1鋼鐵工藝技術(shù)路線特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)可行性
1.1當(dāng)前的鋼鐵工藝技術(shù)
鋼鐵生產(chǎn)工藝大致可分為兩類，第一類是將鐵礦石還原成粗鋼的工藝，包括高爐-轉(zhuǎn)爐工藝、熔融還原和直接還原工藝。歐洲采用直接還原技術(shù)生產(chǎn)的只占極小部分。目前歐洲沒有熔融還原煉鐵廠。第二類是用電弧爐冶煉廢鋼，鑄鐵，DRI(HBI)等含鐵料工藝。
從二氧化碳減排的角度來(lái)看，電弧爐工藝是迄今為止二氧化碳排放強(qiáng)度最低的煉鋼工藝。隨著發(fā)電過(guò)程CO2排放的減少，在2050年之前，電弧爐煉鋼工藝的二氧化碳排放強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步下降。然而，可用廢鋼量和鋼種的質(zhì)量要求，也進(jìn)一步限制了電爐鋼比例的提升。
總之，在歐洲和北美自貿(mào)區(qū)，電爐鋼成本通常比高爐-轉(zhuǎn)爐低，在市場(chǎng)疲軟的時(shí)候就愈加明顯。電弧爐煉鋼方面，歐盟具有穩(wěn)定的廢鋼供應(yīng)，結(jié)合電弧爐生產(chǎn)工藝其技術(shù)具有較高的靈活性且所需資金較低等這些優(yōu)勢(shì)，支撐起它的成功應(yīng)用。然而，最近廢鋼市場(chǎng)的變化使得電弧爐行業(yè)的利潤(rùn)率大幅惡化。伴隨著不斷提高的電力和天然氣價(jià)格，以及歐盟無(wú)力控制這些價(jià)格成本，這有可能會(huì)進(jìn)一步擠壓電爐廠的利潤(rùn)空間。值得強(qiáng)調(diào)的是，美國(guó)頁(yè)巖氣對(duì)歐盟電爐鋼鐵制造商提出了新的挑戰(zhàn)。在未來(lái)幾十年，如果廢鋼出口壓力繼續(xù)增加，以及電力和天然氣價(jià)格繼續(xù)上漲，電弧爐生產(chǎn)規(guī)模將難以擴(kuò)大到遠(yuǎn)超目前的水平，其競(jìng)爭(zhēng)力將受到顯著威脅。
相比現(xiàn)代聯(lián)合鋼鐵工藝，直接還原技術(shù)具有降低碳排放量20%的潛力。據(jù)BCG/ VDEh的分析，新建DRI-EAF廠的投資成本低于新建同等規(guī)模的綜合鋼鐵廠，但仍遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的綜合工廠。此外，由于歐洲天然氣和電力價(jià)格相對(duì)較高，使得DRI-EAF工藝生產(chǎn)成本也高得驚人。
由于這些原因，雖然DRI-EAF路線與BF-BOF相比具有更高的操作靈活性，但在歐洲仍無(wú)法與之抗衡。根據(jù)BCG/ VDEh的評(píng)估，從現(xiàn)有的BF-BOF廠轉(zhuǎn)變到一個(gè)新的DRI-EAF廠，每噸二氧化碳減排成本在€260-710之間，這還不包括設(shè)備折舊成本。
在天然氣和電力價(jià)格較低的情景下，DRI-EAF工藝在主要煉鋼法中將具有競(jìng)爭(zhēng)力。就歐洲目前煉鋼過(guò)剩的現(xiàn)狀而言，其產(chǎn)能能夠滿足到2050年鋼材需求最樂(lè)觀的預(yù)期。歐洲不會(huì)再增加新的第一類煉鋼工藝產(chǎn)能。如果需求的確大于供給，將很可能在歐盟之外，在天然氣和電力價(jià)格較低的地區(qū)，建設(shè)DRI-EAF或DRI生產(chǎn)廠。最近美國(guó)確立的DRI項(xiàng)目(紐柯，VOESTALPINE)，就是要利用頁(yè)巖氣革命帶來(lái)的低燃?xì)夂碗娏r(jià)格。
1.2潛在的煉鋼創(chuàng)新技術(shù)
為應(yīng)對(duì)氣候變化，需要降低溫室氣體排放，然而以現(xiàn)有技術(shù)，難以滿足減少排放的要求，必須進(jìn)行突破性技術(shù)的研究。目前歐盟主要突破性技術(shù)是ULCOS(超低二氧化碳煉鋼), 另外還有其它區(qū)域的一些計(jì)劃，比如：美國(guó)、亞洲和澳大利亞。
1)ULCOS
歐洲的超低二氧化碳煉鋼(ULCOS)項(xiàng)目主要進(jìn)行以下四個(gè)技術(shù)路線的研究。
高爐爐頂煤氣循環(huán)——TGRBF
高爐爐頂煤氣循環(huán)(TGRBF)工藝是利用CO2捕集技術(shù)，把高爐煤氣分成CO2富集煤氣和CO富集煤氣。CO富集煤氣循環(huán)回到高爐內(nèi)作還原劑使用，可降低高爐煉鐵焦比。CO2富集煤氣則經(jīng)過(guò)一次、二次除塵凈化和壓縮后，送入CO2管網(wǎng)或存儲(chǔ)器。另外，往高爐內(nèi)吹氧替代預(yù)熱空氣，這就不需要從煤氣中分離N2，可避免N2在循環(huán)過(guò)程中的富集，同時(shí)有利于煤氣中CO2的捕集。
先進(jìn)的直接還原工藝—ULCORED
該工藝采用氣基直接還原，并輔以CO2捕集與封存技術(shù)，以達(dá)到最大限度減少二氧化碳排放為目的，同時(shí)將能量消耗降到最低。以天然氣、煤/生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的合成氣或不含CO2的H2為還原劑。因此，ULCORED工藝可分為天然氣基ULCORED與合成氣基ULCORED。
新型熔融還原工藝—HIsarna
這是由Corus，DCTS和安賽樂(lè)米塔爾提出的新型熔融還原工藝。將Isarna的熔融旋渦熔煉爐和HIsmelt熔融爐相結(jié)合，并伴隨噴吹純氧。該項(xiàng)目被重新命名為“HIsarna”，以反映兩種概念的合并。采用該工藝有望減少二氧化碳排放20%。 如果配合CCS，二氧化碳排放量將降低80%。
電解鐵礦石工藝
有三種電解方法：水溶液中鐵離子的電解沉淀、高溫熔鹽或熔融氧化物電解。
水溶液電解方法包括酸溶液電解沉淀法，堿溶液電解沉淀法。兩種方法都在實(shí)驗(yàn)室制出了鐵樣，其中堿溶液方法制出了1.6kg鐵。但是酸溶液能耗非常大，而堿溶液方法能耗非常低，且不難擴(kuò)大規(guī)模。
高溫電解法中，研究了熔鹽電解法，生產(chǎn)固態(tài)鐵和熔融氧化物電解法，生產(chǎn)液態(tài)鐵。
堿溶液電解和高溫電解路線將進(jìn)一步研究。
總結(jié)與經(jīng)濟(jì)可行性評(píng)估
從資本與運(yùn)營(yíng)成本的角度來(lái)分析，該項(xiàng)目比較復(fù)雜，因?yàn)槠駷橹惯€沒有足夠的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻贸銮逦恼撟C。采用ULCOS工藝，其投入與獲得的節(jié)能和生產(chǎn)力的提高是不平衡的。將ULCOS與CCS技術(shù)相結(jié)合，以期獲得單位二氧化碳減排量不低于50%。這些技術(shù)的實(shí)施需要大量的資金投入，同時(shí)也會(huì)大量增加生產(chǎn)成本。就單在高爐上采用CCS技術(shù)而言，冶煉每噸鋼需要消耗大約0.15兆瓦時(shí)電力。如果沒有有效地實(shí)施削減政策，這將會(huì)危及歐洲鋼鐵業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
2)非歐盟及歐洲以外地區(qū)的創(chuàng)新減排工藝
除了歐盟以外，日本和美國(guó)等地區(qū)和組織，也致力于解決削減鋼鐵碳排放這一難題，雖然他們的技術(shù)并不如ULCOS先進(jìn)。
日本的Course 50，其包括兩個(gè)研究領(lǐng)域：
l 開發(fā)技術(shù)用以減少高爐排放的二氧化碳。其主要目的是控制鐵礦石的還原過(guò)程，比如在高爐中利用氫氣做還原劑。
l 開發(fā)技術(shù)，從高爐廢氣中捕獲、分離和還原二氧化碳。
韓國(guó)POSCO在多方面運(yùn)營(yíng)自己的計(jì)劃，包括在COREX/FINEX(熔融還原)工藝中配置CCS技術(shù)，開發(fā)氨凈化技術(shù)等。
美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)(AISI)的計(jì)劃涵蓋三個(gè)領(lǐng)域：1)熔融氧化物電解(MOE);2)氫閃速熔煉(HFS);3)雙向直缸爐(PSHF)。
巴西鋼鐵業(yè)繼續(xù)開發(fā)生物質(zhì)煉鋼生產(chǎn)工藝。
雖然上述這些工藝的原理都與ULCOS類似，考慮到ULCOS工藝已經(jīng)處用于中試階段，因此這些工藝在技術(shù)應(yīng)用層面上并不具備多少突破性創(chuàng)新。
近終形連鑄的相關(guān)加工工藝也正在開發(fā)之中，同時(shí)歐洲設(shè)備制造商也走在更傳統(tǒng)的薄板坯連鑄技術(shù)的前沿，盡管這些技術(shù)可以顯著提升能源優(yōu)化利用率和減少連鑄/軋鋼界面，但對(duì)于削減碳排放作用很小。
2 在鋼鐵生產(chǎn)中應(yīng)用碳捕獲與封存技術(shù)(CCS)
2.1CCS技術(shù)特點(diǎn)
CCS技術(shù)是指把從發(fā)電廠和煉鐵廠等固定排放源產(chǎn)生的CO2分離回收后，輸送到儲(chǔ)存層，壓入地下進(jìn)行儲(chǔ)存，從而抑制CO2向大氣排放的手段。降低分離回收時(shí)的能耗和成本是CCS技術(shù)研究的主要課題之一。主要采用兩種方法以提高CO2的濃度，一是改進(jìn)燃燒和氧化工藝的氧燃燒法，即用氧替代空氣進(jìn)行燃燒和氧化;二是采用化學(xué)吸收、物理吸附、膜分離和深冷分離等方法對(duì)產(chǎn)生的CO2進(jìn)行分離回收。
CO2地下儲(chǔ)存技術(shù)就是把CO2壓入地下空間進(jìn)行封閉儲(chǔ)存的技術(shù)。因此，儲(chǔ)存場(chǎng)所必須具備下列條件：儲(chǔ)存CO2的空間、防止CO2泄漏的密封層和密封的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。
根據(jù)IPCC“關(guān)于CO2分離回收儲(chǔ)存特別報(bào)告”的可知，至2100年CCS對(duì)減少溫室氣體排放的貢獻(xiàn)可達(dá)15%-55%。然而在歐洲，由于民眾反對(duì)地下儲(chǔ)存，所以不大可能在歐洲建立儲(chǔ)存點(diǎn)，導(dǎo)致鋼鐵廠將在附近沒有足夠的存儲(chǔ)地可用。
2.2CCS在鋼鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用
目前鋼鐵生產(chǎn)中，在不對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行大的改動(dòng)的前提下，只有FINEX和HYL-Energiron工藝技術(shù)可以與二氧化碳捕獲裝置相連接，可以降低25%-35%的碳排放量。在高爐生產(chǎn)工藝中，如果火電廠應(yīng)用CCS技術(shù)處理廢氣，可以降低約25%的碳排放量。
除了在可行性及儲(chǔ)存容量方面的技術(shù)限制外，CCS技術(shù)本身的成本巨大。預(yù)計(jì)儲(chǔ)存每噸二氧化碳的成本在€30-60，這些附加的成本將會(huì)削弱歐洲鋼鐵業(yè)在全球范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力。鋼鐵作為全球性競(jìng)爭(zhēng)激烈的商品，鋼廠將不可能通過(guò)提高售價(jià)來(lái)抵消這些增加的高額成本。就鋼鐵業(yè)而言，很難負(fù)擔(dān)CCS技術(shù)的投資應(yīng)用。
關(guān)于鋼鐵業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的問(wèn)題應(yīng)當(dāng)?shù)玫匠浞挚紤]和妥善處理，否則鋼鐵企業(yè)的減排情況就不能得到保障，不能對(duì)環(huán)境保護(hù)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。所以創(chuàng)新性技術(shù)的應(yīng)用需要有差別的對(duì)待。
3 2050鋼鐵低碳路線圖
目前各種研究都致力于模擬鋼鐵行業(yè)CO2排放，建立的模型都與減排技術(shù)及氣候政策相關(guān)聯(lián)。歐洲聯(lián)合研究中心開發(fā)的ISIM模型，是一個(gè)整體性的仿真模型，用于分析鋼鐵行業(yè)至2030年的發(fā)展，涉及鋼鐵生產(chǎn)、需求、貿(mào)易、能源消耗、CO2排放、技術(shù)動(dòng)態(tài)及改造方案等。
ISIM模型已應(yīng)用于ULCOS項(xiàng)目，對(duì)在不同條件下ULCOS技術(shù)方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。從資金支出、生產(chǎn)成本和CO2排放三個(gè)方面，對(duì)ULCOS技術(shù)和當(dāng)前的煉鋼技術(shù)進(jìn)行分析比較。由于煉鋼涉及到電力與燃料消耗，無(wú)論是外購(gòu)還是回收利用廢氣，CO2的減排效果都會(huì)受到系統(tǒng)邊界和與消耗電力對(duì)應(yīng)的二氧化碳排放量這一假設(shè)的重要影響。有鑒于此，有必要首先確立一個(gè)適當(dāng)?shù)暮怂憧蚣?，用于公平比較不同技術(shù)方法，從而為仿真模型反饋結(jié)果。
3.1 2030年里程碑：歐洲聯(lián)合研究中心的研究結(jié)果
歐洲聯(lián)合研究中心首次對(duì)碳減排的投入和成本進(jìn)行了模擬，將技術(shù)分成了兩大類：最實(shí)用的技術(shù)(BAT)和創(chuàng)新性的技術(shù)，比如采用預(yù)還原這一創(chuàng)新性技術(shù)。分析認(rèn)為CCS技術(shù)將會(huì)在2020年應(yīng)用于現(xiàn)在的煉鋼技術(shù)。
隨著歐盟內(nèi)部成品鋼每年保持平均1.8%的增長(zhǎng)率，到2030年市場(chǎng)將會(huì)自給自足。廢鋼供應(yīng)的增加會(huì)帶動(dòng)電爐鋼比重，到 2030年時(shí)將達(dá)到47%。 這是根據(jù)BCG鋼鐵消耗和廢鋼模型的假設(shè)條件下，得出的增長(zhǎng)過(guò)于樂(lè)觀數(shù)據(jù)。假設(shè)應(yīng)用所有可能的最實(shí)用和創(chuàng)新性的技術(shù)的前提下，BCG每年采用該模型對(duì)每個(gè)設(shè)備做一個(gè)成本效益分析。
對(duì)三種情景進(jìn)行分析，包括三種不同的碳排放價(jià)格措施?；鶞?zhǔn)情景是碳價(jià)格從2010年的€11/t分別上漲到2020年€25/t和2030年€39/t。另外兩種情景是在2030年時(shí)碳價(jià)格分別達(dá)到€100/t和€200/t。研究結(jié)果如下：
第一類鋼鐵生產(chǎn)工藝技術(shù)路線
要達(dá)到2030年碳排放價(jià)格基準(zhǔn)(即2030年碳排放價(jià)格為€39/t)，需要從2010年起，單位能源消耗和單位二氧化碳排放每年分別降低11%和14%。該情景涉及從2021年開始，在電廠中應(yīng)用CCS及爐頂煤氣回收技術(shù)。鑒于當(dāng)今上述技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，該情景分析結(jié)果過(guò)于樂(lè)觀。
在2030年碳排放價(jià)格為€100/t的情景下，單位能源消耗和單位二氧化碳排放每年應(yīng)分別降低8%和15%。而對(duì)應(yīng)于在2030年碳排放價(jià)格為€200/t的情景下，單位能源消耗和單位二氧化碳排放每年應(yīng)分別降低7%和19%。
第二類鋼鐵生產(chǎn)工藝技術(shù)路線
對(duì)于第二類鋼鐵生產(chǎn)工藝技術(shù)路線，從2010年到2030年，在基準(zhǔn)情景下，單位能源消耗和單位二氧化碳排放應(yīng)分別降低6%和11%。對(duì)于碳排放價(jià)格為€100/t和€200/t的情景下，沒有其他方面的改善。
該研究還分析了后兩種情景中燃料價(jià)格的增長(zhǎng)變化，相對(duì)于基準(zhǔn)情景而言，其燃料成本將分別翻一番和增長(zhǎng)五倍。這就使得在直接還原時(shí)，需要對(duì)燃料及氣體用量有一個(gè)適度的控制，這與BCG/VDEh的研究成果有矛盾并且相當(dāng)不合常理，這是由于直接還原方法是基于天然氣和電力的，因此只有用低成本的天然氣和電力才會(huì)符合成本收益。這可能是在模型建立過(guò)程中，忽視了附屬于投資新電爐冶煉直接還原鐵時(shí)，燃料成本的變化。
研究結(jié)果是更高的能源價(jià)格和配額價(jià)格會(huì)使二氧化碳減排更有力度。然而值得注意的是，針對(duì)€100與€200情景下的高配額價(jià)格，相對(duì)于基準(zhǔn)情景而言二氧化碳減排量并不會(huì)降低很多。鋼鐵行業(yè)相當(dāng)有限的減排潛能和技術(shù)制約使得碳排放價(jià)格失去作用。
然而必須指出的是，這種碳排放價(jià)格對(duì)于推動(dòng)行業(yè)市場(chǎng)是綽綽有余的。一噸鋼材的成本平均為€500。€25的減排成本將會(huì)增加邊際成本，使得邊際成本接近凈營(yíng)業(yè)利潤(rùn)率。在歐盟的排放交易機(jī)制框架下，這足以使鋼廠減少生產(chǎn)和放棄相應(yīng)的市場(chǎng)份額，這是因?yàn)樵趪?guó)際競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)環(huán)境下，減排成本的增加無(wú)法通過(guò)提高銷售價(jià)格來(lái)抵消。在歐盟的單邊氣候行動(dòng)的背景下，消減成本的研究中所使用的不同級(jí)別的減排方法并不具備可持續(xù)性。
這并不是說(shuō)碳排放價(jià)格在其他方面一無(wú)是處，而是指最有效的最實(shí)用的技術(shù)和最有前景的創(chuàng)新技術(shù)的實(shí)施會(huì)導(dǎo)致鋼鐵工業(yè)的成本分配不合比例，將鋼鐵業(yè)推向重新定位的風(fēng)險(xiǎn)之中。
3.2 2050年展望: BCG/VDEh方法
根據(jù)研究結(jié)果，BCG/VDEh首先根據(jù)一些方案確立了技術(shù)路線圖。其次從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度對(duì)不同的技術(shù)方案進(jìn)行分析。從研究的一些成果中可以得出：歐洲鋼鐵業(yè)在特定條件下，能夠?yàn)闅W洲及世界做出更大貢獻(xiàn)，進(jìn)一步減少二氧化碳排量。1)確立基準(zhǔn)
該研究以1990年和2010年為基準(zhǔn)年，涵蓋煉鐵、煉鋼和熱軋領(lǐng)域。
對(duì)煉鋼而言，系統(tǒng)界限也包含廢氣中的二氧化碳排放，而不管廢氣是如何產(chǎn)生的。這依賴于以下假設(shè)——綜合鋼廠在電力方面是自給自足。事實(shí)上，就整個(gè)歐洲主要的煉鋼企業(yè)而言，在電力上是凈輸入的。然而對(duì)于該研究，在系統(tǒng)邊界中應(yīng)用這個(gè)假設(shè)，可以規(guī)避一些在廢氣利用方面缺乏詳細(xì)數(shù)據(jù)的問(wèn)題。
至于第二類煉鋼法要從電網(wǎng)購(gòu)買電力，其相應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳量，要應(yīng)用國(guó)家電網(wǎng)中的二氧化碳因子修正。
煉鋼中所涉及的其他關(guān)于二氧化碳的間接排放領(lǐng)域包括：氧氣與石灰石的生產(chǎn)，采購(gòu)的焦炭和球團(tuán)礦等。
歐盟27國(guó)的碳排放量從1990年的2.98億噸下降到2010年的2.23億噸，降低了25%。這主要是由于從第一類煉鋼法轉(zhuǎn)變成第二類煉鋼法(鋼產(chǎn)量有所減少)，煉鋼效率提高以及發(fā)電過(guò)程中單位二氧化碳排放略微降低。相比1990年同期，冶煉每噸鋼單位二氧化碳排放量降低了15%，從1.508 t減少到1.293 t。
2)從技術(shù)角度考慮至2050年二氧化碳減排潛能
至于2050年的減排能力，BCG/VDEh研究預(yù)計(jì)歐洲鋼鐵市場(chǎng)產(chǎn)能將保持每年0.8%的增長(zhǎng)，到2050年時(shí)粗鋼產(chǎn)量達(dá)到2.36億噸。JRC的研究基于以下假設(shè)——到2030年時(shí)歐洲鋼鐵市場(chǎng)將會(huì)自給自足(歐洲鋼鐵消耗量=歐洲鋼鐵產(chǎn)量，這個(gè)假設(shè)忽略了貿(mào)易流通的變化)。然而，根據(jù)BCG/VDEh對(duì)鋼鐵市場(chǎng)年增長(zhǎng)率的預(yù)測(cè)，鋼鐵產(chǎn)量要顯著低于JRC的估計(jì)值。從2010-2050年，歐洲市場(chǎng)廢鋼預(yù)計(jì)從0.96億噸增長(zhǎng)到1.36億噸，第二類煉鋼法的比重(電弧爐生產(chǎn)方式)到2050年時(shí)，相對(duì)于2010年將增長(zhǎng)44%。這里所采用的由BCG/VDEh給出的廢鋼模型，相比于JRC模型而言，其數(shù)據(jù)并不樂(lè)觀。
基于上述假設(shè)，BCG/VDEh進(jìn)行了一項(xiàng)技術(shù)評(píng)價(jià)，用以確定在鋼鐵行業(yè)中相對(duì)而言最具有減排潛能的方案。評(píng)價(jià)從以下幾個(gè)不同的層面進(jìn)行：
l 電力部門的碳減排
l 最具實(shí)踐技術(shù)的普及應(yīng)用
l 增量技術(shù)的實(shí)施(主要是生產(chǎn)工藝流程的優(yōu)化和改進(jìn))
l 轉(zhuǎn)向替代技術(shù)(尤其是相對(duì)于第一類煉鋼法而言)
l 應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)(是否采用CCS技術(shù))
根據(jù)不同情景的能源價(jià)格，對(duì)增量技術(shù)進(jìn)行成本效益分析。新技術(shù)的使用利用S曲線模型，這個(gè)建模的運(yùn)用形成許多減排情景：
l 基準(zhǔn)情景：假定2050年時(shí)高爐-氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐工藝(BF-BOF)和廢鋼-電弧爐工藝(Scrap-EAF)具有相同的比重，以及在2010年時(shí)具有相同的二氧化碳排放強(qiáng)度(包括電力部門的二氧化碳排放)。該情景將使得二氧化碳排放在2050年達(dá)到3.05億噸。
l 最具實(shí)踐技術(shù)的普及應(yīng)用與增加廢鋼利用率情景：該情景下2050年二氧化碳排放為2.71億噸，且廢鋼-電弧爐工藝生產(chǎn)的粗鋼產(chǎn)量占比將達(dá)到44%。這包括電力部門二氧化碳減排效果的作用。
l 在不采用CCS技術(shù)的情況下，理論上最大限度的二氧化碳減排情景：從傳統(tǒng)的BF-BOF部分升級(jí)到直接還原鐵電弧爐技術(shù)(DRI-EAF)，2050年二氧化碳排放為1.84億噸。該情景下增量技術(shù)的實(shí)施在經(jīng)濟(jì)上是可行的。
l 采用CCS技術(shù)——理論上最大的減排情景：在第一類煉鋼法中完全采用CCS技術(shù)，利用最具實(shí)踐技術(shù)和增量技術(shù)，以及電力部門部分碳減排技術(shù)，這樣在2050年時(shí)鋼鐵業(yè)的排放大約在1.30億噸的水平。
在采用CCS的情況下，所有用鐵礦石的煉鋼技術(shù)其二氧化碳排放強(qiáng)度相同(每噸鋼產(chǎn)生約0.7噸CO2)，可以得出以下結(jié)論：對(duì)現(xiàn)有高爐利用TGR技術(shù)進(jìn)行改造是最為明智的選擇，在歐盟范圍內(nèi)，CCS技術(shù)應(yīng)該以有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格廣泛應(yīng)用。關(guān)于這點(diǎn)，有必要指出完全配置CCS技術(shù)，理論上會(huì)使2050年碳減排量相對(duì)于1990年降低約60%，但仍然低于歐盟80%的目標(biāo)。
3)從經(jīng)濟(jì)角度考慮至2050年二氧化碳減排潛能
由BCG/VDEh對(duì)兩種模型的最大理論減排情景進(jìn)一步分析，得出結(jié)論：如果現(xiàn)在占主導(dǎo)地位的立法和經(jīng)濟(jì)條件不能從根本上有所改變，那么兩種情景既不現(xiàn)實(shí)，經(jīng)濟(jì)上也不可行。
從傳統(tǒng)BF-BOF技術(shù)轉(zhuǎn)變到DRI-EAF技術(shù)，每噸鋼二氧化碳減排成本在€260-710之間(不考慮折舊成本)。成本之高是因?yàn)檗饤壃F(xiàn)有的設(shè)施，更新?lián)Q代會(huì)花費(fèi)更高的運(yùn)營(yíng)成本(DRI-EAF技術(shù)路線嚴(yán)重依賴天然氣和電力，而這兩項(xiàng)成本在歐洲相對(duì)較高)。
此外，TGR技術(shù)僅進(jìn)行了一個(gè)中試，優(yōu)勢(shì)有待證實(shí)。根據(jù)示范性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其二氧化碳減排成本預(yù)計(jì)至少達(dá)到€50/t。
如果不考慮碳減排成本，TGR技術(shù)沒有顯示出任何競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。較高焦煤價(jià)格會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性降低。
至于CCS技術(shù)，研究還指出了許多困難，例如公眾認(rèn)可度，有限的區(qū)域碳封存能力(儲(chǔ)存點(diǎn)每年必須封存大約200-800萬(wàn)噸)，二氧化碳運(yùn)輸及儲(chǔ)存成本。
總之，在以上這些情景下鋼鐵工業(yè)將完全失去競(jìng)爭(zhēng)力，除非在未來(lái)幾十年中，一些條件發(fā)生根本性的變化。
由BCG/VDEh認(rèn)為的經(jīng)濟(jì)情景下，到2050年鋼鐵工業(yè)的二氧化碳排放量大約為2.58億噸(相對(duì)于1990年降低了13%)。碳排放降低的驅(qū)動(dòng)力包括：
l 電力部門持續(xù)應(yīng)用碳減排技術(shù)
l 廢鋼利用率提高
l 最具實(shí)踐技術(shù)的普及應(yīng)用
l 低成本增量技術(shù)的應(yīng)用
該經(jīng)濟(jì)情景中與2010年相比較，到2030年和2050年二氧化碳排放強(qiáng)度分別降低10%和15%。這表明提高碳減排的潛能較低，因?yàn)楝F(xiàn)在的生產(chǎn)工藝已經(jīng)處于較高的優(yōu)化水平了。
該研究調(diào)查了不同情景對(duì)歐洲鋼鐵業(yè)二氧化碳排放強(qiáng)度的影響，在表2中總結(jié)如下：
需要指出的是，在經(jīng)濟(jì)情景下，到2030年二氧化碳減排的效果被產(chǎn)量增長(zhǎng)的作用抵消。因此，鋼鐵業(yè)在2030年二氧化碳總排放量將會(huì)比2010年高7%。這就需要與由JRC研究的更多積極成果相比較，其估計(jì)2030年時(shí)碳排放有14%的減少。這就部分解釋了JRC研究所得出的相當(dāng)樂(lè)觀的技術(shù)假設(shè)。JRC研究認(rèn)為TGR和CCS技術(shù)將會(huì)在2020年得以應(yīng)用，與BCG/VDEh得出的技術(shù)評(píng)價(jià)相比，眾多的“增量技術(shù)”具有更高的二氧化碳總體減排潛能。
3.3更多的二氧化碳削減
由BCG/VDEh研究預(yù)計(jì)二氧化碳減排量最多能削減60%，要想繼續(xù)提升需要尋求其他技術(shù)發(fā)展方向。
在利用BF-TGR情景中，要進(jìn)一步降低二氧化碳排放需要考慮加熱機(jī)組(爐、窯、再加熱爐)，這些機(jī)組現(xiàn)在大多數(shù)利用天然氣/液化石油氣或聯(lián)合工廠中的廢熱。原則上在每個(gè)煉鋼爐上應(yīng)用CCS技術(shù)是可以預(yù)見的(需要改動(dòng)一些加熱工序，比如增加氧氣用量)。
需要指出的是，BF-TGR技術(shù)的應(yīng)用降低了可利用的廢氣量。因此，再利用剩余的廢氣(焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣)用于加熱變得更加重要，在綜合鋼鐵廠中僅留下了很小的空間配置電氣化加熱系統(tǒng)。
在一定程度上可以選擇沼氣或者合成氣(由生物質(zhì)氣化而成)用以替代廢氣。然而，利用生物質(zhì)需要解決一些可持續(xù)利用的問(wèn)題，尤其考慮到涉及大量的能源。
幾個(gè)正在進(jìn)行的項(xiàng)目是利用氫氣作為第一類煉鋼法的主要還原劑(輸入到高爐中或者直接還原過(guò)程中)。通過(guò)采用這種不產(chǎn)生二氧化碳的氫氣原料(氫氣由水電解獲得)可以使二氧化碳的排放量達(dá)到最低，但這是以消耗大量的能源為代價(jià)的。
根據(jù)示范階段的結(jié)果，像一些如同HIsarna(熔融還原) 和ULCORED(直接還原)技術(shù)，當(dāng)與CCS技術(shù)結(jié)合時(shí)，其具有使二氧化碳減排大約80%的潛力。
電力部門的碳減排也可以促進(jìn)二氧化碳的進(jìn)一步減排，尤其是在利用電弧爐時(shí)。在這種技術(shù)方案下，通過(guò)電解煉鋼(ULCOWIN)也是一種選擇。還可以考慮電氣化加熱設(shè)備，該技術(shù)現(xiàn)在應(yīng)用于較少工序條件下的小批量煉鋼(在感應(yīng)爐或電阻爐中)。目前，技術(shù)上的制約使得以上技術(shù)并不適合企業(yè)所需求的生產(chǎn)力水平。
4 總結(jié)
根據(jù)以上假設(shè)、情景和模型，至2050年的鋼鐵行業(yè)二氧化碳減排路線圖有不同的模式。未來(lái)全球與各地區(qū)的能源價(jià)格、氣候和能源政策具有很大的不確定性，而這將會(huì)影響貿(mào)易方式并在技術(shù)選擇上起重要作用。最好的例子就是美國(guó)的頁(yè)巖氣革命，頁(yè)巖氣是煉鋼所用的新的直接還原能源。這將會(huì)給美國(guó)的鋼鐵行業(yè)帶來(lái)巨大的優(yōu)勢(shì)，與此同時(shí)，它區(qū)別于其他任何的技術(shù)創(chuàng)新，能夠獨(dú)力地降低二氧化碳的排放。
同樣的，未來(lái)在均衡的國(guó)際氣候協(xié)議下，歐洲鋼鐵業(yè)的狀況將完全不同于現(xiàn)在單邊碳排放約束的情形。
撇開不同假設(shè)固有的復(fù)雜性，能夠推動(dòng)歐洲鋼鐵業(yè)二氧化碳減排進(jìn)程的措施主要包括：
l 未來(lái)將提高廢鋼的利用率，并且會(huì)提升第二類煉鋼法的比重，對(duì)鋼鐵業(yè)二氧化碳的減排做出貢獻(xiàn)。
l 持續(xù)的電力部門碳減排將會(huì)對(duì)二氧化碳的排放做出重要貢獻(xiàn)，同時(shí)伴隨著第二類煉鋼法應(yīng)用的增加。
l 增量技術(shù)在一個(gè)相對(duì)適中的程度可以為減排做出貢獻(xiàn)，尤其是在BF-BOF工藝條件下。
l 更高要求的二氧化碳減排目標(biāo)需要在第一類煉鋼法方面進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，比如借助于要么直接還原或者改造現(xiàn)有的高爐，進(jìn)行爐頂煤氣回收技術(shù);BF-TGR改造相對(duì)于DRI-EAF工藝而言，在經(jīng)濟(jì)上更為可行。
l 將上述技術(shù)與CCS技術(shù)相結(jié)合，可以使鋼鐵業(yè)單位碳排放量進(jìn)一步降低，與2010年相比，到2050年減少約60%。
要想進(jìn)一步降低碳排放需要利用以下一些技術(shù)，比如：HIsarna (熔融還原)和ULCORED(直接還原)技術(shù)，兩者都與CCS技術(shù)或基于氫氣還原技術(shù)相關(guān)聯(lián)，它們已經(jīng)被驗(yàn)證在技術(shù)上是可行的。在完全脫碳的電力情景中，電解法可以被視為一種潛在的解決辦法。從現(xiàn)在的角度來(lái)看，不可能預(yù)測(cè)到哪一種或者某些聯(lián)合技術(shù)將會(huì)在未來(lái)最有可能應(yīng)用。由BCG/VDEh研究模型得出的鋼鐵業(yè)的減排路線圖見圖1。
根據(jù)BCG/VDEh模型，直接還原技術(shù)的應(yīng)用可以使碳排放在2050年相對(duì)于1990年而言減少38%。然而該技術(shù)需要應(yīng)用大量的天然氣和電力，如果上述價(jià)格持續(xù)保持現(xiàn)有水平的話，那么該情景在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。此外，該技術(shù)需要替換現(xiàn)在運(yùn)轉(zhuǎn)良好和優(yōu)化整合了的設(shè)備。在這個(gè)背景下，也有必要強(qiáng)調(diào)該行業(yè)現(xiàn)在面臨以及未來(lái)將要面對(duì)的大量成本——用以滿足工業(yè)排放要求所耗費(fèi)的設(shè)備調(diào)試開銷。
與1990年相比，2050年歐洲鋼鐵業(yè)可以達(dá)到的最大二氧化碳減排量大約為60%。為了達(dá)到這一點(diǎn)，需要對(duì)歐洲現(xiàn)在所有的高爐進(jìn)行改造——采用TGR和CCS技術(shù)，在大規(guī)模高爐上應(yīng)用以上兩個(gè)技術(shù)在技術(shù)上被證實(shí)是可行的，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)上也具有競(jìng)爭(zhēng)力。然而，如果歐盟仍是單邊氣候政策，由于所投入的成本高昂，這將會(huì)造成嚴(yán)重的企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力問(wèn)題，鋼鐵業(yè)情形將會(huì)惡化。這個(gè)減排情景還可以通過(guò)在直接還原鐵時(shí)應(yīng)用CCS技術(shù)得以實(shí)施，然而，這種做法相對(duì)于改造現(xiàn)有的高爐而言成本太過(guò)高昂。
基于滿足低成本高效益方式的最大二氧化碳減排潛力的經(jīng)濟(jì)情景，相對(duì)于1990年，2050年鋼鐵業(yè)的碳排放將減少13%。同時(shí)該情景與2030年，這一里程碑年份緊密相關(guān)，因?yàn)閷脮r(shí)CCS和TGR技術(shù)不可能得以廣泛應(yīng)用。與2010年相比，這將在2030年和2050年分別減少10%和15%的碳排放量。
原則上經(jīng)濟(jì)情景也會(huì)帶來(lái)一些有關(guān)競(jìng)爭(zhēng)力的問(wèn)題，這是因?yàn)閮蓚€(gè)理論上最大減排情景都依賴于電力企業(yè)的碳減排技術(shù)。因此，如果電價(jià)快速上漲的話，與不采用上述情景的企業(yè)相比，利用脫碳技術(shù)的企業(yè)將會(huì)喪失市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
總之，即使在合適的時(shí)間擁有可行的技術(shù)，如果沒有達(dá)成全球性協(xié)議用以提供一個(gè)公平的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，鋼鐵業(yè)仍將無(wú)法實(shí)施上述情景。因此，如果未來(lái)歐盟氣候政策征收統(tǒng)一的碳排放價(jià)格，而不顧鋼鐵業(yè)在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的碳減排潛能，這將會(huì)給歐盟鋼鐵業(yè)帶來(lái)沉重壓力，迫使整個(gè)制造價(jià)值鏈的大部分產(chǎn)業(yè)將逐漸退出歐洲地區(qū)。
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