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钢铁行业技术路线图:迈向低碳可持续

作者:24 发布时间:2021-12-30 文字大?。?span id="da">【大】【中】【小】
   钢铁行业对现代社会影响颇深,可谓无处不在。不管是建筑、桥梁、管道基础设施,还是太阳能电池板、风力涡轮机、电动汽车都不同程度依赖原材料钢铁。

  钢铁行业同样构成了许多地方的经济命脉,据世界钢铁协会统计,2019年钢铁行业创造了全球超过2.5万亿美元经济和600万就业机会。

  但硬币的反面,是炼钢目前占用了全球8%的能源消耗,贡献了26亿吨二氧化碳年排放量,占全球能源行业碳排放总量的7%,超过了所有公路货运的排放量。

  面对全球2050年碳减排目标的挑战,钢铁行业能否做到鱼与熊掌兼得,实现可持续发展?

  国际能源署的报告《钢铁行业技术路线图-迈向更可持续的炼钢》(“报告”)认为,通过向创新、低碳技术和提高材料效率的转变,钢铁行业拥有减少能源损耗和碳排放,实现可持续发展的重要机会。

钢铁需求仍会增长

  2019年的新冠肺炎?;蚬┯α丛斐闪顺寤?,除了中国逆势实现钢铁产量增长,2020年上半年欧洲钢铁产量同比下降13%,北美产能下降17%,印度下降24%。

  但报告认为,全球钢铁需求在受到短期冲击下降后,又会恢复强劲的增长轨迹。报告的预计到2050年,全球钢铁需求预计较2019年将增长三分之一以上。

当前生产技术、设备无法实现减排目标

  粗钢生产分为初次炼钢(Primary steel production)与二次炼钢(Secondary production)两类。其中,初次炼钢目前采用高炉-转炉法(BF-BOF)、直接还原铁-电弧炉法(DRI-EAF),二次炼钢采用基于废钢的电弧炉冶炼法(Scrap-based EAF)。

  初次炼钢的主要采用高炉-转炉法(BF-BOF),目前占最终粗钢产出的72%。

  BF-BOF原材料主要是铁矿石。第一步炼铁,将焦炭和铁矿石投入高炉后,焦炭产生的一氧化碳作为还原剂与铁矿石在高炉内1400-1500°C高温下进行化学还原反应生成铁水。

  第二步炼钢,铁水进入转炉,利用石灰助熔剂去除硫、磷和二氧化硅等杂质炼制成钢。

  由于此技术路径耗能和炼铁环节都依赖煤炭,生产1吨粗钢会直接排放1.2吨二氧化碳、算上间接排放达2.2吨。

  初次炼钢的另一种路径是直接还原铁-电弧炉法(DRI-EAF)。其与BF-BOF路线的主要区别在于,DRI-EAF原材料采用高质量铁矿石DRI颗粒,还原剂在一氧化碳中加入了氢气,能源供应可以单依赖煤,也依赖部分天然气。

  由于DRI-EAF相较于BF-BOF改善了原料与能源结构,故能量损耗和碳排放都有所降低。通过DRI-EAF路线生产1吨粗钢,产生平均1吨直接二氧化碳排放,算上间接排放,总计为1.4吨。

  二次炼钢采用基于废钢的电弧炉冶炼法(Scrap-based EAF),原材料是废钢。Scrap-based EAF没有单独的炼铁步骤,而是直接将废钢在高温电炉中炼制成钢,模式较初次炼钢简单。

  此技术路线耗能依赖电力,因此碳排放强度低得多,生产1吨粗钢仅产生平均0.04吨直接二氧化碳排放,加上间接的总计为0.3吨。

  三种传统炼钢路径,BF-BOF碳排放量最大,DRI-EAF次之,而Scrap-based EAF碳排放量远低于前两者。

  从设备上看,全球主要炼钢设备高炉的使用年限平均仅为13年,还不到设备寿命的三分之一。如果在当前条件下运行到设备寿命结束,可能对应累计排放约为650亿吨二氧化碳,这将耗尽该行业大部分碳排放预算。

  报告认为,如果保持现有炼钢方式不变,二氧化碳排放只会持续升高。预计在2050年每年排放27亿吨二氧化碳,高出目前排放量7%,而不是走向2050年减排50%的战略目标。

实现减排目标的方案

  如何在保持钢产量增加的同时达到全球碳排放目标?国际能源署给出了综合方案,主要包括提高材料效率、技术性能改进、采用创新技术等。

  报告中设定了两个情景,一个常规发展情景,一个是可持续发展情景,后者可以帮助钢铁行业实现2050年总减排目标。

  在可持续发展情境下,通过提高材料效率、技术性能改进、采用创新技术(包含CCUS和氢能),分别为减排总目标贡献40%,21%,24%。前两个方案能有效减少碳排放,创新技术方案能实现炼钢近零碳排放。

  (一)提高材料效率-贡献40%

  提高材料效率可以有效抑制全球粗钢需求增长。在可持续发展情景下,钢铁需求比2050年常规发展情景低了19%。

  社会对钢铁的需求可大致可分为四种最终用途:建筑、汽车、机械和消费品。最大份额往往来自建筑需求,建筑也包括桥梁、基础设施、发电厂、管道和卫生系统。建筑通常占总使用需求的一半左右,且使用寿命往往最长。

  延长建筑的使用寿命能有效提高材料效率。目前,全球许多建筑在寿命结束前被拆除,例如部分70年寿命的商业建筑使用30-40年就被拆除。

  通过调整政策支持改造而不是拆除、建筑设计时就考虑到未来重新利用的情形,可使得钢材需求显著减少。

  在2050年的可持续发展情景下,延长建筑寿命约占实现钢铁需求减少的三分之一,其他有效的提高材料效率方式还包括提高单位生产产量、减少车辆使用、改进建筑设计减少材料耗损等。

  (二)技术性能改进-贡献21%

  技术性能改进的代表是在现有炼钢设备上实现商业最佳可行技术(BAT)。BAT是一类技术的总称,包括所有能在现有生产环节回收能量回并转化为有用能源的技术。BAT的典型例子是余热回收系统、CDQ和TRTs技术。

  通过在EAF和BF-BOF中应用的余热回收系统,可以减少净能源消耗。余热回收可使BF-BOF炼钢的平均能量耗用降低2%。这些余热不仅可以用于炼钢环节再循环,也可以用于炼钢以外的用途。

  利用焦干淬火(CDQ)技术可以生产出更高质量的焦炭,使得高炉的焦炭使用率降低约2%。如今全球约有一半的焦炉配备了CDQ,在可持续发展情景下,2050年几乎所有的焦炉都应配备CDQ。

  此外,高炉还可安装高炉煤气余压透平发电装置(TRTs),它利用高炉煤气的压力和热量进行发电,实现电力节能。目前,全球只有不到五分之一的高炉配备了TRTs。在可持续发展情景下,到2030年配备TRTs的高炉将数量翻倍,到2050年几乎所有剩余的高炉都配备了这项技术。

  总的来说,技术性能改进将为实现2050年碳排放目标贡献21%的力量。

  (三)创新技术路径-长远实现零碳排放

  在可持续发展情景下,实现近零碳排放的创新技术,将在后期发挥核心作用。这种创新技术的典型代表是CCUS和氢能。但值得注意的是,大多数创新技术还在早期阶段,传统路径大规模转向近零排放技术可能需要很长时间。

  CCUS即碳捕获、使用和封存技术,通过把生产过程中排放的二氧化碳进行捕获,循环再利用或地下封存来实现二氧化碳零排放。这项技术充满前景,但仍未成熟。

  目前,唯一一个达到CCUS商业规模装置是阿联酋钢铁的天然气DRI工厂,该工厂每年的捕获能力约为80万吨的二氧化碳,捕获的二氧化碳被用来提高石油采收率。

  预计到2030年,钢铁行业产生的直接碳排放中只有1%二氧化碳被捕获用于储存。但到2050年,配备CCUS的炼钢路径将占初次炼钢产量的25%,占总产量的15%。

  与CCUS在2050年发挥更大作用不同。氢能在2030年代中期就可以开始规模商业化。

  氢能主要应用于基于氢气的直接还原铁工艺(Hydrogen-based DRI),氢气通过电解水产生,代替碳作为还原剂,从源头上避免二氧化碳的产生。氢基DRI目前主要在欧洲的一些项目进行开发,理论上可以实现近零碳排放。

  由于该技术目前还未完全成熟,所以2030年以前,可以将氢气与焦炭混合加入到传统DRI-EAF和BF-BOF生产途径的方式作为过渡。在较低的混合水平下,氢气可以部分减少碳排放,而无需对现有设备进行重大修改。但工艺限制对混合量设定了上限,特别是传统高炉对于原料焦炭含量有最低要求。

  预计2030年,在氢基DRI技术成熟进入市场后,特别是有可再生电力对电解氢的支持,该技术需求将急剧增加。

中国未来转向以二次炼钢为主

  基于废钢的电弧炉冶炼法(Scrap-based EAF)作为二次炼钢方式,目前在中国生产占比仅为10%。但到2050年该比例将增加到45%。废钢在原材料占比也将因此从2019年的25%上升到2050年的50%以上。

  中国经济的蓬勃发展使得含钢产品存量持续增加,这将在未来提供大量废钢原料。同时,中国现有初次炼钢设施的自然退役与废钢供应增加形成互补,使得中国能够快速从以初次炼钢为主向以二次炼钢为主过渡。

  二次炼钢成为未来炼钢首选,导致中国初次炼钢采用近零碳排创新技术将晚于其他国家。由于有高炉库存自然退役年代分布与废钢供应的增加互补,意味着中国不需要对高炉进行改造。

  在创新技术应用上,2050中国CCUS和氢基DRI占比几乎一样,合计占初次炼钢产能的三分之一。这种势均力敌是由于中国具备大量低成本可再生发电潜力为氢能提供支持,同时其他行业在CCUS早期应用经验也为钢铁行业提供支持。

印度的角色很重要

  虽然中国是迄今为止世界上最大的钢铁生产国,但中国整体钢铁产量已经趋于稳定,到2050年将出现收缩。相比之下,印度未来几十年的钢铁产量保持增长使其成为全球钢铁行业可持续转型的关键国家。

  虽然2020年上半年新冠肺炎大流行导致印度钢铁行业需求与产能急剧下降。但长远来看,考虑印度国内本土需求和政府对钢铁工业发展的大力支持,预计2030年钢铁产量较2019年几乎翻一番,到2050年较2019年产量增加近四倍。

  印度减排的挑战主要来自于两方面:

  一方面,许多创新技术还没有达到成熟商业化的程度,不能应用在未来10-15年新增设备上。而印度已经计划在10年内扩建2050年存量产能的40%。如何应对印度现有设备高碳排放和未来10年扩建设备的碳排放将成为棘手问题。

  另一方面,印度基础设施、建筑等终端钢产品较新,这意味着废钢供应量将不足以满足钢铁需求的增长。新增钢铁产能将主要采用初次炼钢方式。这与中国形成了鲜明对比,中国正是可以通过提高二次炼钢生产方式占来大幅减少总碳排放。

  由于印度的目标是2050年钢铁产量增加两倍,二氧化碳排放强度下降60%。实现这一目标需要对严重依赖煤炭的现存初次炼钢设备进行快速转型。

  报告认为技术性能改进能有效应对印度国情。针对现有设备,短期内实现运营效率最大化。新增设备采用BAT技术减少额外排放,直到零排放创新技术商业化落地。目前印度有约40%的高炉配备了高压回收涡轮机(TRTs),超过30%的焦炉配备了焦干淬火(CDQ)。

  在可持续发展情景下,技术性能改善可以帮助印度在2030年完成40%的节能减排任务。到2050年,技术性能改进、材料效率和CCUS将合计减少二氧化碳排放75%以上。

  需要政府为主导的多方协作

  世界各地已经在努力启动钢铁行业向近零排放的转型。各国政府、私营企业和金融机构正在实施各种政策、方案和倡议来推动钢铁行业转型。

  政府将发挥中心作用。包括制定行业计划并采取强有力政策执行、建立碳排放交易市场、支持研发、为近零排放的炼钢技术创造市场和支持示范项目、加强国际合作,确保公平的竞争环境等。

  作为政府部门的辅助力量,私营企业和金融资本也可以通过参与制定行业标准,为“绿色”企业提供更好的融资途径等方式来对钢铁行业产生积极影响。

  总结来说,钢铁行业不能仅仅依靠一种技术或方案来在其气候目标上取得进展,必须动用所有有效方案,多方合作协调,钢铁行业才能实现可持续发展的战略目标。

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