以中国为中心的钢铁行业二氧化碳减排技术与低碳发展

2023-12-29

背景：作为二氧化碳排放的最大工业来源之一，钢铁工业(ISI)约占全球工业部门直接温室气体(GHG)排放的25%，占2018年直接排放总量的7%左右。中国的粗钢产量占全球的50%以上，中国的ISI约占温室气体排放总量的15%。因此，改善ISI的温室气体排放状况对于中国实现其低碳发展目标尤为重要，这可以通过优化产能、改进生产技术(即重点改进高炉-碱性氧炉(BF-BOF)方法)和采用可再生能源(RE)来实现。此外，随着中国提出的2060年碳中和目标，ISI也有必要考虑各种超低碳技术，包括氢基直接还原铁(DRI)和碳捕集、利用和封存(CCUS)。因此，必须了解这些技术选择的减排潜力。ISI的高投资成本、长设备使用寿命和其他特点需要对改进技术的成本降低和温室气体减排潜力进行全面考虑。1980年以来，中国ISI经历了一系列关键的技术升级，主要受经济因素驱动，而非减排目标驱动;因此，如果最佳可用技术与低经济效益相关联，它们通常不会得到实施。许多关于ISI的研究已经从技术角度探讨了减排的可能性，一些研究小组已经评估了中国、美国、欧盟、日本和印度在ISI中的温室气体减排潜力。总的来说，大多数研究试图基于片面的观点对ISI做出总体判断，这突出了需要综合总结基于资源、ISI状况、技术性能、成本和其他因素设计发展战略的潜在选择。

研究方法：自150年前Baseman炼钢工艺被引入以来，现代炼钢方法的发展使钢铁产量迅速增加，并使钢铁成为第二次工业革命的基石。如图1所示，1975年之前钢铁产量的快速增长在1975年至2000年间趋于平稳，在此期间，粗钢年产量保持在700 - 800 Mt之间。然而，改革开放带来的经济增长使中国成为21世纪钢铁产量增长的主要推动力。自2012年以来，中国粗钢产量已超过世界总产量的一半(图1中的绿色痕迹)，2018年，中国粗钢产量超过9亿吨，巩固了中国作为世界舞台上重要的碳排放国的地位。中国的ISI有很多优势。首先，中国具有快速发展的能力，钢铁年产量连续几年居世界首位。其次，中国的ISI实现了其生产流程的快速升级。中国推动持续的技术创新，在大多数钢铁厂逐步淘汰过时的战略和淘汰过时的设施(如平炉;OHF)。最后，由于中国和全球经济的发展，这个行业有着光明的前景。中国政府对该行业的宏观调控在支持ISI的潜力方面发挥了关键作用。2018年，中国十大钢铁企业(CR10)的市场集中度降至35.25%，与2008年经济危机前持平。相反，同年韩国、日本和美国的CR3分别为93.2%、79.8%和54.0%。中国ISI的另一个局限是行业内缺乏技术专业化。目前，中国的钢铁企业可以生产各种规格的产品。然而，他们提供的旗舰产品很少。总体而言，由于技术专业化程度不够，国家层面的市场细分仍然存在一定的模糊性。最后，钢铁企业不合理的定价机制和较低的议价能力阻碍了中国ISI的盈利能力。因此，工业技术的改进受到低经济效益的限制。

图1 1980 - 2018年全球粗钢产量，突出显示中国占比

研究人员分析了ISI内各个阶段的温室气体排放和减排潜力，如图2所示。结果表明，高炉炼铁、轧制、铸造和电炉炼钢是具有巨大减少温室气体排放潜力的技术。铸造和轧制中温室气体减排比例较高的原因是可以利用粗钢的大量余热，并且可以将材料损失降到最低。由于高炉、转炉等步骤涉及的技术成熟，且直接温室气体排放比例高，难以通过技术改进来缓解，这些步骤的温室气体减排潜力低于其温室气体排放占比。事实上，考虑到整体能源效率已经达到了很高的标准，尽管随着国家能源系统的低碳化，废热/废气回收和再利用所对应的间接温室气体减排应该会减少，但期望再减少15-20%的能耗是不现实的。这意味着技术改进的温室气体减排效益是有限的，进一步凸显了对超低碳生产技术的需求。

图2 不同工艺的CO2排放比例(外环)，以及这些工艺中bat减少CO2排放的潜力(内圈)

研究总结：尽管中国的ISI已经具有相对的成本效益，但减排方面的挑战仍然存在。第一，大规模生产和排放:中国钢铁工业占世界钢铁总产量的50%以上，占工业部门直接温室气体排放量的25%。第二，产业结构不合理:中国钢铁产量中只有一小部分是由短流程炼铁技术生产的。从拥有最先进技术的大型领先制造工厂到小型基础工厂，低设施效率是多个行业层面的主要问题。第三，多重风险:中国的ISI长期以来一直面临产能过剩的威胁。新冠肺炎疫情的爆发和保守主义思潮的兴起，使中国在国际贸易形势不稳定的情况下面临产业转移的进一步风险。改善中国情报信息系统有多种选择，但效果不同。首先，增加短流程炼钢的比例:废钢-电弧炉在减少温室气体排放方面将是无价的。然而，中国的废钢-电炉方法受到废钢和电力成本高的阻碍。因此，回收系统的发展可能是ISI脱碳的基础。其次，调整产业结构:整合和精简ISI，优化产能布局是一种有前景的方法，这需要市场激励和适当的政策。再次，技术改造的多种选择:钢铁生产的每个阶段都有多种技术选择，在主流bat升级后，预计总减排量约为40-45%。最后，某些技术具有出色的成本效益:回收和再利用炼铁过程中的废热和废气，以及轧制/铸造过程中的技术升级，可以减少排放，同时提高生产效率，并展示理想的成本效益。

文章亮点：

1．本文讨论了与ISI相关的技术改进和超低碳技术的研究成果，强调了它们的成本效益和发展前景。

2．本文基于生命周期分析方法，建立了一个综合分析框架，整合不同研究成果，在温室气体减排策略设计中考虑更多因素。

来源：双碳研究室