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电弧炉是“绿色”钢铁未来的不完美解决方案

时间:2021-11-15 18:50:53  来源:

虽然美国大多数新增钢铁产能旨在减少温室气体排放,但此类项目采用的最受欢迎的技术仍然依赖于二氧化碳重度工艺,无法实现净零排放目标。

美国钢铁制造商正在积极推动在其运营中减少二氧化碳和温室气体排放的必要性,以实现内部和外部目标并领先于潜在的法规。钢铁制造商特别强调通过不断增长的电弧炉 (EAF) 产能,在更多黑色废料和铁消耗的推动下,降低成本、提高效率的生产模式。电弧炉占美国当前钢铁产能的三分之二以上,并且在未来几年内只会占据更大的份额,预计会有一些扩张。

2022 年至 2024 年期间,美国至少有 1075 万短吨(st)/年的炼钢产能将上线,全部基于 EAF。这包括纽柯和美国钢铁公司本周表示,它们将各自建造一座年产 300 万吨的扁平轧制电弧炉钢厂。尽管利润率接近创纪录的高位,美国钢铁公司还削减了其 Mon Valley 和 Granite City 碱性氧气炉 (BOF) 工厂的运营。

虽然 EAF 的排放足迹优于 BOF 工厂,但基于现有生产技术的产能扩张并不一定会改善总体排放,并且在某些方面只会将负担转移到其他人身上。

电弧炉排放挑战

据国际铁金属协会和市场消息人士称,电弧炉钢铁制造商需要多达 10-30% 的熔体为铁金属。平轧业务,如 Nucor 和美国钢铁公司为其扩建项目提议的业务,趋向于这一份额的高端,这意味着这些钢厂将消耗大约 109 万至 163 万公吨 (t)/年。

但并非所有金属都是一样的,这意味着它们的排放量可能会有很大差异。根据世界钢铁协会的数据,每生产一吨生铁,工厂会排放 1.855 吨二氧化碳,而天然气驱动的直接还原铁产量为 0.78 吨二氧化碳/吨钢。基于类似的过程,生铁生产的排放反映了完全集成设施的排放。

由于美国依赖进口金属,此类生产是现有 EAF 运营模式中间接排放的重要来源,这些模式因美国消费者购买生铁的地点而异。例如,巴西生产商通常在他们的高炉中消耗木炭,而黑海生产商则消耗炼焦煤。虽然用木炭生产生铁排放的二氧化碳较少,但它需要很大的空间来种植生物质,例如桉树作为原料。

在任何一种情况下,任何进口的铁金属都必须通过干散货船长距离运输到美国,这也增加了间接排放。

EAF 还需要比 BOF 多得多的电力来生产钢铁。根据 World Steel 2019 年的一份报告,电力约占 EAF 能源投入成本的一半,而 BOF 运营则为 7%。这提出了基于公用事业如何在当地为电网发电的间接排放问题;根据能源信息署的数据,化石燃料在 2020 年产生了 60% 的美国电力。一些钢铁生产商通过当地的太阳能和风能发电能力减少了这些间接排放。

根据世界钢铁公司的数据,这种电力继续为熔炉中的石墨电极供电,石墨电极本身会额外排放 0.65 吨二氧化碳/吨电极。

EAF 仍然胜过 BOF

尽管如此,在替换以前由 BOF 操作占用的产能时,EAF 总体上仍然是一个更环保的选择。根据原材料的可用性和成品的化学要求,废钢可占 EAF 总熔体的 90%,而 BOF 约为 30%。根据美国环境保护署 2012 年的一份报告,将废钢重熔成粗钢排放的温室气体很少。

根据乌拉尔联邦大学 2015 年的一项研究,与转炉相比,电弧炉产生的二氧化碳减少 52% 或平均每吨钢产生 1.02 吨二氧化碳,但对于那些对减少排放做出重大贡献的操作,他们必须取代转炉,而不仅仅是在他们之外运作。

走向“绿色”

一些钢铁生产商提出了替代生产模式,其中大部分侧重于氢基钢铁生产。尽管目前尚不清楚它会排放多少二氧化碳,但 SSAB 的目标是生产以氢为动力的“无化石”钢,而目前其 BOF 的二氧化碳排放量为 1.75 吨二氧化碳/吨,EAF 的二氧化碳排放量为 0.68 吨二氧化碳/吨。

不过,在可预见的未来,此类技术预计不会大规模实施。“新兴和突破性技术发展到可行的商业规模,虽然有很多 [研究和开发] 正在进行中,但这项技术仍然需要几十年的时间,”北极星 Bluescope 气候变化首席执行官格雷塔斯蒂芬斯在 9 月 20 日表示。

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