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    1. 《自然》子刊研究鋼化聯(lián)產(chǎn)展現跨界思維——“雙碳”之路,不妨成雙而行

        國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》今年1月上線(xiàn)的子刊《自然:化學(xué)工程》雜志,近期發(fā)表了一篇題為《鋼化聯(lián)產(chǎn):促進(jìn)難減排行業(yè)降低碳排放》的論文,以鋼鐵、化工聯(lián)合的跨界思維和令人信服的數據論述了鋼化聯(lián)產(chǎn)對中國溫室氣體減排的積極作用。文章認為,鋼化聯(lián)產(chǎn)可能成為減少這兩大行業(yè)碳排放的關(guān)鍵戰略,中國“雙碳”目標的實(shí)現需要更多的跨界思維。

        這篇論文由美國普林斯頓大學(xué)執筆,清華大學(xué)、東北大學(xué)國家環(huán)境保護重點(diǎn)實(shí)驗室、北京北大先鋒科技股份有限公司(下稱(chēng)北大先鋒)等高校院所和企業(yè)合作完成?!吨袊蟆酚浾呓詹稍L(fǎng)了北大先鋒相關(guān)負責人,從產(chǎn)業(yè)視角閱覽此篇并“疑義相與析”。

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      圖為北大先鋒建設的山東石橫特鋼鋼化聯(lián)產(chǎn)項目外景。(企業(yè)供圖)

        碳排大戶(hù)鋼化在列 聯(lián)產(chǎn)可期“負負得正”

        數據顯示,2020年,鋼鐵和煤化工行業(yè)的碳排放分別占中國碳排放總量的14%和9%。

        文章指出,這些碳排放的產(chǎn)生主要緣于將化石能源作為原料和燃料使用。煉鐵過(guò)程的鐵還原反應和煤化工的制氫反應均為高碳排放。利用大規模電加熱產(chǎn)生高溫短期內并不可行。為減少碳排放,中國采取了一系列舉措:提高生產(chǎn)效率,應用綠氫,應用碳捕集、利用與封存(CCUS)等新技術(shù)。然而,通過(guò)提高生產(chǎn)效率來(lái)減少碳排放的潛力有限,綠氫和CCUS等新技術(shù)預計到2040年成本仍將居高不下。

        鋼鐵煤氣主要包括焦爐煤氣(COG)、高爐煤氣(BFG)和轉爐煤氣(BOFG)。中國的鋼廠(chǎng)每年約產(chǎn)生1.2萬(wàn)億標準立方米的鋼鐵煤氣,主要由一氧化碳(CO)、氫氣(H?)、甲烷(CH?)、二氧化碳(CO?)和氮氣(N?)組成。具體而言,焦爐煤氣具有高濃度的H?55%~60%),而高爐煤氣和轉爐煤氣富含CO(分別為23%~27%和50%~70%)。這些鋼鐵煤氣約有50%在煉鐵煉鋼過(guò)程中作為燃料被消耗,剩余部分主要用于現場(chǎng)發(fā)電。然而,利用鋼鐵煤氣發(fā)電(主要是CO燃燒)是高碳排放的,CO發(fā)電的碳排放系數為1940克CO?當量/?千瓦時(shí),遠高于中國電網(wǎng)供電(590克CO?當量/?千瓦時(shí)),甚至煤炭發(fā)電(930克CO?當量/?千瓦時(shí))。

        在煤化工廠(chǎng)為了生產(chǎn)H?,要先將煤氣化生產(chǎn)CO,再進(jìn)行水煤氣變換反應產(chǎn)生H?。2020年的統計數據顯示,這一過(guò)程產(chǎn)生的碳排放量約占中國煤化工行業(yè)溫室氣體排放總量的三分之一。

        鋼化聯(lián)產(chǎn)即是利用鋼鐵煤氣取代煤基H?和CO,經(jīng)凈化、提純后用于生產(chǎn)化學(xué)品。這一方面避免了將CO轉化為電力這種高碳排放系數的利用方式,另一方面也可節約一部分煤制氫工藝消耗的煤炭,從而大幅減少鋼鐵和煤化工兩個(gè)行業(yè)的溫室氣體排放量,實(shí)現“負負得正”的效果。

        文章認為,鋼化聯(lián)產(chǎn)在技術(shù)上已被證明是完全可行的,在可預見(jiàn)的將來(lái),有望成為減少兩大行業(yè)碳排放的關(guān)鍵戰略。

        鋼鐵煤氣覆蓋需求,節本減碳效果明顯

        文章通過(guò)構建一個(gè)基于產(chǎn)業(yè)實(shí)際的模型,研究了在全國范圍內部署鋼化聯(lián)產(chǎn)對推動(dòng)減碳和降低企業(yè)成本的影響。

        作者開(kāi)發(fā)了一個(gè)包含全國272家鋼鐵廠(chǎng)和187家煤化工工廠(chǎng)(2022年數據)的地理數據庫,并以管道連接現有鋼鐵廠(chǎng)和化工廠(chǎng),在空間上量化了鋼鐵廠(chǎng)對H?和CO的供應,以及煤化工工廠(chǎng)對H2和CO的需求。然后,作者對比獨立生產(chǎn),在保證以企業(yè)盈利能力更優(yōu)為前提,以最大限度地減少碳排放為目標,定制了一個(gè)鋼化聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)化模型,匹配鋼鐵廠(chǎng)和化工廠(chǎng)的供需。所使用的基準方案是鋼鐵和化工企業(yè)各自獨立生產(chǎn),即鋼鐵廠(chǎng)燃燒多余的鋼鐵煤氣發(fā)電,煤化工廠(chǎng)使用煤炭生產(chǎn)H2和CO。對比情景采用鋼化聯(lián)產(chǎn)模式,即從過(guò)剩鋼鐵煤氣中提純H?和CO,并通過(guò)管道輸送到煤化工工廠(chǎng)進(jìn)行化學(xué)合成。在不同的碳價(jià)格和管道長(cháng)度限制下,作者采用生命周期評估來(lái)量化鋼化聯(lián)產(chǎn)方案相對于基準方案的溫室氣體減排量和成本降低量。

        研究結果顯示,相對于獨立生產(chǎn),利用焦爐煤氣提純H?進(jìn)行鋼化聯(lián)產(chǎn),每生產(chǎn)1噸H?的溫室氣體排放量減少18.3?噸CO?當量;利用高爐煤氣和轉爐煤氣提純CO進(jìn)行鋼化聯(lián)產(chǎn),每生產(chǎn)1噸CO的溫室氣體排放量分別減少1.1噸和1.2噸CO?當量。利用焦爐煤氣提純H?替代煤基H?可以大幅降低溫室氣體排放。成本方面,與獨立生產(chǎn)相比,利用高爐和轉爐煤氣提純CO、焦爐煤氣提純H?進(jìn)行鋼化聯(lián)產(chǎn),每噸CO的成本分別增加251元和134元,每噸H?的凈成本降低了1278元,鋼化聯(lián)產(chǎn)綜合成本顯著(zhù)降低。

        此外,數據表明,更長(cháng)的管道連接和更高的碳價(jià)可以提高碳減排量、降低企業(yè)成本。當碳價(jià)達到350元/噸(CO?時(shí),相比于不征收碳稅,可減少6.9%~22%的碳排放,并降低3.4%~9.8%的成本。

        基于中國鋼鐵廠(chǎng)和煤化工廠(chǎng)的地理數據庫,作者以高爐—氧氣高爐(BF—BOF)煉鋼生產(chǎn)為基礎,估算了H?和CO的工廠(chǎng)級供應量;還根據各種化工產(chǎn)品(甲醇、石油、天然氣、烯烴、乙二醇和乙醇)的生產(chǎn)情況估算了工廠(chǎng)對H?和CO的需求量。

        文章認為,總體而言,中國的鋼鐵廠(chǎng)可以從鋼鐵煤氣中提供350萬(wàn)噸/年純化的H?,相當于煤化工廠(chǎng)H?需求量(1800萬(wàn)噸/年)的19%;可提供2.18億噸/年的CO(85%來(lái)自BFG,15%來(lái)自BOFG),相當于煤化工CO需求量(1.21億噸/年)的180%。中國鋼鐵行業(yè)副產(chǎn)的鋼鐵煤氣完全可以滿(mǎn)足煤化工行業(yè)對CO的需求量,且有大量富余。

        企業(yè)核算效益可觀(guān),跨界聯(lián)合仍需支持

        據了解,該文完成者之一的北大先鋒在鋼化聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域已有十余年經(jīng)驗積累,對相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際有深刻的了解。北大先鋒鋼化聯(lián)產(chǎn)業(yè)務(wù)負責人李延奎告訴記者,他們應用該論文的相關(guān)研究數據,以二甲醚酯化加氫工藝生產(chǎn)燃料乙醇(DMTE)的技術(shù)路線(xiàn)為例,對鋼化聯(lián)產(chǎn)燃料乙醇的溫室氣體減排效果和企業(yè)盈利性進(jìn)行了核算。

        根據自身業(yè)務(wù)實(shí)際,他們將文中的長(cháng)輸管道連接改為采用在鋼鐵廠(chǎng)附近新建化工廠(chǎng)的方式。此舉減少了壓縮長(cháng)輸管線(xiàn)氣體的溫室氣體排放,也節省了壓縮長(cháng)輸管線(xiàn)氣體的成本。結果顯示,相對于獨立生產(chǎn),每生產(chǎn)1噸H?的溫室氣體排放量減少至18.89?噸CO?當量,每生產(chǎn)1噸CO的溫室氣體排放量減少至1.14噸CO?當量/1.24噸CO?當量(自高爐氣/自轉爐氣)。

        根據化學(xué)平衡,生產(chǎn)1噸無(wú)水乙醇的原料消耗量為0.746噸甲醇,510標準立方米CO(合0.6375噸CO)和1025標準立方米H?(合0.0915噸H?)。

        若將900萬(wàn)噸新建燃料乙醇產(chǎn)能全部按利用鋼鐵煤氣計算,則對比獨立生產(chǎn),采用鋼化聯(lián)產(chǎn)時(shí),可為燃料乙醇行業(yè)降低原料側費用2.88億元/9.59億元(自高爐氣/自轉爐氣);可為燃料乙醇行業(yè)降低溫室氣體排放量2210萬(wàn)噸/2267萬(wàn)噸CO?當量(自高爐氣/自轉爐氣);合計為全行業(yè)節省碳稅77.34億元/79.35億元(自高爐氣/自轉爐氣,碳價(jià)以當前350元/噸計算)。

        “由此可見(jiàn),將鋼鐵煤氣用于鋼化聯(lián)產(chǎn)達到的溫室氣體減排效果是非常明顯的,同時(shí)也能給企業(yè)降低成本、提高收益、提升競爭力。企業(yè)有收益,環(huán)境也受益?!崩钛涌f(shuō),鋼化聯(lián)產(chǎn)是一種雙贏(yíng)策略。

        記者了解到,我國2023年汽油年表觀(guān)消費量約1.49億噸,據此可估知,燃料乙醇的年需求量為1490萬(wàn)噸。而目前已建的燃料乙醇有效產(chǎn)能約550萬(wàn)噸,仍有約900萬(wàn)噸缺口。鋼化聯(lián)產(chǎn)則為此提出了“解題”新思路。

        與此同時(shí),多位業(yè)內人士接受記者采訪(fǎng)時(shí)提醒,鋼鐵、化工企業(yè)的跨界聯(lián)合、共贏(yíng)發(fā)展也并非坦途,還需多方支持。正如文中所提到,鋼化聯(lián)產(chǎn)使煤化工廠(chǎng)由于節約煤炭成本和碳交易收益從而大幅降低了成本;與此相反,鋼鐵廠(chǎng)由于在將鋼鐵煤氣從發(fā)電轉向化工生產(chǎn)時(shí),需要購買(mǎi)額外的電網(wǎng)電力從而大幅增加了成本?!斑@種情況下,如何平衡鋼鐵廠(chǎng)和煤化工廠(chǎng)之間的支出和收益是需要考慮的?!崩钛涌f(shuō)。

        針對這一問(wèn)題,文章中也提出建議:政策制定者可以協(xié)調兩方的收益分配,對H?和CO進(jìn)行指導定價(jià),以激勵鋼鐵行業(yè)采用鋼化聯(lián)產(chǎn);同時(shí),為進(jìn)行鋼化聯(lián)產(chǎn)的企業(yè)提供優(yōu)惠電價(jià)的政策支持,也會(huì )促使更多企業(yè)參與進(jìn)來(lái)。

        對于難減排行業(yè)的減碳需要全局思維、需要推動(dòng)跨行業(yè)耦合發(fā)展,而促使不同行業(yè)實(shí)現跨界聯(lián)動(dòng)則需要政策的支持和引導,從而在保證企業(yè)經(jīng)濟利益的前提下達到降低碳排放的目的。

        “‘雙碳’之路,不妨成雙而行?!崩钛涌缡钦f(shuō)。

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