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以突破性技術(shù)拉長鋼鐵行業(yè)碳的價值鏈 ——訪國家能源集團(tuán)新能源技術(shù)研究院碳中和研究中心主任徐冬

2023-06-20 12:43:00

中國冶金報 中國鋼鐵新聞網(wǎng)
記者 賈林海
 
  6月2日,完全由我國自主設(shè)計、制造、安裝的亞洲最大火電二氧化碳捕集及綜合利用示范工程——國家能源集團(tuán)江蘇泰州電廠項(xiàng)目經(jīng)過多天滿負(fù)荷運(yùn)行,正式投產(chǎn),每年可捕集消納二氧化碳50萬噸。
  碳捕集利用與封存(CCUS)技術(shù),是包括鋼鐵在內(nèi)的大工業(yè)領(lǐng)域不斷探索的低碳路徑。該項(xiàng)目技術(shù)總負(fù)責(zé)人、國家能源集團(tuán)新能源技術(shù)研究院碳中和研究中心主任徐冬,在今年3月份召開的“綠色鋼鐵、綠色能源、綠色金融”產(chǎn)業(yè)融合大會上提出,CCUS是在推進(jìn)鋼鐵等難減排行業(yè)深度脫碳中為數(shù)不多的可行技術(shù)方案。
  在該項(xiàng)目投產(chǎn)前夕,《中國冶金報》記者與徐冬再次圍繞鋼鐵行業(yè)碳減排問題進(jìn)行對話,聽他分享對鋼鐵行業(yè)“雙碳”技術(shù)路徑及當(dāng)前降碳面臨問題的新思考。
  《中國冶金報》記者:國家能源集團(tuán)江蘇泰州電廠項(xiàng)目投運(yùn)給鋼鐵行業(yè)探索CCUS技術(shù)帶來了哪些啟示?
  徐冬:發(fā)電行業(yè)和鋼鐵行業(yè)的共同特點(diǎn)是均以煤炭作為主要燃料,二氧化碳排放量大,是工業(yè)領(lǐng)域的重點(diǎn)減碳對象。CCUS技術(shù)既是發(fā)電行業(yè)深度減碳的唯一技術(shù)途徑,也是鋼鐵等行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的可行技術(shù)選擇。作為亞洲最大的碳捕集及綜合利用示范工程,泰州電廠項(xiàng)目自立項(xiàng)之初便立足于高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量,打造減碳固碳精品工程。該項(xiàng)目給鋼鐵行業(yè)探索CCUS技術(shù)帶來的啟示主要有以下幾點(diǎn):
  一是碳捕集示范裝置的建設(shè)規(guī)模要根據(jù)項(xiàng)目周邊的二氧化碳消納、利用、封存情況來定,前期需要經(jīng)過大量的調(diào)研。目前泰州電廠項(xiàng)目能夠?qū)崿F(xiàn)100%的二氧化碳消納利用,得益于前期的市場調(diào)研和分析。
  二是目前CCUS技術(shù)發(fā)展還不成熟,科技創(chuàng)新仍然是降低CCUS技術(shù)成本、實(shí)現(xiàn)規(guī)?;l(fā)展的重要手段。應(yīng)加強(qiáng)CCUS全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)研發(fā),盡快啟動大規(guī)模碳捕集示范項(xiàng)目,加快先進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證,為行業(yè)提供可復(fù)制、可推廣的經(jīng)驗(yàn)做法。
  三是要充分發(fā)揮企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新的主體作用,整合集聚創(chuàng)新資源,加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研深度融合,構(gòu)建CCUS技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用創(chuàng)新聯(lián)合體,不斷深化協(xié)同高效創(chuàng)新體系建設(shè),加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)。
  四是CCUS技術(shù)需要標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化發(fā)展。新能源技術(shù)研究院通過泰州、錦界兩個CCUS示范工程,在項(xiàng)目設(shè)計、施工、調(diào)試等各階段積累了豐富經(jīng)驗(yàn),也正在牽頭/參與10余項(xiàng)國家、行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定,未來鋼鐵行業(yè)CCUS技術(shù)發(fā)展也要實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)專利化、專利技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)技術(shù)價值化。
  《中國冶金報》記者:鋼鐵行業(yè)碳排放現(xiàn)狀如何?
  徐冬:2000年以來,我國粗鋼產(chǎn)量快速增長,從1.285億噸增長到最高10.65億噸,在粗鋼產(chǎn)量增長622.4%的同時,鋼鐵行業(yè)碳排放量增長了382.7%,主要源于碳排放強(qiáng)度是短流程煉鋼工藝3倍以上的長流程煉鋼工藝占全國總產(chǎn)量的近90%。雖然我國噸鋼二氧化碳排放量下降了33.2%,碳排放控制水平得到了極大提升,但鋼鐵行業(yè)節(jié)能降碳仍面臨生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)不合理、綠色發(fā)展水平不平衡、節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新難等問題,導(dǎo)致二氧化碳排放總量仍然很大。2022年,我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)的碳排放量約為18.23億噸,占全國碳排放總量的15%以上,是制造業(yè)31個門類中碳排放量最大的行業(yè),也是僅次于電力行業(yè)的碳排放“大戶”。因此,落實(shí)鋼鐵行業(yè)減污降碳、實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展是我國如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。
  《中國冶金報》記者:鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的工藝技術(shù)有哪些?
  徐冬:綜合來看,我國鋼鐵行業(yè)主要有3種工藝技術(shù)路線可供選擇。
  一是廢鋼+電爐工藝路線。該工藝路線比較成熟,但目前我國“綠電”供給較少,多數(shù)鋼鐵企業(yè)所在地區(qū)電價又較高,導(dǎo)致煉鋼成本較高。此外,國內(nèi)廢鋼循環(huán)量在2億噸左右,廢鋼產(chǎn)量有限,不足以保障國民經(jīng)濟(jì)對鋼鐵的需求。國內(nèi)在電爐冶煉方面的基礎(chǔ)研究和工程化應(yīng)用還要加大力度。
  二是氣基豎爐+電爐工藝路線。該工藝路線以天然氣、焦?fàn)t煤氣等富氫氣體還原鐵礦石生產(chǎn)海綿鐵,用于鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn),目的是研發(fā)全氫氣還原工藝,以實(shí)現(xiàn)凈零碳排放??梢灶A(yù)見,該工藝路線是未來我國鋼鐵生產(chǎn)的一種主要路線。
  以中國寶武為代表的鋼鐵企業(yè)在這一領(lǐng)域開展了大量研究,目前確定了利用廣東湛江地區(qū)焦?fàn)t煤氣的優(yōu)勢,以及按照未來南海天然氣、核電、光伏等資源特點(diǎn),進(jìn)一步優(yōu)化短流程直接還原工藝技術(shù),開展氫基豎爐+電爐工藝流程的百萬噸級大型試驗(yàn)。
  三是富氫碳循環(huán)高爐+轉(zhuǎn)爐工藝路線。高爐是能源轉(zhuǎn)化效率最高的冶金工藝,也是我國鋼鐵行業(yè)低成本的最大競爭優(yōu)勢。據(jù)不完全統(tǒng)計,我國有8.2億噸鋼產(chǎn)量的高爐爐齡小于15年,爐齡大于30年的只有1%。如果全部高爐都轉(zhuǎn)型為廢鋼+電爐工藝,那么將造成我國鋼鐵行業(yè)巨大的資產(chǎn)損失。中國寶武根據(jù)我國鋼鐵行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)率先提出富氫碳循環(huán)高爐+轉(zhuǎn)爐工藝路線,已經(jīng)在八鋼富氫碳循環(huán)高爐中完成了首次驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了減碳20%的階段性目標(biāo),目前正在推進(jìn)在2500立方米高爐上的商業(yè)化,為傳統(tǒng)高爐探索出一條綠色、低碳、高效的解決方案。
  整體來看,未來鋼鐵行業(yè)的突破性低碳技術(shù)包括氧氣高爐和非高爐冶煉、氫冶金,以及CCUS技術(shù)等。超前布局這些技術(shù),不僅可以推動鋼鐵行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型,而且對于我國增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力、提升科技成果轉(zhuǎn)化水平也具有重大戰(zhàn)略意義。
  《中國冶金報》記者:在節(jié)能降碳方面,鋼鐵行業(yè)主要有哪些突破性技術(shù)?應(yīng)用現(xiàn)狀如何?
  徐冬:首先是CCUS技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的原理是把生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳進(jìn)行提純,再投入到新的生產(chǎn)過程中進(jìn)行循環(huán)再利用或封存。這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)碳減排的可行性及潛力巨大,尤其適用于鋼鐵行業(yè)排放強(qiáng)度高的集中點(diǎn)。據(jù)測算,傳統(tǒng)高爐—轉(zhuǎn)爐煉鋼采用燃燒后碳捕集,可減少二氧化碳排放約40%。
  目前,包鋼正在建設(shè)國內(nèi)最大的鋼鐵行業(yè)首個CCUS全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉豆こ蹋黄诮ㄔO(shè)規(guī)模50萬噸/年,未來將通過二期、三期項(xiàng)目建設(shè),打造成為總規(guī)模達(dá)到200萬噸的CCUS基地。短期內(nèi),CCUS技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用仍面臨能耗高、投資成本高、部分關(guān)鍵技術(shù)還不成熟、碳泄漏風(fēng)險高和相關(guān)政策缺失等困難,離大規(guī)模應(yīng)用還有較長距離。
  其次是氫冶金技術(shù)。氫冶金技術(shù)是指利用氫氣生產(chǎn)海綿鐵的氣基直接還原工藝或其他富氫冶煉技術(shù),具有大幅減碳甚至“零碳”的效果。
  氫能來源十分廣泛,有“灰氫”(化石燃料燃燒)、“藍(lán)氫”(碳捕捉、碳封存)、“綠氫”(利用可再生能源制氫)。目前,國內(nèi)制氫原料仍以化石燃料為主,成本高,碳排放也高,要加快從化石燃料制氫向風(fēng)能、太陽能、水能等可再生能源制氫轉(zhuǎn)變。
  對于我國鋼鐵行業(yè)來說,提高傳統(tǒng)能源效率和發(fā)展可再生能源同等重要。無論是長流程還是短流程,能源需求都不約而同地指向了氫能。因此,氫冶金是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵。然而,從市場調(diào)研來看,目前電解制氫成本較高,完全使用氫氣替代焦炭來冶煉鐵水,將大大增加鋼鐵生產(chǎn)成本。在這種情況下,大規(guī)模發(fā)展氫冶金技術(shù)就需要配套氫能基礎(chǔ)設(shè)施。
  整體來看,國內(nèi)在大規(guī)模制氫設(shè)備工程化和成本控制方面還有待加強(qiáng),相關(guān)基礎(chǔ)研究也有待深入,關(guān)鍵核心技術(shù)、制氫成本高等難題亟須攻克。
  《中國冶金報》記者:鋼鐵行業(yè)降碳主要面臨哪些問題?
  徐冬:目前,鋼鐵行業(yè)受制于減碳技術(shù)可選項(xiàng)少、潛在低碳技術(shù)不成熟及國內(nèi)目前在氫冶金、CCUS等技術(shù)研發(fā)方面尚處起步階段等因素影響,總體處于“跟跑”階段。鋼鐵行業(yè)降碳主要面臨3個方面問題。
  首先,節(jié)能減排降碳任務(wù)極其艱巨。鋼鐵行業(yè)是典型的“高投入、高能耗、高排放”行業(yè),巨額的能源消耗和大量的二氧化碳排放嚴(yán)重制約了行業(yè)發(fā)展。具體來看:一是總量大。我國鋼產(chǎn)量占全球一半以上。二是結(jié)構(gòu)失衡。從資源結(jié)構(gòu)來看,我國鐵礦石對外依存度超過80%;從能源結(jié)構(gòu)來看,鋼鐵行業(yè)能源消耗以煤炭為主。三是產(chǎn)業(yè)集中度低。我國鋼鐵行業(yè)集中度一直處于較低水平,對鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整及碳排放總量的控制缺乏行業(yè)約束力。四是高碳化。碳排放量較高的高爐—轉(zhuǎn)爐長流程工藝仍占主導(dǎo)地位,短流程電爐鋼產(chǎn)量占比較小。
  其次,缺乏核心降碳技術(shù),重復(fù)研發(fā)和投資造成巨大浪費(fèi)。我國鋼鐵行業(yè)多年來注重產(chǎn)量擴(kuò)張,眾多鋼鐵企業(yè)只關(guān)注提高自身經(jīng)濟(jì)效益、降低成本的技術(shù),對節(jié)能降碳技術(shù)關(guān)注不夠。另外,鋼鐵企業(yè)和上下游、研究機(jī)構(gòu)還沒有形成研發(fā)資源的共享機(jī)制,“產(chǎn)學(xué)研用”相結(jié)合的方式?jīng)]有打通,高校、科研院所關(guān)注碳減排前沿科學(xué)和技術(shù),企業(yè)注重自身碳排放的損益,導(dǎo)致綠色低碳技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用較低。同時,我國鋼鐵產(chǎn)能布局過于分散的問題,也導(dǎo)致了“雙碳”技術(shù)研發(fā)和推廣中出現(xiàn)了大量的重復(fù)投資和過剩產(chǎn)能,使得行業(yè)研發(fā)資源分散在各個企業(yè),難以形成研發(fā)合力,嚴(yán)重影響了鋼鐵行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。
  最后,智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型面臨挑戰(zhàn)。智能化、數(shù)字化是鋼鐵行業(yè)節(jié)能降碳的重要途徑。目前,國內(nèi)近90%的鋼鐵企業(yè)正在推進(jìn)智能制造,數(shù)字化轉(zhuǎn)型成效顯著。然而,大多數(shù)鋼鐵企業(yè)的數(shù)字化還停留在把各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)以數(shù)字化形式呈現(xiàn)的階段,距離真正的智能化生產(chǎn)、運(yùn)輸、分析、策略制定等還有較大差距,難以通過數(shù)字化手段優(yōu)化生產(chǎn)工藝和提升節(jié)能降碳水平。此外,面向鋼鐵行業(yè)進(jìn)行智能制造專項(xiàng)服務(wù)的機(jī)構(gòu)眾多,缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),專業(yè)人力資源儲備也不夠。
  《中國冶金報》記者:從上述問題出發(fā),鋼鐵行業(yè)如何加快推進(jìn)節(jié)能降碳?還有哪些政策措施空間?
  徐冬:一是亟須突破關(guān)鍵共性技術(shù)研發(fā)。技術(shù)創(chuàng)新是碳減排的根本。鋼鐵行業(yè)要更大力度地推進(jìn)節(jié)能降碳、科技創(chuàng)新工作,補(bǔ)齊“卡脖子”技術(shù)短板,加大對基礎(chǔ)性、前瞻性、關(guān)鍵共性技術(shù)的研發(fā)力度,搶占低碳前沿陣地,促進(jìn)“卡脖子”技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,特別是推進(jìn)以氫冶金為代表的顛覆性、革命性工藝技術(shù)。特別要強(qiáng)調(diào)的是,大力推進(jìn)CCUS技術(shù),是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵技術(shù)之一。
  鋼鐵行業(yè)要構(gòu)建碳到一氧化碳、一氧化碳到二氧化碳及二氧化碳資源利用的全生命周期技術(shù),拉長碳的價值鏈,打造凈零排放的新型碳循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈。同時,要圍繞基礎(chǔ)理論、工藝路線、裝備制造、系統(tǒng)集成等,以智能化、數(shù)字化為代表的智能制造、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、數(shù)字化網(wǎng)格化建設(shè)等開展全流程、全產(chǎn)業(yè)鏈的系統(tǒng)攻關(guān),積極探索大數(shù)據(jù)在研發(fā)、生產(chǎn)、能源管控、質(zhì)量控制等方面的應(yīng)用,建立鋼鐵低碳智能生產(chǎn)新體系。
  二是發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢,推進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新。從全球鋼鐵行業(yè)通行的做法來看,鋼鐵行業(yè)“雙碳”領(lǐng)域的突破性技術(shù)研發(fā),更多以國家或地域?yàn)閱挝?,通過組建利益共同體,政府和金融資本給予實(shí)質(zhì)性支持,以社團(tuán)組織為牽頭單位,以大企業(yè)為主體,多家企業(yè)、機(jī)構(gòu)參與,瞄準(zhǔn)低碳、“零碳”目標(biāo),分工協(xié)作、聯(lián)合開發(fā)、共擔(dān)風(fēng)險、協(xié)同創(chuàng)新、共享成果。這種方式值得我們借鑒。我國鋼鐵行業(yè)可以通過協(xié)同創(chuàng)新,攻克一批關(guān)鍵共性技術(shù)、實(shí)施一批應(yīng)用示范、研制一批行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、培養(yǎng)一批創(chuàng)新人才,從而推動鋼鐵行業(yè)加快低碳轉(zhuǎn)型。

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網(wǎng)

編輯:陳燦

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