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国外双碳政策梳理与技术现状研究

全球有多个国家都在进行钢铁领域减排二氧化碳技术开发

的研究。在反映各国国情的技术开发中,着力点和目标各有不

同。虽然大部分是巴黎协定之前提出的项目,但欧洲已将减排

目标定为80%,并从长远的角度转向新的研发,也包括这些研

究开发。大致区分为高炉发展工艺,以及旨在再利用排放二氧

化碳的CCU,利用可再生能源氢的氢能炼铁等未来系统。采用

CCU和无二氧化碳氢基炼铁的研发是最近开始的项目。

减碳技术主要围绕能源消耗减少,或者减碳这两个层面。

减碳技术按照目前钢铁行业的工艺流程,主要是短流程,氢能

炼钢碳排放被捕集技术(包括CCS和CCUS)。

高炉长流程工艺路线直接排放温室气体,而电炉短流程工

艺路线则间接排放温室气体,这主要取决于电炉使用的电力结

构。高炉长流程工艺路线减排就是钢铁工业减排的主要目标。

根据经济合作与发展组织的一项长期研究,到2050年,全球粗

钢产量将增长30%-50%,而钢铁业界已经采取了行动。

欧盟

传统钢铁生产是欧洲最大的二氧化碳排放来源之一。目前

欧洲大陆钢铁工业二氧化碳排放量约占欧盟二氧化碳总排放量

的4%,占工业二氧化碳排放总量的22%。消耗能源和碳的上游

工序,如焦炭和铁的生产,约占90%。大多数碳排放来自大约

30家综合钢铁厂,这些工厂生产的钢铁几乎占到了欧洲钢铁总

量的三分之二。

60%的欧盟钢铁企业采用高炉长流程生产,主要通过处理铁

矿石以生产铁烧结矿或球团矿,然后将其与焦炭在高炉中还原

以制造生铁,进而在转炉中炼钢。其余的钢铁企业则主要采用

电炉短流程工艺,在电炉中加热废钢而炼钢。

诸如干熄焦和优化球团矿配比等方法,以及高炉煤气余压

透平发电装置等设备,可以减少高炉长流程工艺路线的碳排放。

利用天然气替代焦炭还可以显著减少高炉长流程工艺炼钢的二

氧化碳,向高炉中注入氢气或氨气以部分替代煤粉也可以做到

这一点。不过,尽管其中许多措施已经成为整个行业的实践典

范,但尚不能实现碳中和,这是因为它们不能完全消除炼钢过

程中的碳。

通过节约为电炉供电的电力,或将电力结构转为可再生能

源,可以降低电炉短流程工艺的二氧化碳排放。从理论上讲,

这使得碳中和成为可能。但问题在于电炉短流程工艺受制于废

钢的可获得性,无法生产出所有钢种或所需数量。

全新技术尚在开发和进行之中。截至目前,欧洲最有前途

的新兴技术主要分为两大类:碳捕集、利用和/或封存(CCUS)

和铁矿石替代还原。替代还原技术包括氢基直接还原工艺和电

解还原法,大多处于开发初期阶段,同时需要大量的绿色能源,

但有望实现碳中和炼钢。

CCUS利用不同的方法捕集二氧化碳,并对其进行处理以供

后续利用(例如,作为燃料)或将其存储(如枯竭的海底天然

气储层等地质结构)。仅靠CCUS无法实现碳中和,但如果炼钢

过程中使用的化石燃料被生物质所取代,则可能会产生负的二

氧化碳平衡。

新型还原剂取代焦炭或天然气,其中包括氢气和直流电。

从理论上讲,可以实现完全绿色的钢铁生产。不过,相比CCUS,

这一类技术可能需要更多的时间和资金。

碳捕集、利用和/或储存

二氧化碳从其他气体中分离出来,并在大量排放的过程(如

炼铁工序)中被捕集。随后捕集的二氧化碳通过管道或轮船运

输到陆上或海上储存地点,如欧洲北海油气田,或者用作燃料

或生物质。其主要工序包括燃烧后/燃烧前捕集和压缩-运输-

储存/利用。CCUS系统很容易融入现有厂区。由于这项技术并

不是炼钢专用的,其他行业也可以分担部分的开发和基础设施

成本(例如,合成燃料市场、运输和储存)。此外,未来的运营

成本在很大程度上是可以预测的。

利用CCUS的生物质炼铁

该工艺的基本原理是:碳中和生物质在预处理过程中部分

替代化石燃料,或作为铁矿石还原剂。例如,由生物质(生藻

类、草、木材等)制成的富含碳的生物质半焦,用以替代焦炭,

或者生物燃气被注入竖炉以取代天然气。主要工艺包括热解和

水热碳化,CCUS系统会清除所有残余的碳排放。瑞典国家钢铁

研究院在SSAB公司吕勒奥厂的研究显示,如果采用该项技术,

至少可以减排二氧化碳28%。

不过,在生物质的种植方面还有一些问题。特别在自然环

境中,它可能导致森林砍伐、污染和生物多样性减少,并在社

会上增加食品价格和农业土地使用。此外,生物质的热值低于

化石燃料,限制了其在大型高炉

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