前沿｜关于在钢铁企业中实施“以化固碳钢化联产低碳冶金”几个前沿技术问题的思考

中国工程院院士王国栋（前排左1）自始至终参加会议并对给予高度评价

学术交流通知

应王国栋院士和低碳钢铁前沿技术研究院邀请，知名钢铁化工联产专家石书军（微信公众号：武安君）先生，将于9月20日莅临东北大学，做学术报告，并进行技术交流，主题是钢铁生产尾气中的CO和CO2转化合成制备化工产品，实现钢铁、化工产业低碳协同发展。欢迎从事钢铁化工联产相关研究的老师和同学踊跃参加。
报告题目： 1、关于在钢铁企业中实施“以化固碳钢化联产低碳冶金” 几个前沿技术问题的思考
报告人：石书军
2、钢化联产：气体分离技术应用现状及展望

报告人：北大先锋李延奎

报告时间：2020年9月20日上午9:00-11:30 报告地点：RAL实验室411会议室

东北大学低碳钢铁前沿技术研究院 2020年9月16日

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报告人｜石书军
编辑｜武安君

关于在钢铁企业中实施“以化固碳钢化联产低碳冶金”几个前沿技术问题的思考
石书军

尊敬的王国栋院士、储满生院长，秦高梧院长、各位专家教授、老师们：

大家上午好！

刚才王院士、储院长介绍说，我是钢化联产专家。说实话，我真的称不上是什么专家。准确的说，我就是一位来自基层的、对于钢化联产这样一个全新课题的一个思考者、呐喊者、宣传者、推动者，就是这么一个角色定位。
我非常感谢王国栋院士、储满生院长的邀请，非常珍视东北大学低碳钢铁前沿技术研究院给我的这次宝贵的学习机会。在东北大学这座神圣的知识殿堂，面对这么多行业顶尖的专家教授，心情既非常激动又忐忑不安。于是，我想起了唐朝朱庆馀的一首诗：
近试上张水部 洞房昨夜停红烛，待晓堂前拜舅姑。
妆罢低声问夫婿，画眉深浅入时无？

这首诗最能表达此时此刻我的心情。

好了， 先简单地自我介绍一下。1998年，因辖区内钢铁企业解困需要，我开始接触并关注钢化联产课题。通过广泛调研，1999年2月23日，我在《邯郸日报.理论版》发表了首篇有关钢化联产内容的理论文章。从此，我与钢化联产结下不解之缘，钢化联产也因此成为我的梦想。20多年来，持续关注、见证了国内钢化联产的发展变迁，并发表了30多篇有关钢化联产的信息类的文章。

下面，我把这些年来，我对钢化联产的理解、困惑、思考，以及我掌握有关钢化联产方面的信息，向大家汇报一下，请各位教师批评指正。

一、钢铁企业“以化固碳 钢化联产 低碳冶金 ” 现状：
1、钢化联产能化共轨产品的几条路径。

甲醇。 回顾20多年的历史，国内最早将钢化联产付诸实际的要数达州钢铁。
2007年，四川 达钢钢铁江善明等利用焦炉气+天然气和焦炉气+转炉煤气生产年产30万吨甲醇项目取得巨大成功，一举成为国内钢铁企业第一个敢于吃螃蟹之人。这一填补国内空白的发明，让达钢一举拿到国家部委5000万元的节能财政资金奖励。
达州钢铁联合西南化工研究院天一科技公司 开展了以焦炉煤气和转炉煤气为原料制甲醇产品的联合技术研究。他们首先将低热值高炉煤气、转炉煤气、驰放气解吸气置换出高热值优质的焦炉煤气。然后， 对整个集团公司燃气系统采用完全独立的燃烧技术进行了彻底的改造，对各种气源根据其气质特点进行了重新调配，开发了用焦炉气和转炉气为原料合成甲醇新技术。 他们所开发的甲醇产品与纯焦炉气为原料的甲醇产品相比，由于配加了转炉气，原料结构更为合理，更具有成本优势，每吨可降低成本约150元/吨。低成本甲醇产品的开发使钢铁联合企业碳素流价值得到全面提升，实现了CO2的本质减排，其年减排量折算标煤达14万吨。 2011年11月，黑龙江建龙钢铁年产20万吨甲醇项目投产，之后国内一批钢铁产业链上的企业新上了不同规模的甲醇装置。
建龙集团的张志祥还真是最早看到钢化联产前途的钢铁大佬，2011年就上了甲醇项目，去年听到消息他们要成立钢化联产研究院，后来我们看到结果是：建龙集团与中化赛鼎合作成立了类似于研究院的组织；立恒钢铁张天福，学历不高，刚刚投产了30万吨的乙二醇；石横特钢的张武宗2017年的时候新上了甲酸项目。
一个很有趣的现象是：最早看到钢化联产商机的三个钢铁企业的大佬都姓张。 小苏打、甲酸 及 乙二醇。 2014年4月16日，新兴际华属下国内碳酸氢钠原料药龙头企业北京凌云制药迁入武安市，利用新兴铸管石灰窑尾气排放的CO2，建设了年产6万吨 碳酸氢钠原料药生产基地，此举实现了真正意义上的以化固碳。
2018年4月， 国内第一个转炉煤气制甲酸项目联产草酸项目——山东石横特钢所属的阿斯德化工年产20万吨甲酸、5万吨草酸等顺利投产。

2020年8月，山西立恒钢铁年产30万吨乙二醇联产LNG项目投产。

与此同时，国内钢铁产业链上焦炉煤气制乙醇联产LNG、制乙二醇项目陆续投产。

市场经济条件下，低成本永远都是王道。

不久前，也就是月初吧，立恒钢铁的乙二醇投产。根据我们的测算，立恒钢铁的乙二醇成本应该是3000多。而现在的乙二醇的市场价是3500—3600元。这个时候投产的立恒钢铁乙二醇项目可以说是不赔。放眼望去，我们国家的煤化工制乙二醇，可以说是哀鸿遍野了，因为他们的乙二醇成本是5000元。立恒钢铁立项动工上乙二醇的时候，市场价是7000—8000元，一年多下来，整个市场价已经腰斩。造成乙二醇市场这么一个状况的，主要是国际油价和页岩气等多种原因。好在这两天，乙二醇价格又稍稍地涨起来了。 乙醇。 发酵法河北首朗4.5万吨项目建成之后，工业尾气生物发酵法制乙醇项目在宁夏等地陆续布局并投产。
合成气制乙醇。莱钢年产50万吨钢铁尾气制乙醇项目正在编制可研报告。鞍钢年产50万吨钢铁尾气制乙醇项目可研报告已经编制完成；
2、钢化联产理论研究及工程总承包
2018 年 8 月 22 日，国务院常务会议明确指出：“开展秸秆、 钢铁工业尾气等制燃料乙醇产业化示范。会议决定扩大车用乙醇汽油推广使用，除原有 11 个试点省份外，今年进一步在北京等15个省份推广。”该会议精神引发了业界的广泛关注，并为钢化联产注入了一剂强心针。
2017年8月，中科院编制《液态阳光发展纲要》，甲醇被赋予液态阳光的美称；
随着钢化联产被越来越多的行业有识之士认可，钢化联产的春天已经到来。

那么，据不完全统计：目前国内从事合成气法制甲醇的科研单位主要有：大连化物所、山西煤化所、西南化工研究院、中化集团赛鼎公司等； 乙二醇科研单位：上海浦景化工、高化学等；
气体分离单位：北大先锋科技等；
发酵法乙醇：首朗科技；
合成气法制乙醇：大连化物所；

率先成立研究院并将钢化联产作为重要研究方向的是我们的东北大学！

王国栋院士做重要讲话（前排左1）

3、重要会议：

2018年11 月，中国金属学会主办、北大先锋承办全国首届钢化联产会议在山东济南召开，殷瑞钰出席会议并讲话，我作为会议组织者参会并致辞；

2019年7月26日，中国科学院、中国工程院主办、大连化物所承办的第一届全国钢铁与能源化工行业协调发展研讨会在大连举行，两院院士刘烱天、翁宇庆、孙传尧、干勇、毛新平、刘中民等出席会议。我因摔伤未能参会；

目前，钢铁尾气制化工产品在行业内部已经形成共识，行业先知们正在纷纷试水。
二、制约“以化固碳 钢化联产 低 碳冶金”的几个重大问题：
1、首先是思想认识上的问题：

钢铁界的大佬们对钢化联产的认知层次基本上是这样的： 在钢铁景气之时，对钢化联产是不屑一顾；在钢铁市场低迷之时，比如2015年，钢价都白菜价了，那里还有钱投资钢化联产，整个又是一个力不从心。

钢铁与化工尤其是煤化工两大产业，长期以来处于隔绝状态。钢铁产业内部的专家不熟悉化工尤其是煤化工，煤化工领域的专家不了解钢铁。钢铁产业链上由于存有焦炭工序，因此，钢铁业内对于化工的了解局限在焦化领域，按照钢铁业的行话叫做化产回收。钢铁业内三气：焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气。上个世纪八十年代以前，主要是点天灯。近年来，主要是用作煤气发电，煤气加热炉、热风炉等，钢铁业内专家很是满足，终于不再点天灯。
然而，在化工专家的眼里，“钢铁三气”用于上述用途还是太奢侈、太浪费、太可惜了。有一位化工专家曾形象地比喻说，好比你刨了一个树根，你是把它用来烧火还是用来作根雕呢？显然，钢铁企业的现状是把钢铁三气作了烧柴。

五月份，我随同中科院的专家考察了山西潞安集团煤制油项目。该项目位于山西省长治市襄垣县王桥镇郭庄潞安油化电热一体化综合示范园区，占地面积303.45公顷，建设规模为180万吨/年煤基液化产品，项目总投资239亿元，其中环保投资22.93亿元。项目以高硫、高灰、高灰熔点煤为原料，采用壳牌（SHELL）干粉煤气化工艺，实现了世界第一个单台能力3000吨/天的粉煤气化炉的技术突破。同时采用具备完全自主知识产权的中科合成油铁基高温浆态床F-T合成油技术，单台50万吨反应器世界第一。
山西潞安集团煤制油项目选用4台壳牌（SHELL）干粉煤气化设备，总投资50亿元。

当时，我在震惊之余还是陷入了沉思。动辄几十亿的煤制合成气之设备投资得到的结果不就是个CO+H2吗？这个东西我们钢铁企业都有啊！我们干吗不把钢铁企业的三气拿来生产化工产品呢？

事实上，钢铁业内有识之士早已捕捉到了其中的商机。但就整体而言，业内大佬们的认知还停留在“不屑一顾”的层面，跟不上形势发展的要求，还需要行业先知们的引导和推动。
2、其次燃料替代问题

加热炉、热风炉、烧结机，钢铁企业用煤气的地方太多了。你去问钢厂的老板，他们普遍的回答是：我们没有剩余的煤气。那么，我们要搞钢化联产，就必须对加热炉、热风炉、烧结机，钢铁企业所有用煤气的地方搞燃料替代。当年达钢集团搞甲醇的时候就曾经对整个集团公司燃气系统采用完全独立的燃烧技术进行了彻底的改造，对各种气源根据其气质特点进行了重新调配，开发了用焦炉气和转炉气为原料合成甲醇新技术。

要搞一个测算，倒底是钢化联产合适还是原来的老套合适。显然，搞一般的化工产品并没有太大的优势。如果燃料替代之后，没有帐算，那就不要盲目去搞。

燃料替代选用什么燃料？要结合当地的条件。当前，京津冀地区限煤很厉害，你全部改烧煤炭，那肯定不行。那么，用轻烃气（C5、C6混合气）搞燃料替代行不行？这需要很好地测算一下。

3、第三是煤气发电问题

长远来看，煤气发电这一块的煤气是可以替代下来用于生产化工产品的，因为随着光伏、光热、风能发电成本下降，平价上网成为必然，那么你再用宝贵的煤气资源去发一点廉价的电，就不划算了。

4、第四是低成本气体分离技术。

在制约钢化联产大规模推广的众多因素中，高炉和转炉煤气的气体分离技术曾经是重要的卡脖子技术。

高炉煤气含有CO、CO2以及体积分数50%以上的N2，分离提纯成本直接决定了钢化联产产品是否具有与传统的煤化工产品的市场竞争优势。北大先锋在国内率先成功地解决了高炉煤气中CO和N2的分离问题。然而，大规模地推动钢化联产，还必须进一步降低 CO和N2的分离、提纯成本，开发新一代低成本高炉煤气提纯、分离技术。
北大先锋站在我国变压吸附技术的制高点，成功解决了一氧化碳与氮气分离的世界性难题，建设了电石尾气、高炉煤气分离提纯一氧化碳工业装置，填补了国内工业尾气高附加值利用的空白，并在工业尾气高效利用的道路上坚持不懈、积极探索，致力于将这项独有技术在多个工业领域推广应用，为用户企业赢得显著的经济效益和环保效益。 三、以化固碳 钢化联产 低碳冶金前沿技术问题思考：
如果仅仅是把钢铁企业的三气拿来做化工产品，以气定产，那很好办。问题是，我们想得到一个更低的成本，更大的气量，我们还想尽最大可能地减少CO2排放，实现钢铁企业“以化固碳低碳冶金钢化联产”的宏伟目标，那样的话，恐怕就不那么简单。钢化联产亟需破解一些重大的基础性的难题：

1、理念的破和立的问题。一是在高炉环节。要把高炉煤气和铁水置于同等重要的地位，确立高炉煤气和铁水“两个产品”的理念。这是目前制约钢化联产的首要问题。这样的认识不仅在领导层面存在，在技术专家层面也是大量地存在。因为到目前为止，铁水是高炉的产品，高炉煤气是副产品，而副产品是要服从产品需要的。因此，我们看到的现象就是：拚命降低焦比，那怕是降低几公斤都是巨大的成绩。

观念一变天地宽。确立“两个产品”理念之后，我们追求的目标不再是单一的降低焦比，而是两个产品的统筹考虑。由于顶高炉煤气可以进行循环，那么提高CO浓度就是很重要的问题；如果考虑化工应用，那么CO、CO2体积分数就是很重要的问题。因此，我们就要千方百计地提高CO、CO2的纯度。

在这方面，我和北科大的郭汉杰教授有过沟通，说好的要去拜访，后来因为疫情没有成行。我的观点就是：通过冶金物理化学模型计算和模拟，找到一个经济的平衡点，使得CO浓度和铁水产量能够同时兼顾，而不是顾此失彼。比如，我们可以向高炉内喷吹挥发分较高的烟煤，这样我们就可以得到浓度比较高、数量很大的CO气体。

我们是否可以用正交表的方法，编制多因素（富氧、喷煤、焦比、鼓风量等因素）多水平（不同的量）的正交表，通过仿真建模，模拟实验数据找到相对优化的数据。

两个产品的理念，还有可能涉及到高炉炉型结构的适当改变的问题。在保证铁水生产不受大的影响的前提下，对高炉炉型结构适当改造，可能产生更多的CO气体。

2、氧气高炉的问题。7月15日，宝武集团新疆八一钢铁厂已经开启了全氧高炉试验。据说富氧比例一直上不去，也就是3点多，目前效果还不是太理想。关于新疆八一钢铁厂氧气高炉试验的问题，我们注意到了该厂李维浩、李涛发表在《新疆钢铁》2020年第1期上的关于《氧气高炉技术及炼铁工序能耗初步分析》的文章，华东理工大学司忠业等《高温煤气化转化CO2为 CO》以及北科大钢铁冶金新技术国家重点实验室郭占成、薛庆国等：A、利用气化炉加热重整煤气的氧气高炉节能减排分析，B、氧气高炉喷吹气化炉重整煤气工艺的㶲分析等多篇，关于氧气高炉及气化炉重整煤气的论文。

事实上，氧气高炉+气化炉重整煤气就是钢铁企业借鉴了煤化工成熟的工艺技术—气化炉技术，这是第一步。现在钢铁企业的专家和企业家们正在跨出的第二步就是钢化联产，那么对煤化工来说就是一个冲击，甚至是一个颠覆。如果可能的话，钢铁和煤化工两大行业将走向融合。

在低碳钢铁的条件下，钢铁与石油化工都有可能融合。为什么呢？美国的页岩气富含乙烷。于是，向我们国家倾销他们的乙烷。我们国家在沿海地区新上了几个大型的乙烷裂解制乙烯的工厂。乙烷裂解制乙烯，副产氢气。我们正好可以富氢炼铁。可以设想一下：如果乙烷供应能够保证，钢铁与石油炼化企业就真的融合到一块了。

我们期待着八钢的氧气高炉试验作为低碳炼铁的重要技术，能够尽快地取得突破。

3、仿地幔熔铁浴有机固废制合成气技术与装备 。浙江中科院应用技术研究院牛强主任团队研发了一种利用有机固废制合成气的技术与装备，合成气出口温度高达1400以上，对于发挥高炉三大功能（炼铁、处理城市固废、能量转换）低碳冶炼具有十分重要的作用。这一个我要详细地说一下，因为牛强团队的这个技术可以部分地解决我们的氢气来源问题。目前，该技术正与两家大型钢铁企业一家煤化企业洽谈产业化问题。另外，还有一个振奋人心的消息就是：中科院为此专门成立了一个研究所，叫做绿色氢能研究所。
仿地幔熔铁浴有机固废制合成气技术最大的亮点在于：她将彻底终结有机固废，实现有机固废的碳氢循环。
类似的技术还有：中科院过程所搞了一个废弃高炉变身造气炉的技术。

4、利用CH4吸收CO2的问题。煤化工行业率先打破CO2资源化利用技术瓶颈，高浓度二氧化碳资源化利用难题已经被中科院上海高等研究院攻克。潞安集团与中国科学院上海高等研究院、壳牌公司共同研发了CH4-CO2重整技术。目前，世界首套万Nm3/h级规模级甲烷二氧化碳自热重整制合成气工业侧线装置全系统经优化已实现稳定运行，并形成了大规模产业化设计软件包，多方合作成立了合资公司：上海高潞空气产品能源科技公司。目前，该公司已经开始了甲烷二氧化碳重整技术商业化推广应用。

说到这里，有人可能要问：这样做有效益吗？CH4-CO2重整技术生成两个摩尔的CO+H2，就目前的市场条件下，肯定要比甲烷的效益高。不仅如此，环保效益更是可观，两个温室气体的问题都解决了。

不仅如此，“高温煤气化转变CO2为CO技术和CH4-CO2重整技术”还 使无水煤化工成为现实。

5、利用CO2干熄焦联产CO气体 。山西有一位老专家叫张建伟发明了一种利用CO2干熄焦技术并进行了小试，目前正在申请专利。张先生与山西理工大学的专家们合作正在选点进行中试。感兴趣的可以与张先生联系。

6、熔融钢渣和铁渣生产合成气的问题 。我与天津有机合成设计院的姜总多次探讨过熔融钢渣和铁渣生产合成气或还原气的问题。姜总在这方面做过电石渣喷煤制还原气的试验。他认为采用回转窑的方法是可行的。东北大学段文军的博士论文做的就是这方面的内容，于庆波教授是他的指导老师。
7、熔融钢渣和铁渣热装生产水泥和陶瓷技术 。成都水泥设计院与北科大在河北武安市新峰水泥实验钢渣和水渣生产陶瓷技术项目。如果从整个社会减少CO2排放的角度看，熔融钢渣和铁渣热装生产水泥也应该是一个不错的项目。此前，山东钢铁张店分厂的专家和鞍钢专家分别对此项目进行过研究，只是产业化未见报道。
8、用NH3吸收CO2问题。山东大学化工学院教授朱维群搞了一个利用 NH3吸收CO2生产三嗪醇的技术，三嗪醇是一种塑料。这项技术可以大量地固碳。目前，实验室小试已经完成。正在进行中试和产业化的前期工作。
9、关于常温常压有机储氢技术。

常温常压有机储氢技术是一个很有途的技术。程寒松教授是我国GQ计划的专家，同时还是我国著名化学家唐敖庆教授的弟子。美国普林斯顿大学的理论化学博士。目前，程寒松教授团队的技术已经落户宁波。
10、液态阳光技 术。大连化物所是我国化学工程技术的科研劲旅。他们研发的煤头甲醇制乙烯技术为我国的能源安全做出了巨大贡献。大连化物所的李灿院士用光伏发电制氢，用氢气吸收CO2生产甲醇，年产1000吨的工业试验已经成功。 中国科学院院士、中科院大连化学物理研究所研究员李灿在研讨会上发表了题为“可再生能源电解水制氢及液体太阳燃料合成进展与展望”的演讲。他指出，氢能发展初衷就是要解决低碳、生态等问题，可再生能源制氢是未来发展的方向，而 太阳燃料甲醇技术是储能技术 ，应用中具有多重优势。
就可再生能源制氢成本来看，电价和电解水效率影响成本最大，这两点在目前都已发生很大变化。如果采用0.25元/KWh电价，制氢成本可与天然气制氢相当。而针对弃风、弃光、弃水的电已低于这个电价。电价若在0.15元/KWh，制氢成本可与煤制氢相当。
11、低成本高炉煤气烟道气提纯分离技术。 这个课题一会儿北大先锋李延奎副总监要讲，我就不多说了。需要强调的是：这项技术是一个卡脖子的技术，直接关系到钢化联产的成败。
四、关于建设“以化固碳钢化联产 低碳冶金” 试点市的设想：
河北省武安市具有悠久的冶铁历史。目前，在钢铁整合的大背景下，武安市境内仍然有2500多万吨的钢铁产能，如果在加上邯郸搬迁到普阳钢铁公司附近，那么，钢铁在局部地区将达到4000万吨，焦炭1000多万吨。由于钢铁工业既是支柱产业又相对分布集中（比唐山而言），构成了武安乃至邯郸产业特点：重化结构。因此，污染非常严重。钢铁产业成为武安乃至邯郸又爱又恨的一个产业。

武安市最有条件整合区域内的气体资源，在西部南洺河流域建设一个钢化联产示范区。当前，可以利用淘汰落后产能闲置下来的小高炉，联合科研院校多家单位，搞一个 低碳炼铁前沿技术示范区也可以叫做：东大（邯郸）低碳前沿技术研究院。

具体的路径可以这样：

（一）太阳燃料甲醇路径：

1、用光伏生产绿电。武安市西部有着广阔的山场面积，没有开发的光照资源十分丰富，可以开发光伏和光热资源用于发电。

2、用绿电电解水制氢、制氧。我们可以优先选用李灿院士的技术、也可采用海军718所水解氢技术，该公司就在邯郸市内。

李灿表示，从规模、设备投资、稳定性来看，电催化分解水已成熟，来源可以是光伏发电等，“电催化分解水制绿氢是绿色能源转成绿氢的最为有效的途径”。在电解水制氢三种主流技术中，液体碱性水电解和固体聚合物SPE水电解技术较为成熟，传统的碱液电解水的效率较低、能耗较高，但稳定性好，价格相对低廉，寿命长达10年~20年;李灿团队一直致力碱性电解水催化剂的研究，可以较好地解决上述三大问题。碱液电解槽规模可以做得很大，目前规模可做到1000Nm3H2/h，而通过催化剂可将能耗降至4.0KWh/Nm3~4.2KWh/Nm3，远超业界平均水平，稳定性在实验室可达到8000小时~1万小时，工业化验证效果也非常不错。

3、整合武安及周边钢铁企业（含焦化 ）企业气体资源，建设中央气体岛，用钢铁企业的CO2加氢制甲醇。用甲醇生产乙烯或乙二醇，建成国内氢能和绿色化工生产基地 。

空气产品公司计划投资20亿美元在印尼建立一个煤制甲醇工厂，该厂每年将能够从约600万吨当地煤炭中生产约200万吨甲醇。该公司在中国投资了数十亿美元建设煤化工工厂。 近期，拟投资约15亿元在内蒙古达拉特经济开发区建设合成气岛(包括空分装置、气化装置及净化装置) ，项目计划于2020年底获得相关核准批复，2023年建成投产。

（二）合成气路径：

利用淘汰落后产能闲置下来的小高炉改造成合成气炉，然后，以此气体作为气源，利用储满生教授团队的技术生产气基直还铁；废气生产甲醇。

（三）氧气高炉路径：

充分利用淘汰落后产能闲置下来的小高炉，进行氧气高炉试验。永诚铸业现有一座460M3的小高炉和一台55吨的转炉，其它工辅设备齐全。我们可以把它作为低碳前沿技术的中试基地。一旦氧气高炉试验成功，那么就可以就地转化。

这样的话，我们就可以整合区域内的所有气体资源，建成一个以化固碳钢化联产低碳冶金的示范市，彻底解决钢铁工业绿色发展中的环境问题。

最后，再次感谢王国栋院士、储满生院长的热情邀请和隆重接待，谢谢大家。

与会部分专家合影