彭在美

 

　　推進碳達(dá)峰、碳中和，既是國際社會應(yīng)對氣候變化的目標(biāo)，也是中國2021年的重點工作任務(wù)之一。中國實現(xiàn)碳中和的轉(zhuǎn)型力度前所未有，鋼鐵行業(yè)作為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重點行業(yè)，面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。中國鋼管生產(chǎn)基本流程是高爐—轉(zhuǎn)爐長流程和電爐短流程，即碳冶金與電冶金流程。電冶金比碳冶金的碳排放強度低，而氫冶金的碳排放強度更低。氫冶金是一場技術(shù)革命。實現(xiàn)氫冶金的技術(shù)路線有兩條，即“直接碳避免”和“智能碳使用”，其難點在于低成本的氫制取工藝。無縫鋼管生產(chǎn)采用熱加工生產(chǎn)工藝，碳排放量較大；焊接鋼管生產(chǎn)工藝是冷成型，屬于低碳產(chǎn)品。中國無縫鋼管產(chǎn)量占世界無縫鋼管總產(chǎn)量的60%以上，從碳減排視角來看，中國鋼管行業(yè)應(yīng)發(fā)展焊管高端產(chǎn)品，控制無縫鋼管增長速度。

 

　　碳減排成為大國競合的又一重要領(lǐng)域

 

　　2020年9月22日，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國大會上提出了中國力爭于2030年前實現(xiàn)二氧化碳排放達(dá)峰，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。2020年12月12日，習(xí)近平主席又在氣候雄心峰會上進一步明確，到2030年中國單位GDP二氧化碳排放量將比2005年下降65%左右，非化石能源占一次性能源消費比重將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達(dá)到12億千瓦以上。

　　世界各主要國家和地區(qū)都對實現(xiàn)碳中和做出了承諾：日本、韓國、加拿大、歐盟、英國宣布到2050年實現(xiàn)碳中和?，F(xiàn)任美國總統(tǒng)拜登在競選辯論中承諾，美國計劃在2035年前實現(xiàn)電力部門零碳排放，并在2050年實現(xiàn)凈零碳排放，同時宣布將在其第1個任期內(nèi)投資2萬億美元應(yīng)對氣候變化，強調(diào)通過發(fā)展風(fēng)電、光伏等清潔電力實現(xiàn)2035年前電力部門零碳排放。目前，美國政府承諾的各項計劃與歐盟終止燃煤發(fā)電、實現(xiàn)電力系統(tǒng)脫碳的“棄煤”目標(biāo)高度一致，未來可能聯(lián)手合作，督促各國根據(jù)減排目標(biāo)制訂煤電退出計劃，并醞釀?wù)魇仗歼吘痴{(diào)節(jié)稅。

　　整體來看，歐盟至少需要投資3萬億歐元達(dá)成2050年碳中和目標(biāo)，其中建筑、工業(yè)、電力和交通部門的投資占比最大。此外，各成員國也有一攬子方案來推動“低碳經(jīng)濟”發(fā)展，德國政府采取削減增值稅、下調(diào)電價、技術(shù)創(chuàng)新提供補貼等措施，將未來幾年預(yù)算的23%~27%分配給低碳排放相關(guān)領(lǐng)域；法國政府推行產(chǎn)品生態(tài)評分舉措，評分將印刷在產(chǎn)品外包裝上，評分標(biāo)準(zhǔn)涵蓋制造過程中使用的電力清潔程度等內(nèi)容；挪威政府正致力于研發(fā)CCUS技術(shù)（碳捕捉、存儲及利用技術(shù)）。在全球各主要國家都在努力實現(xiàn)碳中和的形勢下，碳減排成為大國之間競爭與合作的又一重要領(lǐng)域。

 

　　中國與發(fā)達(dá)國家在經(jīng)濟環(huán)境上存在差異

 

　　中國與西方發(fā)達(dá)國家在經(jīng)濟環(huán)境上存在差異。西方發(fā)達(dá)國家經(jīng)過百年的工業(yè)化進程，已經(jīng)實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展，碳排放量較低；而中國目前仍然是發(fā)展中國家，還處于工業(yè)化階段的后期，國內(nèi)的區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展程度依舊不平衡，東南部較發(fā)達(dá)，西北部較遲緩。未來中國經(jīng)濟發(fā)展的預(yù)期還比較高，2035年GDP增長預(yù)期比2020年要翻一番，到2050年可能會達(dá)到2020年的3.5倍。目前中國經(jīng)濟的增長主要靠基建拉動，能源需求還會增加，所以中國的能源消費結(jié)構(gòu)依然是“生產(chǎn)型”而不是“消費型”。美國的商業(yè)和居民用電約占總量的76%，而中國僅為30%。這說明西方發(fā)達(dá)國家工業(yè)碳排放量較低，比較容易實現(xiàn)碳達(dá)峰；從“棄煤”角度來看，中國煤炭消費絕大部分都是在第二產(chǎn)業(yè)，約2/3用于資本形成（包括基建）。與發(fā)達(dá)國家相比，中國的能源電力需求還保持較高的增長，預(yù)計能源總需求達(dá)到峰值要到2030年之后。屆時，我國單位GDP二氧化碳強度要比2005年下降65%以上。

　　為此，“十四五”期間要嚴(yán)格控制高能耗產(chǎn)業(yè)的擴張，力爭高能耗產(chǎn)業(yè)的二氧化碳排放達(dá)到峰值；煤炭消費量盡量做到零增長；“十五五”期間石油消費達(dá)到峰值后不再增加，轉(zhuǎn)而增加天然氣消費。同時，適應(yīng)煤炭消費量持續(xù)下降的態(tài)勢，需要大力發(fā)展新能源和可再生能源，滿足總能源新增加的需求。

 

　　中國鋼管行業(yè)實行深度碳減排路線圖

 

　　鋼管行業(yè)包括無縫鋼管和焊接鋼管兩大產(chǎn)品，其中無縫鋼管采用熱加工工藝生產(chǎn)，焊接鋼管采用冷加工工藝生產(chǎn)。無縫鋼管生產(chǎn)過程中的煉鐵和煉鋼環(huán)節(jié)與碳排放密切相關(guān)。2019年，全球二氧化碳排放量達(dá)330億噸，其中中國二氧化碳排放量占比36%，而中國鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放量約占全國二氧化碳排放總量的15%。從一次性能源消費上來看，2005年中國鋼鐵行業(yè)占到全國一次性能源消費的45%，2015年增長到53%。一次性能源消費不只是直接消耗，還包括熱力、電力等上游消耗。鋼鐵行業(yè)是能耗高密集行業(yè)，也是制造業(yè)中碳排放量最大行業(yè)，更是推動實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重點行業(yè)。鋼鐵行業(yè)中鋼管生產(chǎn)特別是無縫鋼管生產(chǎn)面臨繞不開的節(jié)能環(huán)保挑戰(zhàn)，需要大力推進碳減排。

 

　　中國鋼管生產(chǎn)基本流程中碳冶金與電冶金評判

　　在2020年12月9日召開的第三屆中國電爐煉鋼科學(xué)發(fā)展論壇上，有專家指出：“對溫室氣體排放、氣候變化全球戰(zhàn)略性問題認(rèn)識存在不足”是當(dāng)前的短板之一。我國鋼鐵業(yè)能源結(jié)構(gòu)為：煤炭69.9%，電力26.4%，石油3.2%，天然氣0.5%。由于鋼鐵行業(yè)能源結(jié)構(gòu)以煤為主，即碳冶金，二氧化碳排放量高達(dá)17.7億噸，占全國排放量的15%左右，這主要源于采用燒結(jié)、球團、焦化、煉鐵的高爐—轉(zhuǎn)爐長流程生產(chǎn)工藝，噸鋼碳排放強度約為2噸。而電爐短流程生產(chǎn)工藝（即電冶金）直接使用廢鋼冶煉，沒有煉鐵系統(tǒng)（鐵、焦、燒、球工序）的能源消耗及污染，噸鋼碳排放強度約為0.5噸。歐美鋼鐵工業(yè)電爐鋼的產(chǎn)量占其鋼鐵總產(chǎn)量54%以上，而我國電爐鋼的產(chǎn)量所占比例不足15%。發(fā)展電爐短流程有利于中國鋼鐵業(yè)實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和。

　　同時，第三屆中國電爐煉鋼科學(xué)發(fā)展論壇為無縫鋼管選擇電爐短流程指明了方向，鼓勵長三角、珠三角、京津冀周邊和環(huán)境容量有限的地區(qū)因地制宜發(fā)展電爐鋼產(chǎn)業(yè)。目前制約我國電爐發(fā)展的原因：一是廢鋼量不足，二是電能偏緊和電費過高。對于廢鋼資源問題，有專家在論壇上建議鼓勵廢鋼產(chǎn)品進口，并在稅負(fù)上給予優(yōu)惠。對于電費過高問題，建議可參考德國對低碳排放企業(yè)下調(diào)電價的方式來解決。這對于提高無縫鋼管產(chǎn)量中的電爐鋼占比，相應(yīng)降低轉(zhuǎn)爐鋼占比，達(dá)到碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)有促進作用。建議也可以按照我國出臺的鼓勵發(fā)展電動汽車優(yōu)惠政策的方式鼓勵發(fā)展電爐產(chǎn)業(yè)。

 

　　氫冶金工藝流程重構(gòu)碳冶金工藝流程

 

　　歐鋼聯(lián)為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)已經(jīng)提出了兩條技術(shù)路線，分別是基于過程控碳的“直接碳避免”技術(shù)和末端治理的“智能碳使用”技術(shù)，包括瑞典鋼鐵（SSAB）的HYBRT技術(shù)（氫能煉鐵技術(shù)）、蒂森克虜伯的Carbon2Chen碳捕捉技術(shù)等。目前我國一些鋼鐵企業(yè)也在嘗試非碳還原，一方面著手開展氫能煉鐵試驗，例如力拓將出資1000萬美元與中國寶武在低碳煉鐵項目方面開展合作，并且中國寶武已敲定2023年碳達(dá)峰、2050年實現(xiàn)碳中和的碳減排目標(biāo)；另一方面是加快研發(fā)二氧化碳捕集和利用技術(shù)，我國一些鋼企已在實際生產(chǎn)中實現(xiàn)利用捕集的二氧化碳向高爐或轉(zhuǎn)爐中噴吹，從而減少粉塵排放量。目前來看，國內(nèi)外鋼企在碳減排技術(shù)路線和實際操作方面面臨一個共同難點，就是如何低成本制取氫氣。我國專家提出的鋼鐵企業(yè)用副產(chǎn)煤氣制氫思路有重要的參考價值。

 

　　鋼企副產(chǎn)煤氣制氫的思路

 

　　焦?fàn)t煤氣制氫。鋼鐵企業(yè)（或煉焦廠）產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣含有55%~60%的氫氣，是非常好的制氫原料氣（見表1）。我國鋼廠目前主要還是用焦?fàn)t煤氣作為燃料。焦?fàn)t煤氣的合理利用須引起重視，應(yīng)該盡可能少地將焦?fàn)t煤氣作為燃料使用。目前，焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫技術(shù)在裝置規(guī)模為1000立方米/小時~3000立方米/小時是成熟的，大規(guī)模制氫裝置（如10000立方米/小時級以上）尚有待進一步開發(fā)。

 

　　轉(zhuǎn)爐煤氣制氫。轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)產(chǎn)生的煤氣經(jīng)降溫、除塵后，進入水煤氣變換裝置中，在催化劑的作用下，發(fā)生水煤氣變換反應(yīng)。反應(yīng)后，經(jīng)冷卻、分離，獲得富含氫氣的混合氣體?；旌蠚怏w經(jīng)脫硫后，采用變壓吸附制氫法，獲得高純度氫氣。轉(zhuǎn)爐煤氣成分見表2。

　　COREX煤氣制氫。熔融還原爐（COREX）以鐵礦石和煤炭為原料，在生產(chǎn)鐵水過程的同時，產(chǎn)生大量富含一氧化碳和氫氣的COREX煤氣。COREX煤氣成分見表3。

　　有專家透露，氫能源將被納入我國終端能源體系，帶動形成10萬億元級的新興產(chǎn)業(yè)。雖然氫能發(fā)展前景十分光明，但我國氫能發(fā)展方向、核心技術(shù)能力等多重難題仍然需要深入研究和探索實踐，例如輸送氫氣的鋼管尚需進口，目前國內(nèi)還不能制造。

 

　　實現(xiàn)連鑄坯熱裝、熱送和控軋，是無縫鋼管工藝流程設(shè)置優(yōu)化的課題

　　無縫鋼管一般有二次加熱工序，其能耗值比其他軋材能耗值要高一些，例如2014年熱軋無縫鋼管能耗值達(dá)到103.4千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸。因此，如何實施鑄坯熱裝、熱送和控軋，提高鋼管性能和節(jié)能水平，是熱軋無縫鋼管工藝流程設(shè)置優(yōu)化的課題。2018年，山東魯麗集團磐金鋼管制造公司在對新建成的Φ159毫米連軋管生產(chǎn)線進行工藝布置時，配有管坯熱送通道，試行了熱裝、熱送，其工藝創(chuàng)新特點是采用倍尺裝爐，管坯出爐后利用熱鋸將倍尺管坯切成單倍尺，分別供給兩條軋管線，這種工藝流程模式在全球?qū)儆谑讋?chuàng)。在無縫鋼管控軋控冷方面，寶鋼煙臺鋼管廠開發(fā)出國內(nèi)首套無縫鋼管在線控冷設(shè)備，實現(xiàn)在線控冷、淬火，提供了控軋控冷的創(chuàng)新思路。

 

　　從深度碳減排視角看中國鋼管發(fā)展問題

 

　　為實現(xiàn)低碳發(fā)展，IEA（國際能源署）提出嚴(yán)格控制鋼鐵需求增長，減少材料影響的5個杠桿——去材料化、尋找替代品、提高制造效率、延長使用壽命和有效回收。這些杠桿對中國鋼管發(fā)展方向有所啟示：控制無縫鋼管增長需求，強化焊接鋼管質(zhì)量升級，用高質(zhì)量的焊接鋼管替代一部分無縫鋼管。

　　焊接鋼管有沒有能力來替代一部分無縫鋼管？從性能來看，焊接鋼管使用原料為軋制板帶，其在軋制過程的壓縮比無縫鋼管要高很多，因此，材料的力學(xué)性能好、壁厚較小、精度較高。例如，焊管可以做到D/t＞25~30的薄壁管（D—公稱外徑，t—壁厚），減輕了重量。

　　2019年，全球無縫鋼管產(chǎn)量4260萬噸，中國無縫鋼管占比達(dá)到60%以上。為什么西方發(fā)達(dá)國家無縫鋼管產(chǎn)量在減少？原因在于焊接鋼管替代了一部分無縫鋼管。寶鋼曾經(jīng)在2002年翻譯了美國《普林斯頓鋼管報告》，列出了美國當(dāng)時有關(guān)焊接鋼管與無縫鋼管在石油專用管、管線管、標(biāo)準(zhǔn)管、機械管、結(jié)構(gòu)管、承壓管和不銹鋼管等7個方面所占比例的對照，焊接鋼管用量的比例大大超過了無縫鋼管，甚至高壓鍋爐管都用上焊接鋼管。舉一個例子，世界多數(shù)國家和地區(qū)（北美、中東、非洲、南美等）OCTG（石油專用管）年消耗量的比例中，焊接鋼管和無縫鋼管約各占50%，而在中國油井管市場主要用無縫鋼管，焊接油井管用量僅占油井管總用量的10%左右。這和鋼鐵生產(chǎn)基本流程有一定的聯(lián)系，歐美諸國電爐短流程產(chǎn)鋼量約占其總產(chǎn)鋼量的54%，與之對應(yīng)的是焊接油井管消耗量占50%左右；中國高爐—轉(zhuǎn)爐長流程產(chǎn)鋼量約占總產(chǎn)鋼量的85%，與之對應(yīng)的是焊接油井管消耗量占10%左右。油井管的消耗特點是隨各個地區(qū)油井條件不同而異，有小批量多品種的特點，這和電爐鋼生產(chǎn)方式很相似；而中國鋼鐵生產(chǎn)以高爐—轉(zhuǎn)爐長流程為主，其優(yōu)勢是少規(guī)格品種、大批量，不適應(yīng)油井管多規(guī)格品種、小批量的供銷模式。目前我國只有寶鋼等極少數(shù)企業(yè)自身生產(chǎn)板帶直供焊管廠，不僅易于品種規(guī)格協(xié)調(diào)，而且運輸費用相當(dāng)于零。大多數(shù)焊管企業(yè)要調(diào)坯軋材，協(xié)調(diào)不易且價格較貴，再加上長途運輸費用，其結(jié)果是失去其在焊接鋼管價格上的優(yōu)勢。西方發(fā)達(dá)國家焊管企業(yè)往往自身有電爐鋼配套，加上焊管價格一般比無縫鋼管便宜5%~10%，因而占領(lǐng)了油井管的半壁市場。