“碳中和大陆”背景下欧盟有哪些技术难题待破

作者:真人游戏平台 | 2021-01-19 06:32

  在对欧洲钢铁工业联盟(Eurofer,简称欧钢联)“智能碳使用”和“碳直接避免”技术路线的重点项目、欧盟氢冶金发展进程中有重大影响的政策、欧钢联碳减排政策框架等内容进行介绍及解读后,本期《观海听潮》围绕欧洲低碳炼钢发展过程中,产业链上的共性技术难题及钢企的相关探索展开论述。

  为实现欧盟“碳中和大陆”的目标,各种政策密集出台,欧洲主要钢企均提出了目标和行动计划。目前正在研发或已达到商业成熟级别的主要技术有:瑞典钢铁(SSAB)的HYBRIT技术(突破性氢能炼铁技术)、塔塔钢铁的Hlsarna技术(直接利用煤粉和粉矿的熔融还原技术)、奥钢联的HYFOR技术(氢基粉矿还原技术)和H2FUTURE项目(用可再生能源发电以制造“绿色氢”)、安赛乐米塔尔的智能碳和直接还原铁(DRI)技术、意大利Tenova(特诺恩集团)的HYL/ENERGIRON-ZR直接还原铁技术、蒂森克虏伯的Carbon2Chem碳捕捉技术。此外,欧盟正在推进的项目还有IGAR、PEM和STEPWISE、Steelanol、FReSMe、Everest(碳捕集、存储项目)等。

  上述这些技术,可分为两个主要的技术路线,即“智能碳使用”和“碳直接避免”。欧洲钢铁业普遍认为,这两条技术路线最终都能实现碳中和的目标,而采用“碳直接避免”的技术路线,碳减排的效率是“智能碳使用”技术路线倍。如果用“绿色氢”替代碳进行直接还原,可实现近乎100%的碳减排。考虑到转型期间的成本问题,在2030年前,“碳直接避免”很难完全达到商业化运营条件,而“智能碳使用”则会在2030年前发挥效果,以支撑欧盟到2030年减少55%温室气体排放量(与1990年水平相比)的目标。

  这些技术突破的进展状态差异较大。基于两条技术路线个阶段(即短中期、中期、长期阶段),再结合“碳基冶金”“电力基冶金”“氢基冶金”三元维度,可将这些技术归纳如下:

  一是PI过程集成方向,包括高炉脱碳煤气的回收利用、高炉和连铸的二氧化碳捕集、混煤或混焦装煤、生物质燃料替代高炉喷煤、高炉喷吹纯氢或富氢气体、天然气直接还原、利用现有钢铁厂气体熔炼废钢等技术。

  三是碳捕集与利用方向,包括用钢厂排放的气体制造甲醇、乙醇、聚合物的原料,利用残渣进行矿物碳化等。

  四是辅助工艺方向,包括碱性水电解(AEL)、质子交换膜电解(PEMEL)、吸附强化水煤气变换(SEWGS)等制氢技术和真空变压吸附、胺洗涤、甲醇洗涤、低温分离等碳捕捉技术。

  短中期阶段的商业化成熟目标是:到2030年,二氧化碳减排目标为40%(相比于1990年的水平);用天然气基的DR—EAF(直接还原炉-电炉)工艺替代部分高炉—转炉的传统工艺;从传统高炉冶炼方案切换到各种改进型的高炉冶炼方案;用生物质燃料替代部分高炉喷煤。到2030年,78%的高炉—转炉工艺将转型为新的技术。

  三是碳捕集与利用方向,包括微藻技术、直接矿物碳化(原生矿物)技术、单级二甲醚合成技术、氢强化甲烷合成技术、环状碳酸盐合成技术、RWGS-干法重整技术等。

  四是辅助工艺方向,包括SOEC/高温蒸汽电解(HTE)、氢气和固体碳的天然气热解转化(焦炭床反应器)等制氢技术和利用固体吸附剂的碳捕捉技术。

  中期阶段的商业化成熟目标是:用天然气或氢基DR-EAF装置进一步替代部分高炉—转炉装置,逐步提高直接还原工艺的氢含量,进一步利用生物质燃料和碳捕获、利用与封存技术。

  一是“碳直接避免”方向,包括氢等离子体熔融还原技术、氧化铁熔融电解/热电解技术。

  二是碳捕集与利用方向,包括不同生物发酵工艺、二氧化碳电解与生物反应器(人工光合作用)组合、电化学二氧化碳还原/转化、光化学二氧化碳还原等技术。

  长期阶段的商业化成熟目标实现后,温室气体排放量将比1990年减少80%~95%。

  对这些重大技术,欧洲各钢厂分别制订了自己的计划时间表。目前公开发布的信息有:

  瑞典钢铁:2020年8月31日,HYBRIT中试工厂投运;2025年,建立一个HYBRIT示范工厂;2026年,Oxel?sund高炉改造完成;2030年~2040年,全部高炉改造完成;2045年完全实现无化石钢铁制造。

  奥钢联:2019年11月,H2FUTURE“绿色氢”中试工厂投运;2020年底,HYFOR中试机组投运。

  安赛乐米塔尔:2020年,SIDERWIN直接电解铁矿石中试线投产;氢基DRI示范工厂正处于设计和融资阶段,最初年产能为10万吨海绵铁;2022年,Carbalyst?(Steelanol)示范工厂投运,用高炉废气制造生物乙醇;2021年,3D(DMXTM)示范工厂投运,为碳捕获试点项目。

  塔塔钢铁:2018年,HIsarna开始工业试验;2027年,Athos项目实现碳减排100万吨,将排放气体加工成化工原料;2030年,Everest项目(碳捕集、存储项目)实现碳减排300万吨;2030年,在荷兰建立年产100万吨~150万吨的工业级示范线。

  蒂森克虏伯:2019年11月11日,德国杜伊斯堡9号高炉注入氢气试验;2022年,氢气试验扩大到所有28个风口;2025年,第一座DRI(直接还原铁)工厂投运,年产能40万吨;2030年,氢基DRI年产能增加至300万吨。

  萨尔茨吉特钢铁公司(Salzgitter):2020年第四季度,高温电解槽(HTE)投运,风力发电厂投运;2020年底开始推出绿色钢铁产品;2021年3月,氢基DRI200万吨示范线完成可行性论证。

  在上述关键技术实现突破的同时,工艺路线也将完成重大转型。随着氢基冶金技术的成熟、“绿色氢”成本的降低、资源保证能力的提高,欧盟钢铁行业将逐步从传统的碳基冶炼工艺路线、废钢电弧炉工艺,经由碳基直接还原DRI+电弧炉工艺、天然气基直接还原DRI+电弧炉工艺,向氢注入高炉替代碳还原工艺、氢基直接还原DRI+绿色电力基电弧炉工艺、绿色电基电解铁矿石等方向完成转型。

  要实现碳中和的最终目标,除了冶金技术本身的突破外,还要关注循环经济的创新,主要包括以下5个方面:

  一是回收和再利用。将钢铁冶炼过程中的废弃物和副产品作为其他有价值产品的原料。

  二是寿命延长。延长产品和资产的寿命,加强维护、升级和维修,以及逆向物流、产品回收和再制造。

  三是共享和服务模式。通过“使用付费模式”提供服务,并利用共享和租赁平台最大限度地利用产品和资产。

  四是循环设计。在设计产品时,尽可能地选择低碳材料,并在整个生命周期中尽量减少资源使用。

  五是数字平台。通过将物理服务与在线服务进行整合,实现非物质化,并通过物联网优化最大化地使用资源。

  实现氢基冶金的前提条件是获得资源有保障、成本合理化的“绿色氢”。因此,“绿色氢”产业链的发展关乎到欧盟钢铁行业能否在2050年实现碳中和目标。欧盟委员会设定的目标是到2024年将绿色制氢设施电解槽产能扩大到6000兆瓦,可生产100万立方米“绿色氢”;到2030年电解槽产能达到40000兆瓦,可生产1000万立方米“绿色氢”。目前世界主要地区已明确计划的电解法制造氢的项目,欧洲占的比例最大。“绿色氢”的主要应用领域包括工业制造、车辆运输和电力行业,到2050年工业用“绿色氢”电解槽产能将达到80万兆瓦左右,车辆运输行业在70万兆瓦左右,电力能源行业在50万兆瓦左右。氢气采用管网方式传输具备优势,每传输1千瓦/1000公里,以管网气体形式的投资成本为9欧元~11欧元(以电力形式的投资成本为230欧元)。最理想的情况下,“绿色氢”制造成本为0.3美元/千克。

  因此,欧洲主要钢厂在推动冶金技术进步的同时,也在向“绿色氢”制造产业链拓展。比如,萨尔茨吉特钢铁公司建设风电和氢气电解工厂,并配备2.2兆瓦的质子交换膜(PEM)电解装置(西门子天然气电力公司制造); 蒂森克虏伯扩大电解制氢产能;奥钢联全球最大的电解槽投入运行,其在Linz(奥地利林茨)钢厂的大型PEM电解系统,容量为6兆瓦,可生产1200立方米的“绿色氢”;塔塔钢铁正在荷兰阿姆斯特丹港推进H2ermes项目,预计氢产能在1.5万立方米左右。

  在未来的氢基冶金工艺路线上,直接还原铁(DRI)工艺将扮演重要角色。2019年,全球DRI产量超过1.08亿吨,较2018年增长7.3%,连续第4年创新高。相关的技术和设备供应商有达涅利、意大利Tenova。双方共同设计和建造了天然气基的直接还原工厂。

  不过,“绿色氢”不是免费的午餐,氢冶炼的成本肯定会高于传统工艺。在冶金技术实现突破的同时,为了支撑气候目标的达成并保护其钢铁行业,欧盟很可能于2021年~2022年左右实施碳边境税。习主席今年9月份宣布,争取在2060年前实现碳中和。在实现碳中和的历史大背景下,中国钢铁行业也正面临挑战和机遇,要力争在新的一轮冶金技术革命中占领先机,形成差异化优势,并通过领先的技术突破贸易壁垒。

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