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“碳中和”——对钢铁行业的影响

2021-3-29 23:52

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钢铁行业将于 2025 年之前碳达峰 

基于ICCSD(清华大学气候变化与可持续发展研究院)的研究,为实现2060碳中和,工业行业应在2025年进入排放平台期2030年开始逐渐减少。钢铁行业是工业行业中最主要的上游产业,及最大的碳排放行业,应提前布局,提前达峰,为其他新兴工业部门提供碳排放空间。因此国内钢铁行业碳达峰时间点将早于2025年。


2020-2050年中国二氧化碳排放量展望


钢铁行业碳减排主要依赖减排技术和工艺流程的提升。国内钢铁行业碳减排研究和国企碳减排实践起步早,从本世纪初开始实践钢铁低碳生产技术,积累了较多实践经验。这些技术在原理上主要包括三大类:提高能量利用效率、提高副产品利用效率、新近的突破性冶炼技术。
 
中国钢企碳减排实践

达峰容易中和难 


钢铁初步减排技术选项较多,如余热回收及再利用的新技术工艺(如轧钢余热回收技术、喷吹煤粉技术、回收高炉煤气技术、球团废热回收技术、厚料层烧结技术、降低漏风率技术、干熄焦技术以及煤调湿技术)等。据力拓中心报告,钢铁工业十二五发展规划中提出的25项主要工艺改进技术若都得到积极的推广和采纳,可以让尚未采用这些技术的钢企减少40%的粗钢碳排放,减排潜力约0.9CO2/吨粗钢。这类初步的减排技术已经较成熟,推广较为容易,在减排的同时提高了经济效益,是当前成本较优的技术选择。



25项可选技术减排潜力与便捷减排成本


深度减排需要全新工艺,减排成本高。对于已经做到连铸连轧、薄板坯连铸、富氧喷煤、预热回收等技术的先进钢企而言,要实现进一步的深度减排乃至净零碳排放,必须在长流程生产过程中采用更彻底的脱碳技术,如 CCUS(碳捕获、利用与封存)和氢能炼钢技术,但当前这些技术的基础设施建设成本都较高。对氢能炼钢技术,使用碳基原料制氢并不能显著降低碳排放,使用电解制氢则依赖于零碳电力。 
CCUS(碳捕获、利用与封存)是能够大幅(据国家能源技术经济研究院数据最高可达90%)减少高炉CO2排放的技术,目前在国内安装一套10万吨/年的CO2捕集与封存装置,需要建设成本约1.9亿元,捕集成本约600/CO2,运输成本约0.3~1.4 /CO2·公里。
氢能炼钢技术的应用成本则主要取决于零碳电力的价格,当零碳电力的价格低于0.31/千瓦时时,新建氢能炼钢项目的减碳成本低于CCUS;当零碳电力的价格低于0.18/千瓦时时,已有氢能炼钢项目的减碳成本更低。
 不同高能耗行业边际减排成本曲线差异很大,当前技术条件下要实现相同的减排量,交通、造纸和有色金属部门边际减排成本最高,减排难度最大,电力部门边际成本最低,减排难度最小,石油炼化、化工、非金属、钢铁部门减排难度适中。


对钢铁行业而言,初期减排成本较低,随减排幅度增加边际减排成本将迅速上升。我国2020 年粗钢产量 10.65 亿吨、生铁产量 8.88 亿吨,短流程占比10%计算,据此估算碳排放总量 23.14 亿吨。若在此基础上减排30%不考虑技术进步带来的成本逐步下降,全行业需支付2万亿减排成本,吨钢减排投资约1825元。 


不同行业边际减排成本对比


碳减排促进短流程工艺发展 

钢铁行业对碳基原料、燃料的依赖程度高,未来进一步实现碳中和相比于达峰难度更大,需要工艺流程的重大变革。
粗钢是钢铁行业最重要的中间产品,粗钢生产是钢铁行业最关键的生产环节。根据原料的不同,全球主要粗钢生产工艺可分为两类:第一类是将铁矿石还原为粗钢的工艺,具体包括高炉-转炉法(BF-BOF)、熔融还原法(SR-BOF)和直接还原法(DRI);第二类是将废钢重新冶炼为粗钢的工艺,即基于废钢的电弧炉冶炼法(Scrap-based EAF)。

粗钢主要生产工艺路线∣来源:世界钢铁协会


我国钢铁行业主要的两类工艺路线为高炉-转炉法(BF-BOF)和基于废钢的电弧炉冶炼法(Scrap-based EAF)。2019年,我国电炉生产的粗钢产量占比10.4%,远低于全球平均水平27.7%。在2019年粗钢产量排名前10的国家中,中国是电炉钢占比最低的国家。有研究表明,我国吨钢碳排放高于全球平均水平主要由粗钢的生产工艺结构不均衡,电炉钢比例过低所致。
工信部在20201231日发布《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见(征求意见稿)》提出要求,到2025年电炉钢产量比例提升至15%以上力争达到20%
电炉炼钢主要利用电弧热,电弧作用区的温度高达4000℃。由于直接使用废钢作为原料,短流电炉炼钢工艺直接消除了许多造成污染的环节,因此受到许多钢铁公司的青睐。根据环保专家的估计,废钢直接炼钢炼铁可减少86%的废气,76%的废水和97%的废渣,有利于清洁生产和减少废物。



碳减排推动产业结构优化
 
工信部于20201229日表示,要围绕碳达峰、碳中和目标节点,实施工业低碳行动和绿色制造工程;钢铁行业作为能源消耗高密集型行业,从2021年开始,进一步加大工作力度,坚决压缩粗钢产量,确保粗钢产量同比下降。
202131日,工信部提到要提高产品标准和性能,使总量不变情况下,单位用钢量进一步降低。
除了电炉炼钢比例的提升,碳减排政策对产业结构优化最直接的表现是钢铁行业的兼并重组加速。中小钢企往往有环保资金投入有限,环保技术能力不足,产能落后等情况。国外先进钢铁企业吨钢环保投资70-120元,环保设施运行成本130-150元,而我国钢铁企业吨钢平均环保设施运行成本55元,其中只有宝钢、首钢等先进钢铁企业吨钢环保设施运行成本100-145元。淘汰落后产能,推进兼并重组,有利于龙头钢企做大做强。兼并重组有利于企业提高话语权,兼并重组后的大型企业能更有效地推动境外铁矿石资源获取与开发,提高铁资源供给保障能力,降低生产成本,切实提升钢铁行业产业链安全。
目前,中国宝武已发布碳减排宣言:将在 2023 年力争实现碳达峰,2025 年具备减碳 30%工艺技术能力,2035年力争减碳 30%,2050 年力争实现碳中和。河钢集团、鞍钢集团等多家钢铁企业近日发布的2021年经营计划中可以看到,碳达峰、碳中和已成为企业发展关键词。
中国钢研集团在低碳技术、低碳装备,以及钢铁工业低碳总体发展趋势方面进行了十多年的探索,其绿色化智能化中心一直致力于发展钢铁行业低碳减排技术,随时为行业碳减排提供技术支持。
中国钢铁工业协会拟成立低碳工作推进委员会,组织钢铁行业内相关领军企业、科研院所、技术单位等,集合各方优势力量,共同为钢铁行业碳减排目标的实现,为钢铁企业碳竞争环境下争取有利先机发挥应有的作用。
2021年重点要解决的问题是尽快形成行业碳配额与核算实施方案,制定钢铁工业2030年碳达峰指标及2060年碳中和路线图。钢铁行业碳达峰+碳中和是一场需要全行业共同参与的硬仗,必须从产业历史变迁、能源结构改善、科技创新发展各个维度,深入推进。
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