文章亮点：
1．本文从污染与碳排放协同减排的角度出发，首先对污染物和碳的排放标准进行了分析，建议加快钢铁行业碳排放标准的制定。
2．进一步构建了中国钢铁工业污染与碳减排协同技术体系，包括①现有超低排放技术优化、②现有生产流程低碳创新、③钢铁生产流程再造和④碳捕集、利用与封存(CCUS)。
01
背景
钢铁工业在国民经济中占有重要地位，为生产提供原材料、能源和技术设备，也为人们的日常生活提供各种各样的消费品。在中国，它被认为是构建完整工业体系的重要贡献者。工业规模的钢铁生产分别于17世纪20年代和19世纪70年代在英国首次出现。1890年，美国钢铁产量超过英国，成为世界第一。1894年，美国国内生产总值(GDP)位居世界第一。苏联和日本分别在1971年和1993年成为钢铁产量最高的国家。中国多煤少油气的资源禀赋决定了中国的能源结构，以煤炭为主，2020年占一次能源结构的57%。中国从控制粗钢产量和降低能耗的角度出发，近年来钢铁行业的煤炭消费量虽然有所波动，但仍处于较高水平。煤炭燃料的大量消耗也导致大量大气污染物的排放，加剧了臭氧层的破坏，破坏了生态平衡，对环境造成了严重的危害。钢铁工业由于其高煤耗的生产特点，其烟气中的污染物和CO2具有相似的排放特性。
02
研究方法
随着烧结烟气超低排放的广泛实施，污染减排能力大大降低。传统的“浓度控制”已不能满足烟气污染深度减排的技术需求[77]，确定如何持续实现“总量控制”的目标成为当务之急。针对烧结生产中烟气排放量大、余热利用率低的问题，节能增质结合的烟气循环已成为实现烟气减排和余热利用的主要技术[78]。该技术通过提高烧结产量和减少固体燃料消耗来降低能源效率，从而减少碳排放。
在内循环技术中，可以选择高温、富氧、高浓度污染物等不同特性的波纹管进行优化。例如，日本新日铁开发了区域废气循环技术，德国HKM开发了低排放和能源优化烧结生产(LEEP)技术，奥钢联开发了环境过程优化烧结(Eposint)技术。对于这些技术，从不同的波纹管中有选择地收集一部分携带热量的烟气并返回烧结机，从而回收了烧结的一部分废热并减少了固体燃料。循环烟气中还含有NOx、CO和二恶英，可部分净化。近期，在国家重点研发计划项目“钢铁工业烟气多种污染物全流程控制关键技术”的支持下，中科院过程工程研究所与海布士集团联合开发了烧结烟气循环节能质量强化耦合技术，如图1所示。
图1：烧结烟气循环耦合能量和质量增强的工艺流程图
CO2利用技术是指通过化学和生物过程对捕获的CO2进行资源化利用。中国焦化工业产生大量焦炉煤气副产物，其主要成分为氢气、甲烷和少量一氧化碳，可通过氢气资源与CO2协同利用，制备甲醇等多种重要化学品，实现“钢化联产”的目标。此外，这种生物方法有望应用于钢铁工业的碳固存和利用。微藻碳的固存需要低浓度的CO2，可以利用炼钢过程中产生的大量废水进行培养，同时从热风炉等过程的烟气中去除CO2。由此产生的微藻产品可以通过下游工艺进一步转化为高价值产品，如油、化学品、土壤调节剂和生物肥料。CO2封存技术是指将捕获的CO2注入深部地质储层进行封存，具有巨大的还原能力。这被认为是CCUS系统实现大规模减排的主要策略。中国已经开展了不同规模的二氧化碳提高采收率和深层盐水开采示范项目。因此，中国钢铁工业的CCUS系统如图2所示。高炉工艺的碳排放比例最高，采用VPSA等吸附方法对CO2进行分离纯化。以有机胺为吸附剂，对烧结、造粒、焦炉烟气中的CO2进行吸附分离提纯。碱性钢渣可用于CO2矿化，以捕获和消除CO2。利用焦炉煤气中的高浓度CO2和H2进行化学合成。部分二氧化碳作为弱氧化剂注入转炉，用于除磷。剩余的未消耗的二氧化碳可以被地质隔离。
图2：中国钢铁工业CCUS技术系统
03
研究总结
这项研究首先证明了近年来中国钢铁工业实现了快速增长。该行业近20年的发展经历了产能扩张、重污染轻碳、降污染减碳三个阶段。目前，中国已进入第三阶段，面临着协同减排和碳排放的挑战。总结了中国钢铁行业的污染排放标准和碳排放标准，明确了排放限值的变化，提出了加快碳排放标准发布和实施的建议。随后，开发了一个减少中国钢铁工业污染和碳排放的协作技术系统，包括基于当前和未来钢铁生产过程的四项战略。其中，系统论证了CCUS技术在中国的完成程度。详细介绍了各种技术及其应用。
最后，提出了技术展望，包括5条具体建议:①绿色生产;②合理计算污染物;③节能超低排放;④适用CCUS技术;⑤减少污染和碳排放总量。相信这些技术前景将支持中国钢铁工业高质量的绿色发展。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809923001601或直接点击“阅读原文”跳转到原文网站。
论文引用：
Zhu,T.,Liu,X.,Wang,X.,He,H.Technical Development and Prospect for Collaborative Reduction of Pollution and Carbon Emissions from Iron and Steel Industry in China[J]Engineering,2023,doi:org/10.1016/j.eng.2023.02.014
图文 王倩蓉
责编 毕春玉
制作 杨东青 许秦豫
审核 田文娟 黎梦平 马新媛
双碳研究室
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