彭在美

 

　　推進碳達峰、碳中和，既是國際社會應對氣候變化的目標，也是中國2021年的重點工作任務之一。中國實現碳中和的轉型力度前所未有，鋼鐵行業作為實現碳中和目標的重點行業，面臨嚴峻挑戰。中國鋼管生產基本流程是高爐—轉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。氫冶金是一場技術革命。實現氫冶金的技術路線有兩條，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。無縫鋼管生產采用熱加工生產工藝，碳排放量較大；焊接鋼管生產工藝是冷成型，屬于低碳產品。中國無縫鋼管產量占世界無縫鋼管總產量的60%以上，從碳減排視角來看，中國鋼管行業應發展焊管高端產品，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域

 

　　2020年9月22日，習近平主席在第75屆聯合國大會上提出了中國力爭于2030年前實現二氧化碳排放達峰，努力爭取2060年前實現碳中和的目標。2020年12月12日，習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到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上。

　　世界各主要國家和地區都對實現碳中和做出了承諾：日本、韓國、加拿大、歐盟、英國宣布到2050年實現碳中和?，F任美國總統拜登在競選辯論中承諾，美國計劃在2035年前實現電力部門零碳排放，并在2050年實現凈零碳排放，同時宣布將在其第1個任期內投資2萬億美元應對氣候變化，強調通過發展風電、光伏等清潔電力實現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電、實現電力系統脫碳的“棄煤”目標高度一致，未來可能聯手合作，督促各國根據減排目標制訂煤電退出計劃，并醞釀征收碳邊境調節稅。

　　整體來看，歐盟至少需要投資3萬億歐元達成2050年碳中和目標，其中建筑、工業、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“低碳經濟”發展，德國政府采取削減增值稅、下調電價、技術創新提供補貼等措施，將未來幾年預算的23%~27%分配給低碳排放相關領域；法國政府推行產品生態評分舉措，評分將印刷在產品外包裝上，評分標準涵蓋制造過程中使用的電力清潔程度等內容；挪威政府正致力于研發CCUS技術（碳捕捉、存儲及利用技術）。在全球各主要國家都在努力實現碳中和的形勢下，碳減排成為大國之間競爭與合作的又一重要領域。

 

　　中國與發達國家在經濟環境上存在差異

 

　　中國與西方發達國家在經濟環境上存在差異。西方發達國家經過百年的工業化進程，已經實現現代化發展，碳排放量較低；而中國目前仍然是發展中國家，還處于工業化階段的后期，國內的區域經濟發展程度依舊不平衡，東南部較發達，西北部較遲緩。未來中國經濟發展的預期還比較高，2035年GDP增長預期比2020年要翻一番，到2050年可能會達到2020年的3.5倍。目前中國經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構依然是“生產型”而不是“消費型”。美國的商業和居民用電約占總量的76%，而中國僅為30%。這說明西方發達國家工業碳排放量較低，比較容易實現碳達峰；從“棄煤”角度來看，中國煤炭消費絕大部分都是在第二產業，約2/3用于資本形成（包括基建）。與發達國家相比，中國的能源電力需求還保持較高的增長，預計能源總需求達到峰值要到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”期間要嚴格控制高能耗產業的擴張，力爭高能耗產業的二氧化碳排放達到峰值；煤炭消費量盡量做到零增長；“十五五”期間石油消費達到峰值后不再增加，轉而增加天然氣消費。同時，適應煤炭消費量持續下降的態勢，需要大力發展新能源和可再生能源，滿足總能源新增加的需求。

 

　　中國鋼管行業實行深度碳減排路線圖

 

　　鋼管行業包括無縫鋼管和焊接鋼管兩大產品，其中無縫鋼管采用熱加工工藝生產，焊接鋼管采用冷加工工藝生產。無縫鋼管生產過程中的煉鐵和煉鋼環節與碳排放密切相關。2019年，全球二氧化碳排放量達330億噸，其中中國二氧化碳排放量占比36%，而中國鋼鐵行業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。鋼鐵行業是能耗高密集行業，也是制造業中碳排放量最大行業，更是推動實現碳中和目標的重點行業。鋼鐵行業中鋼管生產特別是無縫鋼管生產面臨繞不開的節能環保挑戰，需要大力推進碳減排。

 

　　中國鋼管生產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發展論壇上，有專家指出：“對溫室氣體排放、氣候變化全球戰略性問題認識存在不足”是當前的短板之一。我國鋼鐵業能源結構為：煤炭69.9%，電力26.4%，石油3.2%，天然氣0.5%。由于鋼鐵行業能源結構以煤為主，即碳冶金，二氧化碳排放量高達17.7億噸，占全國排放量的15%左右，這主要源于采用燒結、球團、焦化、煉鐵的高爐—轉爐長流程生產工藝，噸鋼碳排放強度約為2噸。而電爐短流程生產工藝（即電冶金）直接使用廢鋼冶煉，沒有煉鐵系統（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。歐美鋼鐵工業電爐鋼的產量占其鋼鐵總產量54%以上，而我國電爐鋼的產量所占比例不足15%。發展電爐短流程有利于中國鋼鐵業實現碳達峰、碳中和。

　　同時，第三屆中國電爐煉鋼科學發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、京津冀周邊和環境容量有限的地區因地制宜發展電爐鋼產業。目前制約我國電爐發展的原因：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品進口，并在稅負上給予優惠。對于電費過高問題，建議可參考德國對低碳排放企業下調電價的方式來解決。這對于提高無縫鋼管產量中的電爐鋼占比，相應降低轉爐鋼占比，達到碳達峰、碳中和目標有促進作用。建議也可以按照我國出臺的鼓勵發展電動汽車優惠政策的方式鼓勵發展電爐產業。

 

　　氫冶金工藝流程重構碳冶金工藝流程

 

　　歐鋼聯為實現碳中和目標已經提出了兩條技術路線，分別是基于過程控碳的“直接碳避免”技術和末端治理的“智能碳使用”技術，包括瑞典鋼鐵（SSAB）的HYBRT技術（氫能煉鐵技術）、蒂森克虜伯的Carbon2Chen碳捕捉技術等。目前我國一些鋼鐵企業也在嘗試非碳還原，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年碳達峰、2050年實現碳中和的碳減排目標；另一方面是加快研發二氧化碳捕集和利用技術，我國一些鋼企已在實際生產中實現利用捕集的二氧化碳向高爐或轉爐中噴吹，從而減少粉塵排放量。目前來看，國內外鋼企在碳減排技術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用副產煤氣制氫思路有重要的參考價值。

 

　　鋼企副產煤氣制氫的思路

 

　　焦爐煤氣制氫。鋼鐵企業（或煉焦廠）產生的焦爐煤氣含有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爐煤氣作為燃料。焦爐煤氣的合理利用須引起重視，應該盡可能少地將焦爐煤氣作為燃料使用。目前，焦爐煤氣變壓吸附制氫技術在裝置規模為1000立方米/小時~3000立方米/小時是成熟的，大規模制氫裝置（如10000立方米/小時級以上）尚有待進一步開發。

 

　　轉爐煤氣制氫。轉爐煉鋼系統產生的煤氣經降溫、除塵后，進入水煤氣變換裝置中，在催化劑的作用下，發生水煤氣變換反應。反應后，經冷卻、分離，獲得富含氫氣的混合氣體?；旌蠚怏w經脫硫后，采用變壓吸附制氫法，獲得高純度氫氣。轉爐煤氣成分見表2。

　　COREX煤氣制氫。熔融還原爐（COREX）以鐵礦石和煤炭為原料，在生產鐵水過程的同時，產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業。雖然氫能發展前景十分光明，但我國氫能發展方向、核心技術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，目前國內還不能制造。

 

　　實現連鑄坯熱裝、熱送和控軋，是無縫鋼管工藝流程設置優化的課題

　　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到103.4千克標準煤/噸。因此，如何實施鑄坯熱裝、熱送和控軋，提高鋼管性能和節能水平，是熱軋無縫鋼管工藝流程設置優化的課題。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屬于首創。在無縫鋼管控軋控冷方面，寶鋼煙臺鋼管廠開發出國內首套無縫鋼管在線控冷設備，實現在線控冷、淬火，提供了控軋控冷的創新思路。

 

　　從深度碳減排視角看中國鋼管發展問題

 

　　為實現低碳發展，IEA（國際能源署）提出嚴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展方向有所啟示：控制無縫鋼管增長需求，強化焊接鋼管質量升級，用高質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，全球無縫鋼管產量4260萬噸，中國無縫鋼管占比達到60%以上。為什么西方發達國家無縫鋼管產量在減少？原因在于焊接鋼管替代了一部分無縫鋼管。寶鋼曾經在2002年翻譯了美國《普林斯頓鋼管報告》，列出了美國當時有關焊接鋼管與無縫鋼管在石油專用管、管線管、標準管、機械管、結構管、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，世界多數國家和地區（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。這和鋼鐵生產基本流程有一定的聯系，歐美諸國電爐短流程產鋼量約占其總產鋼量的54%，與之對應的是焊接油井管消耗量占50%左右；中國高爐—轉爐長流程產鋼量約占總產鋼量的85%，與之對應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，這和電爐鋼生產方式很相似；而中國鋼鐵生產以高爐—轉爐長流程為主，其優勢是少規格品種、大批量，不適應油井管多規格品種、小批量的供銷模式。目前我國只有寶鋼等極少數企業自身生產板帶直供焊管廠，不僅易于品種規格協調，而且運輸費用相當于零。大多數焊管企業要調坯軋材，協調不易且價格較貴，再加上長途運輸費用，其結果是失去其在焊接鋼管價格上的優勢。西方發達國家焊管企業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%，因而占領了油井管的半壁市場。