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鋼鐵工業CCS技術發展概況及展望

更新時間:2021-08-17 09:49 來源:能源與熱工 作者: 閱讀:4346 網友評論0

內容概要:隨著工業化的不斷發展,以鋼鐵工業為代表的能源密集型產業向大氣中排放了大量的CO2等溫室氣體。近些年,氣候變化、物種衰減等問題愈發突顯。為了減少CO2等溫室氣體排放,CCS技術被認為是有前景的技術。其碳捕獲量大,可以在短時間內實現大量的CO2減排任務。但是由于成本較高,在鋼鐵行業的應用較少。隨著CCS技術成熟度的提高,這將是鋼鐵廠CO2減排不可缺少的一個環節。

1CCS技術發展背景

針對溫室氣體排放引起的氣候變化,世界各國領導人于2016年簽署《巴黎協定》,旨在將全球平均氣溫較前工業化時期上升幅度控制在2℃以內,并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內。我國在《“十三五”節能減排綜合工作方案》中明確提出了提高資源利用效率以及改善生態環境的目標,同時對于工業CO2減排工作提出了明確要求。能源密集型產業,如鋼鐵工業等在消耗巨額的化石燃料的同時,排放了大量的溫室氣體到大氣環境中。鋼鐵工業的溫室氣體排放量占全球溫室氣體排放量的6.7%。2020年我國粗鋼產量達到了10.65億噸,其帶來的CO2排放量約為23.2億噸。我國鋼鐵工業CO2排放量占我國總CO2排放的15%左右。我國致力于2030年前達到碳峰值,2060年前實現碳中和。在“十四五”期間,“碳達峰”、“碳中和”提出的大背景下,鋼鐵工業應加快節能降耗腳步,進而實現CO2減排目標。

目前,我國能源結構以碳基煤炭為主,2020年我國煤炭消耗仍占據能源消耗的50%以上,由煤炭消耗造成的排放占76.6%,石油占17.0%,天然氣占6.4%。調整能源結構,應用可再生能源,綠色能源是減少CO2等溫室氣體排放的根本途徑。但是短時期內,我國能源結構難以改變。高爐-轉爐長流程煉鋼在未來仍然將帶來巨大的CO2排放壓力。碳捕集與封存(Carboncaptureandstorage,CCS)技術應運而生。該技術是被認為有潛力實現“碳達峰”、“碳中和”目標,大幅降低CO2排放的關鍵技術。同時,我國對于CCS技術高度重視,出臺了《中國碳捕集、利用與封存技術發展路線圖》與《推動碳捕集、利用和封存試驗示范》等文件,為CCS技術的發展提供了重要的政策支持。

2 CCS技術介紹

CCS技術主要分為CO2捕集、運輸和封存三個環節,將工業和相關能源產業所產生的CO2分離出來,經過儲存加壓等手段,封存到海底或者地下等與大氣隔絕的地方。

2.1碳捕集

對于CO2捕集技術來說,主要應用方法有燃燒后捕集、燃燒前捕集、以及富氧燃燒捕集。燃燒前捕集是將煤炭在進行燃燒之前以煤氣化聯合循環為基礎,將煤炭氣化成為清潔氣體能源,在燃燒前將CO2分離出來。燃燒后捕集的捕集對象為工廠煙氣,對其中的CO2進行捕集,其需要的成本投入較少,同時由于其多樣化的捕集方法,燃燒后捕集技術被認為是最有前景的CO2捕集技術。同時燃燒后捕集技術存在CO2濃度壓力低,需要對于煙氣進行除塵等工藝操作等劣勢。富氧燃燒捕集試圖結合以上兩種捕集方式的優點,在燃燒過程中,通入高純度氧氣進行助燃,同時于爐內進行加壓,之后在進行燃燒后捕集來降低前期投入成本以及捕集成本。

從理論上可以視為燃燒中捕集,該捕集方式由于高純度氧氣制備的高成本而在經濟性方面表現不佳。三種CO2捕集方法中,燃燒后捕集是企業最重視的方法,其主要包括吸收分離法、吸附分離法、膜法和低溫蒸餾法等。吸收分離法按照吸收分離原理不同,可以分為化學吸收法與物理吸收法。

目前,工業中廣泛采用熱碳酸鉀法和醇胺法這兩種化學吸收法。熱碳酸鉀法主要包括本菲爾德法、坤堿法、卡蘇爾法等。以醇胺類作為吸收劑的方法有MEA法(乙醇胺)、DEA法(二乙醇胺)及MDEA法(N-甲基二乙醇胺)等。工業上最先使用的是TEA法(三乙醇胺),但由于該法CO2的吸收效率低和落劑的穩定性差,已逐漸被MEA和DEA所取代。胺基捕集CO2也被認為是目前成本最低的捕集方式。

2.2碳運輸

CO2經捕集后需要運輸到最終的封存點,CO2運輸方式主要有公路汽車運輸與管道運輸兩種。

公路運輸為將CO2加壓后由罐車運送至CO2封存點,管道運輸為鋪設專門管道將加壓后的CO2經由管道進行輸送。相比于靈活的公路運輸,管道運輸的輸送量更大。但是,管道運輸具有管道鋪設路徑固定,前期部署投入成本高等劣勢。公路運輸更適用于零散的CO2運輸,其輸送目的地并不固定,在路線規劃上基本遵循運輸到就近的CO2埋存點的原則。以我國鋼鐵工業為代表,其CO2的運輸更適合于公路運輸。管道運輸其成本較高,應用規模也較小,但是當CO2運輸規模增大,其運輸量增大之后,管道運輸的綜合成本呈顯著下降趨勢。在未來,CO2的運輸將隨著埋存點分布與運輸成本的改變而進行調整。

2.3碳封存

CO2封存主要分為物理封存、化學封存和生物封存等。當前討論比較多的是物理封存與利用。將CO2進行海洋或者深海儲存和地質儲存。同時相關研究對于高壓CO2的驅油與驅氣技術進行了分析,利用注入CO2的方法可以提高油氣等資源的采集率,這可能會帶來經濟收益,注入CO2可以提高采油率10~15%。

3CCS技術發展研究現狀

3.1CCS技術研究概況

目前,CCS技術在不同方面開展了研究。CCS技術的碳捕集能力被鋼鐵工業所重視,在捕獲率90%的情況下,碳捕集項目每天可以捕集1.4億噸CO2。在CCS系統進行運行的過程中,由于CO2儲存工藝,在儲存CO2過程中將有50%或者更多的CO2被釋放出來。同時,由于能源和材料消耗將帶來額外的CO2排放,在應用CO2捕獲和儲存的設施中,大約80%的CO2排放來自于吸收CO2的液體吸收劑的再加熱所消耗的能量,所以其最終的CO2的捕獲儲存的量要少于預期。

因此,燃燒后捕集的CO2過程如果應用太陽能進行輔助捕集的話,其CO2捕獲率可以提升至70%。此外,對于CCS技術的生命周期評估、社會接受度、經濟性等方面的研究也受到了廣泛關注。

基于生命周期,對氨基碳捕獲和儲存系統的CO2凈減排性能進行評估發現,對于高濃度的CO2進行改造可以獲得更高的CO2減排性能。CCS的社會接受度對于CO2減排設施基礎建設進程的存在影響,更高的CCS社會接受度可以促進鋼鐵工業對CCS技術進行應用。CCS技術的成本工程與經濟性是CCS技術走上商業應用道路的關鍵一環,相關研究正在這個方面開展。

3.2CCS項目應用

CCS技術在世界范圍內引起了高度關注,目前有43個CCS技術在大型電廠運行,少部分應用于鋼鐵行業。其中大部分都在北美和美國,且CO2捕集后絕大多數用以提高石油開采率。我國的華能石洞電廠部署了燃燒后碳捕集設備,其為我國最大的燃燒后碳捕集設備之一,年CO2捕獲量達到了10萬噸,該系統使用的是混合胺吸收劑。由華能控股的,由西安熱工研究院設計完成的華能北京熱電廠CO2捕集示范工程,是中國首個燃煤電廠煙氣CO2捕集示范工程,預計其年回收CO2能力可達到3000t。

在過去,CCS技術在鋼鐵工業的研究往往集中在兩方面。一是改造以高爐為主要CO2排放點源的傳統的綜合鋼鐵廠,二是利用CO2捕集技術來開發新型的高爐。歐洲ULCOS(Ultra-LowCO2 Steelmaking)項目提出了一項新型的頂部氣體循環高爐設計方案。但是,CCS技術主要應用于高爐工序,尚未應用于煉鋼工序。而對于直接還原工藝的鋼鐵廠來說,應用CCS技術的路線更為簡易。因為其已經將二氧化碳分離技術應用到生產過程中,而且排出的CO2經過了壓縮,濃度較高,故不需要額外增加碳捕集設備,CCS技術的實施可在此基礎上進行改造。

4CCS技術潛力

4.1CCS技術未來減排能力

國際能源署預計,CCS技術將在2010年至2050年間為減少13%的溫室氣體排放做出貢獻。Chisalita對最重要的環境影響類別進行分析后得出結論,將碳捕獲和儲存納入鋼鐵生產路線,可將全球變暖潛能降低47.98-75.74%。相關研究指出,到2050年,碳捕獲和封存可以減少10-15%的CO2,每年減少600兆噸CO2。假設一個鋼鐵廠可以部署CCS系統,通過生命周期評估(LCA),在整個生命周期內該CCS系統可以減少1.25億噸CO2排放。一般來說,采用CO2捕獲和儲存技術會帶來額外的燃料消耗和相關的其他排放,導致鋼鐵工業。在未來將要實現的92千兆噸CO2的減排,其中的64%將被封存到沉積盆地的含水層進行儲存,36%將用于CO2驅油系統,來提高石油采收率。

4.2CCS技術成本及政策支持

為了實現“碳達峰”、“碳中和”目標,全國性的碳交易市場將于近期啟動。碳交易價格是影響鋼鐵工業CCS技術發展趨勢的關鍵要素。2020年中國市場平均碳價為43元/tCO2。2019年中國碳價調查報告預測,碳價在2030年將達到116元/tCO2在2050年碳價將達到186元/tCO2。一些機構估計,2020年碳捕獲成本為75美元/tCO2,到2030年將減少20美元/tCO2。通過管道或道路運輸等不同運輸方式,碳運輸支出在每公里0.04美元/tCO2至每公里0.2美元/tCO2間進行浮動。中國的工業CCS技術的應用可取得較好的減排效果,有望令中國鋼鐵工業釋放出減排潛力。碳捕集的一項主要優勢是可以避免工業資產陷入進退兩難的境地,中國有些鋼鐵企業建成時間較短,只需要對于現有的企業與工藝流程做出微小的改建即可。

CCS的支持政策體系應進行細化,需要在相關的支持政策中明確和細化如何為CCS發展提供穩定的政策支持,特別是找準政策發力點,為相關企業提供持續的有力的政策支持;推動CCS技術的市場化,打通企業的融資渠道,同時充分發揮碳交易市場這一優惠政策對于CCS技術的激勵作用;鋼鐵行業CCS項目沒有統一的規范與標準,針對CO2運輸與儲存等相關標準和規范套用已有的有關規范標準,其管理標準對于CO2管理來講較為嚴苛,增加了商業化成本。CCS技術是一項長期技術,為了確保鋼鐵工業積極應用CCS技術,應確保其投資回報率,這需要穩定的政策支持。

5總結

本文對于CCS技術的發展概況以及減排潛力進行了介紹。CCS技術作為實現“碳達峰”、“碳中和”目標具有很大潛力的技術,在未來對于CO2的減排工作將起到重要作用。CCS技術CO2減排潛力大,但對于鋼鐵行業來說,該系統的應用可以減排一半以上的CO2。同時,技術成熟度與高昂的成本為現階段CCS系統的應用與部署提出了挑戰。為了加快實現CCS技術的廣泛應用可以從以下兩點突破:

(1)提高CCS技術成熟度而減低成本。該方法可以從根本上解決CCS技術應用受限的問題,其成本的降低,將緩解鋼鐵企業的經濟效益壓力。

(2)國家宏觀調控。目前,在CCS應用的進程中,政府的政策支持是強有力的推動力。在碳減排成本處于較高水平時,一定程度上的經濟補貼與政府支持將提高企業的CCS技術接受程度。新興的碳交易政策,同樣對于企業的CCS應用起到了支撐作用,這一決策甚至會為走在CCS技術前沿的企業帶來收益。

隨著CCS技術在世界范圍內關注度不斷的提升,各國對CCS技術信心的不斷增加。伴隨著更多的商業化應用,更多新型具有前景的CCS技術將應用于鋼鐵工業中。

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