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我國鋼鐵行業碳減排之路怎么走?——專訪北京科技大學教授、鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室副主任左海濱

2021-05-28 08:01:00

  實習記者 趙萍 記者 羅忠河 米颯   

  

  “實現碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革,是對生產、消費、技術、經濟和能源體系的一次歷史性革命。作為工業行業中最主要的上游產業,同時也是最大的碳排放行業(約占中國碳排放總量的16%),鋼鐵行業應提前布局,為其他新興工業部門提供碳排放空間。目前,鋼鐵行業碳達峰目標初定為:2025年前實現碳達峰,2030年碳排放量較峰值減少30%?!?月14日,北京科技大學教授、鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室副主任左海濱就鋼鐵行業碳減排路徑等問題接受《中國冶金報》記者專訪時這樣強調,“我國鋼鐵行業以長流程生產模式為主,高爐煉鐵技術經過不斷發展已相當成熟,依靠現有技術實現鋼鐵行業進一步大幅節能減排的潛力已十分有限。因此,要想在2025年前實現碳達峰,唯有突破現有的生產模式。從目前來看,氫冶金被公認為是比較理想的低碳冶金技術路徑?!?/span>

  在采訪中,他向《中國冶金報》記者介紹了目前國內外主要的低碳冶金技術項目和研究進展情況,并就我國鋼鐵行業、鋼鐵企業如何走好碳減排之路出謀劃策。

  世界兩大主流低碳冶金技術路徑

  “目前,世界范圍內正在探索的低碳冶金技術路徑主要分為兩大類,一類是針對長流程的,主要通過向高爐噴吹富氫還原氣體以降低碳消耗,從而實現二氧化碳減排,目前致力于研究此路徑的國家主要有中國、日本、韓國、德國等;另一類是針對短流程的,涉及工藝主要包括MIDREX、HYL/Energiron(兩種氣基豎爐直接還原工藝)等,目前正在研究這一路徑的國家主要有瑞典、奧地利、德國等。同時,德國和中國是少有的兩種低碳冶金技術研究同時兼顧的國家?!弊蠛I在介紹各國低碳冶金技術路徑和進展情況時這樣歸納道。

  “日本最著名的低碳冶金項目就是COURSE50項目(日本環境和諧型煉鐵工藝技術開發項目)?!弊蠛I表示。該項目于2008年7月份啟動,重點研發基于氫還原的高爐煤氣分離、回收二氧化碳技術,計劃在2030年將二氧化碳排放量降低30%,并在2050年使該技術得到普及應用?!霸诖嘶A上,日本鐵鋼聯盟還有一個升級版——以2100年為目標的‘挑戰零碳鋼’長期愿景,將開展以氫為原料的超級COURSE50項目?!彼榻B道。

  韓國浦項制鐵的富氫高爐煉鐵技術,目標是減少10%的二氧化碳排放。韓國浦項制鐵計劃在2018年~2024年發展二氧化碳減排型煉鐵技術,2025年通過官民合作開始進行試驗,到2030年投入2座高爐試運行,到2040年投入12座高爐。

  總體來看,以中日韓為代表的亞洲國家的低碳技術路徑主要基于現有的長流程生產模式,以高爐富氫冶煉為主。同時,中日韓三國也是目前高爐大型化的代表,聯合貢獻了世界32座5000立方米及以上高爐中的28座(中國9座、日本11座、韓國8座)。

  “以瑞典、奧地利為代表的歐洲國家的低碳技術路徑以綠氫直接還原+電爐為主?!弊蠛I介紹道。瑞典HYBRIT項目(無化石燃料海綿鐵生產中試線)是采用氫氣替代煉焦煤、焦炭或天然氣的突破性煉鐵技術。該技術計劃在2018年~2024年進行全面可行性研究,并建立中試廠進行試驗,在2025年~2035年建設示范廠,之后實現商用?!叭绻度胧褂?,瑞典的溫室氣體排放量將減少10%,芬蘭將減少7%?!彼硎?。目前,該項目處于試驗階段,計劃到2045年實現非化石能源煉鋼。

  此外,奧地利的H2FUTURE項目(無二氧化碳工業氫試制工廠)采用氫氣直接還原鐵工藝,旨在通過研發氫氣替代焦炭冶煉技術,降低鋼鐵生產過程中二氧化碳排放量,計劃到2050年減少80%的二氧化碳排放量。

  德國低碳技術路徑兼顧高爐富氫冶煉和綠氫直接還原。據左海濱介紹,在長流程方面,由德國蒂森克虜伯集團發起的Carbon2Chem項目(利用煉鋼尾氣合成化工產品)可以將廢氣轉化為化工產品原材料,二氧化碳將不再排放到空氣中。2019年11月11日,德國蒂森克虜伯集團在杜伊斯堡9號高爐(日產鐵水4600噸)進行了噴吹氫氣試驗,目前已成功完成第一階段測試,取得了較好的應用效果。該公司計劃在第二階段試驗期間,重點研究噴吹氫氣對高爐冶煉工藝的影響,氫氣噴吹范圍將從原來的1個風口拓展到9號高爐的全部28個風口。但受新冠肺炎疫情影響,第二階段試驗計劃推遲到2022年開始。2020年8月份,德國迪林根鋼鐵和德國薩爾鋼鐵投資1400萬歐元進行了高爐噴吹焦爐煤氣試驗,具備了在技術允許范圍內使用氫氣進行高爐冶煉的能力,計劃到2035年減少40%的碳排放量。在短流程方面,德國最有代表性的低碳冶煉項目是SALCOS項目(薩爾茨吉特綠氫項目),旨在通過使用綠色氫氣和生物甲烷生產鋼鐵,主要原理是風電制氫+直接還原。  

  我國鋼企選擇低碳冶金技術路徑需量體裁衣

  “在低碳冶金方面,盡管我國起步較晚,基本都處在探索階段,但總體看與國外站在同一起跑線上?!弊蠛I認為。

  他介紹,我國鋼鐵行業當前在降碳方面主要采用“兩條腿走路”的方法。

  在長流程方面,中國寶武在八鋼建立世界最大的400立方米氧氣高爐工業試驗基地,未來計劃將該高爐建成全球首家低碳冶金研究平臺。作為參與中國寶武富氫碳循環高爐試驗項目的核心專家之一,左海濱向《中國冶金報》記者介紹了該項目的情況。該項目目前已完成第一階段任務,實現35%富氧冶煉目標,達到了傳統高爐的富氧極限;當前正在進行第二階段工程建設,目標是采用脫除二氧化碳技術,打通煤氣循環,實現50%超高富氧冶煉試驗;第三階段計劃完成全氧冶煉試驗,并開展富氫冶金工業試驗,最終目標是減少30%的二氧化碳排放量。

  在短流程方面,河鋼與意大利特諾恩合作的全球首例120萬噸規模氫冶金項目——河鋼宣鋼氫能源開發和利用工程示范項目于今年5月10日開工建設。該項目充分利用河北張家口地區國家級可再生能源示范區優勢,打造可推廣、可復制的零碳制氫與氫能產業發展協同互補的創新發展模式,預計年減碳幅度達60%。建龍集團內蒙古賽思普科技有限公司氫基熔融還原法高純鑄造生鐵項目于今年4月13日順利出鐵,成功落地轉化。2020年12月20日,山西中晉太行礦業30萬噸/年氫基還原鐵項目開始熱試。酒鋼宏興煤基氫冶金中試基地試驗工作目前進展順利。此外,日照鋼鐵、湛江鋼鐵等也正在積極布局氫冶金項目。

  “目前,中國寶武、河鋼、包鋼等鋼企明確發布碳達峰、碳中和目標,并設計了低碳冶金技術路徑圖(如圖)。大部分鋼企目前仍在觀望,擇機確定適合自身的低碳冶金路徑?!弊蠛I告訴《中國冶金報》記者。

  他認為,鋼企選擇低碳冶金路徑要量體裁衣,不僅要考慮自身條件、地方資源、當地經濟結構等因素,還要從技術成本、能耗、碳排放等方面進行綜合考慮?!盁o論采用哪種技術路徑,煤氣脫除二氧化碳循環利用結合CCUS(二氧化碳捕集、封存、利用)技術都是繞不開的?!弊蠛I強調。

  目前,我國鋼鐵行業初步減排技術成熟、選項較多且成本較低,盡管部分鋼企在節能減排方面至少還有5%~10%的潛力可挖,但總體來看,傳統的節能減排幾乎接近屏障。所以,要進一步深度減排,必須采用更徹底的脫碳技術,如CCUS技術和氫能冶煉技術。當前,這些技術的研發和應用都面臨不少難點,比如基礎設施建設成本較高;氫能冶煉技術若使用碳基原料制氫則不能顯著降低碳排放量,若使用電解水制氫則依賴于零碳電力;二氧化碳的分離儲存利用技術成本較高且不成熟,等等。

  左海濱表示,我國鋼鐵行業實現碳達峰、碳中和將面臨巨大挑戰。他認為,基于碳減排、中國市場區域和需求差異,未來直接還原+電爐的技術路徑將得到較快發展,但具體占比還應根據市場情況來動態確定。由于我國鋼鐵行業長流程占比高達近90%,未來低碳技術路徑必將主要基于現有的長流程,高爐富氫冶煉必將成為未來我國鋼鐵行業技術攻關的重點。

  與此同時,左海濱對中國鋼廠未來布局進行了展望。他認為,為實現鋼鐵行業碳減排,以高爐-轉爐長流程(噸鋼二氧化碳排放1.8噸~2噸)和生產板材為主的大型鋼鐵聯合企業將在沿海地區布局;以生產建筑用長材為主的全廢鋼短流程鋼企(噸鋼二氧化碳排放0.4噸~0.6噸)將在城市周邊布局,通過消納廢鋼、棄電、城市中水等社會廢棄物,實現與城市和諧共生。此外,富氫/綠氫直接還原鐵既可作為廢鋼來源不足的補充,也可作為高爐使用的金屬化爐料,進而降低高爐碳排放。

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯:楊凱

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