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2050年率先实现碳中和,欧盟钢铁减排路线图带来的启示

2050年率先实现碳中和,欧盟钢铁减排路线图带来的启示

张紫琦,清华大学化学系,硕士研究生,研究方向为低碳技术:顾阿伦(通信作者),清华大学能源环境经济研究所,副研究员,研究方向为环境经济 论文全文发表于《科技导报》2022年第7期,原标题为《欧盟钢铁减排路线图及启示》 2022-06-23 13:06:40 阅读量:122

2019年12月,新一届欧盟委员会发布《欧洲绿色协议》(以下简称“绿色新政”),提出到2050年将在全球范围内率先实现碳中和。2020年10月,欧洲议会将2030年温室气体排放量(相比1990年)的减排目标提高到60%。

本文论述了欧盟绿色新政的背景和意义,明确了欧盟各个行业实现碳中和的具体要求,并就钢铁减排路线图中的具体技术开展比较分析,探讨了欧盟实施减排的政策措施,为我国未来的钢铁行业绿色可持续发展提供重要的参考。

欧洲绿色新政主体内容包括七大绿色行动计划,对于各个行业均提出了明确的要求:能源部门建设清洁、可负担、安全的能源体系;各工业部门建设清洁循环的产业体系;建筑业推动建筑升级改造,并且考虑将建筑领域的碳排放纳入碳排放交易市场的可行性;交通部门发展智能可持续交通系统,2050年减排90%以上;农业部门实施绿色农业战略;加强对自然生态和生物多样性的保护,将制定2030年生物多样性战略和森林新战略;要求各部门共同创建零污染的环境。

绿色新政还包括四大支撑保障措施:构建第一部欧洲气候法案、设立“公正的过渡基金”、加大技术研发与创新及对外关系与国际合作。

欧盟钢铁减排的目标和意义

自1960年以来,欧洲钢铁生产中的CO2排放量和能源使用量已经减少了一半。

在绿色新政的大背景下,钢铁行业计划2050年(相比1990年)可以达到80%~95%的减排成果。

为此欧洲钢铁联盟已经制定了一套明确的路径方案,确保欧洲能够继续走在符合《巴黎气候协定》要求的轨道上,同时也使欧洲钢铁适应清洁、低碳的未来。

钢铁工业可以运用先进的技术,在钢铁生产方式和环境影响方面实现根本性变革,这需要在各个阶段之间进行调整和有管理的过渡。

转型将通过氢基炼钢、过程整合、调整化石燃料炼钢、捕获和利用废碳生产化学品,以及增加废钢和钢铁副产品的回收利用等途径来实现。

欧盟钢铁减排路线图的框架

欧盟钢铁制造业主要包括高炉/碱性氧气炉和电弧炉这2条生产路线,通过技术优化和创新,已实现很高的资源效率,因此能源效率的进一步提高和CO2排放的减少需要根本性的突破性技术。

针对2050年的减排目标,欧盟钢铁减排路线图包括:在适当的条件下,通过新的技术途径,欧洲钢铁工业可以实现80%~95%的碳减排;由于新技术的推广以及可能消耗更多能源,预计每吨钢的总生产成本将上升35%~100%;额外的能源需求将达到约400 T Wh的无碳电力。

为达到减排目标、实现循环经济,并有效控制成本和能源消耗,钢铁行业的减排需要采取更大力度的减排新技术。

一般而言,钢铁行业的CO2减排主要有两种途径:智能碳利用技术(SCU)和碳直接避免技术(CDA)。

欧盟钢铁工业的减排技术路径

欧盟钢铁减排路线图主要是几种技术组合的共同效果,各种技术目前均有实体项目开展试验与研究。

欧盟钢铁减排路线图的

技术实施路径

SCU的第一条技术路径是通过集成工艺流程,降低碳的使用。其中HISARNA技术的主要优势是采用了旋风转炉和熔融还原炉的组合,如果能够成功实现工业化生产,将有利于降低钢铁制造成本、减少能源消耗20%的CO2排放。

SCU的第二条技术路径是有效利用含碳原料。Steelanol(钢铁醇)碳减排项目的总投资为1.65亿欧元,预计于2022年建成,旨在有效捕获高炉中的废气并利用生物技术将其转化为可再生的生物乙醇,正式投产后每年将生产8000万升生物乙醇。

在欧盟的减排路线图中,CDA是指在炼钢中使用可再生能源电力生产氢气,按照不同的技术改革程度一共提出了6种转型方案,而只有采用无CO2的能源才能达到80%~95%的减排目标。

该技术路径离不开两方面的技术支持:绿色清洁的可再生电力,以保证持续氢能供应;能够满足氢能炼钢的工艺流程和技术条件。

为了生产绿色氢气,欧盟“地平线2020”实施了“H2Future”项目,利用质子交换膜技术在电解槽中生产工业和电力存储专用的绿氢,项目总预算约1800万欧元,周期4.5年。

欧盟钢铁减排路径中

关键技术的技术经济比较

为了解重点工艺的技术经济比较和成本分析,采用Midrex和HYL-III这2个工艺在利用焦炉煤气和天然气作为原料气时的相关数据开展技术经济分析。

Midrex公司己形成一套较为完整的低能耗、高效率、高成熟度的工艺体系,工艺流程主要包含:直接还原竖炉、还原气重整炉、炉顶废气收集和处理系统、冷却气洗涤装置、余热回收装置。

此工艺设备简单、技术成熟,且大部分还原尾气都可进入重整炉进行重整后循环再利用,生产的直接还原铁质量优质,在气基直接还原竖炉工艺中一直占有主导地位。

Midrex工艺流程(天然气)

Midrex工艺的还原气来源有焦炉煤气、天然气,H2工艺,即100%采用氢气作为原料气体的方案也开始进行试验生产。

标准的Midrex工艺将外部生成的氢气注入到工艺过程中,无需重整器和气体加热器,也无需CO2去除系统。

实践过程中,还原气体中氢气含量约为90%,其他组分主要来自天然气,用于温度控制和增碳作用。

研究显示,每吨直接还原铁的氢气消耗量约为550 Nm3。此方案若想实现工业化,还需考虑包括温度和直接还原铁中的碳含量控制等问题。

HYL-III工艺也是气基直接还原竖炉炼铁中应用较为广泛的一种技术路线,其还原气的制取原料也需要用到天然气,但裂化剂采用水蒸气,二者在1073K左右的高温重整炉内进行催化裂化产生还原性气体,主要为H2和CO,其中H2的含量约为75%。

HYL-III直接还原工艺流程DRI—直接还原铁;HBI—热压铁;HYTEMP—热直接还原铁输送系统

主体部位可以分为气直竖炉、还原气的转化炉、加热炉3部分。气基竖炉内的压力可达到0.4~0.6 MPa;炉内反应温度一般在1203 K以上;反应速率加快的同时金属化率也较高。因此,HYL-III的生产装置复杂、投资成本较高。

HYL-III工艺的优点包括:有效气体和加热炉余热回收率较高;对富氢煤气的加热不存在歧化反应;炉料不易发生固结;气基竖炉和还原气的制取装置是2个相互独立的系统。

本研究主要从原料准备、还原工艺过程和工艺产出等方面开展技术经济比较。

对于矿石原料,Midrex工艺要求总铁含量大于64%、总脉石含量小于4%、含硫量小于0.05%、含磷量小于0.05%,HYL工艺则对含硫量没有要求。

Midrex工艺的操作压力约为0.23 MPa,HYL则高达0.4~0.6 MPa。

调查4种重要能源的市场价格计算对应工艺的平均成本水平,焦炉煤气作为原料的Midrex工艺约为2700元/t,HYL约为2800元/t;而天然气作为原料的Midrex工艺约为1100元/t,HYL约为1200元/t。

经过估算,原料气不同引起的重大差距主要体现在氧气和碳的使用量上。

若要真正做到无碳炼钢,前期还需要投入大量研发和固定成本,而计算结果则展现了绿色炼钢在经济方面的巨大潜力。

欧盟钢铁减排中的支撑政策措施

鉴于钢铁行业的资产密集度,低碳技术的实施属于时间密集型的,即现在做出的投资和改革可能需要更长的时间才能起效,所以政府、能源部门和相关行业需要给予相应的支持和帮助,促进钢铁行业的根本性变革。

资金支持

新技术的推广需要大量投资,应尽可能优先使用现有的金融支持方案来加速该行业的创新,如地平线欧洲、欧洲共同利益等重要项目,欧盟碳排放交易体系创新基金也将用于支撑相关的大型创新项目。

扶持政策

为了推广减排技术,还需要获得足够的低息投资资金。

低CO2钢铁行业的竞争力必须在创新和实施推广阶段保持,其主要的威胁是低成本的外国竞争。

政府应尽量减少全球竞争对欧盟脱碳的不利影响努力,制定充分的扶持政策,如为了避免降低产业竞争优势出台的碳边境调节机制等。

监管框架

欧盟监管框架为欧盟钢铁产品与欧盟第三国的竞争对手以及全球市场提供公平竞争的环境,对于欧盟向低CO2钢铁生产的成功过渡至关重要。

欧盟需要引入符合世贸组织的措施,在欧盟市场上销售的钢铁产品必须有类似的二氧化碳成本限制。

这样一个框架也应该激励全球竞争对手效仿欧盟脱碳途径。

结论与启示

雄心勃勃目标的确定

中国是世界上最大的钢铁生产国,钢铁行业每年的碳排放达十多亿吨。

“十四五”期间钢铁行业很有可能加入全国碳市场,钢铁行业很快将感受碳成本对企业经营的压力。

欧盟已经考虑对出口到欧盟的钢铁制品加征碳边境调节税,这对钢铁行业将造成巨大影响。

结合碳中和目标,中国钢铁行业依托氢气炼钢等减排技术制定大幅减排目标及路径,十分必要而且迫切。

欧盟制度创新

绿色新政的出台对我国实现2060年碳中和目标带来了一些启示。

一方面,新政草案的提出增加了全球对主要经济体提高减排力度的期许,对我国出台此类政策无形中增加了压力,且欧盟拟采取的碳边境调节机制也可能对我国的相关产业带来绿色壁垒与风险。

另一方面,欧盟在制订此类政策时的考虑与争论,特别是涉及应对气候变化和经济增长的关系方面的经验和做法,也为我国提供了参考和借鉴。

欧盟企业创新技术

我国钢铁行业碳减排的实现路径,未来将主要来自于对粗钢产量的直接压减和高炉炼铁环节的技术改造,以及氢冶金技术的示范推广,需要加紧研究和制定我国钢铁行业减排技术路线图。

一方面可以借鉴HIsarna项目和IGAR项目,在国内大规模使用煤炭炼钢的背景下,先着手实现煤炭消耗的降低;另一方面,基于碳捕集与利用(CCUS)技术和氢基直接还原技术,设立系列科研项目,加快科研进程,并在相关部委支持下,尽快设立试点项目,着手试验、示范并推广无碳炼钢。

实践应对气候变化与经济发展的双赢

当前,我国正处在制定中长期低排放战略和“十四五”规划的关键时期,若要实现2030年前达峰目标,钢铁行业必须“走在前面”。

中国应坚决压缩钢铁产量,未来需在产品质量,低碳、绿色智能化方面加大投资,提升固废处理及资源化水平,打造循环经济产业链,实现钢铁行业的转型升级,应进一步夯实制度建设和政策体系保障,加强数字化智能化对碳排放的管控和评估,推进我国经济可持续、高质量发展,实现经济发展、环境保护和应对气候变化的多赢。

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