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日本制铁低碳发展路径研究
发表日期:2021/6/8 14:27:59 世界金属导报
    

1 前言

1973年石油危机以来,日本一直致力于节能减排研究。1992年,《联合国气候变化框架公约》获得通过,并于1994年3月21日起生效。1997年,日本经济团体联合会的加盟团体制定了环境自主行动计划(全球变暖对策),确定针对全球变暖正式开始CO2减排工作。1997年12月《京都议定书》在日本京都通过,并于2005年2月16日正式生效。为了实现日本在《京都议定书》第一承诺期(2008-2012年)约定的、相对基准年(1990年)温室气体削减6%的目标,日本制定了《京都议定书目标达成计划》。2008年7月,日本制定《低碳社会行动计划》,该计划分阶段、定目标、强举措地全面推进节能减排。2015年12月《巴黎协定》获得通过,并于2016年11月4日正式生效,日本提出到2030财年温室气体排放相比2013财年减排26%的目标,到2050财年减排80%的长远目标。遵照《巴黎协定》,2018年日本铁钢连盟提出2100年挑战“零碳钢”的目标。2020年12月25日,日本政府发布了《绿色增长战略》,提出到2050年实现“碳中和”目标,构建“零碳社会”。日本政府将应对全球变暖、实现绿色低碳转型视为后疫情时代拉动日本经济持续复苏的新的增长点。

2 日本制铁低碳发展路径

作为日本最大的钢铁企业,日本制铁公司深刻认识到气候变化问题的威胁。为实现可持续发展,日本制铁从产品生产到运输,以及在产品最终使用阶段,通过降低能源消耗、减少CO2排放以及提高整个供应链的能源使用效率,努力遏制气候变化带来的影响。

为此,日本制铁参与了日本铁钢连盟提出的《低碳社会行动计划》以及由新能源产业技术综合开发机构(NEDO)资助的“实现零碳钢的技术开发”项目。《低碳社会行动计划》分两个阶段实施,第一阶段为2013-2020财年,第二阶段为2020-2030财年。生态工艺、生态产品、生态解决方案这三大生态环保理念和革新性技术开发是该计划实施的四大支柱。

目前,日本制铁主要通过开发生态工艺、生态产品、生态解决方案,以及开发创新技术来减少CO2排放。基于前期的持续努力,2019财年日本制铁耗能1089PJ,与1990财年相比下降约13%,其中一部分是由于新冠肺炎疫情导致的产量下降;2019财年吨钢CO2排放强度增至2.06吨,但CO2排放量则比1990财年下降约12%至9400万吨。

2.1生态工艺

日本制铁使用海外进口的铁矿石、煤炭以及社会产生的废钢生产钢铁,其一直致力于降低生产和制造过程对环境造成的影响。

首先,日本制铁有效利用生产过程中产生的能源,如回收副产煤气和余热进行发电,其钢厂产生的所有副产煤气都用作内部能源,回收率达100%;如将炼焦过程中煤在无氧环境下热裂解产生的焦炉煤气和高炉炼铁产生的高炉煤气,作为钢厂加热炉的燃料或作为发电厂的能源而得到充分利用;钢厂内用作各种热源的蒸汽有83%是由废热产生的,从而大幅减少燃料消耗;钢厂内部产生的能源,如废热和副产煤气,81%用于内部发电,其自发电力占比达到89%,其中自发电力的37%通过电力公司向本地社区供应。

其次,借助在高温高压下运行的炼铁高炉和焦炉,对社会或其他行业产生的各种副产品进行回收利用。近年来,日本制铁一直在积极回收废塑料和其他废物。这些以往被填埋或焚烧的废物,在焦炉和高炉中作为原材料或能源再利用,也是减少CO2排放的另一种途径。另外,在水泥生产中使用高炉渣可以减少石灰石和燃料的使用,每吨水泥可减少CO2排放320千克(与普通水泥生产相比降低40%以上)。

再次,为减少能耗及CO2排放,日本制铁采取如下措施,如改进每道工序的操作、改造老旧焦炉和其他设备、引进高效发电设施和制氧机,以及在加热炉中改用蓄热式烧嘴等。

最后,为减少CO2排放,日本制铁正在开发将氢作为还原剂部分替代煤炭的氢还原炼铁工艺。

2.2生态产品

日本制铁生产的钢铁产品广泛应用于能源、交通、建筑设备、家居用品等多个领域。产品不仅轻便而且使用寿命长,有助于用户提高效率,从而有助于节约资源和能源,便于用户使用时减少CO2排放。其开发的生态产品主要包括:

1)高强汽车板:高强度、易于成形的钢板兼具强度和成形性,有助于减轻车身重量,提高燃油经济性,并在车辆碰撞时确保驾驶员和乘客的安全。日本制铁的目标是开发强度更高的汽车板,并商业化生产,提高汽车板的强度和成形性,满足汽车安全性的同时减轻重量,从而提高燃油效率。

2)高压氢气环境用HRX19TM不锈钢:具有世界一流的抗氢脆性能,强度高出传统材料60%,可以进行焊接。作为一种先进的材料,除了满足加氢站的要求外,它还具有安全、紧凑、长寿的特点,将促进新一代能源的推广应用。

3)环境影响小的超高强度线材:利用专有工艺开发强度2000MPa级的桥梁缆索用线材,以满足桥梁建设中客户的要求。通过消除这种线材生产过程中对铅的需求,减少制造过程中的资源消耗。

4)船用高韧性钢板NSafeTM-Hull:该钢板的延性比高出传统钢板50%以上,是全球首个在船舶碰撞或搁浅时防止漏油的钢种。目前该产品已用于大型散货船和超大型原油运输船。

5)Mega NS Hyper BeamTM:Mega NS Hyper BeamTM的腹板厚度比传统的大截面H型钢厚20%。该产品与日本的9种传统H型钢产品共同获得EcoLeaf环境标签,EcoLeaf是一个国际认证计划,旨在披露与产品生命周期评估相关的定量环境信息。

6)高速铁路用轮对(轮和轴):日本制铁制造的车轮和车轴广泛应用于日本铁路系统。通过减小车轮厚度和开发空心车轴减轻重量,并结合高强度、高寿命的轨道和轻量化驾驶设备,为提高铁路运输能效作出贡献。

2.3生态解决方案

日本制铁认识到,将日本先进的节能技术转移到海外或是减少全球CO2排放的最有效方式之一,因此,其积极参与日本和海外的许多节能和环境倡议。包括日本制铁在内的日本钢铁工业在全球部门减排方法(Global Sectoral Approach)中处于领先地位,该方法是一项旨在保护环境和节约能源的世界性倡议。日本钢铁工业可以将其先进的节能技术转移到有潜力提高能效的新兴国家,为全球范围内的CO2减排作出贡献。通过转让日本钢铁企业的节能技术,2018年在全球范围内共减少CO2排放6553万吨,这相当于日本钢铁工业CO2排放总量的1/3左右。日本制铁下属单位日本制铁工程公司转让其干熄焦设备技术,2018财年减少CO2排放2074万吨。

作为日本铁钢连盟的核心成员,日本制铁参与跨国项目,并且正在推动与钢铁企业相关各方的联合会议,准备定制的技术清单,对钢厂的节能状况进行评估。这是与印度、东南亚等国家和地区开展双边节能环保合作的三大支柱。

1)与钢铁企业相关方的联席会议。在新兴国家和日本铁钢连盟的双边会议上,分享关于各国和日本的信息、想法和评论。根据技术清单的准备结果和对钢厂的评估开展活动,以促进日本节能技术在早期阶段向国外转让。日本铁钢连盟还提供了钢铁生产的详细技术信息和财务方面的信息。截至2019财年,联席会议已在印度举行九次,在东盟六国举行12次。

2)技术定制清单。技术定制清单是一份技术能效清单,被确定为适用于目标国家或地区,提供的信息包括技术大纲和供应商信息。这份清单是为促进日本的节能技术转让而编制的,并在对钢厂进行评估时作为参考。2018财年,技术定制清单更新为印度的第四版和东盟国家的第三版。

3)钢厂评估。在对国外钢厂进行具体节能评估时,日本钢铁专家会走访钢厂,根据清单提出技术建议,并根据设施情况提出运营改进意见。专家们还会根据规定钢厂CO2排放强度计算方法的国际标准ISO14404分析用能状况。截至2019财年,日本铁钢连盟已对印度12家钢厂和东盟六国14家钢厂进行评估。另外,日本制铁还参与世界钢铁协会的气候行动计划。同时,日本制铁已被选为世界钢铁协会的气候行动组织成员。近来,相当多的客户要求确认其钢铁供应商是气候行动组织的成员。

2.4创新技术开发

日本制铁的研发部门致力于CO2减排的研究,并将CO2的回收和固定作为自上而下的项目。目前日本制铁正在开发创新技术,目标是在2100年前生产出零碳钢,零碳钢是使用氢而不是碳还原铁矿石生产的。这项工作主要针对以下四个方面的技术进行开发:1)减少CO2排放;2)CO2分离和回收;3)CO2循环利用;4)CO2储存。

2.4.1减少CO2排放

为减少CO2排放,日本制铁开发了如下技术:

1)开发余热回收的干熄焦技术:在焦炉中制成的热焦炭用惰性气体淬火,热量被用来产生蒸汽而发电。与湿法淬火相比,节能40%。

2)开发新一代炼焦技术(Scope21):Scope21是以强化资源和能源应对能力为目标的国家开发项目。该项目包括缩短炼焦时间、提高焦炭质量等许多创新型技术开发内容。利用该项目开发的技术将会扩大低品位煤的利用并大幅减少CO2排放。

3)开发高炉数字模型:合理调整高炉内气体流量、固体流量、液体流量、炉料分布等基本因素,降低焦炭等还原剂比例,从而减少CO2排放。

4)开发显示炉料分布的三维离散单元法(DEM)模型:用DEM模型精确显示高炉炉顶料面的分布情况,以布置炉料分布,提高反应效率,减少CO2排放。

5)参与环境和谐型炼铁工艺技术开发项目COURSE50:该项目旨在通过开发在高炉炼铁还原过程中使用氢气的技术和采用化学吸收法以低成本分离和回收CO2的技术,实现CO2减排30%。其中,采用钢厂产生的氢气(焦炉煤气)在还原铁矿石的过程中部分取代碳,实现高炉CO2减排10%;采用捕集、分离和回收高炉煤气中CO2可使CO2减排20%。目前实现实验高炉CO2减排10%的目标,同时还对实际尺寸的高炉进行模拟,使该项目更接近于在商业使用的高炉。

6)参与零碳钢技术开发项目(100%氢还原炼铁技术):在钢铁工业中,大约70%的CO2排放是在高炉炼铁过程中产生的。由于日本高炉炼铁技术的热效率已提高到接近理论值,进一步减少CO2排放的难度极大。这就是为什么日本制铁要接受氢气还原炼铁工艺的挑战。由于铁矿石的氢气还原反应是吸热反应,现阶段需要建立从外部向反应炉供热的技术,以及在充分考虑氢气燃烧特性的基础上,向反应炉稳定提供大量氢气的技术。而且,氢气是无碳的,其大量低成本稳定供应是一个关键要求。因此,日本制铁与日本政府及其他公司一起申请参加由新能源产业技术综合开发机构资助的“实现零碳钢的技术开发”项目。这一项目旨在确定多种有前途的创新技术,专注于炼铁过程脱碳。

7)开发一种全新的制氢工艺:通过开发一种专有的高性能光催化剂材料,利用太阳能生产零排放的氢气。

8)提高物流效率以实现CO2减排。日本制铁在日本沿海运输中使用大型船舶(由700吨改为1500吨)等提高运输效率,并通过引入节能轮胎、轻型汽车等提高燃油经济性。特别引入“内岛”号混合动力货船,配备锂离子电池,真正实现CO2减排。

2.4.2 CO2分离和回收

为实现CO2分离和回收,日本制铁开发了节能型化学吸收工艺(ESCAPTM),该工艺适用于从高炉和热电厂等大规模排放源中分离和回收CO2。这项技术作为CO2循环利用的第一步,具有世界一流的性能。该项技术由日本制铁工程公司投入商业化应用。目前有两台装置分别在室兰市和新居滨市投入商业运营。

为促进CO2捕集与封存/利用(CCS/CCU)的社会实施和推广,分离和回收CO2的成本必须降低。目前日本制铁成功开发的高性能水性吸收剂可以将分离CO2的能耗降低到2.3吉焦/吨。在此基础上,未来该公司希望将能耗降低至理论最低值1.6吉焦/吨,这意味着相当高的成本。此外,考虑利用工厂废物中未使用的废热,以降低分离和回收的成本,从而开发能够在较低温度下分离CO2的吸收液。

2.4.3 CO2循环利用

最近将CO2作为一种有用的碳资源进行循环利用的CCU技术受到了关注。日本制铁正在开发一种从CO2生产碳酸二甲酯(DMC)的工艺。DMC广泛用作高性能塑料的原料和锂电池的电解液。传统的生产方法使用的是有毒气体光气,为此,特别开发氧化铈催化剂和脱水剂2-氰基吡啶,使反应能够低压、低温、高效地进行,从而有效利用CO2,同时也极大地提高了安全性。

此外,日本制铁正在利用一种从CO2中制取基础化合物和燃料的新催化技术,以实现无化石燃料工艺。

2.4.4 CO2储存

在创建海洋森林的计划中,日本制铁启动了一个基础研究项目,主要研究利用钢渣捕集和封存CO2的影响。目前蓝碳受到越来越多的关注,但对蓝碳生态系统固碳能力评价方法的研究还存在许多挑战,需要收集大量的数据,包括对生物量的认识、长期固定不溶解生物量的比例、复杂海岸生态系统中碳的动态变化等。这些挑战源于这样一个事实,即海洋生态系统的物种类型和地理特征差异很大。为此,日本制铁使用自备的大型水箱(海洋实验室),按物种类型和区域收集潜在固碳数据并建立评估方法,在全社会启动一个有关蓝碳的大规模实验项目。利用钢渣改善海洋环境,有助于保护生物多样性和海洋资源,有助于渔业的发展,而通过固定CO2,可以应对气候变化,预计将会长期有效。

此外,日本制铁利用钢渣制成的肥料可促进农产品生长,并帮助固定农田中的CO2。

3 挑战十大创新技术

日本制铁成立了“零碳钢委员会”,主要讨论:公司对无碳社会的设想及与CO2减排相关的技术研发。日本制铁提出以下十项创新技术开发项目:1)氢还原炼铁零排放;2)高炉炼铁还原过程中利用氢气减少CO2排放;3)低成本分离和回收CO2的化学吸收法;4)推广用于加氢站的HRX19TM,促进氢气基础设施的建设;5)开发和推广作为最终产品使用时帮助减少CO2排放的生态产品(NSafeTM-AutoConcept、电工钢板);6)提高废塑料循环利用效率;7)建立由CO2制取DMC的方法;8)人工光合作用零排放制氢技术;9)利用钢渣,通过蓝碳生态系统固定CO2;10)为适应气候变化提供“国家恢复力”解决方案。

4日本减缓气候变化长期愿景及未来技术开发

为应对全球气候变暖并达成《巴黎协定》的长期目标,日本铁钢连盟在努力实现《低碳社会行动计划》第二阶段目标外,还决定制定2030年及以后的“减缓气候变化长期愿景”,以实现“零碳钢”。

该愿景的制定首先基于未来全球钢铁行业的供需状况预测。未来,受新兴国家人口增长和经济增长带动,预计中长期内全球钢铁需求将增长,从2015年的12.9亿吨增加到2050年的21.3亿吨,2100年增加到30.1亿吨;预计全球粗钢产量从2015年的16.2亿吨增加到2050年的26.8亿吨,2100年增加到37.9亿吨。未来,全球钢铁生产中废钢的用量也会随全球钢铁积蓄量增加成比例增加,预计从2015年的5.6亿吨增加到2050年的15.5亿吨,2100年增加到29.7亿吨。但这不能满足钢铁生产的全部需求。因此,利用自然资源炼钢是必不可少的。采用高炉长流程工艺生产的生铁量预计在2100年达到12.0亿吨,与2015年基本持平。

其次,该愿景目标的实现基于钢铁行业先进节能技术、创新技术和超级创新技术的开发以及应用情况的假设,为此,设定了四种假设条件下的愿景目标:1)一切照旧(BAU):技术水平保持现状,但随废钢产生量的增加,废钢比增加;2)先进节能技术(BAT)最大程度引入场景:到2050年,最大限度地向全球推广现有的先进节能技术(干熄焦、TRT等),国际能源署发布的能源技术展望中预期BAT国际推广应用的CO2减排潜力为21%;3)创新技术最大程度引入场景:目前正在开发的创新技术(COURSE50等)将在2030-2050年期间以最高水平应用于实际生产;4)超级创新技术开发场景:随着超级创新技术(氢还原炼铁、CCS等)的开发及应用,以及电网供电实现零碳排放,预计2100年将实现“零碳钢”。

虽然日本钢铁行业不断努力开发创新的炼铁技术,但仅依靠这些技术无法实现《巴黎协定》的长期目标,为此,日本钢铁工业开始挑战开发最终实现炼铁过程零排放的技术,包括使用氢气还原炼铁技术、以及CCS、CCU技术。氢还原炼铁工艺的实际应用是以氢气作为社会公共能源载体的开发和维护为前提的,因为氢气不仅广泛用于钢铁生产,而且广泛用于汽车、消费品等各个领域。钢铁生产对氢气的一个重要要求是稳定的低成本供应。此外,实施CCS除了需要开发大量CO2的廉价运输和储存技术外,还需要解决技术方面以外的问题,如CO2储存场所的安全、社会的接受、实施实体和经济负担的分配。因此,实现“零碳钢”,不仅要开发与钢铁行业相关的技术,还需要开发社会公共基础技术,如无碳能源先进的传输、储存技术,低成本大批量氢气的制造、运输和储存技术,CO2捕集与封存/利用技术等。(世界金属导报)

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