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钢铁行业应对“双碳”压力的挑战及措施分析

2021-09-13 09:30:00

中国冶金报 中国钢铁新闻网
苏亚红
 
  全球碳达峰碳中和现状
  据英国石油公司(BP)发布的《世界能源统计年鉴》显示,2012年以来全球碳排放量持续增长,2019年全球碳排放量达到了343.6亿吨,创历史新高。2020年全球受新冠肺炎影响,碳排放量下降至322.8亿吨,同比下降6.3%(详见图1)。
图1 全球碳排放量变化情况(亿吨)
  随着全球平均温度的升高以及极端气候事件频发,国际社会向主要经济体施加的碳减排压力越来越大。2019年7月联合国秘书长倡议“到2030年将温室气体排放量较2010年水平削减45%,到2050年基本实现碳中和”。同年9月底联合国气候行动峰会上,65个国家承诺在2050年前实现温室气体净零排放。
  据经济合作与发展组织(OECD)统计数据显示,1990年、2000年、2010年和2020年碳排放达峰国家的数量分别为18、31、50和54个,已经碳达峰的这些国家占当时全球碳排放量的比例分别为21%、18%、36%和40%。2030年全球将有58个国家实现碳排放达峰,占全球碳排放量的60%。
  我国在2020年9月第七十五届联合国大会上,宣布2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和。碳中和已成为各国追求的共同目标,不丹、苏里南共和国目前已经实现了碳中和,另外有120多个国家(经济体)宣布了碳中和实现时间(详见表1)。
表1 全球部分国家碳中和宣布时间
  我国钢铁行业面临的“双碳”压力
  我国钢铁行业作为能源消耗密集型行业,是制造业31个门类中碳排放量最大的行业之一,占全国碳排放总量15%左右。近十年来,我国钢铁行业一直向低碳绿色改造方向努力,2013年到2020年,我国粗钢产量从8.13亿吨增长到10.65亿吨,增幅达到了31%,但是同期钢铁行业碳排放总量从17.48亿吨增长到21.1亿吨,增幅仅为20.71%,吨钢排放量从2.15吨下降到1.98吨(详见图2)。
图2我国粗钢产量及碳排放情况
  我国提出2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标后,在气候峰会上进一步宣布:“到2030年,中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右”。目前距离2030年碳达峰只有不到10年时间,碳达峰到碳中和间隔时间只有30年,这对于我国以碳排放强度高的长流程为主(长流程粗钢产能约占90%)的钢铁行业来说是一个巨大挑战。基于钢铁生产原理,焦炭和铁矿石的还原反应势必会产生碳排放,通过先进的技术进一步挖掘传统生产流程的节能减排潜力已非常有限。钢铁企业和行业专家充分认识到,只有进行突破性技术研发,通过对工艺流程的变革,才能取得突破性进展。
  另外钢铁工业是我国国民经济的支柱产业,对经济发展至关重要。我国钢铁行业是化石能源消耗大户(约占全国煤炭消费总量的18%),其中煤炭和焦炭消耗占比高达92.0%,电力消耗仅占6.3%,油气能源占1.7%。为了完成“双碳”目标,国家未来势必对煤炭消耗量进行限制,对于我国采用高炉—转炉长流程工艺为主的钢铁行业来说,其规模发展将被进一步制约。
  钢铁行业完成“双碳”目标技术路径
  为了应对“双碳”压力,钢铁行业必须通过能源结构、新工艺研发和长生命周期新材料技术的不断创新,从源头和根本上解决钢铁行业低碳发展问题。主要技术路径包括碳捕获和封存技术、氢冶金技术、利用绿色能源等。
  1)碳捕获和封存技术
  碳捕获和封存技术就是把生产过程产生的CO2经过分离、回收、高压输送压入深部盐水层和枯竭油气层进行封存,这是应对气候变化的现实性对策之一,可以帮助钢铁行业减少碳排放一半以上(技术使用过程需要消耗能源以及封存过程会释放二氧化碳)。对于碳捕获和封存技术的研究,日本、英国走在前列,首先试用的为大型电厂,但基于成熟度低、成本太高因素,发展缓慢。
表2 碳捕获和封存技术主要过程
  2)氢冶金技术
  氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,氢能应用是实现低碳、甚至“零碳”排放的最佳途径。氢冶金技术就是用氢气作为铁矿石还原剂,从未来30年来看,氢冶金作为革命性新工艺将使钢铁生产摆脱对化石能源的绝对依赖,从源头上解决碳排放问题,真正满足钢铁企业排放目标,目前国内外许多钢铁企业对氢冶金都有涉足,正在不断完善和发展。
  3)发展全废钢短流程
  向全废钢短流程(吨钢CO2排放0.4吨-0.6吨)钢厂方向发展,富氢/绿氢直接还原铁可作为补充废钢来源不足问题。
  4)应用绿色能源
  实现碳达峰、碳中和对我国能源结构提出了新的要求,“十四五”规划我国非化石能源占能源消费总量比重提高到20%左右。其中风电、太阳能、核电等清洁能源引起进一步重视。未来可研究直接电解铁矿石技术(电能把氧化铁转化为金属铁和气态氧,欧洲ULCOS项目到了小规模的验证),其中电能取自绿色能源。
  5)长生命周期产品的开发与生产
  钢铁产品是基础设施建设、汽车制造、船舶制造、装备制造、国防建设等领域的主要原材料。“双碳”目标压力下,研究开发长生命周期的钢材产品,减少生产排放的二氧化碳,例如轻量化汽车板、管线钢、桥梁钢、铁路用钢、工具钢、耐候钢、高强集装箱用钢等钢材产品的生产方面将加大研发力度。
  我国钢铁行业实现“双碳”目标政策建议
  1)国家层面宏观调控
  低碳新技术研发需要大量资金和人才,从长远来看,在技术研发方面不能落后其他国家,这方面国家层面应给予支持和倾斜。另外,在碳减排新技术初期成本处于较高水平时,一定程度上的经济补贴与政府支持将提高企业进行低碳技术改造和试用的接受程度,例如通过设立专项基金,持续推进创新技术,捕获和封存技术、绿色能源技术等前沿技术,基础理论攻关与成套装备研发等碳减排示范项目。此外,对于突破性新技术,建议确定为公共资金支持的关键优先领域并为其提供可持续融资支持。
  2)获得充足且负担得起的清洁能源
  新技术的研发需要相关配套的能源支持,例如氢冶金研究涉及的领域比较广泛,需要在太阳能和风能发电领域进行大量投资,让钢铁行业获得充足且负担得起的可再生电力的政策支持。
  3)加强能源基础设施建设
  低碳新技术研发和推广应用除了丰富的可再生能源,还需要对氢基础设施投资的政策支持,以推进大规模的氢工艺。对于采用碳捕集和封存技术,加快碳运输、储存基础设施和服务发展也很重要。
  4)加强钢铁行业顶层设计,明确发展实施路径与行动方案
  我国钢铁行业属于基础工业,对国民经济的发展起到了强有力的支撑作用,需要立足长远,科学规划生产。同时,要从技术突破的动态发展、能源供给的安全与稳定、全生命周期的经济性和外部性收益等多方面,设计不同节点的具体减排目标、实施路径与行动方案,合理有序地应对“双碳”压力。

来源:中国冶金报-中国钢铁新闻网

编辑:张雨恬

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