，即用非化石能源制造“綠氫”，代替現有的炭能源，從而生產“零碳鋼”。這是一個美好的終極愿景，也是一項涉及我國整體能源結構調整的重大系統工程，不是鋼鐵行業單槍匹馬就能實現的，也需要漫長歲月。據日本鋼鐵聯盟2019年發布的信息：高爐使用“綠氫”替代碳還原生鐵，繼而生產“零碳鋼”，預計到2100年可以實現，距今約需80年。當然，中國可以加快能源結構調整步伐，但涉及的因素很多，不太可能在短期內實現。
另一類是從現實出發開拓減排新路徑。鋼鐵行業應綜合我國經濟發展階段、資源稟賦狀況和鋼鐵市場需求以及技術支撐能力等因素考慮，從實際出發，本著現實、有效、經濟的思路另辟減排途徑，即按照鋼鐵生產流程特點和優勢，采用煉鋼生產排放的“富碳”與焦化生產排放的“富氫”，耦合成化工產品，固碳減排；同時將生產流程中大量顯熱余能優化利用，用于發電等，向“鋼化聯產、高效用碳、大幅減排”的模式發展。
本文提出應主要考慮以下幾方面現實因素：
現實之一，鋼材需求短期內不會大幅度下降。今后一個相當長的時期，我國將仍然處于工業化、城鎮化發展階段，東部與西部、城市與農村差距較大，對鋼材的需求仍處高位，不會大幅度下降。因此，單靠限制鋼鐵產量而減少碳排放的空間有限。
現實之二，短流程電爐鋼還不具備大規模發展條件。我國廢鋼資源有限，電爐鋼不可能快速發展。2020年我國電爐鋼產量僅占10.4%，而且多數電爐還加入了30%~60%的高爐熱鐵水。因此，鋼鐵工業以長流程為主、用炭還原和加熱的工藝在近期不會明顯改變。
現實之三，我國以煤炭為主的能源結構將延續多年。據中國工程院專家研究測算，隨著我國能源結構調整，到2030年我國煤炭占能源的比例將從2020年的56.8%下降為50%左右，但煤炭仍然是主體能源。不講條件地減煤、棄煤是自剪羽翼，高效用煤才是正確選擇。
現實之四，僅依靠傳統思維和路徑實現“雙碳”目標的難度很大。回顧2010年～2020年的10年間，鋼鐵行業視節能減排為生命線，投入巨額資金，采用了最先進的技術裝備，節能降耗達到了國際一流水平。10年來，鋼鐵行業平均噸鋼綜合能耗由640千克/噸左右降到540千克/噸左右，下降了100千克/噸，降幅達15.6%，取得了舉世矚目的成績。然而，同期的鋼產量由6億噸增加為10億噸，增加了4億噸，增幅達66%。可見，鋼產量增長幅度是能耗下降幅度的4倍，導致了碳排放總量的繼續增加。顯然，僅靠傳統的節能減排措施，不能適應“雙碳”目標的要求。
因此，我們必須立足現實，根據鋼鐵工業的工藝流程特點，創新思路，開辟符合鋼鐵工業特色的減排新模式。
02 鋼鐵減排新途徑為何？——推進鋼焦融合、鋼化聯產
推進鋼焦融合、鋼化聯產的主導思路與優勢
鋼鐵工業是多種要素并流的流程工業。在鐵素流、碳素流和價值流的運行過程中，具有顯著的煤炭高效轉換和增值增效功能。
在鋼鐵生產中，每生產1噸鋼，約需煉焦洗精煤482公斤、燒結燃料煤25公斤、高爐噴吹煤138公斤，共約650公斤。過去，我們習慣把煤炭作為“燃料”，為鋼鐵加熱“一燒了之”，葬送了它的價值功能。實際上，煤炭在完成鋼鐵生產過程中，按能量計算，有50%以上的能量可轉化為焦爐煤氣、高爐煤氣、轉爐煤氣和各種形態的顯熱余能，即所謂的余熱余能。其實，這些煤氣和余熱余能是制造化工產品的優質原料或轉化新能源的寶貴資源。如果我們不充分認識并利用它的價值，不但能效低、附加值低，還增加了碳排放和污染；如果有效利用，制成化工產品，就能實現“固碳減排”并增值增效。
鋼鐵行業應大力推進鋼焦融合、鋼化聯產，將焦化與鋼鐵生產充分耦合，把傳統的鋼鐵廠轉化為“鋼鐵廠+化工廠+發電廠”，構建具有鋼鐵流程特色的節能、固碳、減排、增值的新模式。
鋼焦融合可實現煤氣資源的高效利用——制造化工產品。鋼焦融合企業產生的焦爐煤氣、高爐煤氣、轉爐煤氣具有各自的發生量、熱值、成分和性能特點（見表1）。
焦爐煤氣富含氫氣、轉爐煤氣富含一氧化碳，發揮這種系統資源優勢，兩種煤氣匹配聚合，可生產甲醇或乙二醇、碳酸二甲酯等高附加值化工產品并分離甲烷生產天然氣，構成“鋼化聯產”新模式（見圖1）。
以年產鋼1000萬噸規模的鋼焦融合企業為例，經煤氣平衡測算，可優化出轉爐煤氣13億標準立方米/年、焦爐煤氣16.38億標準立方米/年。充分利用這兩種煤氣，每年可生產甲醇約56.5萬噸、天然氣3.8億標準立方米。除生產甲醇和天然氣外，還有剩余的馳放氣和富余的高爐煤氣，可發電約17億千瓦時。該模式可減排二氧化碳約294萬噸/年，具體如下：
生產甲醇56.5萬噸，減排二氧化碳77.69萬噸；生產天然氣3.8億立方米，重量29.3萬噸，減排二氧化碳80.57萬噸；其他富余的煤氣發電17億千瓦時，減排二氧化碳136萬噸。
實例：山西晉南鋼鐵公司以焦爐煤氣與轉爐煤氣為原料建成的年產30萬噸乙二醇項目已投入運行。據2021年上半年運行數據，每生產1噸乙二醇和附產的天然氣，可消納焦爐煤氣3200立方米、轉爐煤氣1500立方米，乙二醇成本約3000元/噸，與化工行業傳統工藝成本（4500元/噸）相比，有明顯的成本優勢。實施鋼化聯產、固碳減排后，每年可減排二氧化碳136萬噸。
從化工產品市場需求看，因乙二醇屬于無毒無害產品，是制造纖維、塑料等產品的重要原料，市場前景十分廣闊。據調查，全國每年消費乙二醇1500多萬噸，其中進口占比57%。化工企業生產乙二醇利潤較高，而鋼鐵企業利用“廢氣”作原料，成本更低、效益更好。一個年產鋼1000萬噸的鋼鐵企業，1年可生產乙二醇50萬噸，在正常年份，利潤可達20億元以上，1年多即可收回投資成本。
鋼焦融合可實現余熱余能資源的高效利用——余熱余能發電。鋼焦融合企業與獨立的焦化企業相比，增加了更多的優化用能和高效用能條件，提高了余熱余能自發電率。
在鋼焦融合企業中，煉鋼汽化冷卻煙道、軋鋼加熱爐和汽化冷卻爐筋管會產生大量的低參數余熱蒸汽，可引入化產系統滿足工藝對低參數蒸汽的需要；干法熄焦（CDQ）產生的高溫高壓蒸汽直接實現純凝高效發電，發電量可達110千萬時/噸焦～150千瓦時/噸焦，而不必經降溫降壓或抽汽生產出低參數蒸汽再用于化產系統；煙氣顯熱采用煤調濕（CMC）技術，對煉焦洗精煤進行烘干調濕，裝爐煤含水量每下降1個百分點，煉焦耗熱量可降低55兆焦耳/噸～62兆焦耳/噸；焦化初冷器循環水熱量可用于焦化—鋼鐵多聯產系統的保溫和制冷；荒煤氣顯熱還可采用特殊設計的換熱器，加熱熱導油用于化產系統或產生蒸汽用于發電；CDQ（干法熄焦發電技術)、CCPP（燃氣一蒸汽聯合循環發電技術）、余熱蒸汽發電產生的電力可全部被鋼焦融合企業所消納，自發電率可達67%，從而減少社會供電和二氧化碳排放（見圖2）。
鋼焦融合可實現焦炭資源的高效利用——高爐節能減炭。干熄焦（CDQ）技術以惰性氣體替代噴水對熾熱紅焦進行降溫冷卻，可以明顯改善焦炭質量，可使焦炭的抗碎強度指標M40提高3%～8%、抗磨強度指標M10改善0.3%～0.8%，焦炭的熱反應性(CSR、CIR)均有所改善，并且大幅度降低了焦炭的含水量。高爐長期使用干熄焦炭時，可提高噴煤量、提高生產能力、降低焦比，節焦量在2%~7％之間或者更多；且在相同質量前提下，自產焦炭比外購能夠節省成本100元/噸~400元/噸。干熄焦（CDQ）技術、CMC（煤調濕技術）應用后，焦炭粒度分布均勻，焦炭機械強度提高，M40提高1%~1.5%，M10改善0.5%~0.8%，高爐冶煉節焦量為5千克/噸鐵~7.5千克/噸鐵。
鋼焦融合可提高吸納煉焦污染物能力——提升環保水平。鋼焦融合企業具有更大的流程功能優勢，與獨立焦化廠相比，可消納焦化產生的多種廢棄物。
以年產120萬噸焦炭規模的焦化廠為案例，鋼焦融合產生的環保效果如下：蒸汽消耗大幅度減少，可降低到5噸/小時以下，能源效率更高；酚水量大大降低，可減少酚水量29.35萬噸/年，實現焦化廢水最小化；焦化廢水經處理后可用于鋼鐵制造流程中的高溫工藝進行消納降解，實現焦化廢水零排放。鋼焦融合企業應用CDQ技術，可實現節水0.44立方米/噸焦；應用CMC技術，可減少焦化酚氰廢水量25千克/噸焦~30千克/噸焦。
對“鋼焦融合、鋼化聯產”模式的基本評估和減排效果初步測算
本文的核心是從我國國情和鋼鐵工業的現實出發，發揮鋼鐵工業特有的流程優勢，通過鋼焦融合、鋼化聯產，把“碳”由燃料轉化為原料；由排放固化為產品，走綠色、低碳、高效發展道路。
在減排效果測算上，我們借鑒北京國金衡信認證公司近幾年對30多家鋼鐵企業現場采集的有關數據及優化平衡測算，以年產鋼1000萬噸的鋼焦融合企業為例，對“鋼焦融合、鋼化聯產”運行效果進行了初步測算，其結果是：每年可生產乙二醇56.5萬噸/年；生產天然氣3.8億立方米/年；余熱余能（不含已用于制造化工產品的焦爐和轉爐煤氣）自發電比可達到67%。以上3項（甲醇、天然氣、自發電）每年可減排二氧化碳約294萬噸。
若包括焦化廠能量網絡優化、鋼鐵流程低溫余熱社會分布式利用等，可減排二氧化碳525萬噸/年，即噸鋼減排0.525噸二氧化碳。若按噸鋼排放二氧化碳2噸左右計算，減排幅度為26%，這是一個很大的減排空間。
03 構建新模式存在哪些主要問題？——鋼焦分離
構建鋼焦融合、鋼化聯產、低碳排放新模式的基礎條件，是鋼鐵聯合企業實現鋼鐵產能與焦化產能相匹配，形成完整的工藝流程。但由于歷史原因，我國鋼焦分離狀態十分突出，難以構建新模式，也難以實現“雙碳”目標。
據統計，2020年全國生產焦炭4.26億噸，其中鋼鐵企業自產焦炭1.56億噸，占比僅36.6%；獨立焦化廠產焦2.7億噸，占63.4%。也就是說，鋼鐵企業約有2/3的焦炭缺口要靠獨立焦化廠供給。
獨立焦化企業，由于生產單一，不能形成物質流與能量流的系統優化，直接導致能源轉換效率低下，既浪費了資源，又污染了環境。
盡管國家三令五申限制獨立焦化廠發展，特別是對炭化室高度4.3米及以下的小焦爐，早已列入淘汰目錄，但由于其產量高達1.4億噸，涉及3億多噸鋼的供焦問題，加之一些地區限制鋼鐵企業配套建設潔凈化大型焦爐，為落后的小焦爐提供了市場空間，很難淘汰。
獨立焦化廠的主要問題：
一是焦爐煤氣利用不合理，升值利用受限。鋼鐵聯合企業可以將高爐煤氣替代焦爐氣加熱，實現氣體資源價值優化和環境質量本質改變，而獨立焦化廠將自產焦爐煤氣的50%以上用于焦爐自身加熱，不但燒掉了寶貴的資源，還造成二氧化硫、氮氧化物排放污染。
二是干熄焦技術普及率低。鋼鐵聯合企業從綜合價值考慮，普遍實施節能環保的干熄焦技術，使鋼鐵流程顯著降低成本、降低碳排放。而獨立焦化廠普遍使用濕法熄焦，大量浪費能源、大量耗水、污染嚴重。
三是獨立焦化廠對焦化污水難以高效治理。鋼鐵企業是高溫流程，在高爐沖渣、轉爐悶渣工序可以對焦化流程產生的有機廢水、濃鹽水進行高效消納處理，而獨立焦化廠不具備這些條件。
綜上所述，我國鋼焦處于嚴重分離狀態，不論對鋼鐵企業還是獨立焦化企業而言都是劣勢，難以發揮鋼鐵行業特有的流程功能優勢，不利于“雙碳”目標的實現。
04 實現“雙碳”目標有哪些建議？——頂層設計、系統推進
在實施“雙碳”戰略中，鋼鐵工業必須從現實出發，運用系統工程的觀念，加快推進“鋼焦融合、鋼化聯產”協同創新，開拓節能減排增效的高質量發展新模式。為此，特提出以下6條建議。
第一條：貫徹新發展理念，提高對鋼焦融合發展的新認知。在創新意識的驅使下，需重新認知鐵素流與碳素流的耦合效用：可以將“燃料”變“原料”,將污染物轉化為化工產品，從而實現固碳減排，向“用炭不排碳”的方向發展。
第二條：加強頂層設計，推進鋼焦融合新發展。鋼鐵與焦化企業的分離由來已久，既有歷史原因，更有地域性體制障礙。為此，亟待加強全國性統籌謀劃，支持鋼鐵企業完善工藝，匹配焦化工序，落實產能置換政策，推進鋼焦深度融合、協同發展。
第三條：建立鋼焦融合示范工程，引領鋼鐵行業構建“雙碳”新模式。本著“先立后破、先行先試、分類指導、創新驅動”的原則，樹立標桿、典型引路，穩步推進鋼焦融合發展。
第四條：加強技術研發，倡導協同創新。鋼化聯產是一項跨行業、跨技術領域的新模式，需要行業之間技術融合，倡導鋼鐵企業與能源、化工等專業研發機構合作，加快推進“雙碳”目標進程。
第五條：加大政策扶持，發揮市場作用。國務院《2030年前碳達峰行動方案》中明確“鼓勵鋼化聯產”。如何落地需要有實施細則，并建議設立專項基金，在國家支持下，引導社會資本積極參與，助力鋼焦融合發展。
第六條：加強組織領導，完善管理與考核。鋼焦融合、鋼化聯產，涉及跨地區、跨行業能耗、能效、用煤及排放等指標考核，需要國家相關部門統籌協同。建議各級政府重點考核鋼鐵企業炭利用效率、二氧化碳排放量、企業余熱余能自發電率等指標，逐步建立“雙碳”工作的長效機制。
【觀察】
寫好“鋼化聯產”大文章！
樊三彩
鋼鐵、化工都是歷史悠久的傳統行業，目前也都面臨低碳轉型的相同使命，如果能夠攜起手來，積極探索一種循環經濟耦合發展的模式，或許是實現“雙碳”目標成本最優、效益最好的一條“雙贏”甚至“多贏”路徑，不僅經濟效益高，還將產生明顯的社會效益。
其實當前，已有很多鋼企在這方面進行著積極的實踐——
4月29日晚，吉林市政府與建龍集團簽署《鋼化新材料產業園項目投資框架協議》，建龍鋼鐵將在此地實現鋼化聯產，積極推動副產品和生產廢料綜合循環利用；
晉南鋼鐵積極構建鋼—焦—化—氫全閉環低碳產業鏈，2021年噸鋼碳排放為1.58噸，較鋼焦聯合企業碳排放平均水平1.85噸下降了15%；噸鋼綜合能耗為502千克標準煤，達到了《高耗能行業重點領域能效標桿水平和基準水平（2021年版）》的標桿水平；
榮程集團著力打造全國首家“鋼化聯產—氫冶金”試驗工廠，目前正在積極開展噴吹天然氣試驗前期各項準備工作；
……
鋼化聯產是整合資源利用、降低一次能源消耗、減少污染排放的高質量發展新模式，有專家稱其為“真正意義上的碳中和措施”。相較于企業內部流程改造升級的“小改小革”與革命性的氫冶金，鋼化聯產似乎是介于中間的成本—效益比最佳的一條路徑。雖然所有的低碳技術、模式最終都要接受市場的檢驗，但已經被寫入國家頂層設計文件的“鋼化聯產”模式，未來必將迎來巨大的發展空間，給行業帶來一次意義深遠的理念變革和生產方式變革。為此，鋼企務必緊抓政策機遇，算好“經濟賬”“環保賬”，寫好“鋼化聯產”大文章！
