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中国钢铁工业二氧化碳减排和低碳发展技术的综述
2021/03/26总浏览:101

钢铁工业是能源密集型行业,占全球工业部门直接温室气体排放量的约25%。中国作为世界上最大的钢铁生产国和消费国,在实施节能减排措施方面的工作非常重要。这篇综述讨论了旨在开发与钢铁行业相关的技术改进和零碳排放技术的研究成果和试点项目,强调了它们的实用性和减排的成本效益,并结合钢铁行业的生命周期碳排放分析、成本分析,判断了这些技术的发展前景。

结果表明,钢铁行业充分应用主流的技术改进可以实现约43%的二氧化碳减排。此外,将它们与零碳排放技术相结合,可以实现80%-95%的减排。这些技术改进的边际减排成本约为-5-0.5美元/kgCO2。在实现碳中和的大背景下,中国钢铁行业需要应用基于氢的炼钢技术或碳捕集、利用和储存技术,而这意味着预计到2050年将导致120亿至350亿美元的减排成本。中国钢铁行业在短期内需要技术改进,在长期内应优先考虑零碳技术的发展,策略转变的时机取决于电价和碳价。

主要结论

(1) 尽管中国的钢铁工业已经具有较高的成本效益,但仍然存在着诸多减排挑战:

规模大:中国的钢铁工业贡献了全球钢铁总产量的50%以上,以及工业部门直接温室气体排放量的25%。

产业结构不合理:中国钢铁短流程炼钢占比较低。此外,中国钢铁行业低质产能依旧很高,从拥有先进技术的大型领先制造工厂到小型基础工厂,低效率的设施是多个行业层级的主要关注点。

面临多重风险:钢铁行业一是长期面临产能过剩的问题,二是由于国际贸易的不稳定状态,COVID19的出现和保守主义的兴起使它进一步面临产业转移的风险。

(2)中国钢铁行业实现温室气体减排具有众多技术选择:

增加短流程炼钢的比例:就减少温室气体排放而言,短流程炼钢,也就是废钢-电弧炉炼钢技术将是最重要的技术选项。但是,废钢和电的高昂成本阻碍了中国短流程炼钢的发展。

优化产业结构:整合和简化钢铁企业并优化产能布局具有重要意义,它需要市场激励和适当的政策。

技术改进:与钢铁生产的每个阶段都有多种技术选择,随着主流可用技术的充分推广,预计总减排量约为40-45%。

某些技术具有出色的成本效益:炼铁过程中废热和废气的回收和再利用,轧制/铸造的技术升级可以减少排放,同时提高生产效率并显示出理想的成本效益。

(3)具有不同程度的潜在竞争力的超低排放炼钢技术受到了广泛关注。

最优选择:氢基炼钢(绿氢-直接还原铁-电弧炉炼钢)以及CCUS可以提供实现碳中和的最优方案。但是,超低排放技术的实际发展将取决于地缘政治(贸易保护主义,气候变化条约),政府政策(碳税等)以及成本等多方面因素。

氢基炼钢的资源消耗更少:氢基炼钢的材料消耗主要来自设备制造,并且比CCUS储存和土地使用的资源消耗少。

可再生能源是钢铁行业实现超低碳排放的必要条件:可再生能源的比例是影响氢基炼钢和短流程减少温室气体排放潜力的最关键因素。结合钢铁行业碳市场的建立,可再生能源的发展也将决定各种技术路线的发展重点。

需要付出巨大的努力:由于相关的成本和所需的技术成熟度,在完全采用氢基炼钢和CCUS技术之前,需要一个过渡时期,其中包括对现有的高炉-转炉的产能进行适度的改进。

 (4)中国钢铁行业的超低温室气体排放是可以实现的。

   从理论上讲,多种技术改进和零碳技术的全面应用有机会实现80-95%的减排。

政策建议

基于这些结论,我们提出了针对中国和其他地区的政策建议。

1)对于中国:

短期:对于高炉-转炉流程,减少钢铁消耗,消除落后产能,并推广具有成本效益的最佳可行技术。对于电弧炉工艺,促进废料回收行业的发展并提高电弧炉产能。

中期:在综合钢铁企业中推广基于NG / COG的直接还原铁和CCUS示范,以评估其温室气体减排效益并同时解决与这些技术有关的工程问题。促进可再生能源在钢铁行业中的应用并构建氢供应链。

长期:根据中期的示范项目的研究结果,确定中国氢基炼钢和CCUS技术的最佳应用规模,并调整生产结构以实现钢铁行业的超低温室气体排放。

2)对于其他国家:由于其规模大,废钢率低等特点,中国的钢铁行业必须做出更加谨慎的决定,并考虑采取多种减排措施以实现超低温室气体排放。但是,其他国家不一定需要这样做,可以会更早地确定关键技术路线,或者采用更积极的发展战略。因此,政策建议如下:

超低碳技术是必要的:可再生能源和技术改进是减少全球钢铁行业温室气体排放的重要手段,但仅依靠这些方面可能不会导致实现减排目标,生产方式的转变与超低排放技术的引入是必要的。

以成本最小化为目的设计发展战略:应根据成本最小化原则并根据发展潜力预测(考虑需求,钢铁行业结构,矿石和废料资源以及可再生能源比例等因素)制定发展战略。能源)和边际减排成本(考虑全球废料市场,最佳可行技术成本,超低碳技术成本,可再生能源成本和碳价等因素)与各个地区的减排措施有关。例如,在钢铁需求少,碳储存空间有限且电弧炉比例较高的地区,CCUS和一般的技术改进在传统炼钢流程中的应用并不像氢能炼钢那样有效率。

评价

生产全球超过50% 的粗钢的中国钢铁行业是重点的“难减排行业”,它的低碳化对于中国实现碳中和战略来说非常重要。钢铁行业具有减排难度大、设备成本高、建设/使用周期长等特征,可谓是“船大难掉头”,需要从成本、效率等多个方面考量减排技术,并设计综合减排方案,以求避免资源浪费。实现钢铁行业的温室气体减排,一方面需要从现有生产方式的技术改进入手,具体包括余气/余热回收、提高生产效率、减少能源/资源损失等手段,技术改进的选择众多,但它们的减排效益的核算并没有统一标准,有必要综合分析。另一方面需要改变现有的生产方式以追求超低排放,比如对焦炭进行替代(比如采用氢气冶金)或者使用CCUS技术。文章认为,在实现碳中和的大背景下,现有生产方式的技术改进难以达到减排要求,氢冶金、CCUS技术等超低排放技术成为了必要选项。

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