792｜朱廷钰：“绿色”钢铁是怎么炼成的｜中国科学院过程工程所｜格致SELF

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朱廷钰：“绿色”钢铁是怎么炼成的，一个产业的减污降碳之路

朱廷钰，中国科学院过程工程研究所研究员，兼任大气污染物与温室气体协同控制国家工程研究中心副主任。长期从事工业烟气减污降碳技术与应用研究，基于源头-过程-末端的全过程控制理念，构建了钢铁行业多工序多污染物超低排放技术体系，提出了烟气减污降碳协同控制系统解决方案，完成了百余台套工程产业化推广应用。发表论文130余篇，授权发明专利100余项，其中国际专利20余项，主持编制国家标准2项。研究成果先后入选2019年、2022年度“中国生态环境十大科技进展”，获国家科学技术进步二等奖、环境保护科学技术一等奖等。

污染物的浓度下降总是有极限的，为了改善空气质量，我们国家更需要消减，钢铁行业巨大的排放总量。

朱廷钰 · 中国科学院过程工程所研究员
格致论道第99期 | 2023年7月29日 北京

大家好，我是朱廷钰，来自中国科学院过程工程研究所。今天非常高兴能有机会跟大家分享《“绿色”钢铁是怎么炼成的》。

我是一个地地道道的山西人，山西煤炭资源非常丰富。我们家乡临汾就有煤矿，也有钢铁厂，就在我家门口。小时候每次路过临汾钢铁厂，看见厂里面高高的烟囱、巨大的厂房，我的内心都充满了羡慕和骄傲。因为在那个时候，钢铁厂就意味着就业，它是改善经济的希望。

钢铁在我们的生活中无处不在。不光是我们的日常生活，社会发展、国防建设都离不开钢铁。我们把钢铁形容为工业的粮食、国防的基础，足以看出钢铁的重要性。

我给大家回顾一下中国粗钢产量的发展历程。在1949年的时候，我们国家的粗钢产量仅有15.65万吨，产量非常低。到了1958年产量首次突破1000万吨，到1996年我们的粗钢产量超过了1亿吨。从那个时候开始，世界钢铁的生产中心就从日本转移到了中国，到今天中国仍保持着这个世界地位。2020年我国粗钢年产量首次突破了10亿吨，占到了全世界钢铁产量的50%以上。

但是，钢铁产业的快速发展带来了严重的环境问题。在相当长的一段时间里，人们一提起钢铁就会联想到高污染，好多钢铁厂也被迫从大城市迁往周边地区，北京的首钢就从石景山搬到了唐山的曹妃甸。同时，很多因钢而兴的钢城在发展过程中都暴露出了一系列问题。

钢铁给环境带来了巨大的压力。这是2013年的统计数据。从图里大家也可以清晰地看到，钢铁行业排放的烟气量和污染物总量仅次于电力行业，污染非常严重。

钢铁行业超低排放的三大挑战

为什么给大家展示2013年的数据呢？因为从2014年开始，我国的火电行业率先提出了一个全新的概念，叫作“超低排放”。从字面意义上，可以理解为相较于国外先进的低排放来说更低的排放。

电力行业为什么要实施超低排放？因为空气污染给国家的发展带来了很多问题，我们急需改善空气质量。而空气质量的改善，需要更进一步减排污染物。

火电行业的污染物排放量巨大，也受到了很多的管控。因此，火电行业就提出，如果燃煤发电能做到和天然气等清洁能源发电的污染物排放量一样低，不就可以改善自身发展状况了吗？

在这个大背景下，火电行业2014年提出超低排放，到2017年超低排放已经取得了巨大成功，火电行业产生的二氧化硫、氮氧化物、颗粒物这三种烟气中的污染物都实现了大幅度下降。

火电行业的污染物大幅度下降，钢铁行业污染物排放总量大的问题就凸显出来。所以国家在2018年、2019年连续两届《政府工作报告》中分别提出来要推动、加快钢铁行业超低排放改造。

我们具体看一下钢铁行业的超低排放是什么。

这是2019年钢铁行业超低排放限值，与2012年钢铁行业特别排放限值的比较图。从这些数值里面可以看到，钢铁行业的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物要从2012年的每立方米40毫克、180毫克、300毫克速地调整为每立方10毫克、35毫克和50毫克。这是一个巨大的变化。

与火电行业相比，钢铁行业实现超低排放的挑战更为艰巨。我们把它总结为3个挑战。

第一个挑战来源于钢铁行业和火电行业流程的不同。我们知道，火电行业主要靠锅炉和烟囱，但是钢铁行业的生产是一个多工序、长流程的工业过程。从上图可以看到，钢铁制造流程的铁前部分包括烧结、球团、焦化等，接着还包括高炉的炼铁、转炉的炼钢以及后面的轧钢环节。这里面每一个工序排放的烟气和污染物种类都是不一样的，显然要比火电行业更复杂。

第二个挑战来源于钢铁行业改革的目标时间节点。从提出超低排放，到2017年开始研究超低排放，再到2019年生态环境部形成超低排放的指导意见，钢铁行业在2020年底就要完成包括京津冀在内重点区域60%的产能改造。这个时间太紧张了。

我们都知道，一个新技术的研发需要很多个环节，要经历实验室小试、中试，还要完成示范工程，示范工程突破以后再完成产业化工作。那我们钢铁行业的改造，要在这么短的时间内面对着这么多工序和技术需求，显然存在着时间紧、任务重的问题。除此之外，我们还要做到科研范式的一系列的改革。

第三个挑战来源于钢铁行业的市场环境。在火电行业刚开始推行超低排放时，国家给予了很多优惠。一个是火电行业的环境监管非常完备，另一个就是在财税上面明确地支持了超低排放，给这个行业补贴了电价。但是钢铁行业没有这些支持，钢铁行业的环境监管也异常复杂。前面提到钢铁制造有很多工序，工序不同，超低排放的执行标准也都不太一样。同时钢铁行业的经济补贴不够到位。重点区域内的钢铁企业实现了超低排放，非重点区域的钢铁企业又不实行超低排放，它们又要在同一个市场里面竞价。所以钢铁超低排放的市场环境非常不理想。

破题钢铁超低排放

那么，钢铁超低排放在技术上究竟要如何破题？

我们是这样理解的。首先我们需要了解钢铁行业的各种污染分别来自哪些工序，然后再去思考怎么样去减少污染。

我们对各个工序污染物的占比进行了总结和比较。从这个图中可以非常清晰地看到，钢铁行业烧结工序排放的二氧化硫、氮氧化物、颗粒物分别占到钢铁行业污染物总量的67%、51%和35%，所以烧结工序是实现超低排放的“卡脖子”环节。钢铁行业的大气污染物要得到有效控制，首先要减少烧结工序排放的污染物。

我先简单介绍一下钢铁的烧结过程。我们需要把烧结原料，包括焦炭粉、铁矿粉、石灰石等全部铺在烧结机台车表面。生产时，首先点火，通过下面的引风机把排放的烟气抽出来，从而使烧结矿逐渐地从上到下燃烧，所以烧结机也被称为一个开放的炉窑。在这个过程中，台车一直在缓慢移动，烟气不断地通过下面的多个不同风箱被全部抽出。

以一个360平米的烧结机为例，它的长度大概有将近100米，风箱大概有20多个。这里面每个风箱的温度、烟气量和污染物浓度都是不一样的，这一点和电力行业有明显的区别。

传统的做法是把这些排放物全部抽出来，360平米的烧结机排放的烟气就能超过每小时100万立方米这么大的量。如果按传统的工艺除尘、脱硫、脱硝，将带来沉重的经济压力。

此外，我国的污染治理，包括现在的环保标准都是以浓度为衡量标准的，国家和行业都希望我们排放的污染物浓度越来越低。

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