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《Nature》子刊研究钢化联产:以跨界思维 行双碳之路

北京北大先锋科技股份有限公司 2024-07-03

国际顶级学术期刊《自然》今年1月上线的子刊《自然:化学工程》杂志,近期发表了一篇题为《钢化联产:促进难减排行业降低碳排放》的论文,以钢铁、化工联合的跨界思维和令人信服的数据论述了钢化联产对中国温室气体减排的积极作用。文章认为,钢化联产可能成为减少这两大行业碳排放的关键战略,中国“双碳”目标的实现需要更多的跨界思维。


这篇论文由美国普林斯顿大学执笔,清华大学、东北大学国家环境保护重点实验室、北京北大先锋科技股份有限公司(下称北大先锋)等高校院所和企业合作完成。《中国化工报》记者采访了北大先锋相关负责人,从产业视角阅览此篇并“疑义相与析”。


碳排大户钢化在列,联产可期“负负得正”


数据显示,2020年,钢铁和煤化工行业的碳排放分别占中国碳排放总量的14%和9%。


文章指出,这些碳排放的产生主要缘于将化石能源作为原料和燃料使用。炼铁过程的铁还原反应和煤化工的制氢反应均为高碳排放。利用大规模电加热产生高温短期内并不可行。为减少碳排放,中国采取了通过提高生产效率、应用诸如绿氢,碳捕集、利用与封存(CCUS)等新技术的一系列举措。然而,通过提高生产效率来减少碳排放的潜力有限,绿氢和CCUS等新技术预计到2040年成本仍将居高不下。


钢铁煤气主要包括焦炉煤气(COG)、高炉煤气(BFG)和转炉煤气(BOFG)。中国的钢厂每年约产生1.2万亿标准立方米的钢铁煤气,主要由一氧化碳(CO)、氢气(H2)、甲烷(CH4)、CO2和氮气(N2)组成。具体而言,焦炉煤气具有高浓度的H2(55%~60%),而高炉煤气和转炉煤气富含CO(分别为23%~27%和50%~70%)。这些钢铁煤气约有50%在炼铁炼钢过程中作为燃料被消耗,剩余部分主要用于现场发电。然而,利用钢铁煤气发电(主要是CO燃烧)是高碳排放的,CO发电的碳排放强度为1940 gCO2当量/ kWh,远高于中国电网供电(590 gCO2当量/ kWh),甚至煤炭发电(930 gCO2当量/ kWh)。


在煤化工厂为了生产H2,要先将煤气化生产CO,再进行水煤气变换反应产生H2。2020年的统计数据显示,这一过程产生的碳排放量约占中国煤化工行业温室气体排放总量的三分之一。


钢化联产即是利用钢铁煤气取代煤基H2和CO,经净化、提纯后用于生产化学品。这一方面避免了将CO转化为电力这种高碳排放系数的利用方式,另一方面也可节约一部分煤制氢工艺消耗的煤炭,从而大幅减少钢铁和煤化工两个行业的温室气体排放量,实现“负负得正”的效果。


文章认为,钢化联产在技术上已被证明是可行的,在可预见的将来,可能成为减少两大行业碳排放的关键战略。



钢铁煤气覆盖需求,节本减碳效果明显


文章通过构建一个基于产业实际的模型,研究了在全国范围内部署钢化联产对推动减碳和降低企业成本的影响。


作者开发了一个包含全国272家钢铁厂和187家煤化工工厂(2022年数据)的地理数据库,并以管道连接现有钢铁厂和化工厂,在空间上量化了钢铁厂对H2和CO的供应,以及煤化工工厂对H2和CO的需求。然后,作者对比独立生产、在保证以企业盈利能力更优为前提,以最大限度地减少碳排放为目标,定制了一个钢化联产的优化模型,匹配钢铁厂和化工厂的供需。所使用的基准方案是钢铁和化工企业各自独立生产,即钢铁厂燃烧多余的钢铁煤气发电,煤化工厂使用煤炭生产H2和CO。对比情景采用钢化联产模式,即从过剩钢铁煤气中提纯H2和CO,并通过管道输送到煤化工工厂进行化学合成。在不同的碳价格和管道长度限制下,作者采用生命周期评估来量化钢化联产方案相对于基准方案的温室气体减排量和成本降低量。


研究结果显示,相对于独立生产,利用焦炉煤气提纯H2进行钢化联产,每生产1吨H2的温室气体排放量减少18.3 吨CO2当量;利用高炉煤气和转炉煤气提纯CO进行钢化联产,每生产一吨CO的温室气体排放量分别减少1.1和1.2吨CO2当量。利用焦炉煤气提纯H2替代煤基H2可以大幅降低温室气体排放。成本方面,与独立生产相比,利用高炉和转炉煤气提纯CO、焦炉煤气提纯H2进行钢化联产,每吨CO的成本分别增加251元和134元,每吨H2的净成本降低了1278元,钢化联产综合成本显著降低。


此外,数据表明,更长的管道连接和更高的碳价可以提高碳减排量、降低企业成本。当碳价达到350元/吨(CO2)时,相比于不征收碳税,可减少6.9%~22%的碳排放,并降低3.4%~9.8%的成本。


基于中国钢铁厂和煤化工厂的地理数据库,作者以高炉—转炉(BF—BOF)炼钢生产为基础,估算了H2和CO的工厂级供应量;还根据各种化工产品(甲醇、石油、天然气、烯烃、乙二醇和乙醇)的生产情况估算了工厂对H2和CO的需求量。


文章认为,总体而言,中国的钢铁厂可以从钢铁煤气中提供350万吨/年纯化的H2,相当于煤化工厂H2需求量(1800万吨/年)的19%;可提供2.18亿吨/年的CO(85%来自BFG,15%来自BOFG),相当于煤化工CO需求量(1.21亿吨/年)的180%。中国钢铁行业副产的钢铁煤气可以满足煤化工行业对CO的需求量,且有大量富余。



企业核算效益可观,跨界联合仍需支持


据了解,该文完成者之一的北大先锋在钢化联产领域已有十余年经验积累,对相关技术和产业发展实际有深刻的了解。北大先锋钢化联产业务负责人李延奎告诉《中国化工报》记者,他们应用该论文的相关研究数据,以二甲醚酯化加氢工艺生产燃料乙醇(DMTE)的技术路线为例,对钢化联产燃料乙醇的温室气体减排效果和企业盈利性进行了核算。


根据自身业务实际,他们将文中的长输管道连接改为采用在钢铁厂附近新建化工厂的方式。此时减少了压缩长输管线气体的温室气体排放,也节省了压缩长输管线气体的成本。结果显示,相对于独立生产,每生产1吨H2的温室气体排放量减少至18.89 吨CO2当量,每生产1吨CO的温室气体排放量减少至1.14吨CO2当量和1.24吨CO2当量(自高炉气/自转炉气)。


根据化学平衡,生产1吨无水乙醇的原料消耗量为0.746吨甲醇,510Nm3CO(合0.6375吨CO)和1025Nm3H2(合0.0915吨H2)。


若将900万吨新建燃料乙醇产能全部按利用钢铁煤气计算,则对比独立生产,采用钢化联产时,可为燃料乙醇行业降低原料侧费用2.88/9.59亿元(自高炉气/自转炉气);可为燃料乙醇行业降低温室气体排放量2210/2267万吨CO2当量(自高炉气/自转炉气);合计为全行业节省碳税77.34/79.35亿元(自高炉气/自转炉气,碳价以当前350元/吨计算)。


“由此可见,将钢铁煤气用于钢化联产达到的温室气体减排效果是非常明显的,同时也能给企业降低成本、提高收益、提升竞争力。企业有收益,环境也受益,”李延奎说,钢化联产是一种双赢策略。


记者了解到,我国2023年汽油年表观消费量约1.49亿吨,据此可估知,燃料乙醇量的年需求量为1490万吨。而目前已建的燃料乙醇有效产能约550万吨,仍有约900万吨缺口。钢化联产则为此提出了“解题”新思路。


与此同时,多位业内人士接受记者采访时提醒,钢铁、化工企业的跨界联合、共赢发展也并非坦途,还需多方支持。正如文中所提到,钢化联产使煤化工厂由于节约煤炭成本和碳交易收益从而大幅降低了成本;与此相反,钢铁厂由于在将钢铁煤气从发电转向化工生产时,需要购买额外的电网电力从而大幅增加了成本。“这种情况下,如何平衡钢铁厂和煤化工厂之间的支出和收益是需要考虑的。”李延奎说。


针对这一问题,文章中也提出建议:政策制定者可以协调两方的收益分配,对H2和CO进行指导定价,以激励钢铁行业采用钢化联产;同时,为进行钢化联产的企业提供优惠电价的政策支持,也会促使更多企业参与进来。


对于难减排行业的减碳需要全局思维、需要推动跨行业耦合发展,而促使不同行业实现跨界联动则需要政策的支持和引导,从而在保证企业经济利益的前提下达到降低碳排放的目的。


“‘双碳’之路,不妨成双而行。”李延奎如是说。

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