《Nature》子刊研究鋼化聯(lián)產(chǎn)：以跨界思維 行雙碳之路

國際頂級學(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)對中國溫室氣體減排的積極作用。文章認為，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“雙碳"目標的實現(xiàn)需要更多的跨界思維。

這篇論文由美國普林斯頓大學(xué)執(zhí)筆，清華大學(xué)、東北大學(xué)國家環(huán)境保護重點實驗室、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。《中國化工報》記者采訪了北大先鋒相關(guān)負責(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“負負得正"

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)計到2040年成本仍將居高不下。

鋼鐵煤氣主要包括焦爐煤氣（COG）、高爐煤氣（BFG）和轉(zhuǎn)爐煤氣（BOFG）。中國的鋼廠每年約產(chǎn)生1.2萬億標準立方米的鋼鐵煤氣，主要由一氧化碳（CO）、氫氣（H2）、甲烷（CH4）、CO2和氮氣（N2）組成。具體而言，焦爐煤氣具有高濃度的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)電的碳排放強度為1940?gCO2當量/?kWh，遠高于中國電網(wǎng)供電（590?gCO2當量/?kWh），甚至煤炭發(fā)電（930?gCO2當量/?kWh）。

在煤化工廠為了生產(chǎn)H2，要先將煤氣化生產(chǎn)CO，再進行水煤氣變換反應(yīng)產(chǎn)生H2。2020年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，這一過程產(chǎn)生的碳排放量約占中國煤化工行業(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行業(yè)的溫室氣體排放量，實現(xiàn)“負負得正"的效果。

文章認為，鋼化聯(lián)產(chǎn)在技術(shù)上已被證明是可行的，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)建一個基于產(chǎn)業(yè)實際的模型，研究了在全國范圍內(nèi)部署鋼化聯(lián)產(chǎn)對推動減碳和降低企業(yè)成本的影響。

作者開發(fā)了一個包含全國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，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H2和CO的供應(yīng)，以及煤化工工廠對H2和CO的需求。然后，作者對比獨立生產(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，定制了一個鋼化聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)化模型，匹配鋼鐵廠和化工廠的供需。所使用的基準方案是鋼鐵和化工企業(yè)各自獨立生產(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行化學(xué)合成。在不同的碳價格和管道長度限制下，作者采用生命周期評估來量化鋼化聯(lián)產(chǎn)方案相對于基準方案的溫室氣體減排量和成本降低量。

研究結(jié)果顯示，相對于獨立生產(chǎn)，利用焦爐煤氣提純H2進行鋼化聯(lián)產(chǎn)，每生產(chǎn)1噸H2的溫室氣體排放量減少18.3?噸CO2當量；利用高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣提純CO進行鋼化聯(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當量。利用焦爐煤氣提純H2替代煤基H2可以大幅降低溫室氣體排放。成本方面，與獨立生產(chǎn)相比，利用高爐和轉(zhuǎn)爐煤氣提純CO、焦爐煤氣提純H2進行鋼化聯(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，更長的管道連接和更高的碳價可以提高碳減排量、降低企業(yè)成本。當碳價達到350元/噸（CO2）時，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。

基于中國鋼鐵廠和煤化工廠的地理數(shù)據(jù)庫，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H2和CO的需求量。

文章認為，總體而言，中國的鋼鐵廠可以從鋼鐵煤氣中提供350萬噸/年純化的H2，相當于煤化工廠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），相當于煤化工CO需求量（1.21億噸/年）的180%。中國鋼鐵行業(yè)副產(chǎn)的鋼鐵煤氣可以滿足煤化工行業(yè)對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)驗積累，對相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展實際有深刻的了解。北大先鋒鋼化聯(lián)產(chǎn)業(yè)務(wù)負責(zé)人李延奎告訴《中國化工報》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)盈利性進行了核算。

根據(jù)自身業(yè)務(wù)實際，他們將文中的長輸管道連接改為采用在鋼鐵廠附近新建化工廠的方式。此時減少了壓縮長輸管線氣體的溫室氣體排放，也節(jié)省了壓縮長輸管線氣體的成本。結(jié)果顯示，相對于獨立生產(chǎn)，每生產(chǎn)1噸H2的溫室氣體排放量減少至18.89?噸CO2當量，每生產(chǎn)1噸CO的溫室氣體排放量減少至1.14噸CO2當量和1.24噸CO2當量（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算，則對比獨立生產(chǎn)，采用鋼化聯(lián)產(chǎn)時，可為燃料乙醇行業(yè)降低原料側(cè)費用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當量（自高爐氣/自轉(zhuǎn)爐氣）；合計為全行業(yè)節(jié)省碳稅77.34/79.35億元（自高爐氣/自轉(zhuǎn)爐氣，碳價以當前350元/噸計算）。

“由此可見，將鋼鐵煤氣用于鋼化聯(lián)產(chǎn)達到的溫室氣體減排效果是非常明顯的，同時也能給企業(yè)降低成本、提高收益、提升競爭力。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2023年汽油年表觀消費量約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，多位業(yè)內(nèi)人士接受記者采訪時提醒，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，需要購買額外的電網(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H2和CO進行指導(dǎo)定價，以激勵鋼鐵行業(yè)采用鋼化聯(lián)產(chǎn)；同時，為進行鋼化聯(lián)產(chǎn)的企業(yè)提供優(yōu)惠電價的政策支持，也會促使更多企業(yè)參與進來。

對于難減排行業(yè)的減碳需要全局思維、需要推動跨行業(yè)耦合發(fā)展，而促使不同行業(yè)實現(xiàn)跨界聯(lián)動則需要政策的支持和引導(dǎo)，從而在保證企業(yè)經(jīng)濟利益的前提下達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。