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鋼鐵產品碳中和工藝技術創新與突破

發布日期:2023-04-25 來源:本站 作者:本站

鋼鐵行業是最難實現碳中和的行業之一。目前,業界與學界普遍認為,傳統長流程鋼很難實現碳中和,短流程鋼有實現碳中和的可能性。鋼鐵行業碳中和須采取特別技術或外部產業鏈措施,如CCUS(碳捕獲)、非化石能源脫碳技術等。主流零碳技術路線是氫能和氫還原鐵,產業鏈上存在氫供應短板和生命周期碳循環缺環問題,實現產品碳中和也很難。

中國與歐盟長流程鋼碳排放強度差距并不大,平均分別為2-2.2tCO?e和1.9tCO?(Renetal.,2021),短流程鋼碳排放強度中國為0.6tCO?e(Renetal.,2021),歐盟為0.2-0.4tCO?e(Material Economics,2019)。短流程鋼實質性脫碳流程再造、系統邊界擴展、輸入輸出變革的顛覆性原創工藝技術,是鋼鐵產品實現碳中和的重要選擇。本文提出一種全廢鋼綠電短流程鋼碳中和方案供業界參考。

一、鋼鐵產品碳中和工藝流程的實質性再造

鋼本就是鐵元素與碳元素的化合物,氫還原是長流程鋼減排技術,并非鋼鐵產品碳中和技術路線。如沒有負碳排放清除抵扣鋼鐵生產不可避免剩余碳排放,是無法實現鋼鐵產品碳中和的。

為應對歐盟CBAM(碳邊境調節機制)對我國涉鋼產品設立的貿易壁壘,碳中和工藝技術突破很重要,本文提出的全廢鋼綠電短流程鋼碳中和工藝技術方案,其實質性流程再造,突破如下:

二、氫還原鐵技術生命周期碳循環的長期碳循環技術缺環

1.鋼鐵產品碳中和的定義與標準

文所說的碳中和鋼鐵產品,指鋼鐵產品生命周期溫室氣體清單碳足跡核算結果為凈零排放,并經過國際公認權威產品碳足跡標簽聲明認證的鋼鐵產品。

鋼鐵產品碳中和工藝,指鋼鐵產品從搖籃到大門生命周期溫室氣體清單碳足跡量化核算結果與歸因過程,實現凈零排放的生產方法。

碳中和鋼鐵產品及其生產工藝,適用以下國際、國內標準及生命周期溫室氣體清單碳足跡核算標準、指南及方法學:

聯合國氣候變化組織(IPCC)2006 溫室氣體清單指南:《IPCC2006國家溫室氣體清單指南》《2019年對2006年IPCC國家溫室氣體清單指南的細化》等。

國際標準化組織(ISO)生命周期方法、標準:《ISO14064-1組織層面溫室氣體排放量和清除量量化和報告指南規范》《ISO14064-2項目層面上量化、監測和報告溫室氣體減排或清除增強的指南規范》《ISO14067溫室氣體-產品碳足跡-量化要求和指南》《IWA 42:凈零指南》《ISO20915-2018鋼鐵產品生命周期清單計算方法》等。

英國標準協會(BSI)標準:《PAS2050商品和服務在生命周期內的溫室氣體排放評價規范》;世界資源研究所(WRI)溫室氣體核算體系:GHGProtocol《產品生命周期核算與報告標準》《溫室氣體核算體系:企業核算與報告標準》《溫室氣體核算體系:企業價值鏈(范圍三)核算與報告標準》《溫室氣體核算體系:土地利用、土地利用變化和林業溫室氣體項目核算指南》《溫室氣體核算體系:項目核算與報告標準》等。

中國鋼鐵工業協會EDP標準:產品類別規則(PCR)《普通鋼鐵產品及特殊鋼產品》;國際生物炭協會標準:IBI International Biochar Initiative:Standardized Product Definition and Product Testing Guidelines for Biochar That Is Used in Soil;歐洲生物炭碳證書標準:BEC European Biochar Certificate - Guidelines for a Sustainable Production of Biochar(European Biochar Foundation)等。

其中,ISO標準《IWA 42:凈零指南》所定義的相關術語如下:

碳中和或凈零碳排放:凈零溫室氣體排放是指在指定時間段和指定邊界內,人為剩余溫室氣體排放被人為主導的溫室氣體清除所平衡。人為主導溫室氣體清除包括生態系統修復、空氣直接碳捕獲和儲存、再造林與綠化、增強風化、生物炭和其他有效方法。 

碳中和鋼鐵產品,指鋼鐵產品生命周期溫室氣體清單碳足跡核算結果為凈零排放,并經過國際公認權威產品碳足跡標簽聲明認證的全廢鋼綠電生物質燃氣-生物炭短流程鋼鐵產品。

鋼鐵產品碳中和工藝,指鋼鐵產品從搖籃到大門生命周期溫室氣體清單碳足跡量化核算結果,即工藝歸因過程實現凈零排放的全廢鋼綠電生物質燃氣-生物炭短流程鋼鐵產品的生產方法。

鋼鐵產品工藝凈零溫室氣體排放,是指在指定時間段和指定邊界內,鋼鐵生產不可避免剩余溫室氣體排放,被生物質熱解氣化-生物炭負碳排放BECNU生態系統工程技術生物炭和其他有效方法人為所生態修復,人為實現鋼鐵產品生產溫室氣體的排放與清除相平衡。

溫室氣體排放:指溫室氣體釋放進入大氣層,包括以下來源釋放的氣體:自然來源(如植物分解),化石燃料燃燒,其他過程無意釋放(加工設備或條件缺陷造成)。不直接進入大氣溫室氣體排放:指進入水體或土壤的溫室氣體排放,根據水或土壤中可能發生的化學和生物過程科學證據,相關排放量是由于這種排放而導致大氣中溫室氣體氣體濃度增加的量。

范圍1排放:由組織擁有或直接控制的溫室氣體排放來源。使用股權份額或控制(地域、財務和運營)概念建立范圍1排放責任,范圍1排放不包括由組織擁有或控制的、不受管理的、或保持自然狀態且未被改變的自然生態系統產生的排放,治理組織范圍1排放,是指位于該地區范圍內的溫室氣體排放源排放量。

范圍2排放:購買能源的間接溫室氣體排放,指組織購買電力熱力冷力或蒸汽所消耗的能源所產生的溫室氣體排放,區域層面上運作的組織范圍2排放是指范圍1排放以外的溫室氣體排放,由于在領土邊界內使用電網供應的電力熱力蒸汽和冷力而發生的排放。

范圍3排放:來源于不歸本組織所有或直接控制組織的活動后果的溫室氣體間接排放,包括所有可歸因于價值鏈的不包括范圍1排放或范圍2排放在內的溫室氣體排放。地域層面運作的組織的范圍3排放,是指由于在邊界內發生的活動引起的,完全或部分發生在領土邊界之外的溫室氣體排放,包括跨境運輸。

溫室氣體源(來源):釋放溫室氣體進入大氣的人類活動或過程。溫室氣體匯:指從大氣中去除溫室氣體的過程。

溫室氣體清單:在指定時間段和指定邊界內,溫室氣體源與溫室氣體匯的匯總列表以及它們的排放量與移除量的量化。

剩余溫室氣體排放:指采取所有技術和科學上可行的可能行動,實施減排后剩余的不可避免溫室氣體排放。

溫室氣體移除、清除與去除:指從大氣中移除、清除與去除人為的溫室氣體排放,是人類有意活動的結果。清除類型包括植樹造林、用生物質(建筑中使用的植物材料)建筑、直接空氣碳捕集和儲存、生態環境修復、土壤碳捕獲、增強風化(將土壤與碎石混合)、生物質電廠生物能源發電與碳捕集和儲存?!扒宄币辉~包括儲存,即CO?的長期儲存,IPCC稱之為“CO?清除”。

抵消:溫室氣體抵消,是由組織之外的行動,用來平衡組織所剩余溫室氣體排放界限的溫室氣體減排量或移除量。抵銷通常使用碳信用額度或碳信用證書進行抵消,由尋求平衡剩余溫室氣體排放量的組織或代表該組織在登記冊額度中注銷。以實現凈零排放或碳中和為目的抵消,只有作為清除量的抵消,才能用來抵消剩余排放量;作為減排量的抵消碳信用,不能用來抵消剩余溫室氣體排放量。 

2.鋼鐵產品碳中和工藝技術

本文所說的基于負碳排放BECNU生態系統工程碳循環的鋼鐵產品碳中和的工藝技術(方法),依國際規范標準與共識,將碳循環分為百年時間尺度的長期碳循環和百年以下時間尺度的短期碳循環,其碳中和工藝技術包括以下步驟:

(1)利用BECNU生態系統工程對生物質進行熱解氣化得到生物質燃氣和生物炭。

(2)以步驟(1)得到的生物質燃氣完全替代短流程鋼生產中的化石能源,以步驟(1)得到的部分生物炭替代短流程鋼生產中的全部或部分化石輔助材料。

(3)以步驟(1)得到的生物炭扣除步驟(2)生物炭后剩余的生物炭進行生物炭生態系統工程長期碳循環,生物炭所帶來的國際公認溫室氣體清除量,抵扣清除掉短流程鋼鐵生產不可避免剩余溫室氣體排放,實現短流程鋼鐵產品從搖籃到大門生命周期碳中和。

這里所說的短流程鋼的煉鋼工藝,其具體操作方法沒有特殊限定,采用本領域技術人員熟知的電爐煉鋼工藝的操作方法即可。

短流程鋼從搖籃到大門生命周期碳中和的溫室氣體清單碳足跡計量核算報告與碳中和標簽聲明認證,采用GHGProtocol《產品標準》,其產品溫室氣體清單碳足跡模型CFP如下:

利用BECNU生態系統工程碳循環得到生物質燃氣和生物炭產品,生產過程中不可避免碳排放量屬CFP模型“(生物源)二氧化碳當量排放”。生物炭產品對溫室氣體的凈清除量碳匯,屬CFP模型中的“(生物源)二氧化碳當量清除”。

生物炭施肥并修復土壤污染所致植物產量增加,植物作物量增產碳循環吸收CO?所增加的清除量碳匯,屬CFP模型中的“(生物源)二氧化碳當量清除(土地管理)”或“土地利用變化影響的二氧化碳當量”。當土地利用變化導致土壤碳庫增加時,表現為大氣碳移除量,其影響性質為負數,即溫室氣體清除;當土地利用變化導致土壤碳庫減少時,表現為土壤碳排放,其影響性質為正數,即碳排放。

鋼鐵生產中生物質燃氣-生物炭以外的非生物源不可避免碳排放與溫室氣體清除,屬CFP模型中的“(非生物源)二氧化碳當量排放”或“(非生物源)二氧化碳當量清除”。

對于全廢鋼綠電短流程鋼鐵產品中不可避免碳排放中的非生物源碳排放,以生物源的BECNU生態系統工程長期碳循環產品生物炭,替代非生物源化石能源及碳粉等化石輔助材料,減排其非生物源碳排放;以生物炭負碳排放BECNU生態系統工程碳循環CO?當量清除碳匯及生物炭施肥土地利用(管理)所增加的BECNU生態系統工程長期碳循環CO?當量清除碳匯,抵扣清除移除全廢鋼生物質燃氣-生物炭短流程鋼鐵生產不可避免碳排放,實現鋼鐵產品邊界內產品系統碳足跡內生清零,即實現鋼鐵產品碳中和。

由于生物源CO?當量排放為0,鋼鐵產品碳中和工藝技術中不牽涉非生物源CO?當量清除和土地利用變化影響的CO?當量,而噸鋼不可避免剩余CO?當量排放與提供碳匯的生物炭CO?當量清除相同,根據鋼鐵生產不可避免剩余溫室氣體碳排放量確定的生物炭的清除量,抵扣清除了鋼鐵生產不可避免剩余溫室氣體碳排放,實現了全廢鋼綠電短流程鋼從搖籃到大門生命周期碳中和。

部分生物炭替代全部或部分化石輔助材料,如非生物源輔助材料增碳調碳劑、造渣劑及碳粉等,實現減排;剩余的生物炭進行生物炭長期碳循環,其國際公認溫室氣體清除量抵扣清除掉短流程鋼鐵生產中不可避免剩余溫室氣體排放,實現從搖籃到大門生命周期碳中和。

生物炭替代短流程鋼生產中的部分非生物源化石輔助材料,能夠減少范圍1的直接碳排放,實現工業過程的近零碳排放;CFP模型核算溫室氣體清單碳足跡,使生物炭的清除量直接抵扣清除鋼鐵生產不可避免剩余溫室氣體直接碳排放,實現工業過程的近零碳排放。

以上工業過程碳排放與生物炭溫室氣體生物源凈清除,以物料的質量平衡法恒算鋼鐵產品非生物源CO?當量排放與非生物源CO?2當量清除。煉鋼本質上是將鐵與廢鋼在高溫中(約1600℃左右)熔化、凈化(精煉)和合金化的過程,煉鋼主要過程是通過高溫熱化學反應,碳基或氫基還原鐵、脫磷、脫氮、脫碳和脫除其他雜質,并調節鋼鐵產品最終碳含量,得到目標產品。將廢鋼在爐中冶煉,得到不同性能的鋼,當目標鋼鐵產品及其副產品長期穩固的碳含量總和高于原輔材料及燃料的碳含量總和時,表現為鋼鐵產品工業過程非生物源直接溫室氣體清除,反之,則表現為鋼鐵產品工業過程非生物源溫室氣體的直接排放。 

以綠電為煉鋼提供電源,以生物燃氣作為燃料替代全部化石能源,進行電爐補燃、廢氣二次燃燒、廢鋼預熱、烤包、煉鋼和軋鋼等短流程鋼生產過程常規操作,通過生物燃氣替代化石能源,實現鋼鐵生產與化石能源完全脫鉤,短流程鋼范圍2外購能源的近零碳排放。

以生物基醇類燃料、油脂類燃料和綠電提供能源的運輸工具,替代使用化石能源的運輸工具進行運輸,使鋼鐵產品價值鏈范圍3物流及生產服務中的其他間接碳排放實現最大限度減排。

鋼鐵產品碳中和技術的精深之處:對以上范圍1工業過程、范圍2外購能源和范圍3價值鏈其他間接碳排放等,經采取盡可能的減排措施后仍不可避免的剩余碳排放,通過建立生物質熱解氣化-生物炭負碳排放BECNU生態系統工程碳循環抵扣清除模型,采用負碳排放BECNU生態系統工程長期碳循環生物炭CO?當量清除碳匯,全部抵扣與清除掉,實現短流程鋼鐵產品從搖籃到大門生命周期碳中和。

鋼鐵產品碳中和工藝的特別之處:根據不可避免剩余溫室氣體排放量,確定BECNU生態系統工程的溫室氣體清除量及其生物質燃氣產率與生物炭產率,以及生物能源替代化石能源減排量與生物炭負碳排放清除量的調節機制,確保短流程鋼鐵生產邊界內生物炭負碳排放抵扣清除量,不低于鋼鐵生產生命周期不可避免剩余碳排放量。

BECNU生態系統工程溫室氣體清除量及其生物質燃氣產率與生物炭產率,以及生物能源替代化石能源減排量與生物炭負碳排放清除量的調節機制:通過計算評估邊界內用盡可能的各種節能減排措施所實現的減排量、不可避免剩余排放量,確定需要以生物炭抵扣的清除量及生物炭負碳排和BECNU生態系統工程碳循環生物氣產率與生物炭產率,進而調整BECNU生物氣產率及其減排量與生物炭產率及其負碳排放清除量,使短流程鋼鐵生產邊界內生物炭負碳排放抵扣量,永遠不會不低于鋼鐵生產生命周期不可避免剩余排放量,實現鋼鐵產品碳中和凈零碳排放。

BECNU生態系統工程碳循環包括生物質燃氣在不足百年時間尺度內的短期碳循環和生物炭在百年以上時間尺度的長期碳循環兩種性質碳循環。其中,生物質燃氣替代短流程鋼生產中的全部化石能源,其燃燒所產生的二氧化碳短期內重新回到大氣中,回到大氣的時間短,聯合國IPCC規范和國際公認標準對這部分短期碳循環只計量核算替代化石能源減排量,以減少不可避免剩余碳排放量,但不計入負碳排放清除量,不能用來抵扣清除所述鋼鐵生產不可避免剩余碳排放量;其余生物炭全部用于還田還林培肥固碳或土壤污染修復,在百年時間尺度內,將生物質光合作用所吸收的大氣碳物質,大部分固定在土壤中,IPCC規范和國際公認標準對這部分施入土壤的生物炭長期碳循環,計量核算其溫室氣體移除與清除量,可用來抵扣不可避免剩余碳排放。

3.產業技術創新突破:生物燃氣-生物炭生態系統工程碳循環

碳中和實體產業企業——深圳碳中和生物燃氣股份有限公司韜光養晦,二十年磨一劍,碳中和鋼利劍出鞘,實現了鋼鐵產品碳中和工藝技術零的突破。

碳中和理念最早源于英國公益社會組織未來公社,1997年基于科斯產權理論提出的森林碳匯碳抵消(carbon offset)碳交易粗糙概念。未來公社2010年10月改為碳資產管理公司后進行商業化運作,主要從事碳交易、碳抵消等虛擬碳中和業務。

由于森林碳匯所能抵消的人為碳排放不到10%(中國目前規定碳交易碳抵消的額度,不得超過人為碳排放量的5%),無法實現碳中和,2000年以后,從IPCC第三次氣化評估報告開始,提出基于技術的碳移除與清除等負碳排放問題,以中和人為不可避免剩余碳排放,如碳捕集利用和封存CCUS、生物質電廠碳捕集與儲存BECCS、空氣直接碳捕獲與儲存、再造林與綠化、增強風化等。

2007年,美國科學家Lehmann教授和中國科學家陳溫福院士同時發現生物炭培肥固碳功能,風靡全球的carbon neutral新理念與中國傳統文化“致中和”系統整體性思維相結合,孕育出應對氣候變化的第三代技術——碳中和生態系統工程碳循環解決方案,并漸成主流。

生物燃氣-生物炭碳中和鋼鐵產品工藝技術方案,是應對氣候變化第三代技術在鋼鐵行業產業化突破性創新運用之一,按該方案對2家短流程鋼企的全廢鋼綠電沙盤推演數據模擬,均實現了產品碳中和。

例如某短流程非連續加料量子電爐,實施碳中和改造前噸鋼碳排放552kgCO?e,改造后噸鋼不可避免剩余碳排放69kgCO?e(生物燃氣燃燒后CO?排入大氣等短期碳循環減排措施,減少484kgCO?e),使用生物炭長期碳循環負碳排放清除量對溫室氣體排放進行抵扣清除。

其碳中和工藝設計:1噸生物炭的負碳排放清除抵扣碳匯1.9噸,每噸鋼需35.8kg生物炭,再加上減排工藝的37.4kg生物炭代替碳粉,總需生物炭73.2kg,替代化石能源減排工藝需生物質燃氣165.6Nm3。1噸含碳48%的生物質通過氣化-炭化反應后,產出熱值1300kal/Nm3生物質燃氣975Nm3與含碳70%的生物炭430.8kg,該鋼鐵產品碳中和工藝中,每噸鋼需要169.9kg生物質實現碳中和,生物炭產率為43.08%。

又如某短流程連續加料電爐,改造前噸鋼碳排放為911kgCO?e,改造后噸鋼不可避免剩余碳排放為87kgCO?e(短期碳循環減排824kgCO?e),使用生物炭長期碳循環負碳排放清除量對溫室氣體進行抵扣清除。

其碳中和工藝設計:1噸生物炭獲1.9噸負碳排放清除抵扣碳匯,每噸鋼需45.8kg生物炭,再加上減排工藝的23.4kg生物炭代替碳粉,總需生物炭69.2kg,替代化石能源減排工藝需生物質燃氣474Nm3。

1噸含碳48%的生物質通過氣化-炭化反應后,產出熱值1300kal/Nm3生物質燃氣1683Nm3與含碳70%的生物炭245.7kg,該鋼鐵產品碳中和工藝,每噸鋼需要281.6kg生物質實現碳中和,生物炭產率為24.57%。

三、鋼鐵產品碳中和工藝創新的主要技術進步

1.邊界系統擴展:將生物質熱解氣化-生物炭生產納入系統邊界內,全廢鋼綠電鋼工藝系統邊界由“從大門到大門,包括廢鋼循環”擴展到“從搖籃到大門,包含廢鋼循環與生物質燃氣生物炭(還田還林)碳循環”系統邊界,鋼鐵工業與農林業生態產業實現一體化。

2.脫碳流程再造:對傳統鋼鐵生產流程改造后,鋼鐵生產與化石能源完全脫鉤,化石輔料碳粉等被生物炭替代,鋼鐵生產的搖籃從廢鋼、農林廢棄物及綠電開始,其所新增生物質燃氣-生物炭前置嵌套產品“門到門1”工藝流程包括生物質燃氣新能源生產、生物炭生產,終點到生物炭肥與污染修復劑生產,并在邊界內與傳統電爐鋼生產“門到門2”內生銜接。其中,生物質燃料及生物質燃氣新能源完全替代化石能源,進行廢鋼預熱、電爐補燃及廢氣再燃、烤包與軋鋼加熱及石灰生產等,生物炭肥與污染修復劑作為最終產品,“從搖籃到大門”輸出到系統邊界外的農林業土壤,傳統高碳高能耗鋼廠經脫碳流程再造,蛻變為鋼鐵工業與農林產業生態系統一體化的生態文明鋼廠。

3.鋼鐵產品碳中和顛覆性原創技術路線:生物質燃氣-生物炭在鋼鐵產品碳足跡生命周期評估LCA模型中,屬典型生物源碳足跡排放與清除機制,顛覆了第二代應對氣候變化技術方案的非生物源技術路線,實現了建立在熱力學四大定律和耗散結構系統科學原理基礎上,基于技術(非生物源)與基于自然(生物源)的兩種碳中和機制一體化的生態系統工程碳循環大氣治理機制。

4.輸入輸出變革:全廢鋼綠電生物質燃氣生物炭電爐鋼產品CFP工藝流程系統輸入,由傳統電爐鋼的鐵、廢鋼、高碳電、化石能源、碳粉及其他化石輔助碳材料(非生物源)輸入,轉變為全廢鋼、綠電、農林業廢棄物生物質(生物源)及少數無法替代化石碳輔助材料(非生物源)輸入,系統輸出產品包括碳中和鋼鐵產品、生物炭負碳排放產品(生物炭肥與污染修復劑等)及廢棄物等。

5.生態文明革命:生物燃氣-生物炭短流程鋼減污降碳擴綠增效生態系統工程,探索出一條非西方傳統工業化、不依賴化石能源的生物源解決方案——鋼鐵產品碳中和中國式現代化鋼鐵工業生態文明之路

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