欧美钢铁工业的绿色发展专题｜向气候中和生产迈进的欧洲钢铁工业
时间:2024-01-10
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来源:中国国际贸易促进委员会冶金行业分会
欧美钢铁工业的绿色发展专题｜向气候中和生产迈进的欧洲钢铁工业
2024/1/10 14:26
信息来源：世界金属导报欧盟委员会理事会已于2011年决定了到2050年实现具有竞争力的低碳经济路线图。根据该图，到2050年，欧洲工业必须将其CO2排放量在1990年的基础上削减80%至95%。2018年11月28日，欧盟委员会在巴黎联合国气候协定之际发布了到2050年实现气候中和经济的长期战略愿景。2019年12月，欧盟委员会发布《欧洲绿色协议》，提出到2050年实现碳中和，并阐明了欧洲迈向气候中和循环经济体的行动路线和政策框架。欧盟理事会、欧洲议会和欧盟委员会已于2021年4月21日在“三部曲”的背景下宣布了一项初步协议。即在气候保护法的框架内，到2030年，温室气体排放量将比1990年至少减少55%。为了达成此目标，欧盟委员会提出了“Fit for 55”的一揽子气候计划，包括能源、工业、交通、建筑等系列举措。欧盟已于2021年7月提出了《欧洲气候法（European Climate Law）》。
欧洲钢铁工业也要到2050年实现温室气体中和目标，并将在2030年前大幅减少CO2排放。这样的全面脱碳对欧洲钢铁行业来说，将是一个巨大的挑战。为了实现这一目标，必须适时了解政策的边界条件，为无CO2炼铁和炼钢技术提供必要的投资。
欧洲粗钢产量
在过去十年间，欧盟28国的粗钢产量从未恢复到2008-2009年金融危机前的峰值水平，年产量稳定在1.6-1.7亿吨左右。然而，在2020年COVID新冠疫情流行期间，欧盟28国的粗钢产量回落到前十年的最低水平，年产量仅为1.39亿吨，2021年产量略有回升，达到1.6亿吨左右。
德国、意大利、法国、西班牙和波兰是 2020 年欧盟或欧盟28国中最大的钢铁生产国。
在欧盟范围内，经由氧气炼钢或高炉-碱性氧气转炉（BF-BOF）路线的粗钢生产在过去四十年间一直占据主导地位。2021年，该份额占总产量的57.3%。预计氧气转炉炼钢在短期内（即本十年）仍将是主要的生产路线。有12个欧盟国家的BF-BOF路线的钢产量份额超过了60%，它们是德国、法国、奥地利、荷兰、英国、捷克、比利时、斯洛伐克、瑞典 、芬兰、罗马尼亚和匈牙利。
另一方面，在意大利和西班牙等国，以废钢为基础的电炉炼钢工艺（通过电弧炉 EAF）是最主要的钢铁生产工艺；更具体地说，葡萄牙和卢森堡的EAF钢铁生产占比达到了100%。
欧洲炼钢生产路线的CO2排放
在BF-BOF路线，亦称综合炼钢路线中，1880kg/t粗钢的CO2排放量直接产生于焦化厂、烧结厂、高炉、转炉的生产过程和后续的浇铸和轧制工艺步骤，以及利用上游工艺副产气体运行的下游发电厂中。该路线中的CO2主要来自高炉。高炉的含铁金属炉料为烧结矿、球团矿和块矿。烧结厂在综合钢厂内运行，而球团矿主要在铁矿石供应商所在地生产。在欧洲，只有荷兰艾默伊登塔塔钢铁公司的综合钢厂运营了一个球团厂。
用C或CO还原高炉中的铁矿石，不可避免会产生CO2。在含CO和CO2的高炉煤气进行能量转换/利用后，并对含C铁水进行处理后，高炉工艺中使用的C将以CO2的形式排放到大气中。在综合高炉转炉路线中，高炉生产出1500℃的铁水，通过液态炉渣，从中分离出主要的铁矿石脉石矿物。产出的高炉渣主要被粒化用于水泥生产，取代波特兰水泥熟料，从而大幅减少CO2的排放量。由于物理原因，高炉没有焦炭是无法运行的。焦炭主要起到还原铁矿石和骨架作用。通过向高炉风口喷吹煤粉，减少焦炭消耗量。
BF-BOF路线的固体燃料/还原剂的能耗为15.8GJ/t粗钢，电耗为161kWh/t粗钢。焦化厂、高炉和转炉炼钢车间的副产煤气主要用于发电厂发电。气体中的CO经燃烧被氧化成CO2，并与发电厂的废气一起排放到大气中。发电量约为410kWh/t粗钢。这条路线不仅可以完全通过自产电力来满足其电力需求，还可以利用其加工气体输出电力。
在以废钢为原料的EAF路线中，只有一部分CO2排放是由工艺本身产生的。排放的CO2主要来自为工艺外购的电能而产生的CO2，因为EAF路线不产生可用于发电的副产煤气。耗电量为527kWh/t粗钢。CO2排放量为300g/kWh时，该工艺的CO2排放量为410kg/t粗钢。燃料能耗为0.6GJ/t粗钢。
铁矿石还原的直接还原工艺是作为高炉工艺的替代工艺而开发的，目的是避免使用焦炭，从而避开焦化厂。自20世纪70年代初以来，在工业直接还原技术领域，富氢天然气被用作还原剂来还原铁矿石。例如，采用竖炉工艺生产直接还原铁（DRI）。在这种工艺中，铁矿石中的大部分氧被去除，从而产出DRI，但DRI是固体，仍含有各种铁矿石脉石矿物。这意味着不会出现液相和熔渣冶金。在电弧炉中，通过冶炼和熔渣冶金，将DRI加工成粗钢。以天然气为还原剂，直接还原-电弧炉（DR-EAF）工艺路线的CO2排放量为990kg/t粗钢。吹入工业直接还原竖炉的还原气含有60%-80%的氢。在向电弧炉中装入80%的DRI和20%的废钢时，燃料/还原剂的能耗为9.2GJ/t粗钢，电耗为740kWh/t粗钢。
欧盟28国钢铁工业2015年的CO2排放量与1990年的对比
本研究分别计算了1990年和2015年欧盟28国钢铁工业的CO2具体排放量和总排放量，前者是为了获得基年的正确数字，后者是为了强调过去二十五年的CO2减排情况。
欧洲钢铁工业CO2排放量的计算体系边界已达成一致，即各工艺步骤的CO2排放量作为直接排放量计入平衡（范围I）。在提供电力的综合工艺路线中，副产煤气能源利用所产生的CO2排放量已在各工艺步骤中得到平衡。至于基于废钢和DRI的EAF路线，该路线不产生任何发电用高能副产煤气，外供电力产生的CO2排放作为间接排放计入平衡（范围II）。为便于比较，在某些情况下，局部考虑将外购材料（如铁矿石球团或DRI）的CO2排放计入平衡（范围III）。
价值链上产生的副产煤气用于发电和供热，产生的电力足以满足综合工厂的电力需求（假设自给自足）。因此，在CO2平衡中不考虑这方面的补偿。粒化高炉渣因用于水泥生产而导致CO2减排，为避免重复计算，所以本研究并未将粒化高炉渣作为CO2补偿而进行进一步研究。
1990年和2015年的评估显示，钢铁行业的CO2总排放量从2.98亿吨下降到2.16亿吨，降幅为28%（表1）。同期，欧盟的粗钢产量从1.97亿吨降至2015年的1.66亿吨，降幅为16%。每吨粗钢的CO2排放量从1.5吨降至1.3吨，降幅为14%。电炉炼钢在炼钢总量中的占比从28%增至2015年的39%。同时，电炉炼钢外购电力的CO2排放量从585gCO2/kWh 下降到了300gCO2/kWh。