2021/8/17 23:42:48
內(nèi)容概要:隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展,以鋼鐵工業(yè)為代表的能源密集型產(chǎn)業(yè)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(fā)突顯。為了減少CO2等溫室氣體排放,CCS技術(shù)被認為是有前景的技術(shù)。其碳捕獲量大,可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)大量的CO2減排任務(wù)。但是由于成本較高,在鋼鐵行業(yè)的應用較少。隨著CCS技術(shù)成熟度的提高,這將是鋼鐵廠CO2減排不可缺少的一個環(huán)節(jié)。
1CCS技術(shù)發(fā)展背景
針對溫室氣體排放引起的氣候變化,世界各國領(lǐng)導人于2016年簽署《巴黎協(xié)定?》,旨在將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2℃以內(nèi),并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內(nèi)。我國在《“十三五”節(jié)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(tài)環(huán)境的目標,同時對于工業(yè)CO2減排工作提出了明確要求。能源密集型產(chǎn)業(yè),如鋼鐵工業(yè)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(huán)境中。鋼鐵工業(yè)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(chǎn)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(yè)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(xiàn)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(yè)應加快節(jié)能降耗腳步,進而實現(xiàn)CO2減排目標。
目前,我國能源結(jié)構(gòu)以碳基煤炭為主,2020年我國煤炭消耗仍占據(jù)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(diào)整能源結(jié)構(gòu),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(nèi),我國能源結(jié)構(gòu)難以改變。高爐-轉(zhuǎn)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(shù)應運而生。該技術(shù)是被認為有潛力實現(xiàn)“碳達峰”、“碳中和”目標,大幅降低CO2排放的關(guān)鍵技術(shù)。同時,我國對于CCS技術(shù)高度重視,出臺了《中國碳捕集、利用與封存技術(shù)發(fā)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(shù)的發(fā)展提供了重要的政策支持。
2 CCS技術(shù)介紹
CCS技術(shù)主要分為CO2捕集、運輸和封存三個環(huán)節(jié),將工業(yè)和相關(guān)能源產(chǎn)業(yè)所產(chǎn)生的CO2分離出來,經(jīng)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(shù)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(lián)合循環(huán)為基礎(chǔ),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(shù)被認為是最有前景的CO2捕集技術(shù)。同時燃燒后捕集技術(shù)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(jié)合以上兩種捕集方式的優(yōu)點,在燃燒過程中,通入高純度氧氣進行助燃,同時于爐內(nèi)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(jīng)濟性方面表現(xiàn)不佳。三種CO2捕集方法中,燃燒后捕集是企業(yè)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(yè)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(yè)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(wěn)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(jīng)捕集后需要運輸?shù)阶罱K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(shè)專門管道將加壓后的CO2經(jīng)由管道進行輸送。相比于靈活的公路運輸,管道運輸?shù)妮斔土扛?。但是,管道運輸具有管道鋪設(shè)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(guī)劃上基本遵循運輸?shù)骄徒腃O2埋存點的原則。以我國鋼鐵工業(yè)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(guī)模也較小,但是當CO2運輸規(guī)模增大,其運輸量增大之后,管道運輸?shù)木C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(diào)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(zhì)儲存。同時相關(guān)研究對于高壓CO2的驅(qū)油與驅(qū)氣技術(shù)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(jīng)濟收益,注入CO2可以提高采油率10~15%。
3CCS技術(shù)發(fā)展研究現(xiàn)狀
3.1CCS技術(shù)研究概況
目前,CCS技術(shù)在不同方面開展了研究。CCS技術(shù)的碳捕集能力被鋼鐵工業(yè)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(tǒng)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(shè)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(shù)的生命周期評估、社會接受度、經(jīng)濟性等方面的研究也受到了廣泛關(guān)注。
基于生命周期,對氨基碳捕獲和儲存系統(tǒng)的CO2凈減排性能進行評估發(fā)現(xiàn),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(shè)施基礎(chǔ)建設(shè)進程的存在影響,更高的CCS社會接受度可以促進鋼鐵工業(yè)對CCS技術(shù)進行應用。CCS技術(shù)的成本工程與經(jīng)濟性是CCS技術(shù)走上商業(yè)應用道路的關(guān)鍵一環(huán),相關(guān)研究正在這個方面開展。
3.2CCS項目應用
CCS技術(shù)在世界范圍內(nèi)引起了高度關(guān)注,目前有43個CCS技術(shù)在大型電廠運行,少部分應用于鋼鐵行業(yè)。其中大部分都在北美和美國,且CO2捕集后絕大多數(shù)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(shè)備,其為我國最大的燃燒后碳捕集設(shè)備之一,年CO2捕獲量達到了10萬噸,該系統(tǒng)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(shè)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(shù)在鋼鐵工業(yè)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(tǒng)的綜合鋼鐵廠,二是利用CO2捕集技術(shù)來開發(fā)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(huán)高爐設(shè)計方案。但是,CCS技術(shù)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(shù)的路線更為簡易。因為其已經(jīng)將二氧化碳分離技術(shù)應用到生產(chǎn)過程中,而且排出的CO2經(jīng)過了壓縮,濃度較高,故不需要額外增加碳捕集設(shè)備,CCS技術(shù)的實施可在此基礎(chǔ)上進行改造。
4CCS技術(shù)潛力
4.1CCS技術(shù)未來減排能力
國際能源署預計,CCS技術(shù)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(huán)境影響類別進行分析后得出結(jié)論,將碳捕獲和儲存納入鋼鐵生產(chǎn)路線,可將全球變暖潛能降低47.98-75.74%。相關(guān)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(shè)一個鋼鐵廠可以部署CCS系統(tǒng),通過生命周期評估(LCA),在整個生命周期內(nèi)該CCS系統(tǒng)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(shù)會帶來額外的燃料消耗和相關(guān)的其他排放,導致鋼鐵工業(yè)。在未來將要實現(xiàn)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(qū)油系統(tǒng),來提高石油采收率。
4.2CCS技術(shù)成本及政策支持
為了實現(xiàn)“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(yè)CCS技術(shù)發(fā)展趨勢的關(guān)鍵要素。2020年中國市場平均碳價為43元/tCO2。2019年中國碳價調(diào)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(gòu)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?shù)炔煌\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(yè)CCS技術(shù)的應用可取得較好的減排效果,有望令中國鋼鐵工業(yè)釋放出減排潛力。碳捕集的一項主要優(yōu)勢是可以避免工業(yè)資產(chǎn)陷入進退兩難的境地,中國有些鋼鐵企業(yè)建成時間較短,只需要對于現(xiàn)有的企業(yè)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(guān)的支持政策中明確和細化如何為CCS發(fā)展提供穩(wěn)定的政策支持,特別是找準政策發(fā)力點,為相關(guān)企業(yè)提供持續(xù)的有力的政策支持;推動CCS技術(shù)的市場化,打通企業(yè)的融資渠道,同時充分發(fā)揮碳交易市場這一優(yōu)惠政策對于CCS技術(shù)的激勵作用;鋼鐵行業(yè)CCS項目沒有統(tǒng)一的規(guī)范與標準,針對CO2運輸與儲存等相關(guān)標準和規(guī)范套用已有的有關(guān)規(guī)范標準,其管理標準對于CO2管理來講較為嚴苛,增加了商業(yè)化成本。CCS技術(shù)是一項長期技術(shù),為了確保鋼鐵工業(yè)積極應用CCS技術(shù),應確保其投資回報率,這需要穩(wěn)定的政策支持。
5總結(jié)
本文對于CCS技術(shù)的發(fā)展概況以及減排潛力進行了介紹。CCS技術(shù)作為實現(xiàn)“碳達峰”、“碳中和”目標具有很大潛力的技術(shù),在未來對于CO2的減排工作將起到重要作用。CCS技術(shù)CO2減排潛力大,但對于鋼鐵行業(yè)來說,該系統(tǒng)的應用可以減排一半以上的CO2。同時,技術(shù)成熟度與高昂的成本為現(xiàn)階段CCS系統(tǒng)的應用與部署提出了挑戰(zhàn)。為了加快實現(xiàn)CCS技術(shù)的廣泛應用可以從以下兩點突破:
(1)提高CCS技術(shù)成熟度而減低成本。該方法可以從根本上解決CCS技術(shù)應用受限的問題,其成本的降低,將緩解鋼鐵企業(yè)的經(jīng)濟效益壓力。
(2)國家宏觀調(diào)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(jīng)濟補貼與政府支持將提高企業(yè)的CCS技術(shù)接受程度。新興的碳交易政策,同樣對于企業(yè)的CCS應用起到了支撐作用,這一決策甚至會為走在CCS技術(shù)前沿的企業(yè)帶來收益。
隨著CCS技術(shù)在世界范圍內(nèi)關(guān)注度不斷的提升,各國對CCS技術(shù)信心的不斷增加。伴隨著更多的商業(yè)化應用,更多新型具有前景的CCS技術(shù)將應用于鋼鐵工業(yè)中。
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