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：dp.pconline.com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，WUAlisa3，刘牧心2，ASCUIFrancisco1，MUSLEMANIHasan1,江梦菲12018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............................................................................................................................V1执行摘要................................................................................................................12综述........................................................................................................................23钢铁制造工艺以及减排机制................................................................................53.1不同的炼钢工艺................................................................................................53.2钢铁行业二氧化碳排放源................................................................................93.3潜在的减排技术..............................................................................................114案例分析假设......................................................................................................134.1技术假设..........................................................................................................134.2经济性假设......................................................................................................155经济分析结果......................................................................................................186结论与后续研究建议..........................................................................................20参考文献......................................................................................................................22II图表图1.世界和中国钢铁生产（WorldSteelAssociation,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..............................................19III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ccus@business-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（UniversityofEdinburghBusinessSchool）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（UniversityofEdinburghBusinessSchool）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GrahamWinkelman先生和欧阳军先生的大力支持。感谢AyeshaSodha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LiangX,LinQ,LeiM,LiuQ,LIJ,WuA,LiuM,AscuiF,MuslemaniH,Jiang,M.2018.AssessingtheeconomicsofCO2captureinChina’siron/steelsector:acasestudy.WorkingPaper4.8fortheBHPIndustrialCCSProject‘UnlockingthePotentialofCCUSforSteelProductioninChina’.TheUK-China(Guangdong)CCUSCentreandtheUniversityofEdinburgh,Edinburgh.V缩略词ASPENAdvancedSystemforProcessEngineering过程工程的先进系统ASUAirSeparationUnit空气分离装置BFBlastFurnace高炉BFCBlastFurnaceCapture高炉捕集BOFBasicOxygenFurnace氧气顶吹转炉BSZBaoSteelZhanjiang宝钢湛江钢厂CCSCarbonCaptureandStorage碳捕集与封存CCUSCarbonCapture,UtilisationandStorage碳捕集利用与封存CFPLifecycleIncrementalCostforSteelProduct钢产品的生命周期增量成本CNEChinaEmissionsExchange中国碳排放交易COACostofCO2Avoidance避碳成本DRIDirectReducedIron直接还原铁EAFElectricArcFurnace电弧炉IEAInternationalEnergyAgency国际能源署INDCChina’sIntendedNationallyDeterminedContribution中国国家自主贡献IPCCIntergovernmentalPanelonClimateChange政府间气候变化专门委员会MCCMetallurgicalGroupCorporation冶金集团公司MOSTMinistryofScienceandTechnology科技部NDRCNationalDevelopmentandReformCommission国家发展和改革委员会OHFOpen-hearthFurnace平炉PSAPressureSwingAdsorption变压吸附TSATemperatureSwingAdsorption变温吸附UNFCCCUnitedNationsFrameworkConventiononClimateChange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11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（0.5MtCO2/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CO2442.54元（约63.22美元）。•假设项目以90%容量（0.45MtCO2/年）运行25年，将捕集到1125万吨二氧化碳（11.25MtCO2）。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（0.40MtCO2/年），或在其生命周期内总计减排993万吨二氧化碳（9.93MtCO2）。•当项目成本仅分摊到与993万吨二氧化碳（9.93MtCO2）（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22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2013NDRC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:StateCouncil,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（Leesonetal.,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；Fischedicketal，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(SodsaiandRachdawong，2012；Moyaetal，2013；Wenetal，2014；Morfeldtetal，2015；Riccardietal，2015；Tsaietal，2015)。根据欧盟委员会（EUCommission）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（WorldSteelAssociation,2016）02004006008001000120014001600180020052006200720082009201020112012201320142015CrudeSteelProduction(milliontonnes)WorldRestofworldChina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）165.3169.3-2.42欧盟–其它35.738.4-7.56独联体102.1106.1-3.92北美110.2121.2-9.98美国78.888.2-11.93南美43.945.0-2.50非洲13.015.0-15.38中东29.230.0-2.74亚洲1,113.61,139.7-0.02中国803.8822.8-2.36日本105.2110.7-5.23大洋洲6.55.515.38澳大利亚4.94.66.12新西兰1.60.943.75全球1,620.91,669.9-3.02来源:WorldSteelAssociation(2015;2016);TheEditorialBoardofChinaSteelYearbook(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53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（Hidalgoetal.，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＞20mm＜10mm10-20mm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9-16mm筛选＜9mm＞16mm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47.75BOF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34.94EAF,BOF沙钢集团江苏34.21EAF,BOF鞍钢集团辽宁32.50BOF首钢集团河北28.55BOF武钢集团湖北25.78EAF,BOF山东钢铁集团济南钢铁山东21.69BOF莱芜钢铁BOF马鞍山钢铁公司安徽18.82EAF,BOF天津渤海钢铁天津16.27EAF,BOF建龙集团天山建龙湖北15.14BOF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14.99EAF,BOF日照钢铁山东14.00BOF方大钢铁江西13.21BOF包头钢铁内蒙古自治区11.86BOF敬业钢铁河北11.32BOF柳州钢铁广西10.83BOF安阳钢铁河南10.74EAF,BOF纵横钢铁河北10.38EAF,BOF太原钢铁山西10.26BOF,EAF津西钢铁河北9.77BOF三明钢铁福建9.58BOF新余钢铁江西8.64BOF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8.59EAF,BOF国丰钢铁河北8.29BOF酒泉钢铁甘肃7.69EAF,BOF来源：WorldSteelAssociation,2016;Priceetal.,2001;TheEditorialBoardofChinaSteelYearbook,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(OHF)炼钢吹氧转炉(BOF)炼钢电弧炉(EAF)炼钢电弧炉(EAF)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；KUNDAKetal.，2009；Quaderetal.，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0.4tCO2每吨粗钢，一体氧气顶吹转炉（BOF）工艺的1.7--1.8tCO2每吨粗钢，到煤基直接还原铁（DRI）工艺的2.5tCO2每吨粗钢（Carpenter，2012；Ruijvenetal，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&白云岩生铁、钛合金、直接还原铁等焦炉煤气铁矿石高炉煤气转炉炉气钢板/钢条烧结矿球团矿铁水粗钢能量单元蒸汽加热电力生产过程配套生产系统附属生产系统净购买电力和热能的潜在二氧化碳排放量化石能源燃烧产生的二氧化碳排放熔炼产生的二氧化碳排放碳原料外购产生的二氧化碳排放电极消耗产生的二氧化碳排放炼铁过程是钢铁生产中二氧化碳排放最密集的部分，排放量达到70-80%。生产铁矿石需要与还原剂（如焦煤）发生反应，焦煤会产生大量二氧化碳。钢铁厂附近的主要的河流含有高浓度的二氧化碳。图6为典型钢厂的系统边界和二氧化碳排放源。钢铁厂的系统边界由以下工序组成：炼焦厂、烧结厂、炼铁、炼钢和轧钢厂。此外，厂址的系统边界包括在厂址生产电力的能源单元、加工蒸汽和热量以及能源的购买和销售。过程气体，如焦炉气体和高炉气体，用于工厂现场的能源生产（Siitonenetal.,2010;Jinetal,2015;Lisienkoetal.,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（Huangetal,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;Zhangetal,2013a;Zuoetal,2013;GB/T32151.5-2015）。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）（XuandCang,2010;HasanbeigiandPrice,2012;Xuetal,2013;Quaderetal.,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（Quaderetal.,2014;Mousaetal,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（Quaderetal.，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（Quaderetal.，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-Koroletal.,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（HLiangetal,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（QiangWangetal,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（Sandersetal,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（Hanetal,2014）、水气转移技术（Dijketal,2015）、改造高炉燃烧前捕集（OnarheimandArasto,2016）和钙循环（Mattilaetal,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（BaoSteel,2016a;BaoSteel,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IEAGHG（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5050m32旋转炉350吨3双流板坯连铸机2300mm1双流板坯连铸机1650mm1钢带热轧机2250mm1钢带热轧机1780mm1薄纸板压铸机4200mm1钢带冷轧机2030mm1钢带冷轧机1550mm1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60,000Nm3/h3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（Zhangetal.,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%H2Smg/Nm310ParticulateMattermg/Nm35Mnmg/Nm30.2Pbmg/Nm30.05Znmg/Nm30.054.2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：𝐶𝑂𝐴=∑(In+On+Fn+Sn)(1+r)nTn=0∑(Qn−An)(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16An，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：𝐶𝐹𝑃=∑(In+On+Fn+Sn)(1+r)nTn=0∑θ∙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）θ，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）40000胺耗（kg/tCO2）1.2电价（元/kWh）0.48电耗（kWh/tCO2）142废胺处理（元/吨胺）500水价（元/吨）6.5CO2运输与封存（元/吨CO2）112考虑到宝钢资本成本和CO2捕集项目风险，捕集贴现率假设为12%。在11%和13%折扣率情境下，进行了敏感性分析。假设钢厂现阶段每生产1吨钢材将排放1.65吨CO2（基于已报道的主要钢铁厂排放平均值），年度CO2总排放量为1550万吨。辅助电厂排放因子为743gCO2/kWh。因此，每年捕集CO2共50万吨时，总减排量为397247吨/年。1假定捕集项目有25年寿命和100%的股权融资。。简化来说，假设捕集设施和高炉都将以每年90%的容量系数稳定运行。根据市场调研，将运输和封存成本假设为人民币112元/吨CO2（约16美元/吨CO2）。1电力输出损耗(kWh/tCO2)500,000tCO2排放因子(gCO2/kWh)10-6评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究18表10.捕集设施运营成本运营成本组成百万元固定运营成本维护2.00人工7.80保险和税1.00其他运营维护成本1.20总计12.00变量运营成本（90%容量系数）燃料34.08胺24.00废物处理0.30水成本3.25总计61.635经济分析结果本评估估算了在进行运输和封存时，捕集50万吨CO2的项目减排成本为人民币442.54元/吨CO2（63.22美元/吨CO2）（表11）。持续运行25年，该项目预计将每年捕集45万吨CO2，共计捕集1125万吨。但是，部分捕集量将与增加能耗产生的排放量抵消，因此该项目每年减少的总排放量为40万吨CO2，预计生命周期内的总减排量为993万吨。当以排放993万吨CO2（占总钢产量的2.6%）的钢产量为基数计算时，生产成本为人民币730.19元/吨（104.31美元/吨）。如果以整个钢铁厂的总产量为基数进行成本计算时，其生产成本仅为18.74元/吨（2.68美元/吨）。CO2减排成本受多种假设的影响，包括贴现率和假设的CO2运输和封存成本。假设一个项目的投资风险较低，贴现率为8%时，CO2的减排成本将从442.54元/吨（约63.22美元/吨）降到407.56元/吨（约58.22美元/吨）（图7.）。相反，假设贴现率为16%时，减排成本将上升到为480.14元/吨CO2（约68.59美元/吨）。如果CO2运输和封存成本从112元/吨CO2（约16美元/吨）增加到评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究19123元/吨CO2（约18美元/吨），贴现率为8%时，减排成本将上升到443.96元/吨CO2（约63.42美元/吨）。表12.中国50万吨级CCUS项目的假设现金流模型产出结果中间产出折现后的减排二氧化碳量(百万吨)3.12折现后的“零碳”钢铁产量(百万吨)1.89折现后的钢铁总产量(百万吨)73.57折现后的现金流(税前,百万元)1378.81关键经济指标二氧化碳减排成本(元/吨CO2)442.54“零碳”排放的钢铁产量的增量成本(元/吨)730.19钢铁总产量的增量成本(元/吨)18.74图7.不同贴现率下的二氧化碳减排成本澳大利亚钢铁行业CCS研究表明，去除运输和封存成本，传统胺法捕集技术的减排成本在70-250澳元（约50-178美元）之间（Wiley等,2011;Ho等,2013）。相比之下，中国的减排成本显著下降。与澳大利亚相比，中国降低每吨CO2减排成本的主要驱动力是降低其资本成本。广东是中国二氧化碳需求最大的省份，在工业和食品加工行业的二氧化碳需求超过100万吨（GCCSI，评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究202013）。销售CO2用于当地生产利用可以减少运输成本和抵消封存成本。然而，除非将捕集到的CO2代替自然开采的CO2用于当地消费，否则CO2利用并不会降低人为CO2排放。6结论与后续研究建议本研究对中国钢铁厂的一个假定的CCUS项目进行了初步调查，并以广东湛江的现代化钢铁厂为技术和财务分析模型。初步发现该模型在折现率为12%时的减排成本为442.54元/吨CO2（约63.22美元/吨），经换算，模型的减排总量占钢厂产钢总量的2.56%，成本为730.19元/吨钢（约104.31美元/吨）；当将成本分散在整个钢厂生产上时，成本为18.74元/吨钢（约2.68美元/吨）。虽然成本是适度的，且未来通过学习和规模扩大很可能会更大的降低成本，但在没有外部支持的情况下，钢铁行业在当前的衰退环境下不太可能承担该项目的额外成本。宝钢2015年的净利润率不到1%，2014年则不到3%（宝钢,2016b）。为使钢铁行业50万吨CO2级CCUS示范项目经济可行，该假设模型提出了三个潜在机制：•为项目提供442.54元/吨CO2（约63.22美元/吨）的碳价补贴；•在市场上，将减排36万吨CO2生产的钢材定义为“零碳钢”，并向高附加值市场用户增加730.19元/吨钢（约104.31美元/吨）的溢价；或•为钢产量大于844万吨/年的钢厂，在年捕集高于50万吨时，提供18.74元/吨钢（约2.68美元/吨）的退税补贴。报告发现，在没有任何支持的情况下，该项目需要13.8亿元现值的融资。目前广东ETS的碳价不足以支持示范项目的442.54元/吨CO2（约63.22美元/吨）价格。目前广东ETS尚处于起步阶段，CO2价格约为15元/吨CO2（中国碳排放交易，2017）。基于全国ETS于2017年12月建立，CO2价格预计会增加，并在未来保持稳定。除非成功开发新的商业模式或新的政策制度，否则，钢铁制造商也不可能承担向消费者示范CCUS的额外成本。评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究21本研究选取了一个典型的现代化大型钢厂作为模型，但其局限性是研究结果可能并不适用于其他采用其他生产路线的钢厂，实际的成本的变化可能会高达+/-40%。如果项目与其他大型固定排放源共用基础设施，则假定运输和封存成本可能会相对更低。还有其他潜在的可应用于钢铁厂CCUS的创新工艺和新型设计，例如利用CO2代替吹炉，并没有在本研究中讨论到。建议下一步应进行探索能够为示范项目提供必要的资金支持的政府与企业创新理念相结合的应用研究，包括向某些消费者推销“零碳”或“低碳”的钢铁产品，分配ETS拍卖所得的政府收入以支持示范项目，和/或更高的碳税调整。也应对其他的创新型和潜在突破性的捕集技术进行调查。实际通过捕集CO2形成更高纯度的烟气流需要更少的捕集工艺和装置。因此，评估在混合煤气燃烧发电厂中提高烟道气纯度的优势，可以降低碳减排成本。评估中国钢铁行业二氧化碳捕集的经济可行性：案例研究22参考文献ADB(AsianDevelopmentBank)(2015).RoadmapforCarbonCaptureandStorageDemonstrationandDeploymentinthePeople’sRepublicofChina.Availableat:https://www.adb.org/sites/default/files/publication/175347/roadmap-ccs-prc.pdf[AccessedAug30,2018]BaowuSteel.2016a.BaowuSteelLimited2015AnnualReport.Burchart-Korol,D.,Pichlak,M.andKruczek,M.(2016).Innovativetechnologiesforgreenhousegasemissionreductioninsteelproduction.Metalurgija,55(1),pp.119-122.Carpenter,A.(2012).CO2AbatementintheIronandSteelIndustry.IEACleanCoalCentre,pp.7-100.CNE(ChinaEmissionsExchange)(2017).UpdateonAllowanceAuctioninginGuangdong.Availableat:http://www.cnemission.com/article/news/ssdt/201701/20170100001198.shtml[AccessedAug30,2018]Cormos,C.(2016).EvaluationofReactiveAbsorptionandAdsorptionSystemsforPost-combustionCO2CaptureAppliedtoIronandSteelIndustry.AppliedThermalEngineering,105,pp.56-64.Fischedick,M.,Marzinkowski,J.,Winzer,P.andWeigel,M.(2014).Techno-economicEvaluationofInnovativeSteelProductionTechnologies.JournalofCleanerProduction,84,pp.563-580.GB/T32151.5-2015.Requirementsofthegreenhousegasemissionaccountingandreporting--Part5:Ironandsteelproductionenterprises.GCCSI(GlobalCCSInstitute)(2016).TheGlobalStatusofCCS.SpecialReport:IntroducingIndustrialCarbonCaptureandStorage.Melbour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