钢铁工业CCS技术发展概况及展望
内容概要：随着工业化的不断发展，以钢铁工业为代表的能源密集型产业向大气中排放了大量的CO2等温室气体。近些年，气候变化、物种衰减等问题愈发突显。为了减少CO2等温室气体排放，CCS技术被认为是有前景的技术。其碳捕获量大，可以在短时间内实现大量的CO2减排任务。但是由于成本较高，在钢铁行业的应用较少。随着CCS技术成熟度的提高，这将是钢铁厂CO2减排不可缺少的一个环节。
1CCS技术发展背景
针对温室气体排放引起的气候变化，世界各国领导人于2016年签署《巴黎协定》，旨在将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内。我国在《“十三五”节能减排综合工作方案》中明确提出了提高资源利用效率以及改善生态环境的目标，同时对于工业CO2减排工作提出了明确要求。能源密集型产业，如钢铁工业等在消耗巨额的化石燃料的同时，排放了大量的温室气体到大气环境中。钢铁工业的温室气体排放量占全球温室气体排放量的6.7%。2020年我国粗钢产量达到了10.65亿吨，其带来的CO2排放量约为23.2亿吨。我国钢铁工业CO2排放量占我国总CO2排放的15%左右。我国致力于2030年前达到碳峰值，2060年前实现碳中和。在“十四五”期间，“碳达峰”、“碳中和”提出的大背景下，钢铁工业应加快节能降耗脚步，进而实现CO2减排目标。
目前，我国能源结构以碳基煤炭为主，2020年我国煤炭消耗仍占据能源消耗的50%以上，由煤炭消耗造成的排放占76.6%，石油占17.0%，天然气占6.4%。调整能源结构，应用可再生能源，绿色能源是减少CO2等温室气体排放的根本途径。但是短时期内，我国能源结构难以改变。高炉-转炉长流程炼钢在未来仍然将带来巨大的CO2排放压力。碳捕集与封存（Carboncaptureandstorage，CCS）技术应运而生。该技术是被认为有潜力实现“碳达峰”、“碳中和”目标，大幅降低CO2排放的关键技术。同时，我国对于CCS技术高度重视，出台了《中国碳捕集、利用与封存技术发展路线图》与《推动碳捕集、利用和封存试验示范》等文件，为CCS技术的发展提供了重要的政策支持。
2 CCS技术介绍
CCS技术主要分为CO2捕集、运输和封存三个环节，将工业和相关能源产业所产生的CO2分离出来，经过储存加压等手段，封存到海底或者地下等与大气隔绝的地方。
2.1碳捕集
对于CO2捕集技术来说，主要应用方法有燃烧后捕集、燃烧前捕集、以及富氧燃烧捕集。燃烧前捕集是将煤炭在进行燃烧之前以煤气化联合循环为基础，将煤炭气化成为清洁气体能源，在燃烧前将CO2分离出来。燃烧后捕集的捕集对象为工厂烟气，对其中的CO2进行捕集，其需要的成本投入较少，同时由于其多样化的捕集方法，燃烧后捕集技术被认为是最有前景的CO2捕集技术。同时燃烧后捕集技术存在CO2浓度压力低，需要对于烟气进行除尘等工艺操作等劣势。富氧燃烧捕集试图结合以上两种捕集方式的优点，在燃烧过程中，通入高纯度氧气进行助燃，同时于炉内进行加压，之后在进行燃烧后捕集来降低前期投入成本以及捕集成本。
从理论上可以视为燃烧中捕集，该捕集方式由于高纯度氧气制备的高成本而在经济性方面表现不佳。三种CO2捕集方法中，燃烧后捕集是企业最重视的方法，其主要包括吸收分离法、吸附分离法、膜法和低温蒸馏法等。吸收分离法按照吸收分离原理不同，可以分为化学吸收法与物理吸收法。
目前，工业中广泛采用热碳酸钾法和醇胺法这两种化学吸收法。热碳酸钾法主要包括本菲尔德法、坤碱法、卡苏尔法等。以醇胺类作为吸收剂的方法有MEA法（乙醇胺）、DEA法（二乙醇胺）及MDEA法（N-甲基二乙醇胺）等。工业上最先使用的是TEA法（三乙醇胺)，但由于该法CO2的吸收效率低和落剂的稳定性差，已逐渐被MEA和DEA所取代。胺基捕集CO2也被认为是目前成本最低的捕集方式。
2.2碳运输
CO2经捕集后需要运输到最终的封存点，CO2运输方式主要有公路汽车运输与管道运输两种。
公路运输为将CO2加压后由罐车运送至CO2封存点，管道运输为铺设专门管道将加压后的CO2经由管道进行输送。相比于灵活的公路运输，管道运输的输送量更大。但是，管道运输具有管道铺设路径固定，前期部署投入成本高等劣势。公路运输更适用于零散的CO2运输，其输送目的地并不固定，在路线规划上基本遵循运输到就近的CO2埋存点的原则。以我国钢铁工业为代表，其CO2的运输更适合于公路运输。管道运输其成本较高，应用规模也较小，但是当CO2运输规模增大，其运输量增大之后，管道运输的综合成本呈显著下降趋势。在未来，CO2的运输将随着埋存点分布与运输成本的改变而进行调整。
2.3碳封存
CO2封存主要分为物理封存、化学封存和生物封存等。当前讨论比较多的是物理封存与利用。将CO2进行海洋或者深海储存和地质储存。同时相关研究对于高压CO2的驱油与驱气技术进行了分析，利用注入CO2的方法可以提高油气等资源的采集率，这可能会带来经济收益，注入CO2可以提高采油率10~15%。
3CCS技术发展研究现状
3.1CCS技术研究概况
目前，CCS技术在不同方面开展了研究。CCS技术的碳捕集能力被钢铁工业所重视，在捕获率90%的情况下，碳捕集项目每天可以捕集1.4亿吨CO2。在CCS系统进行运行的过程中，由于CO2储存工艺，在储存CO2过程中将有50%或者更多的CO2被释放出来。同时，由于能源和材料消耗将带来额外的CO2排放，在应用CO2捕获和储存的设施中，大约80%的CO2排放来自于吸收CO2的液体吸收剂的再加热所消耗的能量，所以其最终的CO2的捕获储存的量要少于预期。
因此，燃烧后捕集的CO2过程如果应用太阳能进行辅助捕集的话，其CO2捕获率可以提升至70%。此外，对于CCS技术的生命周期评估、社会接受度、经济性等方面的研究也受到了广泛关注。
基于生命周期，对氨基碳捕获和储存系统的CO2净减排性能进行评估发现，对于高浓度的CO2进行改造可以获得更高的CO2减排性能。CCS的社会接受度对于CO2减排设施基础建设进程的存在影响，更高的CCS社会接受度可以促进钢铁工业对CCS技术进行应用。CCS技术的成本工程与经济性是CCS技术走上商业应用道路的关键一环，相关研究正在这个方面开展。
3.2CCS项目应用
CCS技术在世界范围内引起了高度关注，目前有43个CCS技术在大型电厂运行，少部分应用于钢铁行业。其中大部分都在北美和美国，且CO2捕集后绝大多数用以提高石油开采率。我国的华能石洞电厂部署了燃烧后碳捕集设备，其为我国最大的燃烧后碳捕集设备之一，年CO2捕获量达到了10万吨，该系统使用的是混合胺吸收剂。由华能控股的，由西安热工研究院设计完成的华能北京热电厂CO2捕集示范工程，是中国首个燃煤电厂烟气CO2捕集示范工程，预计其年回收CO2能力可达到3000t。
在过去，CCS技术在钢铁工业的研究往往集中在两方面。一是改造以高炉为主要CO2排放点源的传统的综合钢铁厂，二是利用CO2捕集技术来开发新型的高炉。欧洲ULCOS（Ultra-LowCO2 Steelmaking）项目提出了一项新型的顶部气体循环高炉设计方案。但是，CCS技术主要应用于高炉工序，尚未应用于炼钢工序。而对于直接还原工艺的钢铁厂来说，应用CCS技术的路线更为简易。因为其已经将二氧化碳分离技术应用到生产过程中，而且排出的CO2经过了压缩，浓度较高，故不需要额外增加碳捕集设备，CCS技术的实施可在此基础上进行改造。
4CCS技术潜力
4.1CCS技术未来减排能力
国际能源署预计，CCS技术将在2010年至2050年间为减少13%的温室气体排放做出贡献。Chisalita对最重要的环境影响类别进行分析后得出结论，将碳捕获和储存纳入钢铁生产路线，可将全球变暖潜能降低47.98-75.74%。相关研究指出，到2050年，碳捕获和封存可以减少10-15%的CO2，每年减少600兆吨CO2。假设一个钢铁厂可以部署CCS系统，通过生命周期评估（LCA），在整个生命周期内该CCS系统可以减少1.25亿吨CO2排放。一般来说，采用CO2捕获和储存技术会带来额外的燃料消耗和相关的其他排放，导致钢铁工业。在未来将要实现的92千兆吨CO2的减排，其中的64%将被封存到沉积盆地的含水层进行储存，36%将用于CO2驱油系统，来提高石油采收率。
4.2CCS技术成本及政策支持
为了实现“碳达峰”、“碳中和”目标，全国性的碳交易市场将于近期启动。碳交易价格是影响钢铁工业CCS技术发展趋势的关键要素。2020年中国市场平均碳价为43元/tCO2。2019年中国碳价调查报告预测，碳价在2030年将达到116元/tCO2在2050年碳价将达到186元/tCO2。一些机构估计，2020年碳捕获成本为75美元/tCO2，到2030年将减少20美元/tCO2。通过管道或道路运输等不同运输方式，碳运输支出在每公里0.04美元/tCO2至每公里0.2美元/tCO2间进行浮动。中国的工业CCS技术的应用可取得较好的减排效果，有望令中国钢铁工业释放出减排潜力。碳捕集的一项主要优势是可以避免工业资产陷入进退两难的境地，中国有些钢铁企业建成时间较短，只需要对于现有的企业与工艺流程做出微小的改建即可。
CCS的支持政策体系应进行细化，需要在相关的支持政策中明确和细化如何为CCS发展提供稳定的政策支持，特别是找准政策发力点，为相关企业提供持续的有力的政策支持；推动CCS技术的市场化，打通企业的融资渠道，同时充分发挥碳交易市场这一优惠政策对于CCS技术的激励作用；钢铁行业CCS项目没有统一的规范与标准，针对CO2运输与储存等相关标准和规范套用已有的有关规范标准，其管理标准对于CO2管理来讲较为严苛，增加了商业化成本。CCS技术是一项长期技术，为了确保钢铁工业积极应用CCS技术，应确保其投资回报率，这需要稳定的政策支持。
5总结
本文对于CCS技术的发展概况以及减排潜力进行了介绍。CCS技术作为实现“碳达峰”、“碳中和”目标具有很大潜力的技术，在未来对于CO2的减排工作将起到重要作用。CCS技术CO2减排潜力大，但对于钢铁行业来说，该系统的应用可以减排一半以上的CO2。同时，技术成熟度与高昂的成本为现阶段CCS系统的应用与部署提出了挑战。为了加快实现CCS技术的广泛应用可以从以下两点突破：
（1）提高CCS技术成熟度而减低成本。该方法可以从根本上解决CCS技术应用受限的问题，其成本的降低，将缓解钢铁企业的经济效益压力。
（2）国家宏观调控。目前，在CCS应用的进程中，政府的政策支持是强有力的推动力。在碳减排成本处于较高水平时，一定程度上的经济补贴与政府支持将提高企业的CCS技术接受程度。新兴的碳交易政策，同样对于企业的CCS应用起到了支撑作用，这一决策甚至会为走在CCS技术前沿的企业带来收益。
随着CCS技术在世界范围内关注度不断的提升，各国对CCS技术信心的不断增加。伴随着更多的商业化应用，更多新型具有前景的CCS技术将应用于钢铁工业中。
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