文章亮点：
1．本研究表明，使用二氧化碳捕集与封存(CCS)或生物质可以减少但不能消除钢铁行业的二氧化碳当量排放。
2．本研究表明，减少生物质上游排放可以进一步改善这些结果。
01
背景
人为温室气体排放导致气候变化，从而对人类社会和自然生态系统产生负面影响。作为化石碳密集度最高的行业之一，钢铁行业占全球二氧化碳直接排放量的7%(26亿吨)，占全球工业二氧化碳直接排放量的28%。如果要将全球变暖限制在2°C或更低，所有碳密集型行业，包括钢铁行业，必须在2100年之前实现净零排放。全球钢铁产量预计将从2017年的16.89亿吨增加到2050年的2.1亿吨，有研究预计，2017年至2050年间，中国对初炼钢的需求将下降一半，印度将下降三倍，非洲将增长近十倍。这种不断变化的需求可以通过改造和脱碳现有地点和增加全球贸易来满足。或者，中国的现有工厂可能会关闭，而印度和非洲则会新建工厂。然后，这些新站点可以按照零排放标准建造。目前，原始炼钢路线(主要是高炉-碱性氧炉、bf -转炉)和回收炼钢路线(废钢-电炉)分别占全球钢铁产量的71%和29% 。BF-BOF的CO2排放量为1.8-2.4 CO2/t钢，其中70%的二氧化碳排放是铁生产过程中碳作为焦炭和煤通过高炉时产生的过程排放。
02
研究方法
本文所使用的系统边界如图1所示。对于技术经济分析，采用门到门的方法，而对于温室气体(GHG)分析，采用摇篮到门的方法。所有病例均为1吨热轧卷(HRC)。化石原料和生物质原料的上游排放包括所有温室气体排放。钢铁厂的过程排放被限制为只有二氧化碳，因为其他温室气体的排放被认为可以忽略上游消耗品的排放，包括MDEA/Pz，没有包括在分析中。由于对生物质种植的详细分析超出了本工作的范围，因此假设生物质本身(不包括上游排放)是碳中性的。借鉴以往研究，假设一个净效率为32.1%的自备发电厂利用钢厂的工艺气体和天然气产生供内部使用的蒸汽和电力。工艺气体被用来产生效率为90%的蒸汽。如果工艺用气不足，则进口天然气。任何多余的工艺气体都用于发电。在电力短缺的情况下，电网电力被输入，而在电力过剩的情况下，多余的电力被输出到电网。质量、铁、碳、能量平衡和统计分析都是基于电子表格模型。
图1：钢铁工业的系统边界。黑色虚线框表示钢铁工艺模型。蓝框为技术经济评价。橙色方框代表温室气体排放量。
各工序能耗如图2所示。在没有二氧化碳减排技术的情况下，Hisarna-BOF的能耗最低，COREX-BOF的能耗最高。这是因为COREX-BOF工况的煤炭消耗量(31.6 GJ/t HRC)远远高于其他生产工况(0.7-21.3 GJ/t HRC)。此外，Hisarna-BOF和DRI-EAF工艺的能耗相对较低主要是由于没有焦炭装置。在CCS案例中也显示出类似的趋势，其中过程气体从发电转换为CCS单元产生蒸汽。与没有CCS的情况相比，CCS情况下的总能源需求增加了11-27%。TGRBF比BF- bof更节能，因为回收的高炉煤气减少了对炼焦煤的需求。虽然COREX和BOF工艺气体用于蒸汽和发电，但生产过程和捕集仍然需要电力。在bio -H2- dr - eaf - ccs的情况下，生物质的低H2转化率(38%)急剧增加了这种能源消耗。
图2：本研究中不同钢铁厂的能源消耗
03
研究总结
目前调查钢铁工业中CCS和/或生物质的二氧化碳减排潜力和成本的研究，在方法、过程建模和输入数据方面缺乏一致性。
因此，他们的结果很难相互比较。Yang等人(2021)进行了初步协调。在目前的研究中，这种协调得到了改进。两项研究的比较结果表明，BECCS方案的CO2减缓潜力从的70-115%增加到(本研究)的96-128%，这主要是由于详细考虑了CO2捕集。此外，包括公用事业单位在内，资本成本增加了56-77%。
所有对分析的改进都导致了与(Yang et al .， 2021)中的原始结果部分不同的排名。由于煤炭消耗量高，具有最高二氧化碳减排潜力的情况与Bio-COREX-BOF-CCS保持相同。然而，二氧化碳避免成本最低的案例从Bio-COREX-BOF-CCS转变为Bio-Hisarna-BOF-CCS，因为参考案例的统一，原料成本的更新(如细矿石，铁矿石颗粒和生物质是主要驱动因素)，以及包括电力和蒸汽发电装置。这一比较清楚地表明，在比较不同的低碳生产路线时，统一的方法和高质量的数据的重要性。
总体而言，钢铁行业在48 - 157欧元/吨二氧化碳当量范围内实现碳中和或碳负排放的潜力巨大。然而，实现这一目标需要将CCS和生物质应用相结合。本研究制定的统一方法可作为筛选工具，以确定工业部门中令人感兴趣的缓解备选方案组合。然后可以使用详细的工程模型进一步探索确定的投资组合。
如需了解这篇文章的具体内容，可以通过期刊的以下网址连接查看：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S175058362100270X或直接点击“阅读原文”跳转到原文网站。
论文引用：
Yang,F.,Meerman,H.,Faaij,A.Harmonized comparison of virgin steel production using biomass with carbon capture and storage for negative emissions[J] International Journal of Greenhouse Gas Control,2021, doi:org/10.1016/j.ijggc.2021.103519
图文 王倩蓉
责编 毕春玉
制作 杨东青 许秦豫
审核 田文娟 黎梦平 马新媛
双碳研究室
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