國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》今年1月上線的子刊《自然：化學(xué)工程》雜志，近期發(fā)表了一篇題為《鋼化聯(lián)產(chǎn)：促進(jìn)難減排行業(yè)降低碳排放》的論文，以鋼鐵、化工聯(lián)合的跨界思維和令人信服的數(shù)據(jù)論述了鋼化聯(lián)產(chǎn)對(duì)中國(guó)溫室氣體減排的積極作用。文章認(rèn)為，鋼化聯(lián)產(chǎn)可能成為減少這兩大行業(yè)碳排放的關(guān)鍵戰(zhàn)略，中國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要更多的跨界思維。

這篇論文由美國(guó)普林斯頓大學(xué)執(zhí)筆，清華大學(xué)、東北大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京北大先鋒科技股份有限公司(下稱北大先鋒)等高校院所和企業(yè)合作完成�！吨袊�(guó)化工報(bào)》記者采訪了北大先鋒相關(guān)負(fù)責(zé)人，從產(chǎn)業(yè)視角閱覽此篇并“疑義相與析”。

碳排大戶鋼化在列，聯(lián)產(chǎn)可期“負(fù)負(fù)得正”

數(shù)據(jù)顯示，2020年，鋼鐵和煤化工行業(yè)的碳排放分別占中國(guó)碳排放總量的14%和9%。

文章指出，這些碳排放的產(chǎn)生主要緣于將化石能源作為原料和燃料使用。煉鐵過程的鐵還原反應(yīng)和煤化工的制氫反應(yīng)均為高碳排放。利用大規(guī)模電加熱產(chǎn)生高溫短期內(nèi)并不可行。為減少碳排放，中國(guó)采取了通過提高生產(chǎn)效率、應(yīng)用諸如綠氫，碳捕集、利用與封存(CCUS)等新技術(shù)的一系列舉措。然而，通過提高生產(chǎn)效率來減少碳排放的潛力有限，綠氫和CCUS等新技術(shù)預(yù)計(jì)到2040年成本仍將居高不下。

鋼鐵煤氣主要包括焦?fàn)t煤氣(COG)、高爐煤氣(BFG)和轉(zhuǎn)爐煤氣(BOFG)。中國(guó)的鋼廠每年約產(chǎn)生1.2萬億標(biāo)準(zhǔn)立方米的鋼鐵煤氣，主要由一氧化碳(CO)、氫氣(H2)、甲烷(CH4)、CO2和氮?dú)?N2)組成。具體而言，焦?fàn)t煤氣具有高濃度的H2(55%~60%)，而高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣富含CO(分別為23%~27%和50%~70%)。這些鋼鐵煤氣約有50%在煉鐵煉鋼過程中作為燃料被消耗，剩余部分主要用于現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電。然而，利用鋼鐵煤氣發(fā)電(主要是CO燃燒)是高碳排放的，CO發(fā)電的碳排放強(qiáng)度為1940 gCO2當(dāng)量/ kWh，遠(yuǎn)高于中國(guó)電網(wǎng)供電(590 gCO2當(dāng)量/ kWh)，甚至煤炭發(fā)電(930 gCO2當(dāng)量/ kWh)。

在煤化工廠為了生產(chǎn)H2，要先將煤氣化生產(chǎn)CO，再進(jìn)行水煤氣變換反應(yīng)產(chǎn)生H2。2020年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，這一過程產(chǎn)生的碳排放量約占中國(guó)煤化工行業(yè)溫室氣體排放總量的三分之一。

鋼化聯(lián)產(chǎn)即是利用鋼鐵煤氣取代煤基H2和CO，經(jīng)凈化、提純后用于生產(chǎn)化學(xué)品。這一方面避免了將CO轉(zhuǎn)化為電力這種高碳排放系數(shù)的利用方式，另一方面也可節(jié)約一部分煤制氫工藝消耗的煤炭，從而大幅減少鋼鐵和煤化工兩個(gè)行業(yè)的溫室氣體排放量，實(shí)現(xiàn)“負(fù)負(fù)得正”的效果。

文章認(rèn)為，鋼化聯(lián)產(chǎn)在技術(shù)上已被證明是完全可行的，在可預(yù)見的將來，可能成為減少兩大行業(yè)碳排放的關(guān)鍵戰(zhàn)略。

鋼鐵煤氣覆蓋需求，節(jié)本減碳效果明顯

文章通過構(gòu)建一個(gè)基于產(chǎn)業(yè)實(shí)際的模型，研究了在全國(guó)范圍內(nèi)部署鋼化聯(lián)產(chǎn)對(duì)推動(dòng)減碳和降低企業(yè)成本的影響。

作者開發(fā)了一個(gè)包含全國(guó)272家鋼鐵廠和187家煤化工工廠(2022年數(shù)據(jù))的地理數(shù)據(jù)庫(kù)，并以管道連接現(xiàn)有鋼鐵廠和化工廠，在空間上量化了鋼鐵廠對(duì)H2和CO的供應(yīng)，以及煤化工工廠對(duì)H2和CO的需求。然后，作者對(duì)比獨(dú)立生產(chǎn)、在保證以企業(yè)盈利能力更優(yōu)為前提，以最大限度地減少碳排放為目標(biāo)，定制了一個(gè)鋼化聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)化模型，匹配鋼鐵廠和化工廠的供需。所使用的基準(zhǔn)方案是鋼鐵和化工企業(yè)各自獨(dú)立生產(chǎn)，即鋼鐵廠燃燒多余的鋼鐵煤氣發(fā)電，煤化工廠使用煤炭生產(chǎn)H2和CO。對(duì)比情景采用鋼化聯(lián)產(chǎn)模式，即從過剩鋼鐵煤氣中提純H2和CO，并通過管道輸送到煤化工工廠進(jìn)行化學(xué)合成。在不同的碳價(jià)格和管道長(zhǎng)度限制下，作者采用生命周期評(píng)估來量化鋼化聯(lián)產(chǎn)方案相對(duì)于基準(zhǔn)方案的溫室氣體減排量和成本降低量。

研究結(jié)果顯示，相對(duì)于獨(dú)立生產(chǎn)，利用焦?fàn)t煤氣提純H2進(jìn)行鋼化聯(lián)產(chǎn)，每生產(chǎn)1噸H2的溫室氣體排放量減少18.3 噸CO2當(dāng)量;利用高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣提純CO進(jìn)行鋼化聯(lián)產(chǎn)，每生產(chǎn)一噸CO的溫室氣體排放量分別減少1.1和1.2噸CO2當(dāng)量。利用焦?fàn)t煤氣提純H2替代煤基H2可以大幅降低溫室氣體排放。成本方面，與獨(dú)立生產(chǎn)相比，利用高爐和轉(zhuǎn)爐煤氣提純CO、焦?fàn)t煤氣提純H2進(jìn)行鋼化聯(lián)產(chǎn)，每噸CO的成本分別增加251元和134元，每噸H2的凈成本降低了1278元，鋼化聯(lián)產(chǎn)綜合成本顯著降低。

此外，數(shù)據(jù)表明，更長(zhǎng)的管道連接和更高的碳價(jià)可以提高碳減排量、降低企業(yè)成本。當(dāng)碳價(jià)達(dá)到350元/噸(CO2)時(shí)，相比于不征收碳稅，可減少6.9%~22%的碳排放，并降低3.4%~9.8%的成本。

基于中國(guó)鋼鐵廠和煤化工廠的地理數(shù)據(jù)庫(kù)，作者以高爐—轉(zhuǎn)爐(BF—BOF)煉鋼生產(chǎn)為基礎(chǔ)，估算了H2和CO的工廠級(jí)供應(yīng)量;還根據(jù)各種化工產(chǎn)品(甲醇、石油、天然氣、烯烴、乙二醇和乙醇)的生產(chǎn)情況估算了工廠對(duì)H2和CO的需求量。

文章認(rèn)為，總體而言，中國(guó)的鋼鐵廠可以從鋼鐵煤氣中提供350萬噸/年純化的H2，相當(dāng)于煤化工廠H2需求量(1800萬噸/年)的19%;可提供2.18億噸/年的CO(85%來自BFG，15%來自BOFG)，相當(dāng)于煤化工CO需求量(1.21億噸/年)的180%。中國(guó)鋼鐵行業(yè)副產(chǎn)的鋼鐵煤氣完全可以滿足煤化工行業(yè)對(duì)CO的需求量，且有大量富余。

企業(yè)核算效益可觀，跨界聯(lián)合仍需支持

據(jù)了解，該文完成者之一的北大先鋒在鋼化聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域已有十余年經(jīng)驗(yàn)積累，對(duì)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際有深刻的了解。北大先鋒鋼化聯(lián)產(chǎn)業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人李延奎告訴《中國(guó)化工報(bào)》記者，他們應(yīng)用該論文的相關(guān)研究數(shù)據(jù)，以二甲醚酯化加氫工藝生產(chǎn)燃料乙醇(DMTE)的技術(shù)路線為例，對(duì)鋼化聯(lián)產(chǎn)燃料乙醇的溫室氣體減排效果和企業(yè)盈利性進(jìn)行了核算。

根據(jù)自身業(yè)務(wù)實(shí)際，他們將文中的長(zhǎng)輸管道連接改為采用在鋼鐵廠附近新建化工廠的方式。此時(shí)減少了壓縮長(zhǎng)輸管線氣體的溫室氣體排放，也節(jié)省了壓縮長(zhǎng)輸管線氣體的成本。結(jié)果顯示，相對(duì)于獨(dú)立生產(chǎn)，每生產(chǎn)1噸H2的溫室氣體排放量減少至18.89 噸CO2當(dāng)量，每生產(chǎn)1噸CO的溫室氣體排放量減少至1.14噸CO2當(dāng)量和1.24噸CO2當(dāng)量(自高爐氣/自轉(zhuǎn)爐氣)。

根據(jù)化學(xué)平衡，生產(chǎn)1噸無水乙醇的原料消耗量為0.746噸甲醇，510Nm3CO(合0.6375噸CO)和1025Nm3H2(合0.0915噸H2)。

若將900萬噸新建燃料乙醇產(chǎn)能全部按利用鋼鐵煤氣計(jì)算，則對(duì)比獨(dú)立生產(chǎn)，采用鋼化聯(lián)產(chǎn)時(shí)，可為燃料乙醇行業(yè)降低原料側(cè)費(fèi)用2.88/9.59億元(自高爐氣/自轉(zhuǎn)爐氣);可為燃料乙醇行業(yè)降低溫室氣體排放量2210/2267萬噸CO2當(dāng)量(自高爐氣/自轉(zhuǎn)爐氣);合計(jì)為全行業(yè)節(jié)省碳稅77.34/79.35億元(自高爐氣/自轉(zhuǎn)爐氣，碳價(jià)以當(dāng)前350元/噸計(jì)算)。

“由此可見，將鋼鐵煤氣用于鋼化聯(lián)產(chǎn)達(dá)到的溫室氣體減排效果是非常明顯的，同時(shí)也能給企業(yè)降低成本、提高收益、提升競(jìng)爭(zhēng)力。企業(yè)有收益，環(huán)境也受益，”李延奎說，鋼化聯(lián)產(chǎn)是一種雙贏策略。

記者了解到，我國(guó)2023年汽油年表觀消費(fèi)量約1.49億噸，據(jù)此可估知，燃料乙醇量的年需求量為1490萬噸。而目前已建的燃料乙醇有效產(chǎn)能約550萬噸，仍有約900萬噸缺口。鋼化聯(lián)產(chǎn)則為此提出了“解題”新思路。

與此同時(shí)，多位業(yè)內(nèi)人士接受記者采訪時(shí)提醒，鋼鐵、化工企業(yè)的跨界聯(lián)合、共贏發(fā)展也并非坦途，還需多方支持。正如文中所提到，鋼化聯(lián)產(chǎn)使煤化工廠由于節(jié)約煤炭成本和碳交易收益從而大幅降低了成本;與此相反，鋼鐵廠由于在將鋼鐵煤氣從發(fā)電轉(zhuǎn)向化工生產(chǎn)時(shí)，需要購(gòu)買額外的電網(wǎng)電力從而大幅增加了成本。“這種情況下，如何平衡鋼鐵廠和煤化工廠之間的支出和收益是需要考慮的。”李延奎說。

針對(duì)這一問題，文章中也提出建議：政策制定者可以協(xié)調(diào)兩方的收益分配，對(duì)H2和CO進(jìn)行指導(dǎo)定價(jià)，以激勵(lì)鋼鐵行業(yè)采用鋼化聯(lián)產(chǎn);同時(shí)，為進(jìn)行鋼化聯(lián)產(chǎn)的企業(yè)提供優(yōu)惠電價(jià)的政策支持，也會(huì)促使更多企業(yè)參與進(jìn)來。

對(duì)于難減排行業(yè)的減碳需要全局思維、需要推動(dòng)跨行業(yè)耦合發(fā)展，而促使不同行業(yè)實(shí)現(xiàn)跨界聯(lián)動(dòng)則需要政策的支持和引導(dǎo)，從而在保證企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益的前提下達(dá)到降低碳排放的目的。

“‘雙碳’之路，不妨成雙而行。”李延奎如是說。中國(guó)化工報(bào)記者 李東周 通訊員 曹允玲

(新媒體責(zé)編：wa12)