国外双碳政策梳理与技术现状研究

国外双碳政策梳理与技术现状研究全球有多个国家都在进行钢铁领域减排二氧化碳技术开发的研究。在反映各国国情的技术开发中，着力点和目标各有不同。虽然大部分是巴黎协定之前提出的项目，但欧洲已将减排目标定为80%，并从长远的角度转向新的研发，也包括这些研究开发。大致区分为高炉发展工艺，以及旨在再利用排放二氧化碳的CCU，利用可再生能源氢的氢能炼铁等未来系统。采用CCU和无二氧化碳氢基炼铁的研发是最近开始的项目。减碳技术主要围绕能源消耗减少，或者减碳这两个层面。减碳技术按照目前钢铁行业的工艺流程，主要是短流程，氢能炼钢碳排放被捕集技术（包括CCS和CCUS）。高炉长流程工艺路线直接排放温室气体，而电炉短流程工艺路线则间接排放温室气体，这主要取决于电炉使用的电力结构。高炉长流程工艺路线减排就是钢铁工业减排的主要目标。根据经济合作与发展组织的一项长期研究，到2050年，全球粗钢产量将增长30%-50%，而钢铁业界已经采取了行动。欧盟传统钢铁生产是欧洲最大的二氧化碳排放来源之一。目前欧洲大陆钢铁工业二氧化碳排放量约占欧盟二氧化碳总排放量的4%，占工业二氧化碳排放总量的22%。消耗能源和碳的上游工序，如焦炭和铁的生产，约占90%。大多数碳排放来自大约30家综合钢铁厂，这些工厂生产的钢铁几乎占到了欧洲钢铁总量的三分之二。60%的欧盟钢铁企业采用高炉长流程生产，主要通过处理铁矿石以生产铁烧结矿或球团矿，然后将其与焦炭在高炉中还原以制造生铁，进而在转炉中炼钢。其余的钢铁企业则主要采用电炉短流程工艺，在电炉中加热废钢而炼钢。诸如干熄焦和优化球团矿配比等方法，以及高炉煤气余压透平发电装置等设备，可以减少高炉长流程工艺路线的碳排放。利用天然气替代焦炭还可以显著减少高炉长流程工艺炼钢的二氧化碳，向高炉中注入氢气或氨气以部分替代煤粉也可以做到这一点。不过，尽管其中许多措施已经成为整个行业的实践典范，但尚不能实现碳中和，这是因为它们不能完全消除炼钢过程中的碳。通过节约为电炉供电的电力，或将电力结构转为可再生能源，可以降低电炉短流程工艺的二氧化碳排放。从理论上讲，这使得碳中和成为可能。但问题在于电炉短流程工艺受制于废钢的可获得性，无法生产出所有钢种或所需数量。全新技术尚在开发和进行之中。截至目前，欧洲最有前途的新兴技术主要分为两大类：碳捕集、利用和/或封存（CCUS）和铁矿石替代还原。替代还原技术包括氢基直接还原工艺和电解还原法，大多处于开发初期阶段，同时需要大量的绿色能源，但有望实现碳中和炼钢。CCUS利用不同的方法捕集二氧化碳，并对其进行处理以供后续利用（例如，作为燃料）或将其存储（如枯竭的海底天然气储层等地质结构）。仅靠CCUS无法实现碳中和，但如果炼钢过程中使用的化石燃料被生物质所取代，则可能会产生负的二氧化碳平衡。新型还原剂取代焦炭或天然气，其中包括氢气和直流电。从理论上讲，可以实现完全绿色的钢铁生产。不过，相比CCUS，这一类技术可能需要更多的时间和资金。碳捕集、利用和/或储存二氧化碳从其他气体中分离出来，并在大量排放的过程（如炼铁工序）中被捕集。随后捕集的二氧化碳通过管道或轮船运输到陆上或海上储存地点，如欧洲北海油气田，或者用作燃料或生物质。其主要工序包括燃烧后/燃烧前捕集和压缩-运输-储存/利用。CCUS系统很容易融入现有厂区。由于这项技术并不是炼钢专用的，其他行业也可以分担部分的开发和基础设施成本(例如，合成燃料市场、运输和储存)。此外，未来的运营成本在很大程度上是可以预测的。利用CCUS的生物质炼铁该工艺的基本原理是：碳中和生物质在预处理过程中部分替代化石燃料，或作为铁矿石还原剂。例如，由生物质（生藻类、草、木材等）制成的富含碳的生物质半焦，用以替代焦炭，或者生物燃气被注入竖炉以取代天然气。主要工艺包括热解和水热碳化，CCUS系统会清除所有残余的碳排放。瑞典国家钢铁研究院在SSAB公司吕勒奥厂的研究显示，如果采用该项技术，至少可以减排二氧化碳28%。不过，在生物质的种植方面还有一些问题。特别在自然环境中，它可能导致森林砍伐、污染和生物多样性减少，并在社会上增加食品价格和农业土地使用。此外，生物质的热值低于化石燃料，限制了其在大型高炉中的应用，或降低了燃烧效率，无法在大型高炉中进行有效利用。氢基直接还原铁竖炉随着碳减排压力的增大，氢气直接还原技术受到了越来越多的重视，迎来了蓬勃发展的机会。在“氢能炼钢”方面，近年来国外钢企已经进行了一系列探索，取得了一定的进展。尤其是瑞典SSAB公司突破性氢能炼铁技术（HYBRIT）项目将使钢铁生产过程的二氧化碳排放量降至近乎于零，有望引发特钢行业的一场变革。该技术炼钢实现低碳排放的主要原理是，在竖炉中，氢气将铁矿石球团还原成“直接还原铁”（DRI或海绵铁），而不使用焦炭这样的碳还原剂。竖炉是一种利用气体还原剂制造DRI的炉型。操作温度可以很低，在800℃左右。然后将DRI送入电炉，通过进一步加工和加碳进行炼钢。作为一种为碳中和炼钢铺平道路的过渡技术，它也可以以“热压铁”（HBI）的形式装入高炉，这是一种高质量的DRI，此举可以显著提高高炉效率，降低焦炭用量。最常见的工艺是MIDREX方法和HYL工艺。不过，氢气直接还原炼钢技术的发展很大程度上依赖氢能经济，氢气产量必须达到规模化，并且要求成本更具有竞争力。氢基直接还原铁流化床与竖炉工艺相同，该工艺使用氢气还原铁矿石并生产DRI，以供电炉使用。不同之处在于，还原发生在流化床而不是熔炼炉中，并且使用经过精细加工的铁粉矿代替球团矿。流化床是可以连续地将固体原料与气体混合以产生固体产物的反应室。主要包括FINEX和Circored等工艺。电解炼钢工艺作为欧盟的ULCOS项目，由安赛乐米塔尔公司主导了电解工艺的开发。在实验室条件下，可以采用高温电解直接生产钢水。该工艺有两种类型：ULCOLIS电解法和ULCOWIN电解沉积法。电解法以电力作为还原剂，将铁矿石在1550℃转化为钢水。在电解沉积过程中，铁矿石被粉碎成超细粉矿，浸出，然后在110℃左右的电解槽中还原。工业废弃物回收技术德国目前的Car-bon2Chem项目是以低碳炼铁为核心，实现节能减排，绿色发展。Car-bon2Chem项目是利用钢厂废气中含有的化工原材料，比如以一氧化碳和二氧化碳形式存在的碳、氮和氢等，生产含有碳和氢的合成气体，再应用于生产氨气、甲醇、聚合物和高级醇等各种初级化工产品，替代目前天然气、煤等化石原料。因此，Car-bon2Chem不仅可转化钢厂废气中的二氧化碳，同时也节省了生产此类合成气体的碳资源使用量。2018年9月份，蒂森克虏伯Car-bon2Chem项目成功地将钢厂废气转化为合成燃料，生产出第一批甲醇。2019年1月份，蒂森克虏伯成功利用钢厂废气生产氨，这在全球范围内尚属首次。蒂森克虏伯宣布，目前全世界大约有50家钢厂符合引进Car-bon2Chem项目的条件，已开始与各地的意向方建立联系，探讨将该技术运用于其他二氧化碳密集型行业。日本1973年石油危机以来，日本一直致力于节能减排研究。1992年，《联合国气候变化框架公约》获得通过，并于1994年3月21日起生效。1997年，日本经济团体联合会的加盟团体制定了环境自主行动计划（全球变暖对策），确定针对全球变暖正式开始二氧化碳减排工作。1997年12月《京都议定书》在日本京都通过，并于2005年2月16日正式生效。为了实现日本在《京都议定书》第一承诺期（2008-2012年）约定的、相对基准年（1990年）温室气体削减6%的目标，日本制定了《京都议定书目标达成计划》。2008年7月，日本制定《低碳社会行动计划》，该计划分阶段、定目标、强举措地全面推进节能减排。2015年12月《巴黎协定》获得通过，并于2016年11月4日正式生效，日本提出到2030财年温室气体排放相比2013财年减排26%的目标，到2050财年减排80%的长远目标。遵照《巴黎协定》，2018年日本铁钢连盟提出2100年挑战“零碳钢”的目标。2020年12月25日，日本政府发布了《绿色增长战略》，提出到2050年实现“碳中和”目标，构建“零碳社会”。日本政府将应对全球变暖、实现绿色低碳转型视为后疫情时代拉动日本经济持续复苏的新的增长点。目前日本制铁正在开发创新技术，目标是在2100年前生产出零碳钢，零碳钢是使用氢而不是碳还原铁矿石生产的。这项工作主要针对以下四个方面的技术进行开发：1）减少二氧化碳排放；2）二氧化碳分离和回收；3）二氧化碳循环利用；4）二氧化碳储存。为减少二氧化碳排放，日本制铁开发了如下技术：开发余热回收的干熄焦技术：在焦炉中制成的热焦炭用惰性气体淬火，热量被用来产生蒸汽而发电。与湿法淬火相比，节能40%。开发新一代炼焦技术（Scope21）：Scope21是以强化资源和能源应对能力为目标的国家开发项目。该项目包括缩短炼焦时间、提高焦炭质量等许多创新型技术开发内容。利用该项目开发的技术将会扩大低品位煤的利用并大幅减少二氧化碳排放。开发高炉数字模型：合理调整高炉内气体流量、固体流量、液体流量、炉料分布等基本因素，降低焦炭等还原剂比例，从而减少二氧化碳排放。开发显示炉料分布的三维离散单元法（DEM）模型：用DEM模型精确显示高炉炉顶料面的分布情况，以布置炉料分布，提高反应效率，减少二氧化碳排放。参与环境和谐型炼铁工艺技术开发项目COURSE50：该项目旨在通过开发在高炉炼铁还原过程中使用氢气的技术和采用化学吸收法以低成本分离和回收二氧化碳的技术，实现二氧化碳减排30%。其中，采用钢厂产生的氢气（焦炉煤气）在还原铁矿石的过程中部分取代碳，实现高炉二氧化碳减排10%；采用捕集、分离和回收高炉煤气中二氧化碳可使二氧化碳减排20%。目前实现实验高炉二氧化碳减排10%的目标，同时还对实际尺寸的高炉进行模拟，使该项目更接近于在商业使用的高炉。参与零碳钢技术开发项目（100%氢还原炼铁技术）：在钢铁工业中，大约70%的二氧化碳排放是在高炉炼铁过程中产生的。由于日本高炉炼铁技术的热效率已提高到接近理论值，进一步减少二氧化碳排放的难度极大。这就是为什么日本制铁要接受氢气还原炼铁工艺的挑战。由于铁矿石的氢气还原反应是吸热反应，现阶段需要建立从外部向反应炉供热的技术，以及在充分考虑氢气燃烧特性的基础上，向反应炉稳定提供大量氢气的技术。而且，氢气是无碳的，其大量低成本稳定供应是一个关键要求。因此，日本制铁与日本政府及其他公司一起申请参加由新能源产业技术综合开发机构资助的“实现零碳钢的技术开发”项目。这一项目旨在确定多种有前途的创新技术，专注于炼铁过程脱碳。开发一种全新的制氢工艺：通过开发一种专有的高性能光催化剂材料，利用太阳能生产零排放的氢气。虽然日本钢铁行业不断努力开发创新的炼铁技术，但仅依靠这些技术无法实现《巴黎协定》的长期目标，为此，日本钢铁工业开始挑战开发最终实现炼铁过程零排放的技术，包括使用氢气还原炼铁技术、以及CCS、CCU技术。氢还原炼铁工艺的实际应用是以氢气作为社会公共能源载体的开发和维护为前提的，因为氢气不仅广泛用于钢铁生产，而且广泛用于汽车、消费品等各个领域。钢铁生产对氢气的一个重要要求是稳定的低成本供应。此外，实施CCS除了需要开发大量二氧化碳的廉价运输和储存技术外，还需要解决技术方面以外的问题，如二氧化碳储存场所的安全、社会的接受、实施实体和经济负担的分配。因此，实现“零碳钢”，不仅要开发与钢铁行业相关的技术，还需要开发社会公共基础技术，如无碳能源先进的传输、储存技术，低成本大批量氢气的制造、运输和储存技术，二氧化碳捕集与封存/利用技术等。韩国2019年10月22日，韩国政府发布《2030年国家温室气体减排路线图》第二个气候变化应对基本计划，提出将2030年温室气体排放量降至5.36亿吨，相比2017年的7.091亿吨下降24.4%，以期达成“可持续低碳绿色社会”的目标。钢铁行业作为韩国碳减排的重点领域，采取的主要措施是：逐步用液化天然气取代重油，加快现有设备升级改造和以氢还原炼铁技术为代表的新工艺的研发推广，持续推进生产方式转变和产业结构调整。目前，韩国钢铁行业正在积极开发采用氢还原冶炼的创新技术。自2004年以来，欧美和日本等发达国家和地区持续进行低碳技术的开发工作，技术理念就是从现有的“碳还原”逐步转化为“氢还原”。2017年韩国钢铁行业开始研究氢还原冶炼技术，并将其作为国家核心产业技术加紧研发。其中，“以高炉副产煤气制备氢气”和“用替代型铁原料电炉炼钢”两项关键技术作为政府课题进行研究。韩国的氢还原冶炼技术研发计划在2017-2020年进行实验室开发，在2024年之前进入中试阶段，2024-2030年完成商业应用的前期研究，在2030年之后开发具有经济性且切实可行的应用型技术，并投入商业化应用。该技术预计最多减排15%的CO2。该技术开发课题由韩国金属材料研究合作社（KOMERA，韩国钢铁协会研究开发室）统管，浦项钢铁公司（以下简称：浦项钢铁）、现代钢铁公司、SAC环保热能技术公司、韩国能源技术研究院（KIER）、浦项产业科学研究院（RIST）等22家相关产学研机构和企业共同参与。COOLSTAR项目是该课题的核心技术项目。为减少钢铁工业的CO2排放，该项目计划在高炉（第一部分，浦项钢铁主管，预计投资415亿韩元）、副产煤气改质与精制（第二部分，SAC主管，预计投资290亿韩元）、电炉（第三部分，现代钢铁公司主管，预计投资180亿韩元）三大领域分别进行技术开发。其中，第一部分的关键技术为氢气应用技术，第二部分的关键技术为氢气制备技术、副产煤气精整及分离技术，第三部分的关键技术为氢气-直接还原铁（DRI）制备技术、DRI电炉利用技术、转炉大批量利用废钢技术等。项目的实施周期为2017年12月-2024年11月，最终目标是实现钢铁冶炼的高效、环保，同时确保产品质量和生产稳定。韩国产学研各界的专家认为，氢还原冶炼技术开发的前提是低成本、大批量制备氢气，而目前这一问题在全球范围内尚未突破。此外，该项目涵盖多种技术，从研发到实际应用，仍然存在许多亟待解决的难题和潜在风险，存在较大的不确定性，而且一旦该技术研发应用成功，将对韩国工业结构产生巨大影响。在欧盟，钢铁工业在经历了成熟期之后，已经开始进入衰退期，因此在引进氢还原冶炼技术时，正好可以对落后的设备进行更新换代。但在韩国，其属于大型设备出口主导型工业结构，如果钢铁工业的结构发生转变，将对韩国工业发展产生影响。有专业人士认为，减排路线图的各减排指标能否被相关行业所接受，也是一大问题。事实上，关于2030年温室气体减排目标，韩国工业部也意识到了现实的问题，并公开表示，政府将根据项目的成败与否，对2030年的减排目标进行调整，同时加强与相关行业的沟通协商。澳大利亚澳大利亚作为全球原材料主要供给国，其钢铁冶炼工艺技术远不及其采矿、选矿技术成熟。目前，澳大利亚以联邦科学与工业研究组织（CSIRO）为中心，提出名为CO2BTP的总体减排CO2技术开发方案，钢铁作为其中一环，开展以利用生物质为目标的研究，正在启动名为低排放综合炼钢工艺（ISP）的项目。这是在钢铁工艺内级联地彻底利用生物质的基本设想。在荷兰的塔塔欧洲钢铁公司艾莫伊登厂建设了约6万吨的Hlsarna熔融还原试验厂。这是澳大利亚力拓公司开发的Hlsmelt和艾莫伊登厂的CCF（CycloneConverterFurnace）的发展型。已经在试验厂进行了5次试验，2020年实现商用化。俄罗斯俄罗斯主要钢铁制造商对钢铁用煤的依赖意味着其将无法尽快停止使用煤炭，但是企业也在积极设法减排二氧化碳，从而实现绿色钢铁生产。耶弗拉兹目前的环境战略目标是吨钢二氧化碳排放量不超过2吨（2019年为1.97吨）。耶弗拉兹正在朝着更高的目标努力，该公司将在今年晚些时候宣布新的环境战略。通过在俄罗斯、加拿大