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歐洲碳中和:"碳直接避免"or"智能碳使用"?

2021-05-31 10:23:00

中國冶金報 中國鋼鐵新聞網
劉獻東
 
  為了盡快實現碳中和,歐盟政府先后出臺了多項政策助推低碳能源轉型,各行各業也都正在醞釀新一輪的突破性技術創新。碳中和是冶金行業尋求突破性技術創新、工藝路線變革的大時代背景。根據歐洲鋼鐵工業聯盟(簡稱歐鋼聯)制訂的目標,到2030年歐洲鋼鐵工業二氧化碳排放量比當前水平減少30%(后被提高至55%),到2050年減少80%~95%。
  除此之外,歐洲的各大主要鋼廠也紛紛提出了各自的碳減排目標:
  安賽樂米塔爾(下稱安米)承諾到2030年歐洲分公司二氧化碳排放量比當前水平減少30%,總體目標為到2050年實現碳中和。
  瑞典鋼鐵公司(SSAB)計劃于2032年以前將二氧化碳排放量較2018年水平減少35%,到2045年實現無化石能源煉鋼。
  蒂森克虜伯(下稱蒂森)計劃到2030年將二氧化碳排放量比當前水平減少30%,并將綠色鋼鐵產量增加至300萬噸,到2050年實現碳中和。
  奧鋼聯集團計劃于2030年~2035年將二氧化碳排放量比當前水平減少30%,到2050年減少80%以上。
  塔塔鋼鐵歐洲公司計劃到2050年實現碳中和,并推動歐洲建立最大綠色氫應用產業集群。
  英國鋼鐵公司的目標則為到2040年在世界范圍內率先實現二氧化碳的凈零排放。
  “碳直接避免”和“智能碳使用”為歐鋼聯提出的低碳冶金兩大技術路徑。據悉,“碳直接避免”技術路徑要比“智能碳使用”技術路徑的碳減排效率高出大約4倍。但是,考慮到成本問題,2030年以前“碳直接避免”技術很難完全達到商業化運營條件,“智能碳使用”技術則會作為實現碳減排目標的主要技術路徑。
  此外,為了加速實現鋼鐵行業的碳中和,歐盟委員會還開展了一系列的基金研發項目,例如2020年啟動的“綠色鋼鐵”項目和2021年初啟動的“低碳未來”項目。
  “碳直接避免”路徑的主要技術方向
  “碳直接避免”技術路徑共有6大技術方向。其中,已經進入中試或示范線階段的技術方向有2個,分別為氫基直接還原技術和氫基高爐還原技術;剛剛完成實驗室階段,即將進入中試階段的技術方向有1個,為氫閃速熔煉技術(FIT);另外還有3個依舊處于實驗室階段的技術方向,分別為電解冶金技術(Electrowinning)、氫等離子體熔融還原技術(HPSR)、熔融氧化物電解技術(MOE)。
  氫基直接還原技術為行業內普遍認可的主流方向。從傳統的直接還原鐵工藝轉型到采用100%純氫氣的綠色氫基直接還原工藝,雖然在技術上可以實現,但是出于對冶金行業自身的工藝需求(需要一定的碳含量)及成本的綜合考量,此技術的氫氣配比并非最佳方案。有研究認為,最佳方案是80%的還原氣體采用綠色氫,另外的20%則采用綠色碳(如生物質能源)。
  氫閃速熔煉技術旨在對氧化鐵精礦直接進行還原。與目前基于高爐的煉鐵工藝的平均水平相比,氫閃速熔煉技術可以將能耗水平降低32%~57%,將二氧化碳排放量減少61%~96%。
  電解冶金技術(Electrowinning)將煉鐵工藝與電化學工藝結合在了一起,是一種基于鐵礦石電解的突破性技術,可直接從鐵礦石中分離鐵和氧。
  氫等離子體熔融還原技術(HPSR)在高溫下將分子氫分解為原子氫或離子氫。由于氣體等離子體具有比分子氫高得多的還原電位,可以將所有氧化物還原為金屬。其最終產品為液態鋼。
  熔融氧化物電解技術(MOE)是熔融鹽電解的一種形式,由在2012年成立的波士頓電冶金公司所研發。
  “智能碳使用”路徑的主要技術方向
  “智能碳使用”技術路徑包括3個核心方面:碳捕獲、利用與封存(CCUS),傳統化石碳的智能化使用(包括生物質碳、循環碳等可替代碳源),采用前兩項技術在現有工藝路徑上的集成。其中,CCUS的創新主要集中在3個方面:設備模塊化以降低成本、吸附法工藝的改進、化學吸收法工藝的改進。
  歐洲目前在“智能碳使用”方面的重點項目主要有以下幾項:
  一是安米啟動的Steelanol項目。
  該項目旨在有效捕獲高爐中的廢氣并利用生物技術將其轉化為可再生的生物乙醇,并將這些生物乙醇混合用作液體燃料。Steelanol項目將被應用于安米的比利時根特工廠,該工廠預計于2022年建成,計劃每年生產8000萬升的生物乙醇。
  二是蒂森主導的Carbon2Chem項目。
  Carbon2Chem項目是蒂森與弗勞恩霍夫協會、馬克斯·普朗克學會以及另外15家研究機構和合作伙伴合作研究的重要項目。該項目的技術原理是,將鋼廠廢氣中的化工原材料(例如一氧化碳和二氧化碳等)用于生產含有碳和氫的合成氣體。這些合成氣體正是生產氨氣、甲醇、高級醇等各種化工產品的原料。
  三是SSAB和塔塔鋼鐵公司合作開展的FReSMe項目。
  該項目旨在從鋼鐵廠的高爐煤氣中回收二氧化碳,并將其與從高爐煤氣中回收或通過電解水生產的氫氣混合,從而生成甲醇。
  四是蒂森主導的H2morrow聯合項目。
  該項目旨在評估向蒂森杜伊斯堡工廠提供藍色氫氣,并生產綠色鋼鐵的可能性。
  除此之外,還有一系列其他的重點項目,例如塔塔鋼鐵公司啟動的Everest項目,由贏創工業集團(EVONIK)主導的EffiCO2項目,和安米位于法國敦刻爾克鋼廠的3D碳捕集存儲示范項目等。
  低碳冶金工藝的成本競爭力
  不同工藝路徑的成本競爭力不同。國際能源署認為,每千克氫的價格范圍應該為0.70美元~2.00美元,綠色氫基直接還原技術才能和結合CCUS技術的天然氣基直接還原技術的成本競爭力相抗衡。氫氣價格的波動范圍較大,是由于天然氣價格波動范圍大。因此,在天然氣價格較低(以及二氧化碳儲存成本低)的地區,結合CCUS技術的天然氣基直接還原技術具有更強的競爭力。而國際氫能理事會則表示,當每千克氫的價格在1.20美元~1.60美元之間時,綠色氫基直接還原技術才能具備與HIsarna技術(采用90%的CCUS技術)相抗衡的成本競爭力。從長期來看,綠色氫的成本價是有可能達到這個區間的,但在生產、存儲和運輸等環節所產生的費用需要大量減少。
  2015年以來,綠色氫的生產成本已減少了大約40%,預計到2025年將進一步減少大約40%。這主要是由于可再生能源和電解水設備的成本費用的減少。“氫基冶金”的經濟可行性在很大程度上取決于電價和二氧化碳價格,以及工藝路徑轉型所需的投資成本。至于CCUS技術,鋼鐵行業的碳捕獲成本為40美元/噸~100美元/噸。
  綜合各方面判斷,SSAB認為“氫基冶金”的運營成本將比目前的“煤基冶金”的運營成本增加20%~30%,而奧鋼聯則認為可能會增加80%左右。
  以氫為基礎的直接還原工藝,生產每噸鋼水需要消耗3480千瓦時的電能,主要用于電解制氫。根據電價和二氧化碳價格以及需要使用的廢鋼量估計,每噸鋼的總生產成本為361歐元~640歐元。如果電價為40歐元/1000千瓦時,碳價為34歐美/噸~68歐元/噸,那么“氫基冶金”則很有可能具備與“煤基冶金”相當的成本競爭力。瑞典鋼鐵研究所的研究表明,目前至少需要200歐元/噸的高碳價才能推動歐洲鋼鐵工業減少36%的二氧化碳排放量。
  歐盟的鋼鐵制造商不僅面臨著歐盟碳排放交易機制的合規成本(2020年8月份二氧化碳價格為25歐元/噸~28歐元/噸,而2021年5月份已經創下56歐元/噸的歷史紀錄),還要面臨其他碳減排成本(包括新技術和替代投入材料的資本支出和運營支出)。
  為有效抑制綠色鋼鐵生產成本的上升,歐盟實施的主要措施有以下幾項:
  一是投資工業前沿的突破性技術,二是加快對擴大產業規模新方法的探索和創新,三是建立監管體系,四是加強跨部門合作,五是改進和擴大清潔能源系統。
  除此之外,歐盟積極建立碳邊境調整機制,加強開發儲量豐富且成本合理的清潔能源,以獲得低碳排放煉鋼的可持續融資,加速向循環經濟轉型。

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯:陳燦

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