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中国钢铁行业碳捕集、利用与封存 评估中国钢铁行业二氧化碳 捕集经济可行性：案例研究 来源： 中国钢铁行业碳捕集、 利用与封存 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性： 案例研究 梁希 1,2，林千果 1,3，雷明 4，刘强 5，李佳 2， WU Alisa3，刘牧心 2， ASCUI Francisco1， MUSLEMANI Hasan1, 江梦菲 1 2018 年 10 月 1 爱丁堡大学商学院， 爱丁堡， 英国 2 中英（广东） CCUS 中心，广东，中国 3 中国华北电力大学，北京，中国 4 北京大学光华管理学院，北京，中国 5 国家应对气候变化战略研究和国际合作中心，北京，中国 I 目录 免责声明 . III 致谢 .IV 缩略词 .V 1 执行摘要 . 1 2 综述 . 2 3 钢铁制造工艺以及减排机制 . 5 3.1 不同的炼钢工艺 . 5 3.2 钢铁行业二氧化碳排放源 . 9 3.3 潜在的减排技术 . 11 4 案例分析假设 . 13 4.1 技术假设 . 13 4.2 经济性 假设 . 15 5 经济分析结果 . 18 6 结论 与 后续 研究建议 . 20 参考文献 . 22 II 图表 图 1. 世界和中国钢铁生产 （ World Steel Association, 2016） . 3 图 2. 典型钢生产工艺流程图 . 5 图 3. 烧结矿生产工艺流程图 . 6 图 4. 球团矿生产工艺流程图 . 7 图 5. 钢铁生产路线 . 9 图 6. 典型钢厂的系统边界和二氧化碳排放源 . 10 图 7. 不 同贴现率下的二氧化碳减排成本 . 19 表格 表 1. 中国 CCUS 政策文件 . 2 表 2. 粗钢总产量 . 4 表 3. 2015 年国内粗钢生产及炼钢工艺，按企业分类 . 8 表 4. 钢铁生产过程中主要的二氧化碳来源 . 11 表 5 宝钢湛江钢铁厂主要仪器设备 . 14 表 6 编码工艺流程和子流程 . 14 表 7 高炉烟气流成分估算 . 15 表 8. 捕集系统总投资 . 17 表 9. 燃料和消费品变量成本 . 17 表 10. 捕集设施运营成本 . 18 表 11. 中国 50 万吨级 CCUS 项目的假设现金流模型 . 19 III 免责声明 除另有声明外，本刊物版权归爱丁堡大学商学院、华北电力大学及中英 （广东） CCUS 中心所有。除法律允许的任何用途外，本出版物的任何部分未经 双方书面许可不得转载。 其他事宜可咨询 ccusbusiness-school.ed.ac.uk. 参与本报告的研究人员尽量使本报告中出现的的信息精准。但是，它不能 保证本报告中的信息完全可靠、准确或完整。因此，在进行投资或商业决策时， 不应完全依赖本出版物中的信息。爱丁堡大学商学院（ University of Edinburgh Business School）不对本出版物中提 到的任何外部或第三方互联网网站关于本报 告链接的持久性或准确性负责，也不保证这些网站上的任何内容是准确或合适 的。爱丁堡大学商学院（ University of Edinburgh Business School）及其员工和顾 问在允许的最大范围内，对于使用或依赖本出版物中的信息，包括根据本出版 物提供的信息做出的任何商业或投资决定，不承担任何责任（包括过失）。 IV 致谢 我们感谢必和必拓工业二氧化碳捕集项目的资助，特别感谢 Graham Winkelman 先生和欧阳军先生的大力支持。感谢 Ayesha Sodha 女 士对项目开发 支持。感谢宝武钢铁和山东钢铁提供的相关信息。 引用格式 Liang X, Lin Q, Lei M, Liu Q, LI J, Wu A, Liu M, Ascui F, Muslemani H, Jiang, M. 2018. Assessing the economics of CO2 capture in Chinas iron/steel sector: a case study. Working Paper 4.8 for the BHP Industrial CCS Project Unlocking the Potential of CCUS for Steel Production in China. The UK-China (Guangdong) CCUS Centre and the University of Edinburgh, Edinburgh. V 缩略词 ASPEN Advanced System for Process Engineering 过程工程的先进系统 ASU Air Separation Unit 空气分离装置 BF Blast Furnace 高炉 BFC Blast Furnace Capture 高炉捕集 BOF Basic Oxygen Furnace 氧气顶吹转炉 BSZ Bao Steel Zhanjiang 宝钢湛江钢厂 CCS Carbon Capture and Storage 碳捕集与封存 CCUS Carbon Capture, Utilisation and Storage 碳捕集利用与封存 CFP Lifecycle Incremental Cost for Steel Product 钢产品的生命周期增量成本 CNE China Emissions Exchange 中国碳排放交易 COA Cost of CO2 Avoidance 避碳成本 DRI Direct Reduced Iron 直接还原铁 EAF Electric Arc Furnace 电弧炉 IEA International Energy Agency 国际能源署 INDC Chinas Intended Nationally Determined Contribution 中国国家自主贡献 IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change 政府间气候变化专门委员会 MCC Metallurgical Group Corporation 冶金集团公司 MOST Ministry of Science and Technology 科技部 NDRC National Development and Reform Commission 国家发展和改革委员会 OHF Open-hearth Furnace 平炉 PSA Pressure Swing Adsorption 变压吸附 TSA Temperature Swing Adsorption 变温吸附 UNFCCC United Nations Framework Convention on Climate Change 联合国气候变化框架公约 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 1 1 执行摘要 本研究 旨在形成 中国现代钢铁生产工厂理论首个二氧化碳捕集和封存项目 的技术经济分析。它假定使用胺法来捕集相对高浓度的铁制造过程中的二氧化 碳排放。该项目的技术配置是使用过程工程的先进系统（ ASPEN）和财务模型 结合建模。分析表明： 假设一个典型 CCS钢铁碳捕集项目， 每年减排 50万吨二氧化碳（ 0.5 MtCO2/ 年）， 并且采用管道 运输和 和进行咸水层封存，其项目 成本为每吨 CO2 442.54 元（约 63.22 美元） 。 假设项目以 90%容量（ 0.45 MtCO2/年）运行 25 年，将捕集 到 1125 万吨二氧 化碳（ 11.25 MtCO2）。然而，部分 捕集到的 二氧化碳 会 被能耗增加产生的 排放所抵消，因此该项目每年减排二氧化碳总量仅为 40 万吨每年（ 0.40 MtCO2/年），或在其生命周期内总计减排 993 万吨二氧化碳（ 9.93 MtCO2）。 当项目成本仅分摊到与 993 万吨二氧化碳（ 9.93 MtCO2）（占钢铁总产量的 2.6%）相关的钢量时，成本为每吨钢 730.19 元（ 约 104.31 美元） 。然而， 如果成本分摊到工厂的整个生产过程中，生产成本仅为 18.74 元（ 约 2.68 美 元）每吨 。 避碳成本受许多假设影响，包括贴现率和二氧化碳运输和封存的成本。 在 考 虑到宝钢的资金成本和二氧化碳捕集项目的风险 的前提下 ，假设捕集项目的 贴现率为 12%。如果一个项目被认为是一个适度的风险投资，并且贴现率为 8%，那么二氧化碳避免的成本（即减排成本）将从 442.54 元 （约 63.22 美 元） 每吨二氧化碳 减少到 407.56（约 58.22 美元） 元每吨 。如果该项目能与 其他大型固定排放源共享基础设施，那么运输和存储成本假设可能会更低。 虽然成本假设是 普适 的，但未来的学习和升级可能会使成本最小化， 然而 目 前钢铁行业的衰退环境不太可能在没有外部支持的情况下承担这样一个项目 的额外成本。我们建议，应用研究的下一步应该是政府和企业创新理念的结 合，为示范项目提供必要的财政支持。 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 2 2 综述 2015 年 12 月达成的巴黎协 定 制定了全球行动计划以避免危险的气候变 化，通过抑制全球变暖将长期温度上升限制在较工业化前水平 2 摄氏度以内， 并尽最大努力将温度上升限制在 1.5 摄氏度以内（ UNFCCC, 2015:p. 2）。 2 摄氏 度目标相当于大量并快速将全球人均排放量每年 7 吨二氧化碳在 2030 年降到 4 吨， 2050 年降至 2 吨（ ADB， 2015）。国际能源署 IEA（ 2015）指出， CCS （碳捕集与封存）技术可以在 2010 年至 2050 年间减少 13%的温室气体排放。 表 1. 中国 CCUS 政策文件 年份 机构 CCUS 相关政策文件 2006 国务院 国家中长期科学技术发展规划纲要（ 2006 2020） 2007 科技部 中国国家气候变化项目 2007 科技部 、 NDRC、 外交部等 中国应对气候变化科技专项行动 2011 科技部社会科学技术司 中国的碳捕集、利用与封存技术路线图 2011 科技部 国家 “十二五 ”科技发展规划 2011 国务院 “十二五 ”温室气体排放控制工作规划 2012 国务院新闻办 中国能源政策（ 2012）白皮书 2012 国家能源局 煤炭产业 “十二五 ”发展规划 2013 科技部 “十二五 ”国家碳捕集利用与封存技术专项发展规划 2013 NDRC 关于促进碳捕集、利用与封存示范的通知 2013 国务院 国务院关于加快发展节能环保产业的意见 2013 环境保护部 关于加强碳捕集、利用与封存试验示范项目环境保护 工作的通知 2014 国务院办公厅 2014 - 2015 年低碳发展节能减排行动计划 2015 国务院新闻办 加强应对气候变化行动 ： 中国国家自主贡献（ INDCs） 来源 : State Council, 2006; MOST, 2011; NDRC, 2012; MOST, 2013; GDCCUSC, 2016: p. 24 中国对巴黎协 定 中所 制定的国家自主贡献（ INDC）包括二氧化碳排放 量在 2030年达到顶峰（尽最大努力提早达到峰值），相比 2005年水平，到 2030 年降低 60-65%单位 GDP 二氧化碳排放量，并提高非化石能源占一次能源消费 比重 20%左右（ NDRC, 2015a:p. 5）。 INDC 概述了一系列低碳技术和减少温室 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 3 气体排放的机制，包括建立一个全国性的碳市场。碳捕集、利用与封存 （ CCUS）被列为重点低碳技术（ NDRC, 2015b:p. 8）。中国政府在各种政策机 制支持碳捕集、利用和封存方面已有 十 年的经验（见 表 1）。 钢铁行业为社会提供了基础原料，但钢铁行业也是能源和碳密集型行业之 一，是全球人为二氧化碳排放的主要排放源（ Leeson et al., 2014）。根据政府间 气候变化专门委 员会（ IPCC）的第五份评估报告， 2006 年钢铁生产每年产生超 过 26 亿吨二氧化碳（ GtCO2），相当于全球人为二氧化碳排放量的 5%（ IPCC， 2014； Fischedick et al， 2014）。 2015 年， 全球粗钢产量达 到 16 亿吨，比 2005 年的 11 亿吨增加了 41%（图 1 和表 2）。尽管 2015 年中国粗钢产量下降了 2%，但国际能源署估计，全球粗 钢产量将出现长期增长。应用环保和低碳技术是全球钢铁行业未来的主要趋势 (Sodsai and Rachdawong， 2012； Moya et al， 2013； Wen et al， 2014； Morfeldt et al， 2015； Riccardi et al， 2015； Tsai et al， 2015) 。 根据 欧盟委员会（ EU Commission）的低碳路线图预计，到 2050 年年底，全球每吨粗钢的排放强度将 低于每吨 0.2吨，而欧盟目前的排放水平为每吨 1.3吨以上，而中国 2014年的平 均二氧化碳排放量为 2.18 吨 /吨 粗钢 （ Zou， 2015）。该路线图建议， CCS 是实 现钢铁行业更大规模减排的关键技术。 图 1. 世界和中国钢铁生产 （ World Steel Association, 2016） 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 2 0 0 9 2 0 1 0 2 0 1 1 2 0 1 2 2 0 1 3 2 0 1 4 2 0 1 5 Crude Ste el P ro du ct io n ( m illi o n t o nn es) W o r ld R es t o f wo r ld C h in a 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 4 表 2. 粗钢总产量 区域和国家 2015（百万吨） 2014（百万吨） 2015/2014（ %） 欧盟（ 28 国） 165.3 169.3 -2.42 欧盟 其它 35.7 38.4 -7.56 独联体 102.1 106.1 -3.92 北美 110.2 121.2 -9.98 美国 78.8 88.2 -11.93 南美 43.9 45.0 -2.50 非洲 13.0 15.0 -15.38 中东 29.2 30.0 -2.74 亚洲 1,113.6 1,139.7 -0.02 中国 803.8 822.8 -2.36 日本 105.2 110.7 -5.23 大洋洲 6.5 5.5 15.38 澳大利亚 4.9 4.6 6.12 新西兰 1.6 0.9 43.75 全球 1,620.9 1,669.9 -3.02 来源 : World Steel Association (2015; 2016); The Editorial Board of China Steel Yearbook (2015) 目前世界上只有两个正在开发的大型钢铁行业一体化 CCS 项目：超低二氧 化碳钢铁联盟（ UCLOS）高炉项目和阿联酋钢铁工业 CCS 项目（ GCCSI， 2016）。 UCLOS高炉项目旨在从位于法国的高炉燃气锅炉中每年捕集高达 70万 吨 CO2。阿联酋钢铁工业 CCS 项目正计划从直接还原铁（ DRI）设施中每年捕 集 80 万吨 CO2。尽管中国是全球最大的粗钢生产国，但它还没有任何钢铁行业 CCS 的 示范项目。亚洲发展银行（ ADB, 2015: 31）建议，中国新建钢厂应考虑 CCS 就绪设计。 因此，这份报告分析了假设中的中国钢铁厂二氧化碳捕集技术的技术经济 性能。本报告结构如下：第 3 节概述了典型的钢铁制造过程， 以及 综述了该领 域内潜在的减排机制。第 4节概述了中国普通钢厂的技术和财务建模假设。第 5 节介绍了技术经济分析结果，然后是第六部分总结。 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 5 3 钢铁制造工艺以及减排机制 3.1 不同的炼钢工艺 钢铁的生产分为两个主要阶段：（ a）从铁矿石中提取生铁的冶铁过程； （ b）将生铁提纯制成粗钢的炼钢过程。这两个阶段可以进一步分解为四个步骤 （ IEA， 2007； Carpenter， 2012），如图 2 所示 : (i) 原料制备，即炼焦和铁矿石制备 ; (ii) 炼铁，即铁矿石由碳基试剂还原产生热金属（也称为“生铁”，在铸 成锭时）或直接还原铁 DRI，一种固体产品 ; (iii) 炼钢，将热金属 /生铁或还原铁转化为液态钢 ; (iv) 生产钢材，对钢材进行浇铸、再加热、轧制和加工。 图 2. 典型钢生产工艺流程图 制 煤 煤 热 炉 空 气 / 氧 气 高 炉 吹 氧 转 炉 转 炉 钢 渣 烧 结 制 球 直 接 还 原 铁 电 弧 炉 钢 包 冶 金 / 铸 钢 轧 钢 和 精 整 电 弧 炉 钢 渣 利 用 焦 化 热 风 / 空 气 生 铁 / 铁 水 矿 石 高 炉 钢 渣 钢 水 粗 钢 成 品 钢 直 接 还 原 铁 / 海 绵 铁 钢 水 铸 铁 生 产 铸 铁 废 钢 废 钢 废 钢 废 钢 铁矿石制备厂有两种：烧结厂和球团厂（分别为图 3和图 4）。球团矿几乎 总是由一种明确定义的铁矿石制成，或者集中在矿井中，然后转化为这种形式。 烧结矿通常是由预备的细矿石、残渣和添加剂混合物（ Hidalgo et al.， 2003）所 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 6 制成的。在过去的 20年里，尽管来自 DRI的钢的份额稳步增长，几乎 60%的钢 铁都来自于热金属 /生铁。生铁是在高炉中生产的。如今，全球约 5%的钢材来 自 DRI, 35%的粗钢来自废钢。这些发展之所以重要，是因为它们 对 能源使用和 二氧化碳排放 具有 显著 的 影响（ IEA， 2007）。 图 3. 烧结矿生产工艺流程图 铁 粉 生 石 灰 白 云 石 粉 烧 结 粉 末 烧 结 配 料 室 初 次 混 合 二 次 混 合 蒸 汽 配 料 器 烧 结 机垫 底 材 料 单 辊 破 碎 冷 却 筛 选 2 0 m m 1 0 m m 1 0 - 2 0 m m 集 尘 管 除 尘 器 引 风 机 脱 硫 设 备 炉 身 直 排 大 气 制 成 品 基 体 材 料 煤 气 空 气 返 矿 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 7 图 4. 球团矿生产工艺流程图 铁 粉 膨 润 土 球 团 厂 配 料 室 混 合 造 球生 球 破 碎 布 料 器 竖 式 炉 煤 气 除 尘 引 风 机 炉 身 直 排 大 气 制 成 品 水 9 - 1 6 m m 筛 选 9 m m 1 6 m m 空 气 图 5 显示了炼铁和炼钢生产路线的简图。在全球范围内，生产钢铁的主要 途径有两种：高炉基础氧炉路线（ BOF）和电弧炉路线（ EAF）。这些路线之 间的关键区别在于它们消耗的原材料的类型。在 BOF 路线中，这些主要是铁矿 石、煤炭和可再生钢（废钢），而 EAF 路线主要生产的是可再生钢。根据工厂 结构回收钢的可得 性，还可以在 EAF 路线中使用其他的金属铁，如 DRI 或热金 属。 BOF 路线总是使用一些废钢（高达 30%），而 EAF 可以用 100%的废钢。 另一种炼钢技术，平炉（ OHF），约占全球钢铁产量的 1%。 OHF过程是高度能 源密集型的，由于其环境和经济上的不利因素而在逐步淘汰。如表 3 所示，中 国大部分钢厂采用 BOF 路线。 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 8 表 3. 2015 年国内粗钢生产及炼钢工艺，按企业分类 企业 地区 2015年粗钢产量 （百万吨） 炼钢工艺 河钢集团 唐山钢铁 河北 47.75 BOF 邯郸钢铁 BOF 宣化钢铁 BOF 承德钢铁 BOF 舞阳钢铁 BOF 石家庄钢铁 EAF, BOF 宝钢集团 上海 34.94 EAF, BOF 沙钢集团 江苏 34.21 EAF, BOF 鞍钢集团 辽宁 32.50 BOF 首钢集团 河北 28.55 BOF 武钢集团 湖北 25.78 EAF, BOF 山东钢铁集团 济南钢铁 山东 21.69 BOF 莱芜钢铁 BOF 马鞍山钢铁公司 安徽 18.82 EAF, BOF 天津渤海钢铁 天津 16.27 EAF, BOF 建龙集团 天山建龙 湖北 15.14 BOF 承德 建龙 河北 BOF 黑龙江建龙 黑龙江 BOF 吉林建龙 吉林 BOF 抚顺新钢铁 辽宁 BOF 唐山新宝泰 湖北 BOF 本溪钢铁集团 辽宁 14.99 EAF, BOF 日照钢铁 山东 14.00 BOF 方大 钢铁 江西 13.21 BOF 包头钢铁 内蒙古自治区 11.86 BOF 敬业钢铁 河北 11.32 BOF 柳州钢铁 广西 10.83 BOF 安阳钢铁 河南 10.74 EAF, BOF 纵横钢铁 河北 10.38 EAF, BOF 太原钢铁 山西 10.26 BOF, EAF 津西钢铁 河北 9.77 BOF 三明钢铁 福建 9.58 BOF 新余钢铁 江西 8.64 BOF 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 9 南京钢铁 江苏 8.59 EAF, BOF 国丰钢铁 河北 8.29 BOF 酒泉钢铁 甘肃 7.69 EAF, BOF 来源： World Steel Association, 2016; Price et al., 2001; The Editorial Board of China Steel Yearbook, 2015. 图 5. 钢铁生产路线 炼 铁 生 铁 炼 铁 熔 炼 还 原 炼 铁 直 接 还 原 铁 炼 钢 平 炉 ( O H F ) 炼 钢 吹 氧 转 炉 ( B O F ) 炼 钢 电 弧 炉 ( E A F ) 炼 钢 电 弧 炉 ( E A F ) 铸 锭 连 续 浇 铸 薄 板 坯 连 铸 热 轧 冷 轧 废 钢 废 钢 3.2 钢铁行业二氧化碳排放源 钢铁制造业占全球制造业二氧化碳排放量的最大比例。二氧化碳排放量高 的原因是钢铁生产的能源强度大、主要能源来源依赖煤炭以及钢铁产量大 （ Carpenter， 2012） 。钢铁行业的平均二氧化碳浓度是每生产一吨钢会产生 1.9 吨二氧化碳（ IEA, 2007； KUNDAK et al.， 2009； Quaderet al.， 2014）。不同的 工艺路线下钢铁生产的碳排放强度有很大 差异 ，从废钢 /电弧炉（ EAF）工艺约 0.4 tCO2 每吨粗钢 ， 一体氧气顶吹转炉（ BOF）工艺的 1.7 - -1.8 tCO2 每吨粗钢， 到煤基直接还原铁（ DRI）工艺的 2.5 tCO2 每吨粗钢（ Carpenter， 2012； Ruijven et al， 2016）。 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 10 图 6. 典型钢厂的系统边界和二氧化碳排放源 精 煤 焦 化 烧 结 / 球 团 炼 铁 炼 钢 轧 钢 焦 油 , 粗 苯 焦 炭 无 烟 煤 石 灰 岩 Jin et al, 2015; Lisienko et al., 2015）。 这项研究没有考虑到其他非厂房现场的排放，但是对钢铁行业的二氧化碳排放 进行进一步的归果分析是有益的（ Huang et al, 2010）。 在钢铁生产过程中的二氧化碳排放包括： (1)化石燃料的现场燃烧直接排放； (2)加工相关（即非能源）排放； (3)生产过程中所消耗的电力的间接排放（表 4）。产生直接二氧化碳排放的主要设备有烧结机、焦炉、干淬炉、高炉、转炉、 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 11 连铸机、轧机、立窑、回转窑、发电锅炉（ Carpenter, 2012; Zhang et al, 2013a; Zuo et al, 2013; GB/T 32151.5-2015）。 表 4. 钢铁生产过程中主要的二氧化碳来源 过程 二氧化碳源 烧结 /球团 固体燃料，点火气体，煅烧 炼焦 精煤、焦炉加热燃料等 炼铁 炼焦还原铁工艺，热风炉消耗 炼钢 铁水脱碳 连铸 -冷 /热轧 热处理使用燃料 3.3 潜在的减排技术 根据不同钢铁生产 过程 的二氧化碳排放顺序，钢铁行业减少二氧化碳排放 的途径可分为以下三类 : (1) 碳源 （改用较低的二氧化碳排放系数燃料）； (2) 碳排放最小化 （例如，尽量减少能源消耗，并提高基础工序的能源效率 )； 以及 (3) 碳汇 （ 收集二氧化碳并储存在地下 ）（ Xu and Cang, 2010; Hasanbeigi and Price, 2012; Xu et al, 2013; Quader et al., 2014; Carpenter, 2012）。 基于碳源的减排理念是采用低碳含量的燃料和 /或还原剂。使用“零碳”或 “低碳”能源载体（如风能、核能、水力、生物量、燃料电池等）代替化石燃 料可以防止二氧化碳的排放。通过减少化石燃料的使用，可以减少二氧化碳的 排放（ Quader et al., 2014; Mousa et al, 2016）。煤可以被取代的程度取决于制铁 的过程。一般来说，直接还原过程可以在反应器内（旋转窑、旋转炉）或将生 物质气化而不是煤，并将 产生的合成气注入竖炉中（ Carpenter, 2012）。已经开 发出了直接使用非焦煤（块状、细粒或颗粒）减少熔炼的工艺，从而消除了对 焦炉和烧结矿厂的需要以及相关的二氧化碳排放。 另一条去碳化的途径是利用节能技术将钢铁厂排放的二氧化碳降至最低。 这需要提高能源转换、运输和利用的效率（ Quader et al.， 2014）。提高能源效 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 12 率的主要措施包括加强连续过程以减少热量损失，增加能源和过程气体的回收， 以及有效设计（ Carpenter, 2012）。多年来，钢铁工业通过提高能源效率、减少 焦炭和煤炭消耗、利用副产 品燃料、增加生物质能和可再生能源的使用以及实 施其他技术，作出了大量努力，以减少能源消耗和降低二氧化碳排放。 第三种关注的是碳汇。其概念是 将 排放的二氧化碳回收或捕集排放的二氧 化碳，然后将其储存在永久的碳汇中，而不是释放到大气中（ Quaderet al.， 2014）。除了提高能源效率所带来的上述减排之外，还 具有 进一步减排的巨大 潜力， 必须 通过向电厂提供碳捕集与封存设备才能实现这一目标（ Ghanbari, 2015）。在有空间的前提下，在钢铁厂的所有烟囱上应用 CCS 是可能的 （ Carpenter, 2012;Burchsrt-Korol et al .,2016;Kuramochi,2016）。它不会中断上下 游过程，但运输和封存二氧化碳的成本相对较高。该研究将分析一种以胺为基 础的技术，用于在钢高炉中捕集二氧化碳。基于胺的技术是全球最流行的碳捕 集技术之一，也被认为是一种有成本效益的方法。它在石油和化学工业中已经 应用了 60 多年 用于从气体流中去除硫化氢和二氧化碳。在商业上，它是最 成熟的二氧化碳捕集技术，尽管实践经验主要存在于气体流（与烟气流的氧化 性质相反，气体流的化学还原）。利用该技术，二氧化碳回收率可达 98%，产 品纯 度可达 99%以上（ H Liang et al, 2010）。 固体吸附剂如沸石和活性炭，可以用 于 从气体混合物中分离二氧化碳。在 变压吸附（ PSA）中，气体混合物在高压下通过一个充满的吸附剂层，直到理 想气体浓度接近平衡。吸附剂层是通过降低压力而再生的。在变温吸附（ TSA） 中，通过提高吸附剂的温度 使 吸附剂 再生 。 PSA 和 TSA 是商业应用的气体分离 方法，在某种程度上被用于制氢和从天然气中去除二氧化碳。然而，由于现有 吸附剂的容量和二氧化碳选择性较低， 对于 大规模的二氧化碳分离， 吸附法 还 未能引起相应的关注 ， 但它 可能与另一种 捕集技术相结合 可以达到更好的效果 （ Qiang Wang et al, 2011）。气体分离膜使气流中的一个组分比其他组分通过得 快。气体分离膜有多种类型，包括多孔无机膜、钯膜、聚合物膜和沸石。膜通 常不能实现高度的分离，因此有必要进行多个阶段和 /或循环利用。这导致了复 杂性、能耗和成本的增加（ Sanders et al, 2013）。 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 13 本报告还研究了氨捕集（ Han et al, 2014）、水气转移技术（ Dijk et al, 2015）、改造高炉燃烧前捕集（ Onarheim and Arasto, 2016）和 钙循环（ Mattila et al, 2014）等其他具有潜在颠覆性的技术（ Ravelli,2015;Cormos,2016）。然而， 基于胺的技术仍然是钢铁行业碳捕集的最佳选择，不仅因为它的捕集效率，还 因为它的经济效率。 4 案例分析假设 4.1 技术假设 本研究以宝钢湛江钢铁厂（ BSZ）为研究对象，通过高炉（ BF）途径评估 通用粗钢生产厂的碳捕集和封存的经济性（ Bao Steel, 2016a; Bao Steel, 2016b）。 假设一个理论改造项目能够从高炉的滑流中捕集 50 万吨 CO2 /年。该研究假设 应用成熟的胺法燃烧后 CO2捕获技术。 宝钢 湛江钢铁厂 是中国设计最先进的钢厂之一，布局紧凑，包括废旧金属 回收集成单元和污染控制单元。 该 厂位于广东省西部湛江市东海岛，占地 12.98 平方公里。与发展阶段的石油化工中石化 -科威特项目同处一地。宝钢湛江钢铁 厂于 2016 年 7 月竣工，总资本投资额人民币 500 亿元 （约 7.1 亿美元） ，年产 量 938 万吨钢材（ 448 万吨热铸件和 490 万吨冷铸件）。该厂是由中国冶金集团 公司（ MCC）设计，项目主要设备详见下 表 5。 在 本研究中，高炉综合炼钢过程包括六个模块，并使用了 ASPEN 评估宝钢 湛江钢铁厂的财务假设。 ASPEN 是最先进的过程模拟器和经济评价软件，用于 工程化化石能源转化工艺。软件系统可以运行稳定的物料与能量平衡，确定设 备尺寸和成本，并进行初步经济评价。本评估采用 IEA GHG（ 2013a 和 2013b） 和 Tsupari 等人（ 2013, 2015）研究的方法，模块被编码并用于仿真和成本分析， 如表 6 所示。本研究没有对 CO2 封存工程设计进行假设，但基于成本目的，封 存被编码为 BF800。 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 14 表 5 宝钢湛江钢铁厂主要仪器设备 设备名称 规模 数量 高炉 5050 m3 2 旋转炉 350 吨 3 双流板坯连铸机 2300mm 1 双流板坯连铸机 1650mm 1 钢带热轧机 2250mm 1 钢带热轧机 1780mm 1 薄纸板压铸机 4200mm 1 钢带冷轧机 2030mm 1 钢带冷轧机 1550mm 1 原料装载站 3 百万吨装载量 1 石灰厂 2 台滚动球磨机和 1 台 固定球磨机， 84 万吨 1 燃煤燃气电厂 350MW 临界容量 2 空气分离装置 60,000 Nm3/h 3 海水净化装置 15,000 吨 /天 2 表 6 编码工艺流程和子流程 原料准备 （编码： BF100） 石灰石生产（ BF110） 烧结生产（ BF120） 焦炭生产（ BF130） 制钢工艺流程（ BF200） 高炉（ BF210） 热金属脱硫（ BF220） 炼钢生产线（ BF300） 碱性氧气炼钢（ BF310） 二次炼钢（ BF320） 铸件（ BF400） 连铸机（高炉 410） 精轧机（ BF500） 再热（ BF510） 连动（ BF520） 其他辅助，例如电站和空分单元（ BF600） 空气分离装置 （ BF610） 燃煤电厂（ BF620） 废金属回收装置（ BF630） 处理单元（ BF640） 高炉捕集（ BF700） 烟气净化流程（ BF710） 捕集模型（ BF720） 压缩模型（ BF730） 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 15 据估计，高炉烟气中的 CO2 约为 20%浓度（ Zhang et al., 2013b）。含 CO2 烟气从高炉顶部通入气体净化流程（ BF710），净化的烟气进入胺基化学吸收 模块（ BF720），捕集 到 的高纯度 CO2 经压缩储存后再进行输送用于封存。剩 余的富含 H2 和 CO 的烟气通过燃气加热器回到高炉底部进行循环使用。高炉烟 气的成分详见 表 7。 表 7 高炉烟气流成分估算 高炉气体 单位 含量 CO2 % (v/v) 干基 20% CO % (v/v) 干基 25% H2 % (v/v) 干基 3% N2 /Air % (v/v) 干基 49% H2S mg/Nm3 10 Particulate Matter mg/Nm3 5 Mn mg/Nm3 0.2 Pb mg/Nm3 0.05 Zn mg/Nm3 0.05 4.2 经济性 假设 该项目的经济型分析包括以下两个主要参数： a) 减排成本 （ COA， 元 /吨 CO2）， 如公式 3-1： = (In+On+Fn+Sn) (1+r)n Tn=0 (QnAn)(1+r)nTn=0 (3-1) 公式中， In， n 年的投资费用， On， n 年的固定运营成本， Fn， n 年的变量运营成本， Sn， n 年的运输和封存成本， Qn， n 年的 CO2捕集总量， 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 16 An， n 年 为捕集和压缩 CO2提供蒸汽和电力的辅助发电站产生的 CO2总量 r，贴现率 （即，预期收益率），和 T，生命周期 b) 钢 铁生产增量成本 （ CFP，元 /吨），如公式 3-2： = (In+On+Fn+Sn) (1+r)n Tn=0 Yn(1+r)nTn=0 (3-2) 公式中 In， n 年的投资费用， On， n 年的固定运营成本， Fn， n 年的变量运营成本， Sn， n 年的运输和封存成本， Yn， n 年的粗钢产量 ， r，贴现率 （即，预期收益率） ， 除以钢铁厂不进行捕集的钢总 CO2排放的 CO2减排分数， 和 T，生命周期 捕集设施的资本成本预估 3.6亿元 （约 5100万美元） ，其中 7%为业主成本 的保证金（ 表 8. ）。此外， 2000 万元 （约 290 万美元） 作为公司监督项目发展 的运营成本，以及一次性 200 万元 （约 29 万美元） 启动资金。模拟结果表明， 辅助发电站（产生蒸汽和电力用于捕获、压缩和存储）的电力输出损耗为 142kWh/tCO2（ 表 8. ）。假设煤炭价格为人民币 27 元 /GJ（约 4 美元 /GJ），则 包含辅助电源成本的电价为 0.48 元 /kWh（约 7 美分 /kWh） ，比广东基准 趸售 电 价高约 10%。购买溶剂的成本是 40000 元 /吨 （约 5714 美元 /吨） 胺液。固定的 运维成本假设为 1200 万元 /年 （约 170 万美元 /年） （ 表 10. ）。 评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究 17 表 8. 捕集系统总投资 捕集系统的成本构成 百万元 工厂成本 360.0 业主成本 25.2 运营成本 20.0 筹备费用 2.0 总投资 407.20 表 9. 燃料和消费品变量成本 变量成本构成 胺成本（元 /吨） 4000