《中国宝武碳中和行动方案》全文发布

文章来源:中国宝武碳交易网2021-11-29 13:23

中国宝武党委书记、董事长陈德荣
 
在全球低碳冶金创新论坛上的主旨演讲
 
(2021年11月18日)
 
尊敬的各位来宾:
 
大家下午好!
 
我交流的题目是“中国宝武碳中和行动方案”。全球气候变化已经给全人类的可持续发展带来了严重的威胁和严峻的挑战,减排温室气体已经成为世界共识。2020年9月22日,习近平主席代表中国向世界作出了“2030年碳达峰、2060年碳中和”的承诺。时隔仅仅一年,2021年9月22日,中国发布了《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》和《2030年前碳达峰行动方案》,明确了时间表、路线图、施工图。2021年11月1日,习近平主席向《联合国气候变化框架公约》第二十六次缔约方大会世界领导人峰会发表书面致辞中进一步呼吁:要维护多边共识,增强互信,加强合作;要聚焦务实行动,加速绿色转型,以科技创新为驱动,推进能源资源、产业结构、消费结构转型升级,探索发展和保护相协同的新路径。今天我们举办创新论坛的主题是“技术创新引领钢铁低碳发展”。在此,我借助论坛的平台,从“我们的责任、我们的方向、我们的行动”三个部分,介绍中国宝武的绿色低碳创新发展行动方案。
 
第一部分:我们的责任
 
中国政府已多次在不同场合向国际社会作出了郑重承诺,将加大自主贡献力度,积极应对气候变化。中国宝武作为全球最大钢铁企业,带头实现碳中和更是责无旁贷。
 
中国宝武产业布局是“一基五元”,“一基”指的就是钢铁主业,碳排放主要来自钢铁板块,今天我们讨论的话题点也是钢铁的减碳策略。2020年中国宝武的粗钢产量达到1.15亿吨,分布在17个钢铁基地。中国宝武的钢铁制造基本是以长流程为主,电炉钢占比只有6.5%。由于各钢铁基地的能源结构、产品结构有较大差别,碳排放强度差别较大,对于中国宝武来说,不可能用一两种方式来实现整个集团的钢铁转型发展,因为各个基地的资源、环境条件差异很大,所以碳减排对中国宝武有着比同行更严峻的挑战。
 
中国宝武已经向社会承诺,以2020年为基准,2035年降低碳排放30%至每吨钢1.3吨,力争2050年实现碳中和,这个目标不会变。年初,我们向党中央报告了中国宝武关于推进碳达峰、碳中和工作及低碳冶金的有关情况,习近平总书记对中国宝武的“双碳”工作方案作了批示,给予了充分肯定。
 
第二部分:我们的方向
 
中国宝武碳中和冶金技术主要包括:极致能效、富氢碳循环高炉、氢基竖炉、近终形制造、冶金资源循环利用和碳回收及利用等六方面的内容。
 
第一,关于极致能效。世界钢协数据表明,过去50年钢铁行业吨钢能耗降低61%,能源强度尚有15-20%的下降潜力。全流程能源效率提升是钢铁行业目前减碳的优先工作。瞄准余热余能资源化、提升界面能效的创新与应用,挑战极致能效,实现应收尽收。在既有能耗前提下,聚焦钢铁能源领域共性难题技术突破、中低温余热资源的深度回收利用、余压资源潜力充分发挥和副产煤气极限回收和资源化,挖掘余热余能潜力,推进最佳可适用商业技术对标应用及二次开发,不断去除铁钢、钢铸、铸轧工序之间的“活套”,实现极致的能源效率。如果让中国宝武今天再建一座全流程钢厂,我们一定会想方设法让高炉和转炉建在同一厂房里,从而实现一罐到底。中国宝武最近主要有三个聚焦点,一是冶金炉渣显热充分利用。我是搞炼铁出身,以前用冲水冷却高炉渣是先进工艺,但是今天来看炉渣显热浪费太大;二是提高铁钢之间鱼雷罐车周转次数。过去我们的鱼雷罐车像糖葫芦似的一串串拉着运输,最近宝钢股份已实现单个鱼雷罐车电动运输,大大提高周转次数,以前一天最多周转3.5次,现在目标是一天周转8次,这样可以大幅度降低铁钢之间的铁水温降;三是实现铸轧之间的热装热送,最好是能够实现直接轧制。这就是我们在能源效率方面的三项重点工作:高炉炉渣显热、铁钢界面、铸轧界面。用简单的话来总结中国宝武挑战极致能效的目标,就是“消灭活套、应收尽收”这八个字。
 
第二,关于富氢碳循环高炉。高炉是极高效率的反应器,能为炼钢提供最洁净的原料,其效率和地位都是其它工艺不能完全替代的,把高炉工艺放弃实在太可惜。四十年前,我在北京钢铁学院上学,当时就有教授提出要“打倒高炉”。但是四十年过去了,我从二十岁到六十岁,坐在今天的位置上,就要为“保卫高炉”而战,为炼铁的荣誉而战。今天来看,如果高炉能实现碳减排碳中和,是完全能在未来钢铁生产中发挥巨大作用的,中国宝武这几年在新疆八一钢铁厂探索的富氢碳循环高炉技术,有望继续延续高炉的辉煌。实验表明,以富氢碳循环为主要技术手段,最大程度利用碳的化学能,以降低高炉还原剂比为方向,加上绿色电加热和原料绿色化技术措施,是有可能实现高炉流程的大幅减碳的。富氢碳循环高炉技术特点的关键是全氧,传统高炉是空气鼓风,COREX炼铁工艺是全氧鼓风。近几十年来,随着制氧技术的发展和制氧成本的大幅度降低,完全有可能将COREX全氧冶炼技术移植到高炉上进行尝试。如果高炉实现全氧鼓风,那么高炉炉顶煤气中的大量氮气就不会出现,高炉煤气就可以很容易实现CO和CO?的分离,CO?回收利用后,剩下的高浓度CO再通过管道输送到风口和炉身,实现CO和H?重新富集成高还原势的煤气,重新回用至高炉,用于还原铁矿石,这就是我们说的碳循环。通过这样的碳循环,实现碳化学能的完全利用。有了煤气循环,大量使用富氢物质就不会浪费氢的化学能了,氢也可以在高炉循环,从而降低高炉流程对化石能源的消耗。这项技术中国宝武已经做了多年试验,这是宝武当前进行碳循环的工作重点。我们很大的压力是因为占宝武近94%的流程都是高炉长流程,总资产以数千亿计。如果高炉流程不能延续了,那中国宝武数千亿计的长流程资产将归零,这对整个资产的保值将会带来巨大压力。所以延续高炉长流程,实现长流程的碳中和是中国宝武现在工作的重点。
 
除了高炉本身之外,我们围绕高炉碳循环考虑采用以下几方面技术:一是绿色电加热。过去冶金工厂将高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气循环使用,传统观念认为将这些煤气用来加热、发电是高效化利用,随着低碳冶金的推进,把煤气这种化学能作为加热能源来源是一种非常奢侈的行为。化学能在冶金工厂中只能用于还原,只能用于化学过程,而所有加热过程,应该想尽一切办法用绿电来实现电加热。比如目前高炉的典型配套设施是4个热风炉,热风炉通过高炉煤气的燃烧加热蓄热室,进而加热鼓风。但是未来就要考虑用电加热煤气来进行循环。二是微波烧结预还原技术。就是通过微波来实现烧结造块矿,而不是过去的焦粉煤粉加热烧结。微波烧结成烧结矿后还有高温余热,我们设想通过氢跟氧化铁的还原吸热效应,既起到冷却的效果,又实现了烧结矿的预还原,从而提高烧结矿的金属化率,降低烧结矿进入高炉以后对高炉还原剂的消耗,实现减碳的目的。三是我们在转炉的钢包、中间包,轧钢的钢坯加热全流程推行电加热,将煤气加热炉窑变成绿色电加热炉窑。四是新型炉料技术,包括预还原炉料和碳铁复合炉料,将这些新型炉料与常规炉料一同加入高炉,可以利用金属铁的催化作用,一方面减轻高炉还原负担,另一方面改善高炉内还原动力学条件,提升炉身效率,从而来改善我们高炉的炉料条件,达到减少燃料消耗、降低CO?排放的效果。这是我们围绕着富氢碳循环高炉所做的一系列工艺创新。
 
第三,关于氢基竖炉。用氢气还原氧化铁时,其主要产物是金属铁和水蒸气,还原后的尾气对环境没有任何不利的影响,可以明显减轻对环境的负荷。使用清洁能源制取氢气,开发氢基竖炉直接还原炼铁工艺,有望实现近零碳排放的钢铁冶炼过程,是实现碳中和非常重要的路径。这是欧美钢铁同行在探讨的主流流程,中国宝武在这个方面当然也不会缺席。我们原来在湛钢规划在三高炉工程完工以后,要建设四高炉五高炉,但是去年及时叫停了高炉方案。中国宝武和广东省商议后,按照习近平总书记的要求,加快低碳冶金技术的发展力度。现在我们计划在湛钢利用高炉配套焦炉生产的焦炉煤气,第一步先实施焦炉煤气的氢基竖炉工艺建设,后面配套相应的废钢和大功率电炉,再加上薄板坯连铸,形成一个非常紧凑的短流程低碳冶金路线。未来考虑利用南海的天然气,乃至南海地区风电、光伏发电的绿氢来实现全氢的竖炉冶炼和极致的短流程工艺。
 
我们正在考虑建设绿氢全流程零碳工厂。在富氢碳循环高炉或氢基竖炉的基础上,配套上光-电-氢、风-电-氢绿色能源,形成与钢铁冶金工艺相匹配的全循环、封闭的流程,建设绿氢全流程零碳工厂。
 
第四,关于近终形制造。近终形制造技术与传统工艺相比,流程更短,生产过程更加高效,能耗及排放更低,被认为是近代钢铁工业发展中的一项重大工艺技术革新。近终形制造技术包括薄板坯连铸连轧、薄带连铸连轧、棒线材连铸连轧等技术,我们在没有新建产线的情况下,最近正在推进棒线生产线的直接轧制,重庆钢铁一条棒线产线上已经实现了直轧。中国宝武已经开发出薄带连铸连轧技术,正在新疆筹划建设一座全新的、极致短流程的薄带连铸零碳工厂。
 
第五,关于冶金资源循环利用。充分利用好含铁含碳固废、钢铁循环材料和有机生物质资源是实现钢铁绿色低碳发展的关键路径。一是充分利用厂内含铁含碳固废中的铁、碳等有价资源;二是最大限度地使用钢铁循环材料;三是有机生物质资源是碳中性物质,也是良好的煤炭替代品。比如说大比例使用钢铁循环材料,以废钢为代表的钢铁循环材料是一个非常好的载能、环保、低碳原料。在2019年开始,中国宝武大力推进转炉流程的大比例废钢冶炼技术,最低的鄂城钢铁吨钢铁水消耗达到720公斤,最高的吨钢废钢消耗可以达到300公斤。我20多年前担任炼钢厂厂长时曾经设想过,转炉中的废钢和铁水能不能1:1来冶炼,现在看来,只要我们能够在电加热、在废钢的预热以及在其他的保温技术、温降控制技术这一方面做得好,我认为废钢和铁水1:1在转炉当中是可以实现的。还有就是有机生物质的利用,中国是个农业大国,有丰富的生物质资源,要充分利用农业秸秆、园林废弃物等来提供碳中性的碳、氢资源,在减少环境及社会的危害的同时,能有效降低炼铁对化石能源的依赖。
 
第六,关于CO?回收及利用。不管采用什么技术,我认为钢铁行业还是要消耗碳,因为如果碳跟氢能够进行科学组合,无论是从热力学看还是从动力学看,都会非常有利于冶金过程。如果完全避免碳,从技术工艺角度来说并不一定是最合适的。如果考虑碳可以循环,通过循环再加入相应的能量,实现碳、CO、CO?循环及产品化利用,这应该是冶金工业当中一条比较可行的碳中和路径。宝武进行了CO?低成本高效捕获的技术探索,去年在八一钢铁COREX生产线,投产了一套每小时7万立方米的CO?分离机组,运行一年以来,效率非常高。把分离CO?后的高浓度还原煤气再回喷到COREX炉的风口和富氢碳循环试验高炉的风口,实现了降低焦比的目的,试验非常成功。另一方面就是CO?分离出来以后怎么利用?目前的考虑是在西北地区用CO?来进行驱油,CO?来制化产品等。这是我们明后年CO?利用减碳技术的重点工作。
 
将前面六个方面的技术组合在一起,就形成了中国宝武碳中和冶金技术路线图。第一张图是碳中和技术路线汇总。其一是富氢碳循环高炉工艺,从微波烧结、新型炉料到碳循环高炉,高炉出来的煤气进行CO和CO?的分离,富集的CO连同氢气回到风口循环,CO?进行利用。其二是氢基竖炉工艺,通过可再生能源发电制氢,氢基竖炉还原铁矿石再接电炉,形成氢冶金碳中和流程。这个流程当中,考虑到竖炉对球团矿的品位要求非常高,要65%以上,这对于未来钢铁炉料构成了比较大的挑战。低品位炉料通过氢基竖炉直接还原后,直接进电炉或者其他的冶金熔炉里进行渣铁分离的时候,渣量会非常大,一般的传统的电炉难以承受。是否可以通过特殊的电炉进行渣铁分离,形成铁水跟转炉进行连接,走传统的转炉、连铸、轧钢的流程。这两条主要的工艺路线加上碳资源综合利用以及电加热等,形成了中国宝武的碳中和技术路线。
 
第二张图是主要技术的减排潜力和部署时间表。要实现钢铁的碳中和,绝对不是靠一两项技术就可以实现的,可能需要多项技术的有机组合才能够达到。当然图中的减排潜力目前只是我们的研究结果,希望在今后的实践当中一步一步得到证实。富氢碳循环高炉的减碳能力我们考虑30-50%,但实际富氢碳循环高炉减碳的潜力应该比这还要高一点。这张图跟前面的那张图合在一起构成了中国宝武的碳中和冶金路线图。
 
第三部分我们的行动
 
自从2015年开始,中国宝武就开始了低碳冶金的探索。最早从冶金煤化工耦合起步,试图把冶金过程产生的煤气制成化产品,来减少CO?的排放,后面到COREX的创新,再到目前的全面展开,基本上和巴黎协定是同步的。
 
中国宝武的绿色行动分成三个部分,第一是绿色制造,整个过程是绿色的,第二生产的产品是绿色,第三是发展绿色的产业。所以从绿色制造、绿色产品和绿色产业三方面来介绍宝武的行动。
 
一是绿色制造。绿色制造当中,首先是八一钢铁的富氢碳循环试验高炉。到今年为止,富氢碳循环高炉实现了50%的富氧率。现在是半氧,同时在风口试验了用COREX分离的煤气和焦炉煤气在风口喷吹,从而实现降碳的目的。目前试验高炉已经停下来了,正在进行进一步的设计和改造,目标是在明年重新投产后,争取能够实现430立方米高炉的全氧鼓风。通过全氧鼓风,同步配套炉顶煤气的CO?分离和还原煤气电加热措施,在风口实现1100度到1200度的高温煤气喷吹,在炉身部位实现800度到900度的高温煤气喷吹。这样通过风口一层、炉身一层,实现CO循环利用。喷吹的还原煤气温度越高,减碳效果越好。现在还达不到取消氧气,只要喷了氧,那么进到高炉的氧气必然会和焦炭进行反应,产生焦炭的燃烧,导致耗碳,下一步的方向就是怎么来进一步提高喷吹的循环煤气温度。现在采用电加热的方式,未来是不是能够采用等离子等其他先进的加热手段?因为等离子加热可以实现到2500度甚至3000度上的高温,当然,还需要对风口的材料等各方面还要进行研究。在高炉煤气循环以后,加上分离出来的CO?能够进行资源化利用,富氢碳循环高炉就可以实现最大限度的减碳能力。
 
以上是我们在430立方米高炉本体上进行的试验。除了现在已经规划的全氧富氢煤气循环之外,重点考虑在高炉前面进行光电氢的工厂建设,高炉后面进行CO?的化产品资源化利用产线建设,形成一个完整的430立方米级工业化的高炉碳中和示范产线。众所周知,400立方米级的高炉已经达到工业级别,在此上获得的工业性试验结论,无论是在2000立方米级还是4000立方米级,方向应该是一致的。争取在明后年重点实现430立方米级高炉闭环循环,实验成功后,下一步准备在千立方米级的高炉进行拓展。
 
第二个绿色制造行动,是在湛江钢铁建设一个百万吨级的氢基竖炉-电炉短流程零碳工厂,这里不展开了。我们希望超级电炉较常规的电炉能够电耗降低20%以上,氢气竖炉的金属化球团加上废钢,和薄板坯连铸形成200万吨级的生产线,结合全产线超低碳技术应用,可以生产出零碳排、超低能耗绿色产品。
 
第三个行动是在新疆巴州的绿色钢铁短流程示范项目。建设一个十几平方公里的光伏电厂,由光伏电厂发绿电,进行全废钢电炉冶炼和薄带连铸轧制。目前这个工厂已经完成了规划,准备明年开工建设。那它的意义何在呢?绿色能源发电现在最大的问题是靠天吃饭负荷不稳定,光伏晚上就没有了,如果源、网、储电加上负荷能够形成一个与钢厂节奏匹配的封闭体系,那么未来冶金工程的零碳能源供给,就可以依靠自己的体系完成。未来钢铁厂对绿电的需求量将是巨大的,如果不能够实现能源的稳定自生产,那对成本的竞争力将会带来极大冲击。
 
二是绿色产品。宝武未来生产的产品必须是绿色的,当然现在钢铁产品本身已经是绿色的,但是面向未来,我们更应该在绿色方面加大工作力度。开展绿色产品设计,制造工艺创新,钢铁完全可以为社会提供强度更高、寿命更长、效能更好的产品,一方面可以减少钢铁材料本身的使用量,另一方面可以代替高碳材料,从而支撑社会实现低碳转型。宝武将来绿色产品的技术方向将会集中在高强度、高耐蚀和高效能三个方面。
 
一是更高的强度,在延伸韧性保障的前提之下,以高强度为突出特色的产品可以实现轻量化,进而实现材料减量化生产和使用,从而达到材料生产环节和使用环节双重节能、减碳的效果,降低社会交通运输能耗,以A3钢、Q235钢为代表的普碳钢系列已经太low了。宝武近年来开展了建筑行业脚手架、高速公路的护栏、混凝土搅拌车、运输渣土车的车厢板,包括集装箱等等高强减薄轻量化工作,下游减碳效果明显。
 
第二是高耐蚀,提高寿命。以高耐蚀为突出特色的产品可以提升钢铁制品的使用寿命,实现材料减量化使用和少维护或免维护,降低成本的同时,实现减碳。以前宝钢就在推行复合轧制,把不锈钢与碳钢进行复合,以此提高碳钢的耐腐蚀性能,提高寿命。还有免镀锌耐候钢等产品,比如过去光伏的支架材料应用非常广泛,但是都要涂镀。我们最近开发的免涂镀光伏支架材料,一方面可以轻量化减量20%,另一方面可以实现25年免维护,而且省了镀锌,减碳700公斤。
 
第三就是更高的效能。开发电磁性能更高、耐热温度更高产品,以高能效为突出特色的产品可以显著提升能源转换效率,助力社会能源结构转型,实现节能降碳。这20年硅钢的性能有了大幅度的提高,白鹤滩水电站也好,还是国内其他建设的大型水电站,用的都是宝武生产的高牌号硅钢产品,为整个国家的减碳作出了巨大的贡献。
 
三是绿色产业。首先要发展绿色能源产业。有自备电厂的传统钢厂都能够在成本上具有强大的竞争力,未来在绿色能源应用前提下,是不是拥有自备的绿色电厂,对钢厂来说也是至关重要?我们准备在西北地区依托西北的钢铁基地,跟地方政府进行合作,建设绿色自备电厂,从而提高这些钢厂的竞争力。在东部沿海地区,像上海市有近海风电场的规划,未来在沿海地区我们可以建设海上风电、光电乃至沿海核电,与宝武的钢铁基地进行配套。
 
另外是绿色金融产业。要利用金融手段、金融杠杆来推进绿色产业发展,宝武也要通过发展绿色金融产业,助力我们的碳中和事业发展。最近宝武成立了绿色低碳冶金创新基金,未来还要进一步加大;最近还组建了500亿规模的碳中和基金,助力宝武本身以及钢铁行业的低碳冶金发展。我们还要发展其他的绿色产业,包括绿色资源产业、绿色新材料产业、绿色智慧服务业等,这些方面都进行了布局。
 
中国宝武贯彻新发展理念,加快技术创新,坚定不移走生态化优先、绿色低碳的高质量发展道路;以绿色制造、绿色产品和绿色产业作为核心路径,率先进行低碳转型,身体力行绿色发展,并承担生态圈链主的责任,为上下游合作伙伴作出表率,引领并促进整个钢铁新生态绿色化,为人类的美好生活作出新的贡献。

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