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王國(guó)棟 儲(chǔ)滿生 袁國(guó) 秦高梧 韓躍新 張殿華 張琦
鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳中和背景及其實(shí)現(xiàn)路徑
鋼鐵產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。我國(guó)是世界第一鋼鐵大國(guó)，2020年粗鋼產(chǎn)量達(dá)到10.65億噸，占全球粗鋼總產(chǎn)量的56%，但我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)以高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程為主，嚴(yán)重依賴煤基化石能源，是導(dǎo)致碳排放量較高的首要因素。2020年，鋼鐵產(chǎn)業(yè)二氧化碳排放量占我國(guó)碳排放總量的16%左右。有效降低二氧化碳排放強(qiáng)度和加強(qiáng)碳捕捉利用是鋼鐵產(chǎn)業(yè)亟待解決的難題，也是國(guó)家的重大戰(zhàn)略需求。因此，鋼鐵產(chǎn)業(yè)亟待研發(fā)和應(yīng)用碳中和前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低碳綠色化轉(zhuǎn)型升級(jí)。即將實(shí)施的碳稅政策更凸顯其倒逼作用，將對(duì)資源能源密集型的鋼鐵產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生直接深遠(yuǎn)的影響。
從技術(shù)層面來(lái)看，鋼鐵產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和主要包括以下幾步：
第一步，針對(duì)碳達(dá)峰和碳減排平臺(tái)階段，研發(fā)和應(yīng)用低碳冶煉與全流程低碳加工及智能制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高能效和低碳化。在工藝優(yōu)化、強(qiáng)化冶煉、余熱和二次資源高效循環(huán)利用、超低排放改造、系統(tǒng)節(jié)能、產(chǎn)品高質(zhì)化等基礎(chǔ)上，研發(fā)應(yīng)用低碳高爐、高效連鑄、鑄軋一體化、在線組織性能調(diào)控等低碳冶煉、加工新技術(shù)，同時(shí)開發(fā)全流程信息物理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高可靠性、高穩(wěn)定性全流程智能制造，最大程度地提高能源利用效率和實(shí)現(xiàn)碳減排，為碳中和奠定基礎(chǔ)。
第二步，針對(duì)鋼鐵產(chǎn)業(yè)快速降碳階段，在低碳高能效冶煉基礎(chǔ)上，研發(fā)和應(yīng)用鋼鐵-化工聯(lián)產(chǎn)技術(shù)（見圖1），增加碳匯，實(shí)現(xiàn)碳凈零排放?；谔疾都茫邪l(fā)應(yīng)用鋼鐵-化工-氫能一體化網(wǎng)絡(luò)集成CCU技術(shù)（steel-chemicals-energy networking integration，簡(jiǎn)寫為SCENWI，也稱神威CCU技術(shù)），通過(guò)鋼鐵-化工協(xié)同，為我國(guó)以高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程為主的鋼鐵產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)碳凈零排放提供最合理、最徹底的解決方案。
第三步，針對(duì)鋼鐵產(chǎn)業(yè)深度脫碳階段，在低碳高能效和鋼鐵-化工聯(lián)產(chǎn)基礎(chǔ)上，輔以氫能替代化石能源，研發(fā)應(yīng)用氫基豎爐-電爐短流程新工藝技術(shù)，在適宜區(qū)域?qū)崿F(xiàn)鋼鐵工藝流程革新和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為深脫碳或無(wú)涉碳鋼鐵生產(chǎn)提供全新途徑。
與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)目前在氫冶金、鋼鐵-化工聯(lián)產(chǎn)等碳中和前沿技術(shù)研發(fā)方面尚處于起步階段，工業(yè)化應(yīng)用較多處于空白，總體屬于“跟跑”階段。因此，碳中和冶煉極有可能成為制約我國(guó)鋼鐵工業(yè)未來(lái)發(fā)展的“卡脖子”技術(shù)。由于國(guó)外技術(shù)保密和限制，我國(guó)今后在核心技術(shù)應(yīng)用方面極易受制于人，急需加快碳中和冶金研發(fā)步伐，突破關(guān)鍵技術(shù)，打破國(guó)外技術(shù)封鎖，搶占低碳前沿陣地，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)、關(guān)鍵裝備、標(biāo)準(zhǔn)體系、研發(fā)平臺(tái)和人才隊(duì)伍的全面超越，引領(lǐng)鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳綠色化發(fā)展。
鋼鐵產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。我國(guó)是世界第一鋼鐵大國(guó)，2020年粗鋼產(chǎn)量達(dá)到10.65億噸，占全球粗鋼總產(chǎn)量的56%，但我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)以高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程為主，嚴(yán)重依賴煤基化石能源，是導(dǎo)致碳排放量較高的首要因素。2020年，鋼鐵產(chǎn)業(yè)二氧化碳排放量占我國(guó)碳排放總量的16%左右。有效降低二氧化碳排放強(qiáng)度和加強(qiáng)碳捕捉利用是鋼鐵產(chǎn)業(yè)亟待解決的難題，也是國(guó)家的重大戰(zhàn)略需求。因此，鋼鐵產(chǎn)業(yè)亟待研發(fā)和應(yīng)用碳中和前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低碳綠色化轉(zhuǎn)型升級(jí)。即將實(shí)施的碳稅政策更凸顯其倒逼作用，將對(duì)資源能源密集型的鋼鐵產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生直接深遠(yuǎn)的影響。
從技術(shù)層面來(lái)看，鋼鐵產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和主要包括以下幾步：
第一步，針對(duì)碳達(dá)峰和碳減排平臺(tái)階段，研發(fā)和應(yīng)用低碳冶煉與全流程低碳加工及智能制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高能效和低碳化。在工藝優(yōu)化、強(qiáng)化冶煉、余熱和二次資源高效循環(huán)利用、超低排放改造、系統(tǒng)節(jié)能、產(chǎn)品高質(zhì)化等基礎(chǔ)上，研發(fā)應(yīng)用低碳高爐、高效連鑄、鑄軋一體化、在線組織性能調(diào)控等低碳冶煉、加工新技術(shù)，同時(shí)開發(fā)全流程信息物理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高可靠性、高穩(wěn)定性全流程智能制造，最大程度地提高能源利用效率和實(shí)現(xiàn)碳減排，為碳中和奠定基礎(chǔ)。
第二步，針對(duì)鋼鐵產(chǎn)業(yè)快速降碳階段，在低碳高能效冶煉基礎(chǔ)上，研發(fā)和應(yīng)用鋼鐵-化工聯(lián)產(chǎn)技術(shù)（見圖1），增加碳匯，實(shí)現(xiàn)碳凈零排放?；谔疾都?，研發(fā)應(yīng)用鋼鐵-化工-氫能一體化網(wǎng)絡(luò)集成CCU技術(shù)（steel-chemicals-energy networking integration，簡(jiǎn)寫為SCENWI，也稱神威CCU技術(shù)），通過(guò)鋼鐵-化工協(xié)同，為我國(guó)以高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程為主的鋼鐵產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)碳凈零排放提供最合理、最徹底的解決方案。
第三步，針對(duì)鋼鐵產(chǎn)業(yè)深度脫碳階段，在低碳高能效和鋼鐵-化工聯(lián)產(chǎn)基礎(chǔ)上，輔以氫能替代化石能源，研發(fā)應(yīng)用氫基豎爐-電爐短流程新工藝技術(shù)，在適宜區(qū)域?qū)崿F(xiàn)鋼鐵工藝流程革新和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為深脫碳或無(wú)涉碳鋼鐵生產(chǎn)提供全新途徑。
與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)目前在氫冶金、鋼鐵-化工聯(lián)產(chǎn)等碳中和前沿技術(shù)研發(fā)方面尚處于起步階段，工業(yè)化應(yīng)用較多處于空白，總體屬于“跟跑”階段。因此，碳中和冶煉極有可能成為制約我國(guó)鋼鐵工業(yè)未來(lái)發(fā)展的“卡脖子”技術(shù)。由于國(guó)外技術(shù)保密和限制，我國(guó)今后在核心技術(shù)應(yīng)用方面極易受制于人，急需加快碳中和冶金研發(fā)步伐，突破關(guān)鍵技術(shù)，打破國(guó)外技術(shù)封鎖，搶占低碳前沿陣地，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)、關(guān)鍵裝備、標(biāo)準(zhǔn)體系、研發(fā)平臺(tái)和人才隊(duì)伍的全面超越，引領(lǐng)鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳綠色化發(fā)展。
東大的鋼鐵碳中和技術(shù)路線
在上述背景下，東北大學(xué)成立低碳鋼鐵前沿技術(shù)研究院，協(xié)同研發(fā)氫冶金、鋼鐵-化工聯(lián)產(chǎn)、跨工業(yè)系統(tǒng)智能制造等低碳關(guān)鍵共性前沿技術(shù)（見圖2），提出了CCU技術(shù)。
神威CCU技術(shù)首先解決氫能來(lái)源問(wèn)題，在鋼廠內(nèi)部副產(chǎn)煤氣制氫、化石能源制氫和石化廢氫（灰氫和藍(lán)氫）基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開發(fā)可再生能源發(fā)電、高效電解水制氫（綠氫），進(jìn)而研發(fā)富氫還原高爐煉鐵、氫基豎爐直接還原-電爐短流程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氫冶金低碳冶煉。同時(shí)，基于二氧化碳捕集利用思想，將鋼鐵生產(chǎn)的尾氣進(jìn)行高效低成本凈化、捕集、分離，得到一氧化碳和二氧化碳，作為化工產(chǎn)業(yè)的原料氣，用于合成甲酸、乙酸、乙醇及其他化工產(chǎn)品，通過(guò)鋼鐵-化工產(chǎn)業(yè)協(xié)同實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)二氧化碳凈零排放。
東大的鋼鐵碳中和關(guān)鍵技術(shù)研究
低碳冶煉技術(shù)
在國(guó)家“2011”計(jì)劃（高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升計(jì)劃）支持下，東北大學(xué)礦冶學(xué)科群以“工藝綠色化、裝備智能化、產(chǎn)品高質(zhì)化”為目標(biāo)，開展了鋼鐵全流程一體化協(xié)同創(chuàng)新，研發(fā)了一系列低碳綠色化關(guān)鍵共性技術(shù)，主要包括以下內(nèi)容：
1.選礦
難選鐵礦石懸浮磁化焙燒技術(shù)。東北大學(xué)自主研發(fā)了“預(yù)氧化-蓄熱還原-再氧化”懸浮磁化焙燒新技術(shù)，成功開發(fā)懸浮焙燒工業(yè)化裝備與高效分選系統(tǒng)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外技術(shù)空白，實(shí)現(xiàn)貧雜赤鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦石及含鐵固廢等資源高效利用，盤活國(guó)產(chǎn)鐵礦資源100億噸以上，提高難選鐵礦石回收率15個(gè)百分點(diǎn)以上，提高鐵精礦品位3個(gè)百分點(diǎn)～10個(gè)百分點(diǎn)，大幅降低采礦、冶煉工序碳排放量。
新型常溫高效鐵礦石浮選藥劑。傳統(tǒng)浮選藥劑凝固點(diǎn)高，分散性差，礦漿需加溫40攝氏度以上，能源浪費(fèi)和環(huán)境污染嚴(yán)重，開發(fā)貧雜鐵礦石常溫高效浮選藥劑體系迫在眉睫。為此，東北大學(xué)自主研發(fā)新型常溫高效鐵礦石浮選藥劑體系，根據(jù)藥劑極性基團(tuán)活性原子的電子態(tài)密度與礦物表面活性位點(diǎn)原子的電子態(tài)密度匹配關(guān)系，開發(fā)TD-Ⅱ、HBGT-135等新型浮選藥劑，解決浮選過(guò)程能耗高、效率差等問(wèn)題。
新型陶瓷介質(zhì)攪拌磨機(jī)技術(shù)。在選礦各環(huán)節(jié)中，磨礦成本占總成本的50%以上。開發(fā)新型高效綠色磨礦技術(shù)，努力降低球耗與電耗，成為礦山降本增效的重要課題。東北大學(xué)自主研發(fā)新型陶瓷介質(zhì)攪拌磨機(jī)在鞍鋼弓長(zhǎng)嶺選礦廠工業(yè)應(yīng)用，球耗成本降低55.61%以上，磨礦電耗降低50.26%，磨礦單體解離度提高11.31%，選別指標(biāo)提高0.2個(gè)百分點(diǎn)，預(yù)計(jì)年綜合經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到1600多萬(wàn)元。
2.煉鐵
低碳高爐集成技術(shù)。東北大學(xué)與多家鋼企合作研發(fā)富氫煤氣噴吹、復(fù)合鐵焦、爐頂煤氣循環(huán)-高富氧冶煉優(yōu)化匹配的低碳高爐煉鐵技術(shù)，研究結(jié)果表明噴吹焦?fàn)t煤氣137立方米/噸鐵，頂煤氣循環(huán)率為48.8%，鼓風(fēng)富氧率為71.7%，則高爐噸鐵能耗降低22.1%、碳排放降低51.8%。目前正在進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的工業(yè)化試驗(yàn)。
3.煉鋼、精煉和連鑄
轉(zhuǎn)爐高廢鋼比冶煉技術(shù)。東北大學(xué)重點(diǎn)研發(fā)氧燃法廢鋼預(yù)熱、復(fù)吹轉(zhuǎn)爐高效冶煉技術(shù)與裝備，主要特點(diǎn)有：采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)企業(yè)裝備及空間而定制設(shè)計(jì)；集成多工況燃控模型、高效氧燃槍與燃控自動(dòng)化技術(shù)；快速升溫，10分鐘加熱到800攝氏度以上；成本低，低熱值煤氣消耗200立方米/噸廢鋼～300立方米/噸廢鋼；噸鋼鐵水比降低30千克，二氧化碳減排50千克。
高效連鑄關(guān)鍵技術(shù)。東北大學(xué)自主研發(fā)形成以連鑄坯凝固末端重壓下、微合金鋼表面裂紋控制為代表的高效連鑄關(guān)鍵技術(shù)，開辟表面無(wú)缺陷、低軋制壓縮比高效生產(chǎn)高端鋼材新流程。與常規(guī)模鑄制坯相比，金屬收得率提升近15%，噸鋼節(jié)約標(biāo)煤1.32千克；實(shí)現(xiàn)微合金鋼熱裝送，噸鋼節(jié)約標(biāo)煤20千克～30千克。該技術(shù)已在中國(guó)寶武等國(guó)內(nèi)外鋼企的29條產(chǎn)線推廣應(yīng)用，獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)一等獎(jiǎng)5項(xiàng)。
電弧爐高效冶煉技術(shù)。東北大學(xué)自主開發(fā)形成電弧爐節(jié)能煉鋼、快速熔煉等全套電弧爐高效冶煉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全廢鋼電弧爐短流程低成本環(huán)境友好高效冶煉技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化；能耗降低20%以上，噸鋼碳排放降至667千克，冶煉周期縮短約40%，效率提高50%以上，運(yùn)行成本降低30%以上。該技術(shù)已在中國(guó)寶武等鋼企的多座電弧爐上推廣應(yīng)用，并在江蘇金虹公司投產(chǎn)國(guó)內(nèi)首條低成本環(huán)境友好型全廢鋼電弧爐高效熔煉短流程生產(chǎn)線，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
高品質(zhì)特殊鋼電渣重熔關(guān)鍵技術(shù)。東北大學(xué)自主研發(fā)形成以全參數(shù)過(guò)程穩(wěn)定的電渣重熔潔凈度控制為代表的高品質(zhì)特殊鋼電渣重熔關(guān)鍵技術(shù)，解決了國(guó)家重大工程和重大裝備用多種“卡脖子”材料急需。與傳統(tǒng)工藝相比，該技術(shù)能耗和碳排放降低效果顯著，已推廣應(yīng)用于60多家特鋼企業(yè)，獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)。
4.軋鋼
新一代TMCP（控制軋制和控制冷卻技術(shù)）理論技術(shù)與裝備研發(fā)及工程化。東北大學(xué)研發(fā)成功系列首臺(tái)（套）板、帶、管、型、棒、線材一體化在線組織調(diào)控核心裝備，成為我國(guó)熱軋鋼材生產(chǎn)線主力機(jī)型，覆蓋全部熱軋鋼材門類，推動(dòng)離線熱處理工藝在線化，節(jié)能降耗，提高產(chǎn)品品質(zhì)。該技術(shù)應(yīng)用至寶鋼、鞍鋼、首鋼、河鋼等90%以上大型鋼企50余條生產(chǎn)線，在鞍鋼、南鋼建成國(guó)家級(jí)示范線，年創(chuàng)效益超百億元。
薄帶連鑄硅鋼基礎(chǔ)理論與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。通過(guò)基礎(chǔ)研究、工業(yè)化技術(shù)開發(fā)，東北大學(xué)研發(fā)了獨(dú)創(chuàng)的顛覆性工業(yè)技術(shù)和超高性能產(chǎn)品，開發(fā)高磁感電工鋼薄帶鑄軋短流程工藝，目前已與敬業(yè)集團(tuán)開展產(chǎn)學(xué)研合作，開展高品鋼薄帶鑄軋產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，旨在開發(fā)生產(chǎn)領(lǐng)先的高磁感硅鋼產(chǎn)品。
5.系統(tǒng)節(jié)能
智慧化能源管控系統(tǒng)。東北大學(xué)開發(fā)能源管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鋼企能源精益化管理，為節(jié)能和碳減排提供工具，其中智能化能源管控平臺(tái)項(xiàng)目在鞍鋼鲅魚圈分公司上線運(yùn)行；煤氣預(yù)測(cè)與多介質(zhì)耦合優(yōu)化項(xiàng)目在首鋼京唐能源管控中心上線運(yùn)行；與寶信合作承擔(dān)重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，在寶鋼股份上線運(yùn)行。
全流程智能制造
鋼鐵工業(yè)屬于大型復(fù)雜流程工業(yè)，涵蓋煉鐵-煉鋼-軋制-熱處理等工序，是充分發(fā)揮場(chǎng)景優(yōu)勢(shì)與數(shù)據(jù)資源優(yōu)勢(shì)的最佳載體，也是人工智能、大數(shù)據(jù)賦能產(chǎn)業(yè)增效的最具代表性領(lǐng)域，引領(lǐng)示范作用強(qiáng)。
東北大學(xué)提出依托云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G+邊緣計(jì)算等先進(jìn)信息通信技術(shù)，以信息物理系統(tǒng)為核心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為載體的鋼鐵全流程智能制造架構(gòu)，取得了重要突破，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和高質(zhì)量、低成本、高效率改造路徑與模式，已在鞍鋼、河鋼、華菱漣鋼、建龍集團(tuán)撫順新鋼鐵實(shí)施中。
氫冶金
在我國(guó)能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中，氫能扮演著“高效低碳的二次能源、靈活智慧的能源載體、綠色清潔的工業(yè)原料”角色。綠色氫能被認(rèn)為是無(wú)碳經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵之鑰，將氫能應(yīng)用于冶金是冶金行業(yè)低碳綠色化轉(zhuǎn)型的有效途徑。一般意義上的氫冶金是指入爐還原氣含氫高于55%條件下，還原鐵礦石、球團(tuán)礦生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)DRI（直接還原鐵）的氣基豎爐直接還原。基于氫冶金的氣基豎爐-電爐短流程具有碳減排50%以上潛力，是歐洲國(guó)家和美日等先進(jìn)產(chǎn)鋼國(guó)研發(fā)的熱點(diǎn)。
為基于我國(guó)原燃料條件發(fā)展氫冶金，東北大學(xué)進(jìn)行了以下研究工作：
高品位鐵精礦制備技術(shù)。基于河北、山西、吉林、遼寧、山東、湖北、安徽多地磁鐵礦資源（大于30億噸），成功開發(fā)高品位鐵精礦（全鐵＞70.5%、二氧化硅2.0%）制備技術(shù)和設(shè)備，建成年產(chǎn)10萬(wàn)噸高品位鐵精礦示范線。
氣基豎爐專用氧化球團(tuán)制備技術(shù)。通過(guò)多地高品位鐵精礦的氧化焙燒試驗(yàn)系統(tǒng)研究，結(jié)果基于國(guó)內(nèi)鐵礦條件可生產(chǎn)冶金性能優(yōu)良的氣基豎爐專用氧化球團(tuán)。
煤制氣-富氫豎爐示范工程設(shè)計(jì)。籌建富氫豎爐-電爐短流程示范工程，已完成整個(gè)工藝系統(tǒng)和工程設(shè)計(jì)，自主開發(fā)了氣基豎爐核心裝置，形成了多項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果。
全氫氣基豎爐關(guān)鍵技術(shù)。與某大型鋼企合作，研發(fā)基于可再生能源制氫-全氫豎爐直接還原關(guān)鍵技術(shù)，包括全氫豎爐爐料、工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)、重大工藝裝備、操作優(yōu)化、安全控制技術(shù)、智能冶煉。
鋼鐵-化工聯(lián)產(chǎn)
我國(guó)將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間鋼鐵生產(chǎn)仍將以高爐-轉(zhuǎn)爐流程為主，應(yīng)在加強(qiáng)氫冶金研發(fā)的同時(shí)，重點(diǎn)發(fā)展鋼鐵-化工聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，即將鋼鐵副產(chǎn)含一氧化碳、二氧化碳尾氣進(jìn)行捕集和分離，作為合成氣提供給化工廠用作加氫催化合成燃料、塑料、肥料等化工產(chǎn)品。這樣做既減少鋼鐵生產(chǎn)的二氧化碳排放，同時(shí)為化工行業(yè)輸入原本需要消耗化石或生物質(zhì)才能獲得的碳資源。另外，由于鋼鐵系統(tǒng)副產(chǎn)氫能不足，須引入新能源行業(yè)，利用可再生能源制氫。因此，鋼鐵-化工聯(lián)產(chǎn)是通過(guò)鋼鐵、化工、氫能三大行業(yè)跨工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作和一體化網(wǎng)絡(luò)集成，在保留高爐前提下實(shí)現(xiàn)高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程最合理、最可持續(xù)的減排方式，也是通過(guò)鋼鐵-化工協(xié)同，實(shí)現(xiàn)碳排放趨零的最徹底的解決方案。
鋼鐵-化工聯(lián)產(chǎn)的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在尾氣多級(jí)協(xié)同凈化捕集分離、二氧化碳高效催化合成、大規(guī)模低成本制氫、高附加值化工產(chǎn)品制備等方面。為此，東北大學(xué)開展了以下研究工作：
尾氣高效凈化捕集技術(shù)及裝置。開發(fā)國(guó)際領(lǐng)先的一步法高爐尾氣脫硫工藝，脫硫率達(dá)99.9%，比主流技術(shù)節(jié)省20%成本，并與相關(guān)企業(yè)合作研發(fā)了世界首套多塔重回流變壓吸附裝置。
尾氣高效吸附劑。開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的離子液沸石、“分子陷阱門”材料等吸附劑，用于高效、低成本、選擇性吸附，在鋼廠尾氣、煙道氣、天然氣分離等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
二氧化碳液相催化還原制甲醇。研發(fā)銅納米顆粒催化劑和ZnZr離子交換的HTC催化劑，進(jìn)行了二氧化碳催化還原制甲醇的系統(tǒng)研究和工藝技術(shù)開發(fā)。
二氧化碳加氫合成甲烷。結(jié)合載體界面電子效應(yīng)和多組元設(shè)計(jì)，開發(fā)高活性、高選擇性稀土氧化物負(fù)載的Ni催化劑，在常壓和300攝氏度條件下獲得轉(zhuǎn)化率99%以上的選擇性。
光催化二氧化碳還原制甲醇。以太陽(yáng)光為能源，以水或氫氣為還原劑，利用Ta3N5（五氮化三鉭）、Cu2O（氧化亞銅）基高效光催化劑，常溫常壓將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇，甲醇產(chǎn)率223.2μmol/g cat.，具有綠色、環(huán)保、節(jié)能優(yōu)點(diǎn)。
二氧化碳電催化制乙烯。以綠色電能為能源，通過(guò)電催化技術(shù)將鋼鐵尾氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)橐蚁┑雀吒郊又祷瘜W(xué)品。隨著太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源轉(zhuǎn)換為電能的成本不斷降低，電化學(xué)二氧化碳還原有望在可預(yù)期的將來(lái)規(guī)模部署。重點(diǎn)研究了催化中心結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)構(gòu)筑和高活性、高選擇性、長(zhǎng)壽命氣體擴(kuò)散電極的制備。
合作研發(fā)二氧化碳微生物發(fā)酵法生產(chǎn)乙酸技術(shù)。合作單位以復(fù)合產(chǎn)乙酸菌將二氧化碳在常溫常壓條件下，加氫穩(wěn)定高效轉(zhuǎn)化乙酸高附加值產(chǎn)品，攻克生物發(fā)酵法氣體溶解度低、產(chǎn)率低、選擇性差等難題，實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)二氧化碳和氫氣利用率達(dá)98%，產(chǎn)酸菌穩(wěn)定性和選擇性遠(yuǎn)高于現(xiàn)有其他技術(shù)。
鋼鐵-化工聯(lián)產(chǎn)技術(shù)中試。目前，東北大學(xué)與某鋼企合作建設(shè)鋼鐵碳中和關(guān)鍵技術(shù)中試基地，以高爐煤氣為氣源，進(jìn)行煤氣凈化和選擇性捕集分離、二氧化碳熱催化合成甲醇、電催化制乙烯、生物催化制乙酸的中試研究，以期擇優(yōu)選定技術(shù)經(jīng)濟(jì)性合理的二氧化碳轉(zhuǎn)化利用工藝路線。
在我國(guó)全面實(shí)現(xiàn)工業(yè)化進(jìn)程中，鋼鐵產(chǎn)業(yè)仍是起重要支撐和推動(dòng)作用的支柱產(chǎn)業(yè)。針對(duì)國(guó)家“30·60”碳減排目標(biāo)，當(dāng)前鋼鐵產(chǎn)業(yè)正處于低碳綠色化和數(shù)字智能化轉(zhuǎn)型關(guān)鍵時(shí)期。為此，鋼鐵產(chǎn)業(yè)應(yīng)以節(jié)能高能效為基礎(chǔ)，重點(diǎn)發(fā)展多產(chǎn)業(yè)協(xié)同的碳捕捉利用，并輔以能源替代發(fā)展氫冶金，最終實(shí)現(xiàn)碳中和。
毋庸置疑的是，體量巨大的鋼鐵產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和是一個(gè)相當(dāng)艱巨的任務(wù)，需要集聚全社會(huì)的優(yōu)勢(shì)力量，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研用深度融合、多行業(yè)協(xié)同和多學(xué)科交叉，構(gòu)建以“基礎(chǔ)-研發(fā)-工程-應(yīng)用”為框架的鋼鐵行業(yè)科技創(chuàng)新完整全鏈條，以點(diǎn)帶面實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵共性技術(shù)重大突破，最終形成在鋼鐵-化工-新能源-建材-高端裝備制造等組成的新產(chǎn)業(yè)鏈中起到重要中樞節(jié)點(diǎn)功能的全新鋼鐵產(chǎn)業(yè)。
