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      Nature:全球鋼鐵廠二氧化碳排放與碳中和之路

      2023/10/23 15:28:28   雙碳情報      人氣:3595

      鋼鐵行業減排對減緩氣候變化至關重要,2019年鋼鐵行業CO2排放量約占全球工業總排放量的25%。以往的鋼鐵行業減排潛力和路徑研究大多局限于國家層面和全球層面,或者針對具有特定工藝的假想工廠作為例,缺乏適用于特定生產工藝的CO2減排潛力分析,這導致了對全球鋼鐵行業特定區域和工廠的CO2排放量和減排潛力的評估存在不確定性。

      2023年9月20日,來自清華大學、倫敦大學、倫敦國王學院等機構的研究人員開發了一個包含4883家鋼鐵企業的二氧化碳排放清單,以及包括加工路線和運營細節(狀態、年齡、運營年份等)在內的技術特征信息的數據集。根據該數據集可為每家工廠確定并匹配合適的特定減排技術。

      最后研究人員基于該數據集,確定了有助于實現區域減排目標的不同工廠層面可能的減排路線。主要內容如下:

      01 全球鋼鐵廠排放模式

      2019年的粗鋼總產能為2592Mt,其中63%來自堿性氧氣煉鋼爐(BOF),36%來自于電弧爐(EAF),剩余1%來自平爐(OHF)。在2019年,高達74.3%的粗鋼產量來自煤基鋼鐵廠。其中煤基高爐-堿性氧爐(BF-BOF)工廠主要集中在中國、日本和印度,分別占全球粗鋼產量的49.4%、3.9%和2.8%;煤基直接還原鐵(DRI)工廠主要集中在印度,占全球采用煤基直接還原鐵工藝粗鋼產量的67.0%;中東和北美地區主要采用基于氣體的DRI以及煤炭和天然氣混合噴射高爐生產工藝。每個國家的鋼鐵工廠具有不同的冶煉過程和產品輸出,因此減排路徑將有所不同??傮w而言,在2020年至2050年期間,全球范圍內減排最顯著的是煤基BF-BOF工廠,CO2減排可高達36041.6 - 51790.3Mt,占同期全球所有鋼鐵工廠總減排量的74%。

      02 全球鋼鐵廠脫碳途徑

      研究發現,全球57%的電廠有8-24年的運營年限,這正是低碳技術的改造窗口期。按照工廠的運行特點進行低碳改造是將升溫限制在2℃以內的關鍵,而提前改造將可能有助于將升溫控制在1.5℃。研究人員基于工藝類型、最新改造年份和運行壽命三個關鍵參數分析了不同工廠的減排路徑。如對于中國包頭鋼鐵廠,其是一家燃煤BF-BOF工廠,最近一次改造是2015年,參照BF-BOF煉鋼工藝鋼鐵廠平均14年改造周期,在默認低碳排放情景下(鋼鐵廠將在計劃改造年度采用低碳技術進行升級),包頭鋼鐵廠下次改造日期為2029年。假設2030年之前我國廢鋼儲備仍然不足。因此,包頭鋼鐵廠可首先采用長流程BF-BOF向氣體基DRI-EAF短流程的改造,以完成其低碳流程化,改造后包頭鋼鐵廠的碳排放量將比不干預的基準線減少20%。DRI-EAF短流程煉鋼工藝的鋼鐵廠平均改造周期為11年,因此包頭鋼鐵廠默認情景下第二次改造日期為2040年,第二次低碳改造將在天然氣直接還原電爐短流程的基礎上增加CCUS技術,與沒有干預的基線相比,碳排放量可減少 95%。而另一方面,對于比利時安賽樂米塔爾根特鋼鐵廠,其也是一家2015年最新改造過的燃煤BF-BOF工廠。由于歐盟國家廢鋼積累充足,2029年,它將從長流程燃煤BF-BOF工廠轉變為短流程路線廢鋼為基礎的EAF工廠,實現減排97%。全廢鋼電弧爐(EAF)短流程煉鋼廠平均改造周期為12年,因此在2041年將進行第二次改造。由于廢料式電弧爐、短流程煉鋼的碳排放總量接近于零,因此,第二次改造僅需要更新鋼鐵冶煉裝置,工藝保持不變。

      總體來說,工廠應根據其工藝路線、最新改造時間、使用壽命、所有者所在國等采取不同的策略。與國家層面或全球行業層面的總體減排相比,根據工廠的具體特點,有針對性地退役或及時采用低碳技術進行改造,將更適合鋼鐵廠的運營。此外,研究預測,在默認低碳排放情景下,從2020年到2050年,全球累計二氧化碳排放量將減少58.7 Gt。如果提前五年進行工廠改造,減排量可增加16%,減排量達到69.6 Gt。如果推遲五年進行工廠改造,減排量將減少16%,僅減排49.1 Gt,這將使實現碳中和的目標面臨風險。因此鋼鐵廠的早期低碳改造是實現1.5℃目標和鋼鐵行業碳減排未來之路。

      03 我國鋼鐵工廠減排潛力

      2020年至2030年,中國鋼鐵廠的CO2減排量將占全球鋼鐵總減排量的36%左右(536.6Mt-2837.9Mt),其中90%以上的減排量來自于煤基高爐設施,因此將燃料從煤炭轉向天然氣并部署基于商業天然氣的 DRI低碳改造是我國短期內的減排路徑。2031年至2050年,中國鋼鐵企業仍然是減排的最大貢獻者。為了實現鋼鐵行業長期所需的CO2減排,有必要將原材料與基于廢鋼的電弧爐相結合,同時為現有基礎設施部署CCUS技術。

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