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实现深度碳减排目标中国钢管行业应如何发展?

?????? 来源: 中国钢铁新闻网 中国冶金报社 ???????发布时间:2021-02-25


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彭在美

推进碳达峰、碳中和,既是国际社会应对气候变化的目标,也是中国2021年的重点工作任务之一。中国实现碳中和的转型力度前所未有,钢铁行业作为实现碳中和目标的重点行业,面临严峻挑战。中国钢管生产基本流程是高炉—转炉长流程和电炉短流程,即碳冶金与电冶金流程。电冶金比碳冶金的碳排放强度低,而氢冶金的碳排放强度更低。氢冶金是一场技术革命。实现氢冶金的技术路线有两条,即“直接碳避免”和“智能碳使用”,其难点在于低成本的氢制取工艺。无缝钢管生产采用热加工生产工艺,碳排放量较大;焊接钢管生产工艺是冷成型,属于低碳产品。中国无缝钢管产量占世界无缝钢管总产量的60%以上,从碳减排视角来看,中国钢管行业应发展焊管高端产品,控制无缝钢管增长速度。

碳减排成为大国竞合的又一重要领域

2020年9月22日,习近平主席在第75届联合国大会上提出了中国力争于2030年前实现二氧化碳排放达峰,努力争取2060年前实现碳中和的目标。2020年12月12日,习近平主席又在气候雄心峰会上进一步明确,到2030年中国单位GDP二氧化碳排放量将比2005年下降65%左右,非化石能源占一次性能源消费比重将达到25%左右,森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米,风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。

世界各主要国家和地区都对实现碳中和做出了承诺:日本、韩国、加拿大、欧盟、英国宣布到2050年实现碳中和。现任美国总统拜登在竞选辩论中承诺,美国计划在2035年前实现电力部门零碳排放,并在2050年实现净零碳排放,同时宣布将在其第1个任期内投资2万亿美元应对气候变化,强调通过发展风电、光伏等清洁电力实现2035年前电力部门零碳排放。目前,美国政府承诺的各项计划与欧盟终止燃煤发电、实现电力系统脱碳的“弃煤”目标高度一致,未来可能联手合作,督促各国根据减排目标制订煤电退出计划,并酝酿征收碳边境调节税。

整体来看,欧盟至少需要投资3万亿欧元达成2050年碳中和目标,其中建筑、工业、电力和交通部门的投资占比最大。此外,各成员国也有一揽子方案来推动“低碳经济”发展,德国政府采取削减增值税、下调电价、技术创新提供补贴等措施,将未来几年预算的23%~27%分配给低碳排放相关领域;法国政府推行产品生态评分举措,评分将印刷在产品外包装上,评分标准涵盖制造过程中使用的电力清洁程度等内容;挪威政府正致力于研发CCUS技术(碳捕捉、存储及利用技术)。在全球各主要国家都在努力实现碳中和的形势下,碳减排成为大国之间竞争与合作的又一重要领域。

中国与发达国家在经济环境上存在差异

中国与西方发达国家在经济环境上存在差异。西方发达国家经过百年的工业化进程,已经实现现代化发展,碳排放量较低;而中国目前仍然是发展中国家,还处于工业化阶段的后期,国内的区域经济发展程度依旧不平衡,东南部较发达,西北部较迟缓。未来中国经济发展的预期还比较高,2035年GDP增长预期比2020年要翻一番,到2050年可能会达到2020年的3.5倍。目前中国经济的增长主要靠基建拉动,能源需求还会增加,所以中国的能源消费结构依然是“生产型”而不是“消费型”。美国的商业和居民用电约占总量的76%,而中国仅为30%。这说明西方发达国家工业碳排放量较低,比较容易实现碳达峰;从“弃煤”角度来看,中国煤炭消费绝大部分都是在第二产业,约2/3用于资本形成(包括基建)。与发达国家相比,中国的能源电力需求还保持较高的增长,预计能源总需求达到峰值要到2030年之后。届时,我国单位GDP二氧化碳强度要比2005年下降65%以上。

为此,“十四五”期间要严格控制高能耗产业的扩张,力争高能耗产业的二氧化碳排放达到峰值;煤炭消费量尽量做到零增长;“十五五”期间石油消费达到峰值后不再增加,转而增加天然气消费。同时,适应煤炭消费量持续下降的态势,需要大力发展新能源和可再生能源,满足总能源新增加的需求。

中国钢管行业实行深度碳减排路线图

钢管行业包括无缝钢管和焊接钢管两大产品,其中无缝钢管采用热加工工艺生产,焊接钢管采用冷加工工艺生产。无缝钢管生产过程中的炼铁和炼钢环节与碳排放密切相关。2019年,全球二氧化碳排放量达330亿吨,其中中国二氧化碳排放量占比36%,而中国钢铁行业二氧化碳排放量约占全国二氧化碳排放总量的15%。从一次性能源消费上来看,2005年中国钢铁行业占到全国一次性能源消费的45%,2015年增长到53%。一次性能源消费不只是直接消耗,还包括热力、电力等上游消耗。钢铁行业是能耗高密集行业,也是制造业中碳排放量最大行业,更是推动实现碳中和目标的重点行业。钢铁行业中钢管生产特别是无缝钢管生产面临绕不开的节能环保挑战,需要大力推进碳减排。

中国钢管生产基本流程中

碳冶金与电冶金评判

2020年12月9日召开的第三届中国电炉炼钢科学发展论坛上,有专家指出:“对温室气体排放、气候变化全球战略性问题认识存在不足”是当前的短板之一。我国钢铁业能源结构为:煤炭69.9%,电力26.4%,石油3.2%,天然气0.5%。由于钢铁行业能源结构以煤为主,即碳冶金,二氧化碳排放量高达17.7亿吨,占全国排放量的15%左右,这主要源于采用烧结、球团、焦化、炼铁的高炉—转炉长流程生产工艺,吨钢碳排放强度约为2吨。而电炉短流程生产工艺(即电冶金)直接使用废钢冶炼,没有炼铁系统(铁、焦、烧、球工序)的能源消耗及污染,吨钢碳排放强度约为0.5吨。欧美钢铁工业电炉钢的产量占其钢铁总产量54%以上,而我国电炉钢的产量所占比例不足15%。发展电炉短流程有利于中国钢铁业实现碳达峰、碳中和。

同时,第三届中国电炉炼钢科学发展论坛为无缝钢管选择电炉短流程指明了方向,鼓励长三角、珠三角、京津冀周边和环境容量有限的地区因地制宜发展电炉钢产业。目前制约我国电炉发展的原因:一是废钢量不足,二是电能偏紧和电费过高。对于废钢资源问题,有专家在论坛上建议鼓励废钢产品进口,并在税负上给予优惠。对于电费过高问题,建议可参考德国对低碳排放企业下调电价的方式来解决。这对于提高无缝钢管产量中的电炉钢占比,相应降低转炉钢占比,达到碳达峰、碳中和目标有促进作用。建议也可以按照我国出台的鼓励发展电动汽车优惠政策的方式鼓励发展电炉产业。

氢冶金工艺流程重构碳冶金工艺流程

欧钢联为实现碳中和目标已经提出了两条技术路线,分别是基于过程控碳的“直接碳避免”技术和末端治理的“智能碳使用”技术,包括瑞典钢铁(SSAB)的HYBRT技术(氢能炼铁技术)、蒂森克虏伯的Carbon2Chen碳捕捉技术等。目前我国一些钢铁企业也在尝试非碳还原,一方面着手开展氢能炼铁试验,例如力拓将出资1000万美元与中国宝武在低碳炼铁项目方面开展合作,并且中国宝武已敲定2023年碳达峰、2050年实现碳中和的碳减排目标;另一方面是加快研发二氧化碳捕集和利用技术,我国一些钢企已在实际生产中实现利用捕集的二氧化碳向高炉或转炉中喷吹,从而减少粉尘排放量。目前来看,国内外钢企在碳减排技术路线和实际操作方面面临一个共同难点,就是如何低成本制取氢气。我国专家提出的钢铁企业用副产煤气制氢思路有重要的参考价值。

钢企副产煤气制氢的思路

焦炉煤气制氢。钢铁企业(或炼焦厂)产生的焦炉煤气含有55%~60%的氢气,是非常好的制氢原料气(见表1)。我国钢厂目前主要还是用焦炉煤气作为燃料。焦炉煤气的合理利用须引起重视,应该尽可能少地将焦炉煤气作为燃料使用。目前,焦炉煤气变压吸附制氢技术在装置规模为1000立方米/小时~3000立方米/小时是成熟的,大规模制氢装置(如10000立方米/小时级以上)尚有待进一步开发。

转炉煤气制氢。转炉炼钢系统产生的煤气经降温、除尘后,进入水煤气变换装置中,在催化剂的作用下,发生水煤气变换反应。反应后,经冷却、分离,获得富含氢气的混合气体。混合气体经脱硫后,采用变压吸附制氢法,获得高纯度氢气。转炉煤气成分见表2。

COREX煤气制氢。熔融还原炉(COREX)以铁矿石和煤炭为原料,在生产铁水过程的同时,产生大量富含一氧化碳和氢气的COREX煤气。COREX煤气成分见表3。

有专家透露,氢能源将被纳入我国终端能源体系,带动形成10万亿元级的新兴产业。虽然氢能发展前景十分光明,但我国氢能发展方向、核心技术能力等多重难题仍然需要深入研究和探索实践,例如输送氢气的钢管尚需进口,目前国内还不能制造。

实现连铸坯热装、热送和控轧,是无缝钢管工艺流程设置优化的课题

无缝钢管一般有二次加热工序,其能耗值比其他轧材能耗值要高一些,例如2014年热轧无缝钢管能耗值达到103.4千克标准煤/吨。因此,如何实施铸坯热装、热送和控轧,提高钢管性能和节能水平,是热轧无缝钢管工艺流程设置优化的课题。2018年,山东鲁丽集团磐金钢管制造公司在对新建成的Φ159毫米连轧管生产线进行工艺布置时,配有管坯热送通道,试行了热装、热送,其工艺创新特点是采用倍尺装炉,管坯出炉后利用热锯将倍尺管坯切成单倍尺,分别供给两条轧管线,这种工艺流程模式在全球属于首创。在无缝钢管控轧控冷方面,宝钢烟台钢管厂开发出国内首套无缝钢管在线控冷设备,实现在线控冷、淬火,提供了控轧控冷的创新思路。

从深度碳减排视角看中国钢管发展问题

为实现低碳发展,IEA(国际能源署)提出严格控制钢铁需求增长,减少材料影响的5个杠杆——去材料化、寻找替代品、提高制造效率、延长使用寿命和有效回收。这些杠杆对中国钢管发展方向有所启示:控制无缝钢管增长需求,强化焊接钢管质量升级,用高质量的焊接钢管替代一部分无缝钢管。

焊接钢管有没有能力来替代一部分无缝钢管?从性能来看,焊接钢管使用原料为轧制板带,其在轧制过程的压缩比无缝钢管要高很多,因此,材料的力学性能好、壁厚较小、精度较高。例如,焊管可以做到D/t>25~30的薄壁管(D—公称外径,t—壁厚),减轻了重量。

2019年,全球无缝钢管产量4260万吨,中国无缝钢管占比达到60%以上。为什么西方发达国家无缝钢管产量在减少?原因在于焊接钢管替代了一部分无缝钢管。宝钢曾经在2002年翻译了美国《普林斯顿钢管报告》,列出了美国当时有关焊接钢管与无缝钢管在石油专用管、管线管、标准管、机械管、结构管、承压管和不锈钢管等7个方面所占比例的对照,焊接钢管用量的比例大大超过了无缝钢管,甚至高压锅炉管都用上焊接钢管。举一个例子,世界多数国家和地区(北美、中东、非洲、南美等)OCTG(石油专用管)年消耗量的比例中,焊接钢管和无缝钢管约各占50%,而在中国油井管市场主要用无缝钢管,焊接油井管用量仅占油井管总用量的10%左右。这和钢铁生产基本流程有一定的联系,欧美诸国电炉短流程产钢量约占其总产钢量的54%,与之对应的是焊接油井管消耗量占50%左右;中国高炉—转炉长流程产钢量约占总产钢量的85%,与之对应的是焊接油井管消耗量占10%左右。油井管的消耗特点是随各个地区油井条件不同而异,有小批量多品种的特点,这和电炉钢生产方式很相似;而中国钢铁生产以高炉—转炉长流程为主,其优势是少规格品种、大批量,不适应油井管多规格品种、小批量的供销模式。目前我国只有宝钢等极少数企业自身生产板带直供焊管厂,不仅易于品种规格协调,而且运输费用相当于零。大多数焊管企业要调坯轧材,协调不易且价格较贵,再加上长途运输费用,其结果是失去其在焊接上的优势。西方发达国家焊管企业往往自身有电炉钢配套,加上一般比无缝钢管便宜5%~10%,因而占领了油井管的半壁市场。

中国焊接钢管行业有一个现象值得注意,石油焊接钢管高端品种的质量在引进消化后达到国际先进水平,例如管线管(X80钢级)、套管(Q125钢级)等,这是因为石油系统有属于自己的焊管企业,而且配套有石油大学、研究所、检测所,甚至有自己主管的学术期刊《焊管》及挂靠本系统的焊管学术委员会,是整个石油系统产、学、研群策群力协同攻关的结果。中国焊接钢管在其他下游行业所需高端品种,例如机械管、锅炉管、石化管、结构管等,要达到国际先进水平,从而替代一部分无缝钢管,就要像石油钢管那样集产、学、研之力,协同合作,才能奏效。各个下游行业要认识到碳中和的迫切性,从碳减排的角度来看待焊接钢管应用问题。有专家指出:“就政策来看,我国钢铁行业的可持续转型不会自行实现,政府需要发挥核心作用。”2020年12月16日~18日召开的中央经济工作会议将做好碳达峰、碳中和工作定为2021年8大重点任务之一。工信部为此正在制订低碳降排路线图,确定四大举措,坚决压缩钢铁产量和严禁新增产能。只有行业统一共识,形成压力,推进速度才能加快。

 

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