青于蓝

国际铁钢

欧洲低碳冶金工艺路径及主要发展方向

2021-10-13


钢管行业低碳之路如何走?

我国“十三五”规划纲要提出的9项生态环境约束性指标超额完成,例如全国地表水优良水质断面比例提高到83.4%(目标为70%),劣V类水体比例下降到0.6%(目标为5%),二氧化碳、氮氧化物、化学需氧量、氨氮排放量、单位GDP二氧化碳排放强度的下降幅度均超过既定目标。

其中,中国钢铁工业绿色发展、节能环保水平持续提升。据中国钢铁工业协会统计,2020年,重点统计钢铁企业吨钢综合能耗为545.27千克标准煤,同比下降1.18%;吨钢耗新水同比下降4.34%;化学需氧量同比下降10.11%;二氧化硫排放量同比下降14.38%;钢渣利用率同比提高0.98个百分点;焦炉煤气利用率同比提高0.08个百分点。

在取得巨大成就的同时,“保护与发展长期矛盾和短期问题交织”“生态环境趋势性压力总体上尚未根本缓解”“污染防治攻坚战还存在思想认识不够深”等国内生态环境的普遍性问题,在钢铁行业也不同程度地存在。企业节能减排进度相差较大,非重点钢铁企业吨钢二氧化碳排放量比重点企业多出6倍,使得严格控制排放浓度的难度很大;钢铁企业超低排放改造的投入,使得环保成本大大增加;钢铁行业普遍侧重于产品、生产工艺的开发,对节能减排的技术创新重视不够、投入较少,在污染物协同控制领域对自主开发的核心技术的储备依然严重不足;对废弃物消纳和产业化应用技术的开发与配套政策支持力度不够,以企业为主体的产学研用科技创新体系运用效率低,评价体系不健全等,这些问题在钢管行业也应引起重视。

面对这些问题,我们需要认识到,“十四五”期间,低碳发展是钢管行业高质量发展的重要内涵之一,稳中求进是钢管行业低碳发展的总基调。在不改变钢管生产基本流程的前提下,低碳行动要努力做到精准、科学。

找准钢管行业低碳转型发展路径

目前,欧洲钢企在低碳行动方面下大本钱、花大力气,这是一场全球性的绿色竞赛,值得我们警觉。如瑞典H2GS公司(H2 Green Stee1)将建世界第二个非化石能源钢厂,计划2024年投产。我们要根据本国国情,尽快确定当前低碳转型的发展路径。

首先,钢管企业要加强碳减排的顶层设计。有专家指出,管理节能可使企业用能总量下降5%。钢管企业在内部要设立碳减排管理部门,建立能源管理网络,健全规章制度,完善能源的计量仪表配置,准确统计一次能源消耗(煤、电、油、气等)、二次能源(余压、余热、余能)回收利用和载能工质(焦炭、副产煤气等),制订能耗定额管理办法,监测、控制、调整和预测企业能源利用情况,找出差距,明确发展方向,采取综合措施确保企业碳减排目标的实现。

其次,目前在不改变钢管生产基本流程的前提下,节能降耗减排的技术路径在于挖掘重点工序的节能潜力。

焦化工序。炼焦生产能耗占焦化工序能耗的75%,其中焦炭显热占焦化工序能耗的35%~40%。采用干法熄焦可回收焦炭显热的80%,这是钢铁工业可回收余能所占比例最大的项目,约占可回收余能的一半。要注意到焦炉荒煤气显热占炼焦生产余热的30%~35%,焦炉废气余热占炼焦生产余热的18%~20%,要加强这两个方面的余热回收。

鞍钢2018年度国家科技进步奖一等奖项目“清洁高效炼焦技术与装备的开发及应用”,可降低优质炼焦煤资源消耗和能源消耗,年经济效益达8575万元,对确保炼焦煤资源安全具有重大战略意义。

烧结工序。烧结工序能耗中,固体燃料消耗占总能耗的75%~80%,是节能的重点;电力消耗占13%~20%;点火能耗占5%~10%。

炼铁工序。从高炉炼铁到转炉炼钢,采用“一包到底”生产工艺,省去了混铁炉、铸铁机等中间环节,实现长流程工艺紧凑型布置,降低了大量能源消耗,减少了污染。高炉炼铁所需能量有78%来自碳素(焦炭和煤粉),要降低燃料比,其中更主要的是降低焦炭用量,提高喷煤用量。球团代替烧结后,炼铁工序能耗有一定幅度下降。当然,氢冶金工艺效果更佳。除了炼铁燃料比外,风温对降低炼铁工序能耗也有关键作用,风温提高100摄氏度,可降低炼铁燃料比15千克/吨。

转炉工序。包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼以及连铸工艺。采用转炉煤气、蒸汽回收利用技术,实现负能炼钢。高效连铸技术的重点在降低电耗。转炉生产的二氧化碳排放、收集、贮存及利用,是一个需要重点攻关的难题。

电炉工序。电炉工序能耗包括电炉冶炼能耗、电炉冶炼电耗、电炉精炼能耗、电炉精炼电耗、连铸能耗等。废钢预热到500摄氏度~600摄氏度,可省电10%~20%;当电炉炼钢富氧达到1标准立方米/吨的时候,可节电6千瓦时/吨;对电炉废气余热回收,可节能8.7千克标准煤/吨;对电炉熔池喷碳和吹氧,可使电耗下降22%,冶炼时间缩短14%;电炉热装铁水30%,可使冶炼时间缩短1/3,电耗降低90千瓦时/吨钢~100千瓦时/吨钢。在这里特别指出,电炉热装铁水是我国电炉炼钢工艺的一大创新。目前,欧洲实现碳中和目标的终极技术路线“绿色氢基DRI-电炉”,实质上是我国电炉热装铁水技术的发展。其中涉及的DRI技术,在我国应当逐步推广。

热轧管工序。高效蓄热式加热炉技术将加热炉烧到1100摄氏度以上,可节能30%~50%,炉子热效率可达70%。采用连铸坯热送热装一火轧制技术,将铸坯加热至650摄氏度~1000摄氏度时节能效果最好,与铸坯冷装时相比可节能35%。此时,加热炉产量可提高20%~30%,金属收得率可提高0.5%~1.0%,缩短生产周期80%以上,提高成材率0.5%~1.5%。采用在线热处理技术,可节能1.17×106~1.25×106千焦/吨,降低生产费用25%。

焊接钢管工序。焊接钢管工序的电耗主要产生于将板带冷压成型的电机驱动功率消耗和焊接过程的电能消耗。其中,埋弧焊管成型工序包括螺旋或直缝机械模压成型和机械扩径工序,其焊接工序为埋弧焊接,要消耗焊条。高频焊管成型工序为辊式连续成型,高频焊接工序为高频感应焊接或高频接触焊接方式,其中,接触焊接方式比感应焊接方式要节电30%左右,高频焊接方式是压力熔融型,不需要焊条。

落实低碳措施要细化到

钢管产品的生态评级

目前,国内各个行业都要推进能源革命和发展转型,企业竞争形势和业态会发生很大变化,企业全生命周期、全生产链都要达到低碳化要求。产品和原材料低碳化的程度和含碳量,会成为和产品价格、质量、服务一样的重要竞争要素。低碳措施必然会细化到企业产品上。

这方面,国外如法国已经推出产品生态评分,评分要印刷在产品外包装上。如对食品进行生态评分,考虑的因素包括产品是否拥有其他环保或生态标签、原材料种植或养殖方式、出产国的环保政策、原材料的季节性、包装的可回收性、物种多样性效应等,然后按百分制打出分数,据此给予产品标签,每20分为一档。例如,著名的Nute11a牌巧克力榛子酱的评分为41分,被评为C档。这是因为其原料中,榛子来自拉丁美洲,糖来自巴西,可可来自西非,这些原料在运输过程中产生大量污染,是减分项;它的可回收玻璃瓶包装,以及原材料中的棕榈油被认为是环保原料,成为加分项。据此,消费者可参考不同级别标签,选购更有利于环保的商品。

这一做法给予我们启示。我国有关环保规章制度涉及的评级或评标都是针对企业而言,与该企业的产品没有挂钩。这显然是不合理的,也无助于落实低碳减排政策。笔者认为,钢管产品的技术规格、性能参数等是其“身份证”,低碳减排的各项指标是其“健康码”,只有“健康码”是绿色的,产品才具备市场准入资格。

截至2020年底,全国共有229家企业的6.2亿吨左右粗钢产能(重点区域165家企业5.2亿吨左右粗钢产能)已完成或正在实施超低排放改造。其中,重点区域共103家钢铁企业约3.2亿吨粗钢产能正在开展超低排放改造评估监测工作。笔者建议,对于通过全工序超低排放评估监测的钢企,不仅要向企业发放绿色评级证明,而且要向其钢铁产品发放“绿色评级标签”,从而有利于国内外下游用户优先选用其产品,从而对其他钢企实施超低排放改造起到正向引导和促进作用。

对钢铁产品包括钢管产品实施生态评级,将是适应国际规则和国际标准的竞争所必备的绿色标签。欧盟和美国都在酝酿对进口产品征收碳边境调节税,这也倒逼我们努力打造低碳、绿色、高质量产品的核心竞争力。