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。
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。
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。我们把它总结为三个挑战。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。
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。比如我们刚才提到的超低排放的污染物浓度限值，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放标准都是以浓度来衡量的。
但在实际操作中，往往需要高能耗、高物耗才能实现污染物浓度的大幅下降，最终才能够达标。
但是，污染物的浓度下降总是有极限的。其实，为了改善空气质量，我们国家更需要消减的是钢铁行业巨大的排放总量。所以，在前期研究的基础上，我们中国科学院过程工程研究所团队为了治理污染，从关注烧结工序的浓度转移到关注它的气量。通过这个方法，同样能对降低污染物排放总量做出显著的贡献。
具体来说，我们做的事就是研究怎么把烧结机的烟气量降下来。传统的方式就是先把风箱的烟气统一抽出，然后使一部分烟气循环回烧结台车表面，替代一部分空气，实现循环利用，从而减少部分烟气排放。
但这个过程显然存在两个问题。一个问题是烧结作为燃烧过程，对氧气量是有要求的。如果不断地把混合后的烟气循环往复，就不能保证氧气含量。再一个问题就是混合后的烟气里面含有大量的水分、粉尘等有害组分，这个也会给烧结机的生产带来巨大的压力。所以，怎么根据烧结机不同风箱的烟气分布特征，选择性地实现循环，从而降低最终排放的烟气总量，就是我们面临的一个很现实的技术问题。
为了了解清楚这些风箱的排放特征，我们课题组这么多年大概选择了上百台的烧结机，在现场测试风箱的烟气特征。大家可以从这个图片中看出来，测试环境较为恶劣，测试人员经常面临着高空、高温、高粉尘的情况，是一个非常辛苦的工作。
经过大量的测试，我们掌握了风箱烟气的时空分布规律，如上图所示。
我们发现烧结机尾部会产生高氧、高温的烟气，而在烧结机机头的部分普遍存在不完全燃烧现象，因此会产生含有大量一氧化碳和部分氮氧化物的烟气。我们通过选择机尾的高温、高氧和机头的高污染物烟气，从而使烟气的余热得到利用。同时一氧化碳和氮氧化物等污染物在其他物料和高温的作用下又可以反应生成氮气和二氧化碳，使整个烧结机排放的污染物初始浓度有所下降。这就是烧结烟气选择性循环方案的示意图。
从这个图里面可以看到，我们使机头、机尾处风箱的烟气实现了循环，让它们回到烧结机台车中部的密封罩里，再次进入烧结过程中。同时，另一部分少量的比较干净的烟气直接通过传统的超低排放工艺处理排放。
在2018年，我们在河钢邯钢的360平米烧结机上完成了国内首台套选择性循环烟气的示范工程。这是我的同事在同一个地点坚持了4个月，拍了许多建设过程中的照片，然后将这些照片组合呈现的视频。
当然，任何技术的发展都不是一帆风顺的。我们这个首台套工程建成以后，也暴露了很多问题。其中有一个比较重要的问题给我们留下了深刻的印象。
由于我们对烧结机烟气中的粉尘理解得不够充分，同时也没有关注到烟气分配过程中烟道会有多次折返。于是在实际运行中，造成了烟气粉尘堆积在折返烟道内部。经过一段时间的边调试边运行，粉尘的堆积量就达到了近百吨。这使支撑结构产生了变形，差一点发生了严重的生产事故。
后面大家一起努力做出了一系列的改进措施，包括在工艺中加装除尘设备等，最终解决了这个问题。这给我留下了深刻的印象。一个全新的技术需要细致的思考，一个工程好不好也不只是由关键技术决定的。任何一个环节考虑不充分，都会使这个技术面临风险，都会给企业造成巨大的损失。
给大家汇报一下我们在邯钢做的首台套选择性烟气循环示范工程的运行效果。可以看到，整个效果非常好。一个是烟气量有明显的减少。
烟气量减少以后，相对应的污染物排放总量就有显著下降，大概能下降20%。吨矿的一氧化碳排放量也有所下降，固体燃耗也相应减少，烧结矿实现了增产，经济效益超过了3000万/年，而我们对360平米烧结机的投资才仅仅4000万。可以说，这个装置运行以后同时具备了优秀的经济性和污染减排能力，所以获得了很多的认可。
钢铁行业有一句话叫“世界钢铁看中国，中国钢铁看河北，河北钢铁看唐山”。河钢集团就是河北省最大的国有企业，每年的产能将近4500万吨。我们的技术在河钢的大型烧结机实现了全覆盖，河钢所有200平米以上的大型烧结机全部采用了选择性烟气循环技术。
这是河钢唐钢的实景照片。河钢唐钢也被世界钢铁协会称为“世界最清洁钢厂”，右边是邢台德龙钢铁，被称为“4A级景区钢厂”。所以我们也可以骄傲地说，如果技术发展得好，企业投资到位，钢铁冶炼也可以变得很清洁。
解决了超低排放后，我们马上就面临了新的任务。我们国家提出来“30·60”目标：力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。碳中和目标对钢铁行业来说，又是一个特别重要且压力巨大的任务。
2022年的统计数据表明，我国钢铁行业的碳排放量仅次于电力行业，钢铁行业的碳减排势在必行。
电力行业要做到减碳，可以通过用水能、太阳能、风能等清洁能源替代火电的方法，来实现大规模碳减排。目前电力行业正在积极地推进这种改革。
相对于电力行业来说，钢铁行业的碳更加复杂。钢铁行业里面用的碳，有提供热量的燃烧碳，同时又有参与到铁矿石反应的还原碳。钢铁行业的煤炭利用形式多样，单一手段的减碳面临挑战。
我们把钢铁行业的减碳分成三步，首先就是降治污之碳。我们本身是做污染物治理的，以前治污的时候不需要考虑碳排放，因为二氧化碳在中国的定位是废气而不是污染物。所以面对减排要求时，我们提出的方法就是采用高能耗、高物耗的治污技术把排放浓度降下来。但是，一旦将二氧化碳减排的需求引入，原来的高能耗、高物耗的传统减污技术就不能执行了，我们需要进行全新的技术开发。
所以在超低排放里面，我们注意到含氮氧化物的烟气的排烟温度是120℃到160℃，而对它进行选择性催化还原（SCR）脱硝反应的温度需要260℃以上，所以一般都是需要加热才能完成。这个过程就产生了巨大的能耗，增加了很多碳排放量。
但是，制造钢铁的过程本身就是一个普遍的热加工过程，所以我们如果不再将末端的SCR反应装置放在120℃到160℃的烟气排放环节，而是把它放到生产环节里面去，让它在生产环节里找到相应的温度，这样就可以极大地降低它的碳消耗。
第二步是在生产过程中固碳。燃烧碳可以通过清洁能源替代，作为还原剂那部分碳还是会产生大量二氧化碳。我们的解决思路就是，用钢铁产生的碱性废渣和二氧化碳相结合，通过矿化实现产物的高值化利用，从而固锁定之碳。
当然，最根本的一步还是对传统碳冶金技术进行进一步研发，比如现在提出来的纯氢冶炼。我们知道，传统碳冶金制造1吨钢大概要产生1.8吨的二氧化碳。但是如果用纯氢冶炼的话，二氧化碳的排放量就是零。
位于传统碳冶金技术和纯氢冶炼技术之间的是富氢气体冶炼，也就是用焦炉煤气和天然气来替代焦炭。这个技术大概能使它的碳排放量下降一半，使1吨钢产生0.9吨二氧化碳。只有低碳冶金这样减根本之碳的技术快速发展，才能更好地支持钢铁行业实现碳中和。
让我们再回到怎么样实现绿色钢铁的话题。我觉得钢铁行业的进步一直是通过技术来实现的，它的核心环节也在技术。我们通过技术使钢铁的生产、规模和效益都走向了世界首位，也通过技术在中国实现了全世界都没有实现的钢铁的超低排放，并在发展低碳技术。我们相信，未来我们可以用中国技术，给世界带来“绿色”的钢铁，给人类做出更大的贡献。也希望我们中国科学院在这个过程中能贡献自身的力量。谢谢大家。