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我国钢铁行业碳减排之路怎么走?

2021/05/30 15:30

  “实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,是对生产、消费、技术、经济和能源体系的一次历史性革命。作为工业行业中最主要的上游产业,同时也是最大的碳排放行业(约占中国碳排放总量的16%),钢铁行业应提前布局,为其他新兴工业部门提供碳排放空间。目前,钢铁行业碳达峰目标初定为:2025年前实现碳达峰,2030年碳排放量较峰值减少30%。”5月14日,北京科技大学教授、钢铁冶金新技术国家重点实验室副主任左海滨就钢铁行业碳减排路径等问题接受《中国冶金报》记者专访时这样强调,“我国钢铁行业以长流程生产模式为主,高炉炼铁技术经过不断发展已相当成熟,依靠现有技术实现钢铁行业进一步大幅节能减排的潜力已十分有限。因此,要想在2025年前实现碳达峰,唯有突破现有的生产模式。从目前来看,氢冶金被公认为是比较理想的低碳冶金技术路径。”
  
  在采访中,他向《中国冶金报》记者介绍了目前国内外主要的低碳冶金技术项目和研究进展情况,并就我国钢铁行业、钢铁企业如何走好碳减排之路出谋划策。
  
  世界两大主流低碳冶金技术路径
  
  “目前,世界范围内正在探索的低碳冶金技术路径主要分为两大类,一类是针对长流程的,主要通过向高炉喷吹富氢还原气体以降低碳消耗,从而实现二氧化碳减排,目前致力于研究此路径的国家主要有中国、日本、韩国、德国等;另一类是针对短流程的,涉及工艺主要包括MIDREX、HYL/Energiron(两种气基竖炉直接还原工艺)等,目前正在研究这一路径的国家主要有瑞典、奥地利、德国等。同时,德国和中国是少有的两种低碳冶金技术研究同时兼顾的国家。”左海滨在介绍各国低碳冶金技术路径和进展情况时这样归纳道。
  
  “日本最著名的低碳冶金项目就是COURSE50项目(日本环境和谐型炼铁工艺技术开发项目)。”左海滨表示。该项目于2008年7月份启动,重点研发基于氢还原的高炉煤气分离、回收二氧化碳技术,计划在2030年将二氧化碳排放量降低30%,并在2050年使该技术得到普及应用。“在此基础上,日本铁钢联盟还有一个升级版——以2100年为目标的‘挑战零碳钢’长期愿景,将开展以氢为原料的超级COURSE50项目。”他介绍道。
  
  韩国浦项制铁的富氢高炉炼铁技术,目标是减少10%的二氧化碳排放。韩国浦项制铁计划在2018年~2024年发展二氧化碳减排型炼铁技术,2025年通过官民合作开始进行试验,到2030年投入2座高炉试运行,到2040年投入12座高炉。
  
  总体来看,以中日韩为代表的亚洲国家的低碳技术路径主要基于现有的长流程生产模式,以高炉富氢冶炼为主。同时,中日韩三国也是目前高炉大型化的代表,联合贡献了世界32座5000立方米及以上高炉中的28座(中国9座、日本11座、韩国8座)。
  
  “以瑞典、奥地利为代表的欧洲国家的低碳技术路径以绿氢直接还原 电炉为主。”左海滨介绍道。瑞典HYBRIT项目(无化石燃料海绵铁生产中试线)是采用氢气替代炼焦煤、焦炭或天然气的突破性炼铁技术。该技术计划在2018年~2024年进行全面可行性研究,并建立中试厂进行试验,在2025年~2035年建设示范厂,之后实现商用。“如果投入使用,瑞典的温室气体排放量将减少10%,芬兰将减少7%。”他表示。目前,该项目处于试验阶段,计划到2045年实现非化石能源炼钢。
  
  此外,奥地利的H2FUTURE项目(无二氧化碳工业氢试制工厂)采用氢气直接还原铁工艺,旨在通过研发氢气替代焦炭冶炼技术,降低钢铁生产过程中二氧化碳排放量,计划到2050年减少80%的二氧化碳排放量。
  
  德国低碳技术路径兼顾高炉富氢冶炼和绿氢直接还原。据左海滨介绍,在长流程方面,由德国蒂森克虏伯集团发起的Carbon2Chem项目(利用炼钢尾气合成化工产品)可以将废气转化为化工产品原材料,二氧化碳将不再排放到空气中。2019年11月11日,德国蒂森克虏伯集团在杜伊斯堡9号高炉(日产铁水4600吨)进行了喷吹氢气试验,目前已成功完成第一阶段测试,取得了较好的应用效果。该公司计划在第二阶段试验期间,重点研究喷吹氢气对高炉冶炼工艺的影响,氢气喷吹范围将从原来的1个风口拓展到9号高炉的全部28个风口。但受新冠肺炎疫情影响,第二阶段试验计划推迟到2022年开始。2020年8月份,德国迪林根钢铁和德国萨尔钢铁投资1400万欧元进行了高炉喷吹焦炉煤气试验,具备了在技术允许范围内使用氢气进行高炉冶炼的能力,计划到2035年减少40%的碳排放量。在短流程方面,德国最有代表性的低碳冶炼项目是SALCOS项目(萨尔茨吉特绿氢项目),旨在通过使用绿色氢气和生物甲烷生产钢铁,主要原理是风电制氢 直接还原。
  
  我国钢企选择低碳冶金技术路径需量体裁衣
  
  “在低碳冶金方面,尽管我国起步较晚,基本都处在探索阶段,但总体看与国外站在同一起跑线上。”左海滨认为。
  
  他介绍,我国钢铁行业当前在降碳方面主要采用“两条腿走路”的方法。
  
  在长流程方面,中国宝武在八钢建立世界最大的400立方米氧气高炉工业试验基地,未来计划将该高炉建成全球首家低碳冶金研究平台。作为参与中国宝武富氢碳循环高炉试验项目的核心专家之一,左海滨向《中国冶金报》记者介绍了该项目的情况。该项目目前已完成第一阶段任务,实现35%富氧冶炼目标,达到了传统高炉的富氧极限;当前正在进行第二阶段工程建设,目标是采用脱除二氧化碳技术,打通煤气循环,实现50%超高富氧冶炼试验;第三阶段计划完成全氧冶炼试验,并开展富氢冶金工业试验,最终目标是减少30%的二氧化碳排放量。
  
  在短流程方面,河钢与意大利特诺恩合作的全球首例120万吨规模氢冶金项目——河钢宣钢氢能源开发和利用工程示范项目于今年5月10日开工建设。该项目充分利用河北张家口地区国家级可再生能源示范区优势,打造可推广、可复制的零碳制氢与氢能产业发展协同互补的创新发展模式,预计年减碳幅度达60%。建龙集团内蒙古赛思普科技有限公司氢基熔融还原法高纯铸造生铁项目于今年4月13日顺利出铁,成功落地转化。2020年12月20日,山西中晋太行矿业30万吨/年氢基还原铁项目开始热试。酒钢宏兴煤基氢冶金中试基地试验工作目前进展顺利。此外,日照钢铁、湛江钢铁等也正在积极布局氢冶金项目。
  
  “目前,中国宝武、河钢、包钢等钢企明确发布碳达峰、碳中和目标,并设计了低碳冶金技术路径图(如图)。大部分钢企目前仍在观望,择机确定适合自身的低碳冶金路径。”左海滨告诉《中国冶金报》记者。
  
  他认为,钢企选择低碳冶金路径要量体裁衣,不仅要考虑自身条件、地方资源、当地经济结构等因素,还要从技术成本、能耗、碳排放等方面进行综合考虑。“无论采用哪种技术路径,煤气脱除二氧化碳循环利用结合CCUS(二氧化碳捕集、封存、利用)技术都是绕不开的。”左海滨强调。
  
  目前,我国钢铁行业初步减排技术成熟、选项较多且成本较低,尽管部分钢企在节能减排方面至少还有5%~10%的潜力可挖,但总体来看,传统的节能减排几乎接近屏障。所以,要进一步深度减排,必须采用更彻底的脱碳技术,如CCUS技术和氢能冶炼技术。当前,这些技术的研发和应用都面临不少难点,比如基础设施建设成本较高;氢能冶炼技术若使用碳基原料制氢则不能显著降低碳排放量,若使用电解水制氢则依赖于零碳电力;二氧化碳的分离储存利用技术成本较高且不成熟,等等。
  
  左海滨表示,我国钢铁行业实现碳达峰、碳中和将面临巨大挑战。他认为,基于碳减排、中国市场区域和需求差异,未来直接还原 电炉的技术路径将得到较快发展,但具体占比还应根据市场情况来动态确定。由于我国钢铁行业长流程占比高达近90%,未来低碳技术路径必将主要基于现有的长流程,高炉富氢冶炼必将成为未来我国钢铁行业技术攻关的重点。
  
  与此同时,左海滨对中国钢厂未来布局进行了展望。他认为,为实现钢铁行业碳减排,以高炉-转炉长流程(吨钢二氧化碳排放1.8吨~2吨)和生产板材为主的大型钢铁联合企业将在沿海地区布局;以生产建筑用长材为主的全废钢短流程钢企(吨钢二氧化碳排放0.4吨~0.6吨)将在城市周边布局,通过消纳废钢、弃电、城市中水等社会废弃物,实现与城市和谐共生。此外,富氢/绿氢直接还原铁既可作为废钢来源不足的补充,也可作为高炉使用的金属化炉料,进而降低高炉碳排放。来源:中国冶金报