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钢铁对绿色转型至关重要——这是消除行业排放的方法

时间:2021-11-03 11:30:24  来源:

尽管 7 年前煤炭是最大的单一能源,但到 2020 年,煤炭产生的电力不到英国的 2%。虽然该国的电力每年都在变得更清洁,但仍有一个行业难以替代这种富含碳的化石燃料:炼钢。

如果获得批准,坎布里亚郡的伍德豪斯煤矿将成为英国 30 年来第一个开工的深煤矿,每年将为钢铁行业生产 270 万吨焦煤。

钢具有高强度重量比,并且生产成本相对较低——这些品质使这种材料在建筑和汽车行业中具有无价之宝。作为风力涡轮机的主要组成部分,钢铁也将成为向绿色能源过渡的重要组成部分。

这就是为什么到2050 年全球钢铁需求预计将增加三分之一以上的部分原因。不过,这对地球来说可能是个坏消息,因为钢铁制造业已经占全球二氧化碳排放量的 7%和英国排放量的 2.7%。

世界需要找到一种方法来制造大量钢铁,同时减少该行业的碳足迹。而政府的独立的气候变化委员会已建议炼钢英国应该接近到2035年那么什么是低碳钢铁行业的最佳途径零碳排放达到?

如何炼钢

为了生产钢铁,铁矿石被开采、加工,然后与碳和其他元素形成合金。焦煤是一种含碳量高的煤,在这个过程中扮演着三个不同的角色。它可以帮助将铁矿石变成铁,将铁加工成钢,它也是一种可以帮助推动这些过程的燃料。

在综合炼钢厂中,炼焦煤被加热到 1,100°C 左右,以生产一种称为焦炭的纯碳。焦炭通过与氧气反应生成一氧化碳,在高炉中将矿石还原为铁。一分子铁矿石与三分子一氧化碳反应,留下两个铁原子和三分子二氧化碳。温室气体然后作为废物释放到大气中。

最后,通过在碱性氧气炉中改变其碳含量,将铁转化为钢。在全球范围内,90% 的铁矿石钢铁都是使用这种工艺制造的。

碳中性钢铁行业可以在此过程的每个步骤中替代煤炭。但目前,在大多数情况下,煤炭仍然是最具成本效益的选择。

有哪些替代方案?

然而,综合钢厂并不是钢铁生产的唯一场所——每年回收6.3 亿吨废钢,节省大量能源和 9.5 亿吨二氧化碳,这比欧盟整个运输部门的年排放量还多。回收主要在电弧炉中进行,电用于熔化和处理废金属。

但这取决于大量的废钢,2015 年的一项研究发现,85% 的不锈钢在首次使用后已经被回收利用。欧洲新钢中废钢的比例几乎没有增加的空间,因此未来仍然需要用铁矿石制造钢。

将铁矿石直接还原成铁是另一种能耗低于高炉的工艺。天然气是 90% 使用这种方法的工厂的首选化石燃料,主要集中在天然气价格较低的中东和北美。2018 年,这种方式仅生产了1.005 亿吨钢材,仅占总量的5.6%。

使用清洁电力产生的氢气(也称为绿色氢气)直接还原铁矿石,然后在同样由绿色电力供电的电弧炉中进行加工,是生产低碳钢的一种方法。继续在综合钢厂中使用煤炭,但捕获和使用或储存排放的二氧化碳是另一回事。

直接电解,即使用电力将铁矿石直接转化为钢,也具有潜力,但距离商业可行性还有很长的路要走。随着时间的推移,到 2035 年脱碳最后期限的最可靠途径是在电弧炉中使用氢气直接还原方法,或者在具有碳捕获和储存的综合钢厂中使用煤炭。在全球范围内,两者都可能发挥作用。

在英国,95% 的炼钢排放仅来自两个地点。正是在这里,该国通往脱碳钢铁行业的道路将被决定。最近公布的工业脱碳战略没有具体说明必须使用哪些技术,因此不排除继续使用炼焦煤,只要可以捕获和使用或储存碳排放即可。

碳捕集已经成为氨生产等工业过程脱碳的一个有竞争力的选择。但二氧化碳与钢厂排放物中的其他气体混合,使捕获过程更加困难。

在全球范围内,由于现有工厂的使用寿命和低碳替代品的不成熟,煤炭很可能会在 2030 年代及以后继续用于炼钢。幸运的是,到 2050 年钢铁制造中的煤炭使用仍将符合《巴黎协定》,只要排放量达到今天水平的 40%,并且其中约三分之一被捕获。氢和电气化将完成其余的工作。

炼钢用煤不需要立即停止,但要保证炼钢的未来低碳化,就需要立即采取行动。必须通过碳捕获和储存技术的彻底改进来满足持续的煤炭使用——这正是行业需要证明它可以跟上的。

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