文献阅读 | 通过废料流的再利用推进钢铁行业实现深度减排

题目

Decarbonising the iron and steel sector for a 2 °C target using inherent waste streams

作者

Sun, Y., Tian, S., Ciais, P. et al.

期刊

Nature Communications

时间

2022年1月

一作

单位

School of Environmental Science and Engineering, Southern University of Science and Technology, 518055 Shenzhen, China

链接

https://doi.org/10.1038/s41467-021-27770-y

研究背景

钢铁行业是一个能耗和碳排放大户，目前年二氧化碳排放量超过28亿吨，约占全球人为二氧化碳排放的8%。相关研究表明，为使2℃温升目标实现，分配给钢铁行业的碳限额约为50Gt（从现在到2050年），但实现这一目标是富有挑战的。据相关预测，受到非OECD国家的城市化和工业化驱动，全球钢需求将从2020年的18.2亿吨增长到2050年的25.5亿吨。如果不采取减排措施，从现在到2050年的累积排放量将超出2℃温控目标碳限额的两倍。

在数十年来，钢铁行业的能源强度已经降低了60%，很多新建的钢厂已经逐步接近于每吨粗钢耗能20GJ的热力学限制，这与2度目标的减排需求仍有不小的距离。在现在的钢铁制造流程中，生产一吨粗钢，在1500-1600摄氏度环境下将会产生250-300克的高炉渣，在1550-1650摄氏度环境下将会产生100-150克钢渣，这些废料流含有高品质的可用能（exergy），具有较高的回收潜力，并且可以将回收效益重新投资于CCS部署来降低CCS成本。

从能源的视角来看，如今钢铁行业废渣携带的能量约占行业总能源投入的10-15%，如果这些热量被重复利用，可以降低化石能源使用和二氧化碳排放。从资源的视角来看，高炉渣和钢渣富含由石灰石煅烧产生的氧化钙，二者的回收利用将会贡献大量的钙元素，其可用于冶金行业的污泥制造和水泥行业的熟料生产，因此降低二者的碳排放。

基于技术经济可行的解决方案，本文量化研究了钢铁行业的废热和废物利用潜力，基于废料流的属性和相关循环利用技术水平构建了九条路径。对于其中潜力最大的路径，本文提出五个工程方案并且开展技术经济分析。

图1 钢铁行业完成2℃温控目标所需碳强度与未来全球钢需求

钢铁行业废料流的性质

为实现2℃目标，钢铁行业需要将其二氧化碳排放强度由2020年的1.58吨CO2/吨粗钢降至0.52吨CO2/吨粗钢。对于高炉渣，根据不同的冷却速率，其呈现两种不同形态：玻璃态和晶体态。如果高炉渣是玻璃态，可以作为水泥原料来降低石灰石煅烧的碳排放。如果高炉渣是晶体态，其经济价值将会大幅下降。本文假定使用钢铁废料进行生产的水泥行业碳减排量可算在钢铁部门。针对起到关键作用的冷却速率，目前有三种方式来控制这一参数：自然冷却、水淬火和干法制粒。

对于钢渣，由于其碱度（氧化钙、二氧化硅）和氧化亚铁含量不同于高炉渣，这使其液化温度更高，很难避免晶体化，因此很难获得100%玻璃态的废渣。对于不可避免的晶体化废渣，有两种循环利用路径：一是用于低价值化的建筑、交通和填埋施工，二是用于高价值化的水泥生产材料替代。

钢铁行业脱碳路径

根据高炉渣和钢渣的不同性质和处理策略，本文分析了九条钢铁行业废料流循环利用路径，其核心特征和减排潜力如图2所示。

图2 本文分析的九种技术路径特征及其减排量

其中，路径6（BFS-Glassy/Dry + SS-Crystalline/Dry-R）具有最高的减排潜力。2035和2050年这一路径的减排量将分别达到3.7亿吨和3.77亿吨， 贡献了2度目标下部门年减排量的19.7%和28.5%，考虑到未来技术发展、全球钢产量和相关废料流供给不确定，本文的敏感性分析显示，这一路径在2050年的减排贡献度在28.5%±5.7%。路径5（BFS-Glassy/Dry + SS-Crystalline/Dry）的减排潜力也很高，二者的区别在于对钢渣的利用方式不同（分别为水泥部门用料替代和钢铁部门自用），如图3所示。

技术可行性

在路径5和路径6中，本文假定高炉渣（玻璃态）和钢渣（晶体态）产生的废热都可以被回收利用。目前有两种废热利用方式：物理方式和化学方式。

对于物理方式，制粒技术的发展是主要的挑战。而对于化学方式，化学气化的方法目前仅在实验室研究的层面得以应用，技术成熟度较低，造粒剂和气化剂的选择是关键问题。

因此，本文提出了5种方案来设计路径5和6：物理造粒、空气造粒+二氧化碳气化、空气造粒+水气化、二氧化碳造粒+二氧化碳气化、二氧化碳造粒+二氧化碳或水气化，其编号分别为方案1-5。对于方案1，蒸汽、玻璃态高炉渣和晶体化钢渣是主要产品，而对于方案2到5，由CO、H2、甲烷和二氧化碳组成的合成气是另一种产物。蒸汽可以在钢铁工业现有的蒸汽系统中重复使用，或用于发电，而合成气可以用于发电或化学过程。方案1的最终能源效率为62%，但方案2-5产生的蒸汽更少，而有价值的合成气更大，由于气化的直接能量回收，能源效率显著提高到约84%。

经济性分析

图3 2℃温控目标下最具潜力路径的减排贡献、经济效益与敏感性分析

在假定二氧化碳价格固定在30美元/吨的条件下，本文对不同方案开展了成本效益分析。目前存在两种效益：一是钢铁生产的工艺过程提升带来的成本下降，二是二氧化碳排放成本的避免。

如图3c所示，方案1将使一个百万吨产能的钢厂每年产生1490万美元的收益。对于方案2到方案5，如果使用煤炭作为气化燃料，其年收入将略有增加，如果使用固体废物作为燃料，其年收入将增加到1580万美元。在全球层面上，如果所有的工厂都采用了以上技术方案，到2035年，方案1将产生约320亿美元收益，使用固废作为燃料的方案2到方案5将产生350亿美元收益。到2050年，方案1预计将产生约380亿美元收益，而对于方案2到方案5，收益进一步增加到400亿美元。

此外，研究的不确定性来源于产品价格、工艺和碳价格的变化。如图3d所示，对于所有方案，净收益对矿渣价格最敏感，因为冷却的废渣(特别是玻璃高炉渣)价值是最高的。如果废渣价格上涨50%，收入从1500美元增加到2200万美元，而如果废渣价格下跌50%，总收入降至800万美元。因此，玻璃态高炉渣的有效形成是保证这些方案取得高收益的关键。相比之下，劳动力、维护和能源成本的影响将小于废渣产品。

与CCS技术结合

图4 与CCS技术结合的废料流循环利用对钢铁行业2℃路径的减排贡献

前文指出在最优路径下废料流的有效利用将给钢铁行业2度减排目标带来28.5%的减排贡献，但还需要结合CCS等技术，将钢铁行业碳排放强度进一步降至0.52吨二氧化碳/吨粗钢，进而满足两度目标的减排要求。

假设CCS技术单位捕集成本为30美元/吨二氧化碳，将以上收益投资于CCS技术将会使每吨粗钢的二氧化碳排放再额外降低0.5吨。如图4所示，在结合CCS技术的路径5和路径6下，二者将分别在2045年和2042年完成2度路径下的减排目标。当然，以上路径的实现取决于未来的技术进步速度，尤其是在干法制粒方案下获取玻璃态高炉渣技术的进步。

结论

对于目前贡献了全球8%左右的人为二氧化碳排放的钢铁行业，其低碳转型受到持续增加的全球钢需求和技术经济上可行的低碳生产技术的限制。本文探索了对钢铁行业废料流（waste streams）和高温炉渣（high-temperature slag）的能量回收和材料循环利用，以及将循环回收效益投入到CCS技术中的内在潜力。研究显示，在钢铁部门2℃减排目标下，一种基于玻璃态高炉渣和晶体化钢渣的回收利用的技术路径能够贡献其中的28.5%±5.7%的二氧化碳减排量，可以在2035年和2050年分别产生约350亿美元和400亿美元的经济收益。如果这一收益用于CCS部署，将使得钢铁部门2℃减排目标在2050年前无需任何额外投资就能实现。

编辑&排版：黄晨

相关阅读

点击“阅读原文”浏览小组主页