事件
9月22日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上發(fā)表的重要講話內(nèi)容——“中國將加大國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”，勾勒出了我國未來綠色發(fā)展的時(shí)間表和路線圖。中國作為最大的發(fā)展中國家，推進(jìn)低碳綠色發(fā)展，不僅是立足于自身國情和實(shí)際的考量，更是立足于為全球應(yīng)對氣候變化做出中國貢獻(xiàn)的大國擔(dān)當(dāng)。
當(dāng)前，綠色化鋼鐵面臨兩大課題：一是源頭治理，發(fā)展以氫冶金為代表的低碳或無碳煉鐵新流程；二是改變鋼鐵原料結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同國家的資源特點(diǎn)與發(fā)展趨勢，開發(fā)低成本廢鋼熔煉技術(shù)，大幅降低鐵鋼比。
盡管氫冶金有無比美妙的發(fā)展前景，但在大規(guī)模工業(yè)化廉價(jià)制氫技術(shù)開發(fā)成功之前，很難形成工業(yè)化鋼鐵新流程。而根據(jù)我國資源條件，盡快改變國內(nèi)鋼鐵工業(yè)的原料結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排已成為迫在眉睫的發(fā)展目標(biāo)。
深度
鐵鋼比高是我國綠色鋼鐵發(fā)展瓶頸
圖1展示了近150年全世界鋼鐵工業(yè)的發(fā)展概況。從圖中可以看出，全球鋼鐵工業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了2次飛躍：第一次出現(xiàn)在1947年~1973年，氧氣轉(zhuǎn)爐淘汰平爐，26年內(nèi)全球鋼產(chǎn)量從2000萬噸/年發(fā)展到7億噸/年，增長35倍。第二次飛躍出現(xiàn)在1996年~2019年，23年內(nèi)全球鋼產(chǎn)量翻一番，2019年達(dá)到18.69億噸。國際鋼鐵的發(fā)展再次證明：技術(shù)進(jìn)步（轉(zhuǎn)爐淘汰平爐）和新興市場發(fā)展（中國崛起）是推動(dòng)世界鋼鐵發(fā)展的根本動(dòng)力。
我國是一個(gè)發(fā)展中的大國。國家大，對鋼鐵的需求旺盛，推動(dòng)了國內(nèi)鋼鐵工業(yè)迅速發(fā)展。作為發(fā)展中大國，缺乏足夠的廢鋼資源支撐龐大的鋼鐵工業(yè)。這也決定了我國必然采用高爐—轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)流程，主要以鐵礦石為原料迅速發(fā)展鋼鐵工業(yè)。由此也帶來了我國鋼鐵工業(yè)目前面臨的重大戰(zhàn)略問題——鋼鐵工業(yè)原料結(jié)構(gòu)不合理，鐵鋼比過高。
以2019年為例，我國粗鋼產(chǎn)量為9.96億噸，占世界鋼產(chǎn)量（18.69億噸）的53.3%；生鐵產(chǎn)量為8.09億噸，占世界生鐵產(chǎn)量（12.60億噸）的64.2%。據(jù)此計(jì)算，我國鋼鐵工業(yè)的鐵鋼比為0.812，比世界平均值（包括中國）0.685高15.7%。鐵礦石和廢鋼是主要的含鐵原料，鐵鋼比高意味著廢鋼比低。圖2展示了2017年世界主要產(chǎn)鋼國家廢鋼比情況，從中得出兩點(diǎn)結(jié)論：
一是我國廢鋼比在主要產(chǎn)鋼國中最低，僅為18%。
二是由于我國鋼產(chǎn)量占世界鋼產(chǎn)量的比重超過50%，導(dǎo)致全世界平均廢鋼比從不包括中國的57%下降到包括中國的37%。
廢鋼作為載能體，不需要像鐵礦石一樣，經(jīng)高爐還原成鐵水。因此，采用廢鋼短流程工藝的噸鋼綜合能耗約占以鐵礦石為主原料的高爐—轉(zhuǎn)爐長流程工藝的20%。2019年，國內(nèi)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)的噸鋼能耗如下：長流程為552.06千克標(biāo)準(zhǔn)煤，短流程為106.77千克標(biāo)準(zhǔn)煤。由于長流程生產(chǎn)中，能源消耗量90%發(fā)生在鐵前系統(tǒng)，如果在長流程中采用相應(yīng)的技術(shù)措施提高廢鋼比，降低鐵鋼比，可以大幅降低我國鋼鐵工業(yè)的總能耗和二氧化碳排放量。同樣以2019年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，我國若能盡快將鐵鋼比從0.812降低到世界（包括中國）平均水平0.685，則噸鋼綜合能耗可降低到465千克標(biāo)準(zhǔn)煤，噸鋼節(jié)能86.7千克標(biāo)準(zhǔn)煤。按國內(nèi)鋼鐵工業(yè)碳排放系數(shù)1.7計(jì)算，噸鋼可降低二氧化碳排放量147.4千克。若鐵鋼比進(jìn)一步降低到除中國外的世界平均水平0.535，則噸鋼綜合能耗可進(jìn)一步降低到363.7千克標(biāo)準(zhǔn)煤，平均噸鋼節(jié)能188.3千克標(biāo)準(zhǔn)煤，噸鋼減少二氧化碳排放量320.2千克，將對我國鋼鐵工業(yè)綠色發(fā)展發(fā)揮關(guān)鍵作用。
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和鋼鐵工業(yè)的崛起，國內(nèi)廢鋼鐵的積聚量已超過美國二十世紀(jì)60年代~70年代的水平。2015年中國廢鋼鐵的年產(chǎn)量為1.5億噸，不少專家預(yù)測，2020年將達(dá)到2億噸，2025年將達(dá)到2.5億噸，2030年將達(dá)到3億噸。屆時(shí)，國內(nèi)鋼鐵工業(yè)的平均鐵鋼比將降低到0.7以下，廢鋼比將超過35%，達(dá)到世界平均水平。
降低鐵鋼比，電爐不是唯一方案
降低鐵鋼比，提高廢鋼比，將改變傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)流程的原料結(jié)構(gòu)，因而引起整個(gè)鋼鐵流程的技術(shù)改變。20世紀(jì)50年代~70年代，全球迅速淘汰平爐，采用高爐—轉(zhuǎn)爐流程。因受鐵水熱量限制，轉(zhuǎn)爐無法大量熔化廢鋼，通常廢鋼比僅為15%~20%，鐵鋼比大于0.9。造成全球廢鋼積聚，廢鋼價(jià)格低，資源無法充分利用。
為解決這一問題，全球掀起了轉(zhuǎn)爐高廢鋼比冶煉技術(shù)的研發(fā)熱潮，采用爐氣二次燃燒、熔池噴碳粉、廢鋼預(yù)熱等方法，補(bǔ)償熱量，提高廢鋼比。K(M)S、EOF等工業(yè)方法，可將廢鋼比穩(wěn)定在50%以上，但由于降低了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率，未能得到廣泛推廣。
同時(shí)，電爐通過3項(xiàng)重大工藝改革：一是采用超高功率供電，提高熔化速度；二是采用與轉(zhuǎn)爐冶煉相似的“平熔池冶煉法”，通過加大留鋼量控制實(shí)際爐內(nèi)廢鋼比≤50%；三是完善各種形式的爐內(nèi)廢鋼預(yù)熱技術(shù)（即利用廢煙氣直接預(yù)熱廢鋼）。近50年來，不斷縮短冶煉周期，降低冶煉電耗，成為廢鋼冶煉的主要發(fā)展方向。
20世紀(jì)80年代，隨著“四位一體”（冶煉—精煉—連鑄—連軋）電爐短流程興起，電爐發(fā)展達(dá)到頂點(diǎn)，許多專家預(yù)測：今后世界鋼鐵工業(yè)的發(fā)展將是逐步淘汰轉(zhuǎn)爐，建設(shè)電爐。時(shí)至今日，40年過去了，這一預(yù)言并未實(shí)現(xiàn)。
以美國為代表的歐美發(fā)達(dá)國家電爐鋼比例高，常被一些學(xué)者作為典型案例宣傳優(yōu)先發(fā)展電爐。從美國1939年~1989年50年間粗鋼和電爐鋼產(chǎn)量的變化可知：1965年以前電爐鋼產(chǎn)量很低，電爐鋼比不足10%；20世紀(jì)70年代電爐鋼比達(dá)到15.2%（產(chǎn)量約200萬噸/年）；20世紀(jì)70年代以后電爐實(shí)際產(chǎn)量沒有明顯提升，但因粗鋼產(chǎn)量逐年降低，從1億噸/年以上下降到8000萬噸/年左右，使電爐鋼比例逐步升高，達(dá)到40%（見圖3）。這說明美國電爐鋼比例升高，主要是由粗鋼產(chǎn)量降低造成的。
日本是一個(gè)島國，主要礦產(chǎn)與能源依賴進(jìn)口。同時(shí)，日本又是一個(gè)制造強(qiáng)國，鋼產(chǎn)量大，廢鋼積聚量高，廢鋼資源豐富（加工廢鋼68%來自汽車業(yè)、91%來自制造業(yè)），具有良好的電爐發(fā)展條件。1965年以前，日本平爐煉鋼大量使用廢鋼，需從國外進(jìn)口。1977年以后，日本淘汰了平爐，不再進(jìn)口廢鋼，電爐鋼比＜20%。1975年~1996年是日本電爐高速發(fā)展階段，電爐鋼比從17%提升至33%。1996年以后，日本電爐鋼產(chǎn)品需求下降，電爐鋼比降至20%。目前，日本電爐鋼產(chǎn)能達(dá)到4000萬噸/年，但實(shí)際產(chǎn)量僅為2000萬噸/年，大量出口廢鋼。
中國是一個(gè)新興鋼鐵大國，鋼鐵工業(yè)以高爐—轉(zhuǎn)爐流程為主。近10年，國內(nèi)廢鋼資源逐年增加，2015年國內(nèi)廢鋼產(chǎn)量已達(dá)到1.6億噸，僅2016年我國就新建電爐33座，產(chǎn)能達(dá)到3810萬噸/年。由于電爐廢鋼熔煉成本高，生產(chǎn)同樣產(chǎn)品的電爐鋼成本比轉(zhuǎn)爐成本高300/噸~500元/噸。電爐鋼成本競爭力低于轉(zhuǎn)爐，這使得國內(nèi)電爐鋼比例一直未超過10%。
為什么適宜全廢鋼冶煉的電爐短流程，40多年來并未如預(yù)期在全世界迅速發(fā)展呢？技術(shù)上的原因主要有3個(gè)：
第一，采用廢鋼的生產(chǎn)流程不僅能耗低、污染小，而且噸鋼投資成本低，特別適合中、小發(fā)展中國家采用。但也正是由于這一原因，1975年以后，全球廢鋼價(jià)格始終在高位波動(dòng)。
第二，電爐主要用于生產(chǎn)長型材（全世界只有美國紐柯鋼鐵等少數(shù)鋼企采用電爐+薄板坯連鑄連軋工藝生產(chǎn)板材），由于廢鋼中的殘余元素難以去除，生產(chǎn)超純凈高品質(zhì)鋼具有較大難度。這使得電爐鋼在生產(chǎn)品質(zhì)和規(guī)格品種方面不能完全取代轉(zhuǎn)爐。
第三，也是最主要的原因是電爐廢鋼熔化成本高，產(chǎn)品的市場競爭力遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)爐流程。
表1展示了國際廢鋼貿(mào)易概況。2019年，全球廢鋼出口總量為9945萬噸，進(jìn)口總量為9996萬噸。在全球十大廢鋼進(jìn)出口國家中，英國、法國、日本、加拿大、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家均是廢鋼出口國；土耳其、印度、越南和孟加拉等發(fā)展中國家均是廢鋼進(jìn)口國。在廢鋼貿(mào)易大國中，美國的出口額是進(jìn)口額的4.14倍，德國為2.15倍，韓國和比利時(shí)進(jìn)出口平衡。這進(jìn)一步證明，在世界范圍內(nèi)，直接出口廢鋼的利潤高于采用廢鋼用電爐生產(chǎn)鋼鐵的利潤。這也就形成了廢鋼資源豐富的發(fā)達(dá)國家向資源匱乏的發(fā)展中國家大量出口廢鋼的格局。
轉(zhuǎn)爐高廢鋼比、高效化冶煉工藝兼具提效降本優(yōu)勢
2016年，國內(nèi)廢鋼產(chǎn)量約為1.6億噸，其中8000萬噸用于煉鋼生產(chǎn)，1000萬噸~1560萬噸用于鑄造，6500萬噸用于“地條鋼”生產(chǎn)。當(dāng)年，我國政府嚴(yán)厲打擊“地條鋼”，廢鋼價(jià)格大幅降低。這引發(fā)了國內(nèi)轉(zhuǎn)爐研發(fā)高廢鋼比冶煉和大量建設(shè)電爐的兩大技術(shù)熱潮。
2016年至今，短短4年內(nèi)，我國轉(zhuǎn)爐高廢鋼比、高效化冶煉技術(shù)的開發(fā)迅速興起，開發(fā)出第一代和第二代高廢鋼比、高效化冶煉技術(shù)，目前正在進(jìn)行第三代技術(shù)開發(fā)。
第一代技術(shù)的特點(diǎn)是采用多元化廢鋼裝入制度，分別在鐵水罐、轉(zhuǎn)爐和鋼包中加入適量廢鋼，解決高廢鋼比冶煉帶來的裝入困難；采用各種方法預(yù)熱廢鋼，實(shí)現(xiàn)入爐廢鋼全預(yù)熱；少渣冶煉，提高轉(zhuǎn)爐熱效率；全流程高效化生產(chǎn)，提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率。
第二代技術(shù)在第一代技術(shù)的基礎(chǔ)上，簡化廢鋼加入工藝，優(yōu)化廢鋼預(yù)熱方法。第二代技術(shù)采用爐前預(yù)熱廢鋼，以廢鋼料斗加入為主、高位料倉預(yù)熱廢鋼加入為輔的廢鋼預(yù)熱和加料工藝。廢鋼預(yù)熱采用明焰燃燒，尚未采用去除二噁英等污染物的清潔燃燒技術(shù)。
第三代技術(shù)目前尚處于研發(fā)過程中，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐廢鋼比≥40%。主要需要解決的關(guān)鍵技術(shù)：一是預(yù)熱廢鋼一次性快速加入技術(shù)；二是高效燃燒和均勻加熱技術(shù)，預(yù)熱后廢鋼溫度≥800℃，廢鋼預(yù)熱效率≥68%；三是清潔燃燒技術(shù)，有效控制燃燒產(chǎn)物中二噁英等污染物排放量；四是解決廢鋼預(yù)熱中因局部過熱或軟熔造成預(yù)熱廢鋼粘結(jié)的技術(shù)難題。
近幾年國內(nèi)轉(zhuǎn)爐高廢鋼比、高效化冶煉技術(shù)的興起，為全世界提供了新的廢鋼熔煉技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，也為今后開發(fā)適宜靈活調(diào)整爐料結(jié)構(gòu)的新型轉(zhuǎn)爐工藝和裝備技術(shù)打下基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)爐高廢鋼比、高效化冶煉工藝的技術(shù)創(chuàng)新包括：
一是在全世界首先開發(fā)應(yīng)用了爐外廢鋼預(yù)熱技術(shù)，未采用電爐用廢煙氣直接預(yù)熱廢鋼工藝，而是采用外部煤氣燃燒預(yù)熱廢鋼，轉(zhuǎn)爐煤氣正常回收。生產(chǎn)實(shí)踐已證明，在廢鋼比40%條件下，可節(jié)約轉(zhuǎn)爐煤氣量60%；廢鋼預(yù)熱熱效率比在線預(yù)熱工藝提高1倍。
二是廢鋼爐外預(yù)熱可以有效補(bǔ)償轉(zhuǎn)爐熱量，第一、第二代工藝的生產(chǎn)實(shí)踐已證明，入爐廢鋼全預(yù)熱，可確保轉(zhuǎn)爐廢鋼比≥30%、鐵鋼比≤0.8。
三是采用轉(zhuǎn)爐高廢鋼比、高效冶煉工藝的實(shí)踐也證明，轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率可提高30%~50%：冶煉周期從40分鐘~45分鐘縮短到20分鐘~35分鐘，日產(chǎn)爐數(shù)從40爐/爐提高到50爐/爐~60爐/爐，并帶動(dòng)煉鋼流程的高效化生產(chǎn)。
四是采用轉(zhuǎn)爐高廢鋼比、高效冶煉工藝后，廢鋼的熔化成本從電爐的250元/噸~300元/噸降低到30元/噸~70元/噸（隨各廠煤氣價(jià)格波動(dòng)）。轉(zhuǎn)爐煉鋼的輔料消耗和渣量可降低30%。
表2對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐、現(xiàn)代化電爐和第一、二、三代轉(zhuǎn)爐高廢鋼比、高效化冶煉工藝進(jìn)行了比較。
從表2可以看出，開發(fā)和完善轉(zhuǎn)爐高廢鋼比、高效化冶煉工藝，不僅解決了轉(zhuǎn)爐廢鋼比低的技術(shù)難題，而且和目前最先進(jìn)的電爐指標(biāo)相比，可以大幅降低廢鋼熔化成本，提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本（減少渣量和輔料消耗）。這解決了電爐采用高廢鋼比冶煉面臨的生產(chǎn)成本高，缺乏市場競爭力，產(chǎn)品質(zhì)量和規(guī)格品種受限，市場不足以及廢鋼價(jià)格偏高等技術(shù)困難，有利于國內(nèi)大幅提高廢鋼比，降低鐵鋼比，實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)綠色化發(fā)展的要求。
3點(diǎn)政策建議
一是根據(jù)我國鋼鐵工業(yè)的流程特點(diǎn)和今后的發(fā)展趨勢，今后5年~10年應(yīng)把降低鐵鋼比、提高廢鋼比作為綠色鋼鐵的發(fā)展重點(diǎn)，盡快把國內(nèi)鐵鋼比降低到世界平均水平。
二是在產(chǎn)業(yè)政策方面，應(yīng)根據(jù)國家綠色化的發(fā)展目標(biāo)和規(guī)劃，有計(jì)劃地關(guān)停部分高爐，降低生鐵產(chǎn)量。大力鼓勵(lì)各鋼鐵企業(yè)努力提高廢鋼用量，鼓勵(lì)用廢鋼置換生鐵產(chǎn)能，盡快降低各鋼鐵企業(yè)的鐵鋼比。
三是積極鼓勵(lì)國內(nèi)鋼鐵企業(yè)大力開展自主創(chuàng)新，適當(dāng)安排部分國家級(jí)科技資金和重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目開展轉(zhuǎn)爐高廢鋼比、高效化冶煉新工藝與裝備技術(shù)的科研開發(fā)工作，促進(jìn)國內(nèi)轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
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