近年来，绿色低碳发展理念已经深入各个钢铁企业，甚至已经内化为中国钢铁企业和中国钢铁人的基本理念。为促进钢铁行业绿色低碳高质量发展，《世界金属导报》记者特别采访了中冶长天国际工程有限责任公司（简称：中冶长天）总工程师叶恒棣。
一、 钢铁冶金绿色发展任重道远
叶恒棣表示，目前我国钢铁工业主要以长流程为主，而且相当长一段时间将维持这一局面，这是由我国经济发展阶段和资源禀赋决定的。不可否认，长流程钢铁冶金碳污排放量大，每生产1吨粗钢，会产生超过16吨碳污副产物，其中CO2达1.8吨。
钢铁冶金流程碳污排放与治理的重点和难点主要体现在以下几个方面：
第一，从工序碳污排放量及环境负荷角度来分析，钢铁冶金流程碳污排放量控制的重点和难点在于铁前工序。其中烧结工序的碳污副产物排放量最大，环境负荷占钢铁冶金流程总环境负荷的39%左右。高炉工序碳排放量最大，占全流程50%以上。
第二，从碳污排放治理的角度来分析，钢铁冶金流程碳污治理的重点和难点在于多污染物废气治理。多污染物废气质量占污染物排放副产物总量的80%以上，而且组分复杂、参数波动大、治理难度大。
第三，从资源循环利用的角度来分析，钢铁冶金流程副产物资源循环利用的重点与难点在于固废。固废可分为渣类固废、尘泥类固废及杂物类固废。渣类固废的组分主要为Ca和Si，一般与建材行业协同处置利用。尘泥类固废及杂物类固废中含有大量的有价元素，如Fe、C、H等，但也富集了不能在冶金流程中循环利用的K、Na、Zn、S、Cl及高挥发性有机物等污染物，综合资源化利用难度大。
第四，从碳达峰碳中和的角度来分析，钢铁流程碳排放量大、排放点分散、排放浓度普遍偏低、排放烟气组分复杂等导致了捕集成本高、难度大。另外，捕集的碳利用途径不明晰。要实现碳中和目标，需要从能源替代、工艺创新、流程再造、产业升级等各方面下功夫。这是一项长期、艰巨的任务。
近年来，钢铁行业科技人员及管理者做出了巨大努力，在环保技术及环境质量方面取得了举世瞩目的进步，但钢铁工业真正的高质量绿色发展仍任重道远。
叶恒棣强调：“要坚持从国情出发，精准把脉，坚持问题导向，从理论创新到技术创新，探索中国特色绿色钢铁冶金发展之路。”
二、倡导“质能减量及循环利用”核心理念，用全方位、全过程、全生命周期系统思维指导钢铁冶金绿色发展
钢铁冶金流程是一个以铁素流为主的物质流在以碳素流为主的能量流推动下，不断发生物理化学反应，不断与外界进行物质、能量交换及转换的动态平衡耗散结构。“中冶长天研发团队在开展低碳绿色冶金工程技术研发工作的过程中，经过多年探索实践，提出了钢铁冶金流程‘质能减量及循环利用’理念。”叶恒棣在谈及碳污治理指导思想这一话题时表示。随后，就其内涵进行了阐述。
（一）从质能流全方位优化控制，减少排放对环境的影响
从质能流角度分析，作为主流工艺的长流程可以认为是围绕铁素流的“碳-氧”体系。铁矿石是提供铁元素的基础物质，但同时带进K、Na、Pb、Zn、Cl、Si、S等杂质。碳素流中碳既有能源属性，即与氧发生反应，为冶金反应提供高温环境；也有物质属性，即作为还原剂，把铁矿石中的铁从氧化物还原为金属铁；同时也是钢的原料。碳素流中也会带入S、N、Hg、Cl及高挥发性有机物等杂质。我们不但要关注形成目标产物（钢铁产品）的质能流，也要关注非目标产物（副产物）的质能流，从质能流的品质、相态、数量等全方位进行优化控制，减少碳污副产物排放总量。
首先，要重视质能流品质优化控制。用先进技术手段提升铁素流、碳素流的品位，如复杂低品位铁矿选矿技术、燃料精确制备技术。
同时，要重视清洁能、质替代的研究工作。用生物质能源、（富）氢能源、绿电替代化石能源，用氢还原（或氢碳复合）代替碳还原等。
其次，不能忽视系统质能交换过程输入的质能优化控制。不但要重视流程源头质能流优化控制，还要重视流程中系统内外质能交换时输入的质能优化控制。如末端碳污副产物治理过程中输入的质能流优化控制，即治污质能流要与冶金主质能流相协同，治污加入的质能流尽量被冶金主流程消纳利用，减少二次碳污副产物的产生。
（二）从质能流转换全过程优化控制，提高转换效能，减少排放的影响
钢铁冶金流程是由相互衔接、相互影响的反应场集群有序组成的流程系统。
首先，要优化工艺流程。宏观流程层面要强化层流理论的指导作用，工序层面要强化质能流循环利用（如烟气循环），技术层面要强化数字化信息化技术的赋能作用。
同时，要提高反应场质能转换效率。钢铁冶金反应过程往往是多介质高温物理化学反应过程，通过调整反应场反应物界面特征，改善反应场动力学条件，强化质能传递效率。
其次，要高度重视系统质能耗散控制。研究系统与环境界面质能耗散的规律，减少系统向环境质能逸散；研究工序界面衔接质能转换与利用规律；开发提高质能效率的界面技术；提高工艺装备的性能，减少跑冒滴漏造成的有组织或无组织质能耗散。
（三）从质能流生命周期优化控制，减少碳污排放对社会的影响
要从产品全生命周期的视角来审视碳污排放对人类社会的影响。产品评价将由“性价比”向“性价绿比”转变，建立生命周期的环境负荷及碳足迹评价体系。
对于钢铁冶金系统不可避免地向系统外排放的副产物，要尽量就近循环利用，建立基于主流程质能耦合的多污染气-液-固副产物定向分离循环利用技术体系。
对于确实不能在本系统循环利用的部分物质，要建立起跨领域资源化利用途径，如“钢-建”协同、“钢-化”协同等跨领域资源化利用。
总之，“质能减量循环利用”意味着从质能流的全方位、全过程、全生命周期优化控制，减少资源消耗总量和碳污排放总量，实现低碳绿色钢铁冶金生产的目标。
三、建立能质优化、系统循环烧结工艺及装备技术体系，解决钢铁流程多污染物排放量大的行业难题
叶恒棣在专访中提到，首先，要从环境负荷最大的烧结工序入手，减少污染物排放总量。烧结工序能源结构主要使用固定碳，中冶长天研发团队开发了在线智能检测装备、气流筛分设备等，形成了固体燃料粒度定尺度精确制备技术，把燃料粒度精准控制在0.5-3毫米，提高了能效。此外，开展了富氢燃料代替固定碳的研究工作，开发了分层供热低碳富氢烧结技术，实现了烧结工序的能源低碳化、焙烧均热化、产品高质化与过程清洁化。在烧结过程控制方面，研究了烧结成矿及冷却气-固场微观传热-换热行为，开发了强力混合机、烧结机密封控制技术和新型液密封环冷机，提高了烧结料层透气性和烧结机、环冷机密封效果，烧结机漏风率从40%-50%下降到低于20%，环冷机漏风率从35%下降到5%，大幅减少了空气消耗量及电耗；开发了烧结烟气与冷却烟气协同循环和余热高效利用技术，减少了外排烟气总量，大幅提高了余热利用率。
这些技术的集成应用，使烧结工序能耗、烟气总量大幅下降近50%。结合国内优秀钢企的精心管理和营运经验，创造了稳定运行时烧结工序能耗值达到38-39kgce/t的优良纪录，甚至短时间达到了35kgce/t，居国际领先水平。“三年前，我提出来把35kgce/t的烧结工序能耗值作为奋斗目标，没想到这么快见到了曙光，未来要努力使35kgce/t指标稳定下来，并加强绿能替代、极致能效烧结技术研发，向能耗更低目标奋斗。”叶恒棣备受鼓舞地说到。
四、研发了与钢铁流程质能流相协同的碳基法烟气深度净化技术，攻克了冶炼多污染物烟气低碳低成本协同治理的世界难题
针对多污染物冶炼烟气深度净化资源化程度低，甚至可能产生二次污染的问题，叶恒棣提出了治污质能流与冶金流程质能流相协同的理论观点。基于活性炭对SO2、NOx、HCl、二噁英、粉尘的吸附强度差异规律，建立了侧向分层吸附-低温选择还原-催化热解的多污染物协同治理理论方法，研发了双级活性炭法多污染物烟气深度净化技术。研制了侧向分层错流吸附塔，实现了SO2吸附热快速排出，不同污染物分层高效吸附，解决了活性炭吸附热积聚及HCl在装置中富集等不安全隐患问题，提高了多污染物协同治理效率。研制了整体流吸附塔，寿命长，提高了二噁英催化热解效果和SO2解吸效率，为SO2资源化利用创造了条件。运行过程中产生的活性炭粉末在钢铁流程中作为燃料使用，SO2制备成硫酸或焦亚硫酸钠在钢铁流程（焦化或轧钢）中循环使用或外卖。该技术已广泛应用于宝钢等大型钢铁企业，完全达到超低排放目标。虽然一次性投资较高，但综合性价比良好，解决了冶炼烟气低碳低成本资源化治理的世界难题，整体技术水平国际领先。
钢铁烧结烟气中存在4000-10000mg/Nm3的CO，这种硫水条件下的低浓度CO资源化利用是另一个世界性难题。中冶长天团队率先提出了低浓度CO催化氧化释热耦合SCR技术思路。目前正在进行半工业性试验，有望取得技术突破。
五、发明了耦合钢铁流程质能流的固废组分定向分离循环利用技术，破解了钢铁冶金流程复杂固废资源化利用技术瓶颈
冶金流程产生的复杂固废包括有机、高锌、高盐固废等，其富含的有价元素丰富，但毒害元素复杂，资源循环利用面临重大技术瓶颈。叶恒棣又提出了耦合冶金质能流的组分定向分离循环利用的理论观点，开发了调控复杂固废中多介质反应界面特征，强化质能传递的高效组分分离技术方法。
对于有机类固废，发明了有机固废热解-焚烧法制备冶金原/燃料技术及装备，把有机物固废挥发分等有害元素热解并焚烧，将固定碳及其他有价元素尽量保留在钢铁流程中循环利用，大幅度降低处置成本。该技术在宝钢4万吨有机固废资源化生产线上稳定运行，其中2万吨产能处置宝钢自产有机固废，2万吨产能处置社会有机废弃物，热解渣中铁、碳返回烧结工序消纳利用，运行良好，得到高度认可。
高锌尘泥处置利用一般采用转底炉法或回转窑法，但转底炉法投资和运行成本高，回转窑法易于结圈且回收的锌粉品位低。对此，中冶长天研发团队通过研究含锌粉尘颗粒度、还原温度场、气氛场对脱锌、金属化率、结圈的影响规律，开发了复合造粒-多场可控回转窑法低温快速还原技术，研制了扰动制粒机、分布式多喷孔回转窑、干式冷却余热利用冷却机等装备和多维温度场测控技术，解决了回转窑产品价值低、作业率低等老大难问题，开拓了低成本高锌固废资源化技术路径。目前，该技术装备已在山东永锋钢铁、湖南诚钰环保公司进行了工业试验和应用，效果良好，投资成本、运行成本和能耗水平相较转底炉法和传统回转窑法均大幅下降。
对于高盐固废，中冶长天研发团队研究了酸碱度对多金属及其化合物浸出及沉淀规律，开发了多金属固-液废物协同资源化利用技术。通过调控PH值分级浸出，实现了铁-铊-盐高效定向分离，含铁渣返冶金流程循环利用，铊富集在其他领域资源化利用，除铊后高纯钾盐作为化工原料。该技术已在安阳钢铁、湛江钢铁投入运行。
叶恒棣介绍到，“通过以上几项技术的应用，钢铁流程物质流、能量流带进来的元素基本上实现资源化利用。在‘质能减量及循环利用’理念指导下，为资源高效利用、环境友好的钢铁工业清洁生产做出了贡献。”
六、构建基于冶金流程质能耦合的碳链循环技术体系，推动钢铁冶金由围绕铁素体的“碳-氧”体系向“氢-碳-氧”体系转变，为碳中和做出贡献
叶恒棣分析到，“就我国国情分析，长流程在相当一段时间还是会存在的。但随着经济结构转变，对钢材需求总量下降，废钢产出量提升，特别是‘双碳’战略的推进，钢铁行业会从极致能效长流程向电氢短流程转变，这是一个循序渐进的过程。在这个过程中，新能源、新工艺、新流程、新装备将得到广泛应用，作为负碳技术的CCUS也将承担起重要使命。”他认为，在这个新的“双碳”愿景下，“质能减量及循环利用”理念仍有指导意义，并提出了构建基于钢铁流程质能耦合的碳链循环技术思路。
针对钢铁长流程碳捕集成本高、难度大的问题，他表示，首先要利用富氢、富氧、极致能效等措施降低碳的使用。同时，针对长流程碳排放的特点，开发低成本碳捕集技术。一是通过钢铁冶金流程的质能优化及循环，提升CO2排放浓度。如石灰窑工序的CO2排放富集技术、烧结工序烟气循环CO2富集技术。其他工序利用富氧或纯氧大幅度提高CO2的浓度。CO2排放浓度的提高，可显著减少捕集成本。二是降低捕集解吸能耗。目前碳捕集大部分采用吸附法，吸附法CO2的解吸需要大量低温热源，而冶金流程有大量低温余热没有得到充分利用，刚好可以用来作为CO2解吸能源，大幅降低成本。此外，如CO2排放浓度富集到一定水平，用冷凝压缩法来捕集CO2，成本也要低一些。总的来说，解决低成本CO2捕集问题，要攻克的关键技术包括CO2富集排放技术、抗干扰CO2吸附剂制备技术、低温余热耦合利用技术。捕集后的CO2可以用于炼钢，协同固废固碳或者油田驱油，但利用量都不大，还需加强研发，为CO2的利用拓宽新的路径。
随着长流程占比降低，短流程占比会越来越高，基于碳、氢还原的各自特性和我国的资源禀赋，氢-碳复合还原也许是性价比最好、最有竞争力的炼铁工艺。中冶长天团队根据在未来相当长一段时间内，可能存在极致能效长流程与氢-电短流程耦合运行的预测，建立了长-短流程耦合运行氢-碳平衡模型，发现在长-短流程比越过临界点后，CO2在钢铁流程中将会具有循环利用的价值。据此，提出了钢铁流程中CO2转化循环利用构想，推动钢铁冶金由围绕铁素流的“碳-氧”体系向“氢-碳-氧”体系发展。其中要攻克的关键技术包括中低温条件下CO2转化利用催化剂及转化装置的开发；高温条件下CO2捕集转化双功能催化剂及转化装置的开发。他相信，这个设想未来在钢铁行业是可以实现的。
“通过研究与实践，形成具有我国自身特色且具有竞争力的低碳绿色冶金技术，是我们冶金行业所有工程技术人员追求的目标。”叶恒棣坚定地说，“我们长天团队将与国内高校、钢企合作，在技术创新的路上努力奔跑，奋力追梦，以持续不断的科技创新为行业绿色低碳高质量发展奉献一份光和热。”
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