碳捕集、利用与封存：中国钢铁行业的机遇与挑战
全国能源信息平台2021-07-09 13:55
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中国郑重宣布在2030年前达到碳排放峰值，2060年实现碳中和，非常鼓舞人心。为了履行这艰巨的承诺，能源密集型行业，包括钢铁行业，都需要低碳解决方案。碳捕集、利用与封存(CCUS)技术将不断发展，在中国的能源转型中发挥至关重要的作用，与其它清洁能源既竞争又相互依存。在能源转型期，中国可能不得不依靠多种能源组合才能实现低碳或无碳排放，包括以脱碳化石燃料为基础的清洁能源。
钢铁行业需要碳捕集、利用与封存
由于钢铁制造过程高能耗且高排放，全球范围内的钢铁行业减少碳足迹的压力与日俱增。钢铁行业目前是化石燃料(主要是煤炭)最大的消费者，煤炭既是制造焦炭的原料，又是产热的能源，是铁矿石炼钢过程中必不可少的成分。钢铁行业的CO2排放量占全球每年CO2直接排放量的7％(26亿吨)，能源消耗占全球能源需求总量的8％。预计到2050年，全球钢铁需求预计持续增长三分之一以上，尤其在亚洲等新兴经济体，那里人口众多，需要更多基础设施。1为满足这一不断增长的需求，钢铁行业面临艰巨的挑战，需要寻求一条可持续并且有竞争力的发展道路。
国际能源署(IEA)最新预测表明，到2050年，碳捕集、利用与封存技术累计直接减排量将占全球钢铁生产减排量的16％，需要具备年捕集4亿吨CO2的能力。2经过示范的CO2捕集是一项成熟且经过验证的技术，适用于多个行业。现有的高炉和氧气顶吹转炉(BF-BOF)等钢铁生产设施可以进行改造，帮助减少排放。欲实现能源与气候的诸项目标，碳捕集、利用与封存改造应着重于相对较新的高炉-氧气顶吹转炉炼钢设施。
2016年，阿拉伯联合酋长国(UAE)开发了世界上第一个钢铁厂的大型商业规模碳捕集、利用与封存项目。阿布扎比碳捕集、利用与封存项目每年可捕集80万吨CO2。3碳捕集、利用与封存技术应用在直接还原铁法(DRI)炼钢中有先天优势，因为该工艺燃烧重整天然气还原气体燃料，产生的烟气流中CO2浓度非常高(高达90％，利于有效捕集)。然后再将捕集到的CO2输送到油田，用于提高石油采收率(EOR)并封存。这虽未能为高炉-氧吹转炉法提供方便的应用途径，却提供了一种商业运行模式。2018年全球钢铁的产量约为13亿吨，其中只有8％是使用直接还原铁法生产的，其中70％位于天然气资源丰富的中东和印度。4
中国钢铁行业实现碳捕集、利用与封存的潜力
中国目前在运营钢铁厂有281家。每个圆圈内显示该地区的钢铁厂数量。
请参阅：《全球能源监视》(Global Energy Monitor)发布的《全球钢铁厂追踪》。
在减少碳足迹的各种选项中，包括考虑未来以低排放的短流程电炉取代长流程冶炼工艺在内，碳捕集、利用与封存仍然不失为中国实现大幅减排的最有效方法之一。
据世界钢铁协会(World Steel Association)的数据，70％的粗钢是通过长程的高炉-转炉法生产的。2018年全球粗钢总产量超过18亿吨，其中9.97亿吨产自中国。5中国88％的粗钢是通过高炉-转炉法生产的，只有12％为碳足迹较低的短程电炉法生产(远低于30％的世界平均水平)。6长流程的高炉-转炉法每生产1吨钢，直接或间接排放CO2 2.3吨。7
据中国工业和信息化部(MIIT)的《钢铁工业调整与升级规划(2016-2020年)》，2017年中国钢铁行业“供给侧结构改革”的首要目标是到2020年将钢铁产能限制在10亿吨以下。8
2020年中国钢铁生产排放量9
如果达到目标，预计2020年炼钢排放的CO2量将接近13亿吨。然而，实际排放的CO2接近15亿吨，占中国工业排放总量的15％。10
将碳捕集、利用与封存的应用转向以高炉-转炉法为主的冶炼方法，是中国减排温室气体的重大机遇，同时也是对中国钢铁行业基础设施的严峻挑战。石油、煤化工和发电等行业已经通过碳捕集、利用与封存试点形成可转移的专业知识，钢铁行业可以跨过行业壁垒，与这些行业合作，应对挑战，并使碳捕集、利用与封存技术成为向可持续未来过渡的机遇。将碳捕集、利用与封存与其它行业的创新、政策手段与商业模式相协调，将降低其发展利用难度。
加速碳捕集、利用与封存需要合作与政策对等
2015年，距北京不远的首钢-曹妃甸钢铁厂以典型的转炉流程为试点，对燃煤电厂燃烧后碳捕集系统开展了试点规模示范的可行性研究。常规的转炉法往往具有多个烟气排放源，排放不同浓度的CO2，其化学成份有所差异。因此，该可行性研究应用该CO2捕集系统对多个排放源的混合烟气进行了捕集实验。石灰窑、加热炉排放的烟道气与水泥厂、燃煤发电厂的排放气体类似，但CO2浓度较高；而热电联产电厂和焦炉排放的烟气中的CO2浓度类似，但排放量很高。该项目证明，碳捕集系统可以进一步应用于有多点排放源的高炉-转炉长程炼铁工艺。11
政府与行业的优先选项
钢铁行业本身不能独自实现可持续的过渡。全球范围内的财政激励措施和监管框架还不到位，不足以刺激钢铁行业的大型项目。决策者应将2030年视为加快过渡的关键窗口。特别是在目前情况下，由于产能过剩而不断降低钢铁产业规模并努力从目前的经济衰退中复苏，政府将发挥核心作用。在未来十年内，在市场强大压力下，钢铁行业有望实施巨大变革，以保持竞争力。
政府和行业的高度优先选项，是在未来十年内将碳捕集、利用与封存示范项目的开发跨行业推入快车道，并进一步鼓励与可再生能源的政策对等。在中国，能源技术最显着的成就是在国内推广部署了风能和太阳能，并在全球产生了溢出效应。为了实现新近宣布的宏伟目标，应优先考虑大规模部署碳捕集利用与封存作为下个十年应对碳达峰挑战的工具，中国可以考虑效仿其开发可再生能源的成功经验，促进碳捕集、利用与封存发展。
中国需要优先发展CO2捕集市场，开发其运输、利用与封存的基础设施，包括用于提高石油采收率和地质封存的管道等的油田基础设施，大力推动碳捕集、利用与封存大规模示范和优化的发展。必须在盆地边缘靠近CO2源和汇的重点区域，开发一整套碳捕集、利用与封存全链条集群板块，建设基础设施，允许多种来源的CO2捕集项目以低成本共享。优先实施的CO2-EOR/封存项目就好比一个消费市场，奖励那些既关乎战略能源安全又有气候效益的先行部署项目。
借鉴大规模碳捕集、利用与封存示范项目的经验知识，尤其是边界大坝3号CCS项目，将使中国有机会在未来五年内成为工业碳捕集、利用与封存领跑者，向本国、亚太地区和其它地区提供适用并有竞争优势的低碳技术解决方案。国际上已有成功运作并证明可行的大规模碳捕集、利用与封存项目的全链条集群的经验知识，经过转移，可以促进碳捕集、利用与封存在中国的工业化示范与部署。
1) IEA. 2020. The IEA Steel Industry Technology Roadmap/reports/iron-and-steel-technology-roadmap
2) IEA. 2020. Cumulative Direct Emission Reductions by Mitigation Strategy 2020-2050/data-and-statistics/ts/cumulative-direct-emission-reductions-by-mitigation-strategy-in-the-sustainable-development-scenario-between-2020-and-2050
3) CSLF. 2017. Case Study: Al Reyadah CCUS Project PowerPoint Presentation./cslf/sites/default/files/documents/AbuDhabi2017/AbuDhabi17-TW-Sakaria-Session2.pdf4) World Steel Association. 2019. World Steel Statistics Data 2019./zh/dam/jcr:96d7a585-e6b2-4d63-b943-4cd9ab621a91/WSIF_2019_CN.pdf
5) World Steel Association. 2019. World Steel Statistics Data 2019./zh/dam/jcr:96d7a585-e6b2-4d63-b943-4cd9ab621a91/WSIF_2019_CN.pdf
6) Science and Technology Daily, 2021-01-04.Carbon Emission Reduction Crux for Ecological and Environmental Conservation during 14th Five-year Period, and for a National Roadmap for Low Carbon Transition/jienenjianpai/2021/0104/76112_3.html
7) GCCSI. 2017:/news-media/insights/ccs-a-necessary-technology-for-decarbonising-the-steel-sector/
8) CarbonBrief. 2021.Analysis: Surge in China’s steel production helps to fuel record-high CO2 emissions./analysis-surge-in-chinas-steel-production-helps-to-fuel-record-high-co2-emissions/amp
9) CarbonBrief.2021./analysis-surge-in-chinas-steel-production-helps-to-fuel-record-high-co2-emissions/amp
10)CarbonBrief.2021./analysis-surge-in-chinas-steel-production-helps-to-fuel-record-high-co2-emissions/amp
11) GCCSI. 2015.Applying Carbon Capture and Storage to a Chinese Steel plant./archive/hub/publications/195933/Applying%20carbon%20capture%20and%20storage%20to%20a%20Chinese%20steel%20plant.pdf
本文转载自加拿大碳捕集利用与封存知识国际中心4月30日新闻"CCUS: Opportunity and Challenges for Steel Industry in China"。
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