主要工业行业节能低碳技术研究与评估-钢铁和水泥.pdf

安能翼科（北京）能源咨询发展中心（安能翼科（北京）能源咨询发展中心（CCCEEECEEE）20202 22 2.0 07 7 China Council for an Energy Efficient Economy(CCEEE)July,2022 主要工业行业节能低碳技术 研究与评估：钢铁和水泥 i 目目 录录 引言：引言：“双碳双碳”目标下主要工业行业的挑战与前景目标下主要工业行业的挑战与前景.1 第一部分：钢铁行业第一部分：钢铁行业.5 一、行业概况及一、行业概况及“双碳双碳”挑战挑战.5 1.行业概况：碳排放最高的制造业行业.5 2.“双碳”挑战：能源密集的长流程工艺.6 二、技术发展现状及前景二、技术发展现状及前景.10 1.生产工艺简介.10 2.节能低碳技术概述.12 3.现有技术推广的挑战.14 三、关键技术分析三、关键技术分析.15 1.超高温超高压干熄焦发电技术.15 2.烧结废气余热循环利用工艺技术.19 3.炼铁高炉鼓风除湿节能技术.23 4.转炉高效复吹熔炼装备及技术.27 5.白灰窑尾气 CO2回收用于 CO2-O2混合喷吹炼钢工艺技术.30 6.DP 系列废钢预热连续加料输送成套设备.35 四、国内外节能低碳技术清单四、国内外节能低碳技术清单.38 第二部分：水泥行业第二部分：水泥行业.104 一、行业概况及一、行业概况及“双碳双碳”挑战挑战.104 1.行业概况：产量高位平台期和工艺过程排放大.104 2.“双碳”挑战：固有的过程排放和煤炭为主的能源结构.105 二、技术发展现状及前景二、技术发展现状及前景.108 1.生产工艺简介.108 CCEEE ii 2.节能低碳技术概述.109 3.目前技术推广的挑战.112 三、关键技术分析三、关键技术分析.113 1.高能效烧成技术（高能效烧成系统改造）.114 2.熟料煅烧过程智能优化控制系统.122 3.辊压机+V 选粉机+球磨机联合粉磨技术.131 四、国内外节能低碳技术清单四、国内外节能低碳技术清单.134 第三部分：政策建议第三部分：政策建议.169 一、优化节能低碳技术遴选一、优化节能低碳技术遴选-推广推广-评估评估-激励体系激励体系.169 1.拓展技术收录方式，加强技术申报和应用激励.169 2.持续追踪收录技术的发展演变.169 3.提供技术成本效益核算工具包.170 4.加强对集成和系统技术的关注.170 5.开发针对数字化、智能化技术的有效评估体系.171 6.注重技术展示、意识提升和能力培训.171 二、识别先进技术最优作用阶段，高效推进行业达峰中和二、识别先进技术最优作用阶段，高效推进行业达峰中和.172 1.钢铁行业.172 2.水泥行业.173 参考文献参考文献.176 附录：重点行业绿色低碳发展及节能低碳技术相关主要现行政策名录附录：重点行业绿色低碳发展及节能低碳技术相关主要现行政策名录.179 CCEEE 1 引言：“双碳”目标下主要工业行业的挑战与前景引言：“双碳”目标下主要工业行业的挑战与前景 2020年9月22日，我国首次面向国际社会承诺二氧化碳排放力争2030年前达峰，并努力争取 2060 年前实现碳中和。随后在同年 12 月和 2021 年 4 月，我国先后两次在国际性高级别会议上重申了“双碳”目标，并公布了细化目标和相应的实施计划，进一步表明了中国作为巴黎协定重要缔约国及全球碳排放最高的三大经济体之一，当仁不让地承担应对气候变化责任、积极推动形成全球应对气候变化合力的立场。这是我国首次向国际明确长期低碳发展目标，在疫情后全球经济重建、气候领导力不足的背景下，受到了全球各国的广泛欢迎和积极关注，但与此同时，国际社会也对中国更加详细的行动路径和具体的实施方案表达了强烈期待(经济日报,2021)。为了履行“双碳”承诺，落实“双碳”行动，回应国际关切，我国加速构建碳达峰碳中和“1+N”政策体系，即碳达峰、碳中和顶层设计文件（“1”）和 2030 年前碳达峰行动方案及分领域分行业实施方案（“N”）。在做出“双碳”承诺一周年之际，我国政府正式发布关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见（下简称意见），作为“1+N”政策体系中提纲挈领的“1”。意见明确了“双碳”工作“全国统筹、节约优先、双轮驱动、内外畅通、防范风险”的原则，设立了能源强度和碳排放强度在 2025 年分别较 2020年下降 13.5%和 18%、重点耗能行业能效水平大幅提升逐渐达到国际先进水平等目标，并强调了推进经济社会发展全面绿色转型、深度调整产业结构、加强绿色低碳重大科技攻关和推广应用等工作方向(新华社,2021)。随后各部门又陆续发布了2030 年前碳达峰行动方案（下简称方案）促进绿色消费实施方案关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见等重要文件，充实“N”的构成，“1+N”政策体系正加快建立完善在意见的顶层设计框架下，逐步形成各领域各行业的碳达峰、碳中和政策合力，从经济社会的方方面面加快推进节能减排1、应对气候变化。其中，意见方案等综合性文件对电力、意见方案等综合性文件对电力、钢铁、有色金属、石化化工、钢铁、有色金属、石化化工、建建材材等高耗能高排放行业的节能降碳和产能升级予以重点关注。等高耗能高排放行业的节能降碳和产能升级予以重点关注。这些行业因自身固有特这些行业因自身固有特性或现有工艺水平及设备的限制，能耗高、碳排放量大性或现有工艺水平及设备的限制，能耗高、碳排放量大2018 年能耗和碳排放总量分别占全国总量的 38%和 42%(王庆一,2019)，并且在短期内难以彻底改变。以水泥行业为例，目前水泥产品大多以硅酸钙矿物为主要成分，而钙元素在自然界中最常见的矿藏形式为石灰石（碳酸钙），因此水泥生产中煅烧石灰石、提取钙质的过程势必 1 如无特别说明，本报告中的“节能减排”特指碳排放，和“节能降碳”“节能减碳”同义使用。CCEEE 2 伴随着大量的二氧化碳排放，但水泥中硅酸钙的含量又直接影响着水泥性能，因此短期内无法通过简单替换或降低含量的方式减少水泥生产的过程排放。另一类典型问题则以钢铁行业为代表：目前我国钢铁生产以基于铁矿石的初级生产即“长流程”生产为主，该工艺一方面流程长，涵盖烧结、球团、炼焦、炼铁等能源密集型环节，另一方面以焦炭作为主要还原剂和燃料，两相作用，共同造成我国钢铁生产能耗高、碳排放高的问题；但我国现役的高炉等“长流程”生产设备和基础设施普遍较新，按照正常使用期限预计还需要 1520 年才能完成更新和替换，如果盲目快速更换为短流程设备可能反而会造成全生命周期的碳排放升高，从总体上并不一定能实现减碳的效果。与此同时，这些重点行业本身的经济贡献大、承担了大量就业，更是关系能源、建筑、交通、家电、航空航天、机械等国计民生领域的基础行业，在我国工业化、城镇化、现代化发展进程中举足轻重，牵一发而动全身，难以通过简单关停或减产的方式实现节能减排和碳中和、碳达峰。相反，对这些重点行业而言，对这些重点行业而言，节能降碳尤其不能节能降碳尤其不能以伤害以伤害合规合规产能产能和经济发展和经济发展为代价，为代价，而是而是要尽力要尽力实现实现行业生产力和节能降碳能力的协行业生产力和节能降碳能力的协同提升，同提升，这些都是重点行业在“双碳”目标下面临的严峻挑战。意见发布以来，各部门又陆续出台了关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见（发改产业20211464 号）、关于印发“十四五”原材料工业发展规划的通知（工信部联规2021212 号）、关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见（工信部联原20226 号）、高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022 年版）（发改产业2022200 号）等多项政策文件，对重点行业开展“双碳”工作、实现绿色发展提出了严格要求和殷切希望。重重压力之下，各个重点行业也在紧锣密鼓地制定行业碳达峰、碳中和路线图，探索行业实现“双碳”目标的最佳路径。纵观节能减碳的各种方法，大致可以归纳为结构调整、管理改进和技术提升三大类。结构调整主要包括能源结构调整和产业结构调整，但无论哪一种都无法一蹴而就，同时还需要兼顾经济效益并协调好社会各方利益，需要长期、持续性的调整来完成经济社会向清洁用能、高质量发展的变革，投入大、难度高，难以立竿见影，因此在完全实现理想中的彻底变革前，还需要其他手段加以配合。管理改进强调在现有能源、产业结构和技术水平等“硬性”条件之外，从顶层设计和规划、资源人员配置、各环节配合、流程优化、相关方协调等“软性”要素着手，寻求管理方法改进，从而帮助社会经济系统整体实现在既定技术条件下的最优能效和最低碳排放水平。然而管理改进毕竟受制于总体能源、产业结构和技术水平的“天花板”，可以发挥的作用虽重要但有限，通常配合其他手段、起辅助作用。CCEEE 3 技术提升的核心在于提高效率对生产而言，好的技术应该提高生产效率；对节能减排而言，好的技术应该在不影响生产效率的前提下实现节能减排效果，甚至促进生产效率进一步提高。对技术的定向选择不但不会使节能减排、应对气候变化站在经济社会发展的对立面，反而使两者协同发展成为可能，配合结构调整和管理改进，有望实现可观的节能减排效果。节能低碳技术包括渐进式技术和颠覆性技术两类。前者致力于在不改变现有工艺流程的情况下实现节能降碳，因此应用成本和门槛相对较低，适用于近中期；而颠覆性技术会部分或完全改变现有工艺流程、带来全新的生产方式，往往涉及大型设备、基础设施甚至生产线替换，因而成本、门槛较高，但带来的节能减排效益也更好，适用于远期。因此从协调气候变化问题和经济社会发展因此从协调气候变化问题和经济社会发展、适应不同时期需要，以适应不同时期需要，以及节能减排效果等各及节能减排效果等各方面方面而言，而言，节能低碳技术都将对节能低碳技术都将对我国我国尤其是重点行业在尤其是重点行业在“双碳”目标下的绿色发展发挥关键的核心作用。“双碳”目标下的绿色发展发挥关键的核心作用。通过先进适用技术的推广应用促进节能降碳一直是全社会尤其是工业部门和重点工业行业的工作重点之一，国家和地方政府对此也给予了持续性的政策支持，主要体现为相关技术目录的遴选、收录、发布和推广。以国家发展改革委国家重点节能低碳技术推广目录（原国家重点节能技术推广目录）为例，从 2008 年至今已发布共十批、累计数百项技术，也对先进技术的推广应用做出了值得肯定的贡献，但如何在现有的以技术目录为主的方式基础上，更有效地收录技术、更好地连通技术目录和生产实践、进一步提高企事业单位技术应用甚至研发的积极性，这些问题都还存在很大的探讨空间。而对真正处于节能降碳一线的重点行业和企业而言，在“双碳”目标提出之后，已有的技术目录和市面上可用的先进技术中，哪些优中选优的关键技术最适应行业、企业的具体情况，能够最快最好地帮行业、企业减轻“双碳”压力、完成“双碳”任务，什么情况、什么阶段适用什么技术，都是重点行业和企业最关心的问题。在此基础之上，包括技术目录在内的技术推广政策如何进行调整，从而更好地反映和适应我国应对气候变化新阶段、新战略的需求，支持企业、行业、各部门乃至整个经济体实现转型升级和绿色发展目标，也是近期技术工作应该优先考虑的焦点。基于上述考虑，本报告从钢铁、水泥两个典型的高能耗、高排放重点行业入手，对国内外节能低碳技术开展研究与评估，探讨我国重点工业行业尤其是钢铁、水泥行业如何通过技术手段助力行业绿色发展和“双碳”目标的实现，以及节能低碳技术的推广工作如何在“双碳”背景下更好地发挥作用。报告正文分为钢铁、水泥和政策建议三大部分：在行业部分对行业概况、行业节能低碳技术现状进行概括和描述，选取典型适用技术做深入分析，并提出分阶段的行业推荐技术清单；在政策建议部分则分别针对“促进重点行业节能低碳技术应用”和“钢铁水泥行业在双碳目标下不同CCEEE 4 阶段的适用技术”提出建议2。报告附录对影响重点行业节能低碳技术推广应用的现行政策进行整理汇编。2 由于钢铁、水泥行业都是流程工业，虽然在供应链、生产流程、服务链（“两链一流”）的各个环节都存在节能减排潜力，但绝大多数能耗和碳排放都来自生产流程，因此本报告讨论的技术重点聚焦于生产流程中的技术。CCEEE 5 第一部分：钢铁行业第一部分：钢铁行业 一、行业概况及“双碳”挑战一、行业概况及“双碳”挑战 1 1.行业概况行业概况：碳排放最高的制造业行业：碳排放最高的制造业行业 钢铁行业是国民经济的重要基础产业，对于满足工业化、城镇化与现代化需求有着不可替代的作用，为建筑、交通、机械、能源等国民经济关键部门提供了其所需的绝大部分钢铁材料。改革开放以来，我国钢铁行业发展迅速，已建成全球范围内产业链最完整的钢铁工业体系，成为全球钢铁生产、消费总量及人均消费量第一大国。2020 年中国粗钢产量为 10.53 亿吨，占全球总量近 60%，较 2010 年年均增长 5.0%(北京科技大学等,2021)；2021 年我国粗钢产量与 2020 年基本持平，为 10.35 亿吨(国家统计局,2022)。数据来源：世界钢铁协会、国家统计局数据来源：世界钢铁协会、国家统计局 与此同时，我国钢铁行业也面临生产工艺与产品结构落后、产业布局不合理、高耗能、高污染等重大挑战。其中，高能耗、高碳排放的问题更是成为“双碳”目标提出后，我国钢铁行业发展中最棘手的问题。据统计，钢铁行业碳排放量约占全国碳排放总量的 15%，是我国碳排放最高的制造业行业(北京科技大学等,2021)。因此钢铁碳减排至关重要，是我国实现碳达峰、碳中和目标的重要抓手。0%10%20%30%40%50%60%05101520252012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021世界占比粗钢总产量（亿吨）世界中国中国粗钢产量的世界占比图 1 我国及全球粗钢产量（2012-2021）CCEEE 6 居高不下的碳排放主要来自以长流程为主的生产工艺所带来的高能耗这也是我国钢铁行业与国际先进生产水平的差距所在；具体而言，长流程生产方式约占我国当前粗钢工艺结构的 90%，造成钢铁行业（黑色金属冶炼及压延工业）占全国能耗总量高达 16.3%(北京科技大学等,2021)。钢铁行业碳排放高的另一个原因是以煤炭为主的能源结构：钢铁行业一次能源消耗以煤炭、石油、天然气、一次电力（水电、核电等）为主，其中煤炭占比约 70%(马骥涛、黄桂田,2018)。数据来源：国家统计局数据来源：国家统计局 综合图 1、图 2 可知，我国粗钢产量以年均 4%左右的速度保持增长，但同期钢铁行业能耗基本维持稳定，钢铁行业占全国能耗比重也在不断下降。这反映出我国钢铁行业在过去十年间无论是从产能提升还是节能降耗方面，都实现了显著的进步，并且在很大程度上推动了全国能源消费结构的优化。然而“双碳”目标的提出为钢铁行业带来了更大的挑战和机遇，原有的升级速度和强度都已经无法满足碳达峰、碳中和的高要求，未来发展方向应更多地聚焦在落后产能控制和产业升级，实现钢铁生产由“规模大”到“质量高”的转变；推广短流程生产工艺，推进废钢资源应用和钢材生产电气化；以及从高能耗、高污染向绿色低碳发展转型等方面。2 2.“双碳”挑战“双碳”挑战：能源密集的长流程工艺能源密集的长流程工艺 政策压力政策压力 钢铁行业作为全国碳排放最高的制造业行业以及最主要的耗能行业之一，因其现阶段的能耗、碳排放特点以及行业本身的重要性，在国家层面的“双碳”目标提出以0%2%4%6%8%10%12%14%16%18%20%0123456789102010201120122013201420152016201720182019全国占比能源消费总量（亿吨标煤）黑色金属冶炼及压延加工业能源消费总量黑色金属冶炼及压延加工业能源消费总量全国占比图 2 我国钢铁行业能耗及全国占比（2010-2019）CCEEE 7 来倍感压力。意见和“十四五”工业绿色发展规划要求钢铁等行业“深度调整产业结构”并制定行业碳达峰实施方案，方案更是明确提出“推动钢铁碳达峰”，作为“工业领域碳达峰行动”的重要组成部分。除此以外，国家发改委、工信部、生态环境部等部门相继发布关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见冶金、建材重点行业严格能效约束推动节能降碳行动方案（2021-2025 年）“十四五”原材料工业发展规划关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见钢铁行业节能降碳改造升级实施指南等多个政策文件，为钢铁行业节能降碳、绿色发展进一步提出明确的量化目标。这些目标均着眼于 2 2025025 年年，主要聚焦以下方面：吨钢综合能耗降低吨钢综合能耗降低 2%2%(工业和信息化部、科学技术部、自然资源部,2021)；2020 年中国钢铁行业吨钢综合能耗为 545.3 千克标准煤/吨粗钢（kgce/t）(王维兴,2021)，较 2015 年减少近 5%(工业和信息化部、科学技术部、自然资源部,2021)，即约 28.7 kgce/t。到 2025 年吨钢综合能耗降低 2%，即是要在 2020 年基础上再减少近 11 kgce/t，达到达到 534.4 kgce/t534.4 kgce/t。能效基准水平以下产能基本清零能效基准水平以下产能基本清零(国家发展和改革委员会、工业和信息化部等,2022)；以转炉工序为例，截至 2020 年底，中国钢铁行业转炉工序能效低于基准水平的产能约占30%(国家发展和改革委员会、工业和信息化部等,2022)；按2020年粗钢产能 10.86 亿吨(中国节能协会冶金工业节能专业委员会、冶金工业规划研究院,2020)、转炉占比 90%(北京科技大学等,2021)粗略估计，实现2025基准水平以下产能清零目标意味着要在五年内完成约2.9亿吨转炉产能的升级或淘汰，而这仅仅是转炉炼钢这一项工序的目标任务。达到标杆水平的产能比例要超过达到标杆水平的产能比例要超过 30%30%(国家发展和改革委员会、工业和信息化部等,2021)(国家发展和改革委员会、工业和信息化部等,2022)；中国黑色金属冶炼和压延加工业各类工序 2021 年能效基准水平与对应标杆水平大多存在15%30%的差距，个别工序差距甚至高达67%3。以高炉和转炉两道核心工序为例，截至 2020 年底，标杆水平以上（含）的产能分别仅占 6%和 4%(国家发展和改革委员会、工业和信息化部等,2022)。要在四年时间内（2021-2025）缩短差距，并且将达到标杆水平的产能占比提升 25 个百分点左右，钢铁行业开展大规模能效提升工作迫在眉睫。3 根据高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平（2021 年版）中相应数据估算所得。CCEEE 8 表 1 高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平（2021 年版）钢铁行业产能对比 高炉工序高炉工序 单位产品能耗单位产品能耗 转炉工序转炉工序 单位产品能耗单位产品能耗 电炉冶炼电炉冶炼 303050t50t 单位产品能耗单位产品能耗 50t50t 单位产品能耗单位产品能耗 标杆水平标杆水平 kgce/tkgce/t 361-30 67 61 基准水平基准水平 kgce/tkgce/t 435-10 86 72 差距差距*20.5%66.7%28.4%18.0%数据来源：数据来源：国家发展和改革委；国家发展和改革委；*差距差距基于标杆水平和基准水平计算得出。基于标杆水平和基准水平计算得出。电炉钢产量占粗钢总产量比例提升至电炉钢产量占粗钢总产量比例提升至 15%15%以上以上，钢铁工业利用废钢资源量达到钢铁工业利用废钢资源量达到3 3亿吨以上亿吨以上(工业和信息化部、国家发展和改革委员会、生态环境部,2022)。2020 年中国粗钢产量约为 10.5 亿吨，其中电炉钢仅占约 11.7%，同期世界平均水平约为 30%，美国和日本分别为 70%和 25%(北京科技大学等,2021)。2025 年电炉钢占比提升至 15%以上意味着较 2020 年提高 3.3 个百分点。即使在粗钢产量保持不变的情况下，电炉钢产量也要达到近 1.6 亿吨；而即使实现这一目标，我国电炉钢占比也仍然与世界平均和先进水平存在较大差距。电炉钢多以废钢为原料进行短流程生产2020 年中国钢铁工业废钢资源利用量约为 2.3 亿吨(央广网,2021)，与 2025 年目标的 3 亿吨差距尚存。上述目标虽然各具难度，但大都针对产能问题，旨在推动钢铁产能升级包括能效水平提升和电气化等，集中反映出我我国国钢铁行业在“双碳”时代钢铁行业在“双碳”时代亟需亟需克服的最大克服的最大挑战挑战：以：以“长流程”“长流程”为主的现有工艺结构，为主的现有工艺结构，与该工艺与该工艺能源、碳排放密集程度高能源、碳排放密集程度高之间的之间的矛盾矛盾。长流程长流程和和短流程短流程 钢铁生产工艺主要包括长流程工艺和短流程工艺（详见二、技术发展现状及前景）：长流程炼钢是指从铁矿石开始，经历炼铁、炼钢、连铸、轧制等工艺环节，最终制成钢材的生产流程，又称“初级钢生产”；与之相对的短流程炼钢则以废钢作为原料，跳过炼铁相关各道工序，直接经过炼钢及后续环节产出钢材，又称“次级钢生产”。CCEEE 9 与短流程相比，长流程炼钢的能源和碳排放密集程度都非常高。一方面，后者的生产流程更长，多出的每道工序都会产生额外的能耗和碳排放，在产出不变的情况下整体能耗和碳排放更高，因此能源密集程度（吨钢综合能耗）和碳排放密集程度都更高。另一方面，烧结、球团、炼焦（合称“铁前系统”）和高炉炼铁是长流程炼钢所独有的高耗能工艺环节，共同占到我国吨钢能耗的 90%以上(王志伟,2014)，是中国钢铁工业目前最主要的耗能环节；而在长流程工艺中，高炉炼铁环节的能耗约占 60%左右，其次是 9%12%的烧结环节4。此外，长流程工艺还以焦炭作为炼铁的主要还原剂和燃料，造成生产过程中的碳排放进一步增加，炼铁环节的直接碳排放占钢铁工业碳排放总量的 60%以上5。也正因如此，目前国际上普遍认为短流程工艺代表着更加先目前国际上普遍认为短流程工艺代表着更加先进的钢铁生产水平，是我国钢铁产能与国际先进水平的主要差距和长期转型方向所在。进的钢铁生产水平，是我国钢铁产能与国际先进水平的主要差距和长期转型方向所在。数据来源：数据来源：张龙强，张龙强，2 2021021.4 咨询行业专家的观点。5 同上。0%10%20%30%40%50%60%70%80%2011201220132014201520162017201820192020电炉粗钢占比世界中国美国日本图 3 我国与典型国家电炉钢占比（2011-2020）CCEEE 10 数据来源：数据来源：王志伟王志伟（2（20 01414），），钢铁行业工序能耗分析及节能发展方向探讨钢铁行业工序能耗分析及节能发展方向探讨；咨询行业专家。；咨询行业专家。要解决长流程炼钢能耗和碳排放高的问题，目前主要存在两种思路：一是提高现有生产工艺、尤其是铁前系统和高炉炼铁的能效水平，二是用短流程工艺替代长流程工艺。两种思路各有利弊：短流程代表了更先进的产能升级方向，能够帮助钢铁行业更彻底地节能降碳，但受种种现实因素限制，包括设备替换和改造成本高、现有的长流程基础设施仍在有效使用年限内、废钢资源不足等，难以在短期内大规模应用；相反，提高现有工艺水平虽然相对而言成本更低、现实阻力和实施难度更小，但节能降碳潜力有限，治标不治本，无法从根本上解决长流程生产能源和碳排放密集程度高的属性。下节将从钢铁生产的具体工艺流程、节能低碳技术现状及目前技术推广方式存在的问题几个方面入手，探索钢铁行业在“双碳”目标下依靠技术手段实现进一步节能降碳的潜在出路。二、技术发展现状及前景二、技术发展现状及前景 1 1.生产工艺简介生产工艺简介 从全生命周期来看，包括钢铁工业在内许多制造业的总体流程都可以概括为“两链一流”，即供应链、生产流程和服务链（图 5）。原料等 供供应链应链 生生产流程产流程 产品 服服务链务链 图 5 制造业“两链一流”示意图 图 4 我国吨钢能耗中长流程工艺独有环节占比（左）及长流程各工艺环节能耗占比（右）铁前系统和高炉炼铁（长流程独有）90%其他工艺环节10%高炉炼铁60%烧结9%12%长流程工艺的其他环节28%31%CCEEE 11 以钢铁行业为例，供应链是指将铁矿石与/或废钢、煤矿等原料和其他物质运输到钢厂的过程，具体包括运输、转运、预处理等环节；生产流程则是铁矿石与/或废钢经由特定生产工序被加工成为钢材的过程；制成的钢材产品被运往消费端则属于服务链的范畴，具体包括包装、储存、运输、转运等。其中，生产流程关系着钢铁产能和产品的能效和碳排放水平，是钢铁企业和整个行业主要的用能过程和碳排放源，是目前我国产业政策及“双碳”相关文件重点关注的领域，也是本报告对钢铁节能低碳技术进行分析评估的重点聚焦领域。钢铁生产流程的工艺环节主要包括烧结、球团、炼焦、炼铁、炼钢、连铸、轧制等（图 6）。如上一节所述，钢铁生产基于原料不同，分为长流程和短流程两种工艺。长流程长流程又称初级生产，从铁矿石开始，又称初级生产，从铁矿石开始，经历烧结或球团，同时利用焦煤炼焦形成的焦炭作为还原剂和燃料，送入高炉炼制生铁6，铁水进入转炉、吹入氧气进行炼钢，再经连铸和轧制形成钢材。短流程又称次级生产，从废钢开始，短流程又称次级生产，从废钢开始，经电炉炼钢、连铸、轧制形成钢材；电炉炼钢过程中，有时还会加入一定比例的精铁粉或氧化铁，与废钢共同作为原料，通过直接还原铁法提高电炉炼钢的出钢品质。对比而言，长流程和短流程炼钢的区别主要体现在以下几个方面：原料不同长流程以铁矿石、焦炭、氧气等为主要原料，短流程则以废钢、精铁矿等为主要原料；6 目前国际上也出现了一些利用氢气等其他还原剂替代焦炭炼铁的技术，以及直接熔融炼铁法等不经过烧结、球团等工序也不利用高炉设备进行炼铁的技术，但这些技术因成本、原料制备存储等问题，在中国还没有得到大规模应用，因此此处仍将焦炭作为还原剂的高炉炼铁法作为中国目前主流的钢铁生产工艺。除特殊说明外，下文不再逐一解释。图 6 钢铁生产工艺示意图 CCEEE 12 设备不同长流程的核心设备为高炉（用于炼铁）和转炉（用于炼钢），短流程的核心设备则为电炉；燃料不同长流程利用焦炭同时作为燃料和主要的还原剂原料，短流程则主要依靠电力；工序不同长流程比短流程多出了烧结、球团、炼焦（即铁前系统）和高炉炼铁等工序，是我国钢铁企业和产品绝大部分能耗及碳排放所在7。2 2.节能低碳技术概述节能低碳技术概述 铁前系统铁前系统和高炉炼铁和高炉炼铁：渐进式：渐进式技术技术和和颠覆性技术颠覆性技术 我国钢铁行业节能降碳，核心是铁前系统和高炉炼铁节能降碳。正如“双碳挑战”一节所述，铁前系统和高炉炼铁节能降碳有两种思路：一是在不改变现有长流程生产工艺不改变现有长流程生产工艺的前提下，对具体的环节和设备等进行改进，即利用渐进式技术渐进式技术实现节能降碳；二是促进钢铁生产电气化，缩短现有工艺的流程长度将将长流程工艺替换为短流程或减少长流程工艺的环节长流程工艺替换为短流程或减少长流程工艺的环节，即通过颠覆性技术颠覆性技术避免铁前系统和高炉炼铁能耗和碳排放高的问题。具体而言，致力于促进铁前系统和高炉炼铁节能减排的典型渐进式技术包括用于炼焦环节的焦炉炭化室荒气回收和压力自动调节技术、用于烧结环节的烧结与热量回收驱动技术（SHRT）、用于高炉炼铁环节的炼铁高炉鼓风除湿节能技术等（详见 四、国内外节能低碳技术清单）。渐进式技术渐进式技术虽然无法彻底改变长流程工艺尤其是铁前系统和高炉炼铁能源和碳排放密集程度高的属性，但成本往往相对较低、不涉及对现有工艺设备的大规模更换，新技术和设备对相关工作人员的能力要求往往也更低，因此推广应用推广应用难度通常较低，难度通常较低，在达到现有工艺系统的最优能效和碳排放水平前能够发挥较好的节能降碳效果，将是近中期内钢铁行业节能降碳的主要技术力量。将是近中期内钢铁行业节能降碳的主要技术力量。用于缩短现有工艺流程的典型颠覆性技术包括省去了烧结、球团、炼焦等环节的直接熔融还原炼铁技术，省去炼焦等环节的氢冶金技术，以及省去整个铁前系统和高炉炼铁环节的废钢预热连续加料输送成套设备等（详见 四、国内外节能低碳技术清单）。颠覆性技术颠覆性技术中还有相当一部分处于概念或试验阶段，或因为具体的技术难点、7 虽然短流程工艺在钢铁生产过程的能效水平更高，但因其使用的电力属于二次能源，短流程工艺在全生命周期（考虑发电）的能效水平还要受到电力结构、发电效率、输配电损失等因素的影响，并不能断言一定优于使用一次能源的长流程工艺。如无特殊说明，本报告中涉及的所有能耗和碳排放均不考虑发电和输配电部分。CCEEE 13 居高不下的成本、安全隐患等现实原因，在短时间内尚不具备大规模市场化应用的条在短时间内尚不具备大规模市场化应用的条件件。以电炉炼钢电炉炼钢相关技术为例，目前这些技术都面临至少三个问题：一是一是现存现存高炉等高炉等长流程工艺长流程工艺的的设备和基础设施普遍较新，设备和基础设施普遍较新，高炉炉役期通常在 1520 年，还远不到报废期限，而一旦将高炉替换为电炉，与之衔接的转炉等其他设备可能也需要进行相应替换或改造；二是二是电炉炼钢以废钢为原料，电炉炼钢以废钢为原料，但中国废钢资源较少，但中国废钢资源较少，还有一部分用于出口。2020 年粗钢产量约 10.5 亿吨(北京科技大学等,2021)，同年废钢资源总量为 2.6 亿吨，其中炼钢用废钢消耗量约 2.3 亿吨，全年炼钢用废钢比为 21.8%(中国废钢铁应用协会,2021)，差距明显；三是电炉炼钢以电力为主要能源，但中国工业电价三是电炉炼钢以电力为主要能源，但中国工业电价无论是与本国煤价还是国际工业电价相比，均不具备优势不具备优势。因此无论是从系统整体全生命周期的效益而言，还是站在原料获取和能源成本的角度，电炉炼钢在短期内都不具备大规模市场应用的基础。尽管如此，短流程工艺等颠覆性技术却能够从根本上解决长流程高能耗、高碳排颠覆性技术却能够从根本上解决长流程高能耗、高碳排放的固有属性所带来的种种问题，放的固有属性所带来的种种问题，帮助钢铁行业突破渐进式技术受制于长流程工艺自身的节能降碳“天花板”，是钢铁行业在“双碳”背景下产能升级的大势所趋。目前我国也从提高钢铁行业废钢资源利用量等方面着手，逐步为钢铁生产的全面电气化打好基础，因此以短流程炼钢为代表的一系列颠覆性技术非常有望在中远期发挥更重要非常有望在中远期发挥更重要的节能降碳作用。的节能降碳作用。在关注铁前系统和高炉炼铁能耗和碳排放水平的同时，对现有长流程工艺的转炉炼钢环节，以及后续的连铸、轧制等环节也有一系列节能低碳的渐进式技术值得关注（详见 四、国内外节能低碳技术清单）。“界面界面”技术技术 “界面”技术作为另一大类值得重点关注的流程技术，是指在钢铁生产流程的炼铁、炼钢、铸坯、轧钢等主体工序之间（铁-钢界面、钢-铸界面、铸-轧界面等）进行衔接-匹配和协调-缓冲的一系列技术、装置设备和工艺生产技术组合（详见 四、国内外节能低碳技术清单）。界面技术界面技术旨在优化整个钢铁生产流程，旨在优化整个钢铁生产流程，改变了传统钢铁生产中各工序简单堆砌、无法有序协调和集成的弊病，有助于维持生产流程整体的稳定、连续、高效和协调运行，无论对于长流程还是短流程工艺而言，都能够促进整个生产能够促进整个生产系统接近其最优可行的生产效率系统接近其最优可行的生产效率(袁晴棠，殷瑞钰，曹湘洪，刘佩成,2020)。此外，在核心生产流程以外的供应链和服务链（图 5）也可以通过创新的包装和运输等技术提高能效水平、降低碳排放（详见 四、国内外节能低碳技术清单），不但能够降低钢铁企业自身的能耗和碳排放，还有助于带动钢铁行业上下游从全生命周期上整体节能减排。CCEEE 14 3 3.现有技术现有技术推广推广的挑战的挑战 目前我国主要依靠定期发布全国、行业和地方性的节能低碳技术目录来促进相关先进技术在行业和企业的应用。以国家发改委国家重点节能低碳技术推广目录为例，该目录每年收录不同行业共计数十项节能低碳技术，覆盖信息包括技术的名称、适用领域/行业、技术内容简介、节能降碳效果、在典型项目中的技术应用条件和效果、目前推广比例、推广预测等，另附技术简介对各项技术进行详细介绍，通过国家发改委的公开发布，形成对入选技术的推广效应。当前这种技术推广模式存在以下问题或挑战：促进技术应用的激励政策缺位促进技术应用的激励政策缺位 能够入选目录，对于技术供应商而言是非常高的认可，但在落地激励政策缺位的情况下，潜在的技术应用单位潜在的技术应用单位、尤其是企业，可能会缺乏采取行动、切实应用这些技缺乏采取行动、切实应用这些技术的动力术的动力。目录对收录技术的持续关注和追踪不足目录对收录技术的持续关注和追踪不足 技术是在不断发展演变中的，实施难度和效果也可能会随着时间推移和技术的发展而发生变化；技术目录虽然定期更新和发布，但对具体技术的推广情况及实施效果缺乏持续性的关注和追踪，容易造成目录时效性时效性不佳不佳和对实际工作的指导作用不足和对实际工作的指导作用不足的结果。例如钢铁行业的炼铁高炉鼓风除湿节能技术（详见 三、关键技术分析）自2009年起，就不断入选历年国家重点节能技术推广目录（后国家重点节能低碳技术推广目录，但每年的预计推广比例和预计节能效果数据基本维持不变，这一方面反映出技术目录缺乏对同一技术的连续追踪，另一方面也说明该技术虽然节能效果好、推广意义大，但可能因为推广不力、信息缺失等原因一直未能达到理想的推广效果。技术成本效益分析的普适性不高技术成本效益分析的普适性不高 成本效益是潜在的技术应用单位在考虑是否应用一项新的先进节能低碳技术时的重要考量因素。各类目录对技术经济效益的展现，通常从典型案例的经济效益角度出发，经济性经济性数据数据详实具体详实具体，但，但普适性不高普适性不高。潜在的技术应用单位在进行决策前的成本-效益分析时，可能还需要从目录中获取更多更有针对性的信息。现有体系难以体现单体技术集成后的协同效应现有体系难以体现单体技术集成后的协同效应 具体到钢铁行业，许多先进的节能低碳技术往往是一系列单体技术的集成系统，例如转炉高效复吹熔炼装备及技术、DP 系列废钢预热连续加料输送成套设备等（详见 三、关键技术分析 和 四、国内外节能低碳技术清单）；但目前我国的技术目录大多CCEEE 15 以单体技术作为收录单元，从而使潜在的技术应用单位容易忽略技术之间潜在的技术应用单位容易忽略技术之间相互相互协同协同的的节能降碳效应，或是错失节能降碳效应，或是错失一些可行度一些可行度性好性好、成本效益、成本效益高高的集成技术方案的集成技术方案。三、关键技术分析三、关键技术分析 经过对钢铁行业国内外节能低碳技术的搜集和梳理，本节基于以下六项条件选取关键技术进行深入分析：技术成熟度高，在中国钢铁行业市场具备充分的应用条件；技术所处的工艺环节能耗或碳排放占比高，或是节能降碳潜力大；技术的节能降碳效果好；技术应用后的成本效益好；技术的适用范围广、市场推广前景佳；技术相关信息较完备。在上述标准基础上，尽可能全面覆盖钢铁生产的各个主要环节，兼顾技术自身的创新性，最终选取六项关键的具有代表性的钢铁行业节能低碳技术，包括：炼焦环节-超高温超高压干熄焦发电技术；烧结环节-烧结废气余热循环利用工艺技术；高炉炼铁环节-炼铁高炉鼓风除湿节能技术；转炉炼钢环节-转炉高效复吹熔炼装备及技术；长流程 CCUS-白灰窑尾气 CO2回收用于 CO2-O2混合喷吹炼钢工艺技术；电炉炼钢-DP 系列废钢预热连续加料输送成套设备。这六项关键技术兼顾了钢铁生产的长流程和短流程工艺，并且覆盖了长流程炼钢中炼焦、烧结、高炉炼铁、转炉炼钢及 CCUS 等关键耗能和碳排放环节，其中不乏多次入选国家级技术目录、获得行业重大技术奖项和入选地方示范项目的优秀技术；部分技术节能减排潜力大、推广应用意义大，但尚未达到应有的推广水平，其推广应用有望为推动钢铁行业实现碳达峰并最终实现碳中和作出重要贡献。1.1.超高温超高压干熄焦发电技术超高温超高压干熄焦发电技术 技术所属行业及生产环节技术所属行业及生产环节 CCEEE 16 超高温超高压干熄焦发电技术用于