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“电炉or转炉?”——不同冶炼流程对中、日、韩和OECD欧洲国家2050年碳强度的影响预测

发布日期:2022-06-07

2022-06-07 阅读次数:

  钢铁行业是碳密集型行业,2020年钢铁行业二氧化碳排放约占全球二氧化碳排放量的7%。钢铁行业的大部分二氧化碳排放来自高炉中铁矿石的还原,高炉使用焦炭通过能源和碳的化学反应还原铁矿石。直接还原铁-电炉工艺流程的碳强度低于传统的高炉-转炉工艺,通过使用可再生能源为电炉提供动力,碳强度有可能进一步降低。在直接还原铁生产过程中使用氢气作为唯一的还原剂已经在小范围内得到了验证,而使用可再生能源生产电解氢气(通过用电将水分解成氧气和氢气的过程产生的氢气)将在任何钢铁生产脱碳的努力中发挥关键作用。

  在本文分析中,探讨了钢铁行业潜在深度脱碳情况下的能耗和二氧化碳排放水平。尽管从铁矿石生产出成品钢材有许多步骤,但本文分析侧重于两个主要生产工艺:煤基高碳强度的高炉-转炉生产工艺和低碳强度的电炉生产工艺。后者通常利用废钢炼钢。

  此外,在钢铁生产中使用氢气并不一定会直接导致钢铁行业的脱碳。2018年,基于化石燃料裂解生产的氢气产量约占全球总产量的99%,其中76%来自天然气,23%来自煤炭。剩下的1%是通过电解过程产生的。与用可再生能源进行水电解生产氢气相比,通过天然气的重整生产的氢气具有较大的碳足迹。目前,通过天然气的重整是生产氢气的主要方法,几乎所有电解生产的氢气都是氯工业中氯碱生产的副产品。在未来几年,由可再生能源驱动的电解氢气将是钢铁行业脱碳的关键。

  本文研究了《2021年国际能源展望》中的四个国家(地区):中国,日本,韩国和经合组织欧洲国家。选择这些地区,要么是因为它们的钢铁工业的规模、钢铁工业的构成,要么是因为它们宣布了钢铁生产的脱碳计划。

  中国:生产了全球一半的粗钢,并将在任何改变全球钢铁生产方式的努力中扮演关键角色。截至2019年,中国的钢铁生产严重依赖煤炭,主要通过带有高炉和转炉的综合钢厂生产了近90%的粗钢。中国的高炉-转炉产能也相对较新,平均在15年;其钢铁生产装备的使用寿命一般超过40年。然而,只有在大约使用25年后钢厂才会做出额外投资的决定,更换高炉炉衬,才能达到40年的使用寿命。这一大修的成本大约是新建高炉成本的一半,并且需要高炉停产很长一段时间。如果中国的钢铁企业决定停止使用高炉,而不是更换耐火炉衬,向替代技术的转型可能会更快。

  中国钢铁工业的快速发展始于2000年左右。中国钢铁工业发展势头迅猛,帮助城市地区建设了新的基础设施和摩天大楼,所有这些都需要大量的钢材。钢铁产品的使用寿命很长,这意味着中国自工业化时期开始生产的大部分钢铁产品仍被用于重型设备、桥梁和建筑,只有很少的报废钢铁可以回收利用。然而,在未来几年,我们预计中国将有越来越多的废钢可供回收,这将有助于减少其用煤的粗钢份额。此外,中国重工业产业(包括钢铁工业)的脱碳将有助于中国实现其宣布的净零碳目标。

  在本文分析研究的情景中,中国电炉生产的粗钢产量份额将从2020年的约13%增加到2050年的50%。在中国,如此大规模的钢铁生产方式转型将极具挑战性,需要大量氧气转炉在正常的报废之前退役。另一个挑战是扩大电炉数量以及增加生产电解氢和为电炉供电所需的大量太阳能和风能的投资。尽管如此,鉴于中国在全球钢铁行业中极大的重要性,中国钢铁产业转型的情景会对能源格局产生更广泛的影响。

  日本和韩国:两国都有成熟的钢铁工业,主要依靠高炉-转炉进行钢铁生产。在本文分析中,两国钢铁工业的能源消耗方式可以通过电炉生产更多的钢实施积极的转型。此外,这两个国家都正式承诺要在钢铁行业实现脱碳目标。日本已承诺将其能源经济转变为依赖带有碳捕获与封存(CCS)的通过化石燃料生产的氢气和以及基于可再生能源的氢气,这使得基于电解氢气的直接还原铁成为其整体氢气目标中可能的组成部分。日本的公司已经承诺投资一个强大的氢经济,这也将涉及工业产业。同样,韩国也勾勒出了氢经济路线图,以努力遏制温室气体排放。对目前的分析很重要的是,以浦项为首的韩国钢铁工业已经宣布了建设氢气生产能力的计划,作为这一努力的一部分。

  2019年,日本主要使用高效高炉生产其钢铁产品日本76%的粗钢是通过高炉-转炉工艺生产的。然而,日本是一个成熟的经济体,其很多基础设施将需要在预测期内退役,这意味着废钢的供应将保持在较高水平,这可能会支持低碳足迹钢的生产。韩国与日本在钢铁技术和资源获得方面有相似之处。与日本一样,韩国主要利用高效高炉生产高水平的钢铁产品,2019年韩国生产的粗钢中有68%来自高炉-转炉工艺。

  日本在达到这些情景中假定的电解生产氢方面面临挑战。在本次分析的四个国家(地区)中,日本的工业电价最高,其次是韩国。作为一个地理上的岛国,日本可能会遇到土地资源的限制,无法建设大规模的风力和太阳能发电场,以满足假设情况下所需的可再生能源。相反,它可能需要大型海上风电项目或进口中间产品,如热压块铁或氢气。像日本一样,韩国可能也没有足够的土地来建立大规模的可再生能源发电场。

  经合组织欧洲国家:在本项分析中的经合组织欧洲国家,其成员国如德国钢铁企业已经将政府资金投入到绿色钢铁-低碳足迹的钢铁产品中试项目中。安塞乐米塔尔集团致力于在德国汉堡钢厂利用可再生能源生产的氢气生产绿色钢铁产品;瑞典公司的HYBRIT项目已经向客户交付了低碳足迹钢材。

  德国政府已经承诺为其钢铁行业的脱碳提供资金,其中氢气的使用是一个关键组成部分。截至2019年,经合组织欧洲国家在本文分析的地区中,高炉-转炉流程生产的粗钢份额为52%。即使有了起步优势,该地区仍将需要在扩大可再生能源产能方面进行大量投资,以满足在假设对更大份额可再生能源驱动的电炉钢和电解氢气生产的需求。

  在本文研究的所有区域,无论是EAC情景还是DAC情景,2020年至2050年(即IEO2021的预测期),煤炭使用量普遍下降,而钢铁行业的电力使用量增加。煤炭和电力消耗的这些变化是由于在两种替代情景下电炉钢产量增加的假定条件下发生。在这些情景下,天然气消耗增加将超过参考情景,因为电炉钢产量增加意味着需要用更多的直接还原铁,以补偿转炉钢产量下滑。此外,根据EAC情景更早实现(到2030年)可再生能源生产的氢气成本与基于化石燃料生产的氢气成本一致的更大胆假设,而天然气消费趋势略低于DAC情景,电力消费略高于DAC。发生这种变化是因为我们假设可再生能源生产的氢气成本更早达到化石燃料成本,这意味着氢气产量和可再生能源发电量增加,并导致利用重整天然气生产的直接还原铁减少。

  在另一种情景下,中国钢铁行业的整体能源强度下降,这是由转向能源强度较低的电炉生产推动的。然而,这种能源强度下降受到直接还原铁产量增长所需的天然气增长缓慢的限制。日本、韩国和经合组织欧洲国家总体能源强度的相对变化大于中国,因为其电炉钢和转炉钢份额变化更大。

  钢铁工业作为一个碳密集型产业,采用废钢的电炉生产流程比采用高炉-转炉流程的碳强度和能源强度低得多。钢铁目前已经是世界上回收利用最多的材料,进一步降低钢铁行业碳强度的努力必须包括更多的废钢回收利用。但是废钢回收是有限度的。废钢回收的有限性和废钢冶炼的钢材洁净度的关注,使得采用其他低碳强度工艺生产高纯度粗钢成为必要选择。

  为了实现这些目标,在本文分析中,重点关注使用可再生能源提高电炉钢产量,并使用由可再生能源供电的电解氢还原生产直接还原铁补充废钢原料不足。通过以下方式量化了四个国家(地区)钢铁行业不同的二氧化碳减排潜力:

  对四个国家(地区)研究的情景展示了各个地区钢铁行业所需新增可再生能源的数量存在差异,且其取决于所在区域的电力构成。例如,从《国际能源展望2021》给出的参考情景来看,到2050年,韩国碳强度降低22%需要新增25%的可再生能源发电量,而在经合组织中的欧洲国家,碳强度降低30%以上只需要增加9%的可再生能源发电量。

  尽管没有详细说明氢气的生产、运输、储存或分配,但这些情景说明了相对于参考情景的结果,钢铁行业部分脱碳存在区域性差异。与参考情景相比,到2050年,中国粗钢生产的碳强度下降14%,日本下降24%,韩国下降22%,经合组织欧洲国家下降31%。但碳强度的降低意味着要求对四个国家(地区)钢铁生产过程控制以及对可再生能源发电进行投资。