《自然》子刊研究鋼化聯產展現跨界思維——“雙碳”之路，不妨成雙而行

　　國際頂級學術期刊《自然》今年1月上線的子刊《自然：化學工程》雜志，近期發表了一篇題為《鋼化聯產：促進難減排行業降低碳排放》的論文，以鋼鐵、化工聯合的跨界思維和令人信服的數據論述了鋼化聯產對中國溫室氣體減排的積極作用。文章認為，鋼化聯產可能成為減少這兩大行業碳排放的關鍵戰略，中國“雙碳”目標的實現需要更多的跨界思維。

　　這篇論文由美國普林斯頓大學執筆，清華大學、東北大學國家環境保護重點實驗室、北京北大先鋒科技股份有限公司(下稱北大先鋒)等高校院所和企業合作完成?！吨袊蟆酚浾呓詹稍L了北大先鋒相關負責人，從產業視角閱覽此篇并“疑義相與析”。

圖為北大先鋒建設的山東石橫特鋼鋼化聯產項目外景。(企業供圖)

　　碳排大戶鋼化在列 聯產可期“負負得正”

　　數據顯示，2020年，鋼鐵和煤化工行業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和煤化工的制氫反應均為高碳排放。利用大規模電加熱產生高溫短期內并不可行。為減少碳排放，中國采取了一系列舉措：提高生產效率，應用綠氫，應用碳捕集、利用與封存(CCUS)等新技術。然而，通過提高生產效率來減少碳排放的潛力有限，綠氫和CCUS等新技術預計到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)和轉爐煤氣(BOFG)。中國的鋼廠每年約產生1.2萬億標準立方米的鋼鐵煤氣，主要由一氧化碳(CO)、氫氣(H?)、甲烷(CH?)、二氧化碳(CO?)和氮氣(N?)組成。具體而言，焦爐煤氣具有高濃度的H?55%~60%)，而高爐煤氣和轉爐煤氣富含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場發電。然而，利用鋼鐵煤氣發電(主要是CO燃燒)是高碳排放的，CO發電的碳排放系數為1940克CO?當量/?千瓦時，遠高于中國電網供電(590克CO?當量/?千瓦時)，甚至煤炭發電(930克CO?當量/?千瓦時)。

　　在煤化工廠為了生產H?，要先將煤氣化生產CO，再進行水煤氣變換反應產生H?。2020年的統計數據顯示，這一過程產生的碳排放量約占中國煤化工行業溫室氣體排放總量的三分之一。

　　鋼化聯產即是利用鋼鐵煤氣取代煤基H?和CO，經凈化、提純后用于生產化學品。這一方面避免了將CO轉化為電力這種高碳排放系數的利用方式，另一方面也可節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的溫室氣體排放量，實現“負負得正”的效果。

　　文章認為，鋼化聯產在技術上已被證明是完全可行的，在可預見的將來，有望成為減少兩大行業碳排放的關鍵戰略。

　　鋼鐵煤氣覆蓋需求，節本減碳效果明顯

　　文章通過構建一個基于產業實際的模型，研究了在全國范圍內部署鋼化聯產對推動減碳和降低企業成本的影響。

　　作者開發了一個包含全國272家鋼鐵廠和187家煤化工工廠(2022年數據)的地理數據庫，并以管道連接現有鋼鐵廠和化工廠，在空間上量化了鋼鐵廠對H?和CO的供應，以及煤化工工廠對H2和CO的需求。然后，作者對比獨立生產，在保證以企業盈利能力更優為前提，以最大限度地減少碳排放為目標，定制了一個鋼化聯產的優化模型，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各自獨立生產，即鋼鐵廠燃燒多余的鋼鐵煤氣發電，煤化工廠使用煤炭生產H2和CO。對比情景采用鋼化聯產模式，即從過剩鋼鐵煤氣中提純H?和CO，并通過管道輸送到煤化工工廠進行化學合成。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產方案相對于基準方案的溫室氣體減排量和成本降低量。

　　研究結果顯示，相對于獨立生產，利用焦爐煤氣提純H?進行鋼化聯產，每生產1噸H?的溫室氣體排放量減少18.3?噸CO?當量;利用高爐煤氣和轉爐煤氣提純CO進行鋼化聯產，每生產1噸CO的溫室氣體排放量分別減少1.1噸和1.2噸CO?當量。利用焦爐煤氣提純H?替代煤基H?可以大幅降低溫室氣體排放。成本方面，與獨立生產相比，利用高爐和轉爐煤氣提純CO、焦爐煤氣提純H?進行鋼化聯產，每噸CO的成本分別增加251元和134元，每噸H?的凈成本降低了1278元，鋼化聯產綜合成本顯著降低。

　　此外，數據表明，更長的管道連接和更高的碳價可以提高碳減排量、降低企業成本。當碳價達到350元/噸(CO?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據庫，作者以高爐—氧氣高爐(BF—BOF)煉鋼生產為基礎，估算了H?和CO的工廠級供應量;還根據各種化工產品(甲醇、石油、天然氣、烯烴、乙二醇和乙醇)的生產情況估算了工廠對H?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H?，相當于煤化工廠H?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%。中國鋼鐵行業副產的鋼鐵煤氣完全可以滿足煤化工行業對CO的需求量，且有大量富余。

　　企業核算效益可觀，跨界聯合仍需支持

　　據了解，該文完成者之一的北大先鋒在鋼化聯產領域已有十余年經驗積累，對相關技術和產業發展實際有深刻的了解。北大先鋒鋼化聯產業務負責人李延奎告訴記者，他們應用該論文的相關研究數據，以二甲醚酯化加氫工藝生產燃料乙醇(DMTE)的技術路線為例，對鋼化聯產燃料乙醇的溫室氣體減排效果和企業盈利性進行了核算。

　　根據自身業務實際，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。此舉減少了壓縮長輸管線氣體的溫室氣體排放，也節省了壓縮長輸管線氣體的成本。結果顯示，相對于獨立生產，每生產1噸H?的溫室氣體排放量減少至18.89?噸CO?當量，每生產1噸CO的溫室氣體排放量減少至1.14噸CO?當量/1.24噸CO?當量(自高爐氣/自轉爐氣)。

　　根據化學平衡，生產1噸無水乙醇的原料消耗量為0.746噸甲醇，510標準立方米CO(合0.6375噸CO)和1025標準立方米H?(合0.0915噸H?)。

　　若將900萬噸新建燃料乙醇產能全部按利用鋼鐵煤氣計算，則對比獨立生產，采用鋼化聯產時，可為燃料乙醇行業降低原料側費用2.88億元/9.59億元(自高爐氣/自轉爐氣)；可為燃料乙醇行業降低溫室氣體排放量2210萬噸/2267萬噸CO?當量(自高爐氣/自轉爐氣)；合計為全行業節省碳稅77.34億元/79.35億元(自高爐氣/自轉爐氣，碳價以當前350元/噸計算)。

　　“由此可見，將鋼鐵煤氣用于鋼化聯產達到的溫室氣體減排效果是非常明顯的，同時也能給企業降低成本、提高收益、提升競爭力。企業有收益，環境也受益?！崩钛涌f，鋼化聯產是一種雙贏策略。

　　記者了解到，我國2023年汽油年表觀消費量約1.49億噸，據此可估知，燃料乙醇的年需求量為1490萬噸。而目前已建的燃料乙醇有效產能約550萬噸，仍有約900萬噸缺口。鋼化聯產則為此提出了“解題”新思路。

　　與此同時，多位業內人士接受記者采訪時提醒，鋼鐵、化工企業的跨界聯合、共贏發展也并非坦途，還需多方支持。正如文中所提到，鋼化聯產使煤化工廠由于節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電轉向化工生產時，需要購買額外的電網電力從而大幅增加了成本?！斑@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：政策制定者可以協調兩方的收益分配，對H?和CO進行指導定價，以激勵鋼鐵行業采用鋼化聯產;同時，為進行鋼化聯產的企業提供優惠電價的政策支持，也會促使更多企業參與進來。

　　對于難減排行業的減碳需要全局思維、需要推動跨行業耦合發展，而促使不同行業實現跨界聯動則需要政策的支持和引導，從而在保證企業經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?！崩钛涌缡钦f。