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零碳世界第3期—自然杂志《关于建设全球零碳水泥和钢铁的措施建议》

水泥和钢材是现代建筑的基础材料,也是汽车、水坝、桥梁等基础设施的基本成分。但目前,他们却是地球上最脏的行业之一。全球水泥行业,每年产生23亿吨二氧化碳,而钢铁生产释放约6 亿吨二氧化碳,分别占全球CO2排放总量的6.5%和 7.0%(注:数据有待商榷,水泥的排放总量约为7%左右,钢铁为11%左右;译者注)。

以水泥为基本构成的混凝土,地球上消耗量第二大的产品,仅次于清洁水。作为高耗能的行业和碳密集型的行业,熟料生产过程中发生的化学反应会释放CO2,这与燃烧化石燃料以提供制造过程所需的极端高温有关。

作为两大基础性的建材,我们迫切需要更清洁和低碳/零碳的方法来制造和使用水泥和钢铁。即使在工业需求不断增长和能源价格飙升的情况下,世界必须在2050年之前实现净零碳排放。在全球范围探索建立推进零碳基础设施的技术转让和降低金融风险的机制,从而倒逼水泥和钢铁转型发展。

在这里,我们钢铁和水泥(熟料)制造工艺需要重新思考,以实现钢铁接近碳中和,使水泥成为碳汇。总体上,可以通过八项措施,实现钢铁和水泥行业的低碳化转型:

1.使用最新技术

确保生产工厂配备最佳可用技术可立即获得收益。提高工业厂房的保温性能可节省26%的能源使用;更好的锅炉可减少高达10%的能源需求;使用热交换器可以将精炼过程的电力需求降低 25%。旧的、低效的工厂通常被更现代的设施所击败,因此随着时间的推移,工业变得更有效率。然而,随着行业的成熟和渐进式的改进,收益会减少。如今,最高效的水泥厂通过升级技术每年只能节省 0.04% 的能源。需要做更多的工作。

2. 减少使用量

实际上,通过改进设计,同样的工作可以使用少量的钢材和水泥。如今,全世界每年生产平均每人530公斤水泥和240公斤钢材。根据国际能源署4的数据,对建筑进行规范,和对建筑师、工程师和承包商开展教育而获得微小但重大的改变可以将水泥需求减少26%,将钢材需求减少24%。为了安全起见,许多建筑规范依赖过度设计。通过使用现代材料和计算机建模可以减少使用钢铁水泥的数量。对于特定用途,碳足迹较小的替代材料(例如铝)可能会在某些产品(包括汽车)中取代钢。

3.重塑钢铁生产

碳是传统钢铁生产的核心,焦炭(源自煤)为高炉提供燃料,其中铁矿石在高达2,300°C的温度下化学还原成金属铁。焦炭燃烧产生一氧化碳,将矿石还原为铁和CO2。铁水通常在燃煤炉中,但有时(特别是在回收废料时)在电弧炉(EAF)中精炼成钢。该工艺每吨钢排放约1,800公斤CO2或更多。

当然,还可以使用其他物质来还原矿石。世界上大约5%的钢铁已经通过不需要焦炭的“直接还原铁”(DRI)工艺制成,通常使用氢气和二氧化碳(来自甲烷或煤)。通过使用甲烷衍生的气体和可再生电力为电炉供电,这些钢铁厂每吨钢排放约700公斤的CO2,比焦炭生产的减少 61%。

更进一步的做法是,在直接还原铁中仅使用氢气可以将每吨钢的CO2排放量减少到50公斤或更少——减少97%。欧洲、中国和澳大利亚的公司正在试点此类工厂,其中几家计划于2025年或2026年投产。挑战在于这一过程需要大量氢气。

如以这种方式生产所有钢铁,意味着全球氢气产量几乎翻了3倍,从每年60吨增加到约1.35 亿吨。而今天最便宜的氢气来自天然气。一种更环保的选择—电解水—成本大约是其2.5倍。随着更多工厂的建成,成本应该会下降。

其他选择。2004年,来自15个欧洲国家的48家公司和组织的超低CO2炼钢联盟对这些方案进行了评估。总部位于印度詹谢普尔的塔塔钢铁公司于2010年在荷兰建造了一个试点工厂,用一种先进的炼钢工艺,该工艺仍然以煤炭为基础,但经过简化程序使得碳捕获更容易。目前,使用可再生能源生产的绿色氢价格正在下跌,吸引塔塔使用基于氢的直接还原铁。

氢的一种有前途的替代品是使用电力通过电解来还原铁矿石。马萨诸塞州的波士顿金属公司和卢森堡的安赛乐米塔尔公司正在探索这种方法。

4.重塑水泥

普通波特兰水泥(最常见的水泥类型)的生产始于石灰石的煅烧,将其加热到850°C以上的温度以形成石灰和CO2。石灰、沙子和粘土在1,450°C的窑中混合制成熟料。其他一些成分混合在一起制成水泥。优质工厂约60%的碳排放来自煅烧反应,其余大部分来自燃烧燃料。总体而言,该工艺在普通工厂中每吨水泥产生约800公斤CO2,而在一流工厂中产生600 公斤二氧化碳。

不用石灰石也能制造水泥。例如,氯氧化镁水泥(称为 sorel)自1867年就出现了,但由于耐水性低,这项工艺并未商业化。数十种水泥变体正在研究中。然而,为了在建筑中使用它们,必须改变建筑规范、设计和实践,以适应这些材料的不同强度和特性。这将需要十多年的时间。

另一种选择是,用更可持续的材料代替部分熟料。常见的有来自燃煤发电站的高炉渣和灰烬。但是当化石燃料被淘汰时,这些材料将变得稀缺。科技人员正在研究其他选择,包括来自电弧炉制造的再生铁和直接还原铁电弧炉钢加工的炉渣。

一个有希望新方法是石灰石煅烧粘土水泥(LC3),该水泥具有普通波特兰水泥相似的特性,且已经接近商业化,并且很容易转换。最多可替换一半熟料8。一些公司已经将LC3技术纳入其净零战略,其中包括法国公司拉法基豪瑞(Lafarge Holcim)和总部位于德国的Heidelberg Cement。

5.燃料替代

对于钢铁,建议用木炭或其他形式的生物质代替煤炭和焦炭,但也有挑战。生物质的需求与农业的土地需求相冲突,而且并非所有的生物质收获都是可持续的。木炭能量密度不高(与焦炭相比),无法支撑高炉的需要。如上所述,需要重新考虑钢铁加工。

然而,对于水泥而言,城市固体废物可用作替代燃料:窑内的高温会焚烧废物中的有毒物质,而灰烬可掺入熟料中。墨西哥公司Cemex在英国的水泥厂中掺入了高达57%的这些替代材料,而英国公司 Hanson 的替代量为52%。应该鼓励这一战略,包括在国家层面通过适当的法规。

6.捕获碳

CCS——吸收二氧化碳并将其锁在地下——对于降低水泥生产排放至关重要,对钢铁也很重要。CCS在其他一些行业相对先进。挪威国家石油公司 Equinor自1990年代后期以来一直在运营一个CCS项目,每年埋藏约100万吨CO2,但是这项技术没有得到充分利用。目前只有0.1%的全球排放量被捕获和储存。只有少数钢铁和混凝土工厂正在试用CCS。例如,阿布扎比的一家现代化直接还原铁钢厂自2016年以来就开始使用CCS。CCS必须迅速扩大规模。

一个主要问题是CO2的纯度需要超过99.9%,以降低压缩和储存气体的成本。典型的钢铁厂和水泥厂烟道含有约30%的CO2;其余的主要是氮气和蒸汽。水泥工业的一种选择是在氧气和回收烟气的混合物中燃烧燃料,留下相对纯净的CO2流。但这具有挑战性:它涉及密封一个非常热的旋转窑。

从煅烧过程中分离CO2的另一种方法是,间接加热石灰石,以便将加热产生的排放物与石灰石的排放物分开。石灰石的排放物几乎是纯净的,不需要太多的进一步处理,从而降低了CCS的成本。



LEILAC1和LEILAC2项目(分别在比利时 Lixhe 和德国汉诺威)正在对此进行试验;LEILAC2捕获了水泥厂约20%的工艺排放,每年约100,000吨。

在重工业发展中,允许共享用于制造和储存氢气以及收集和处理废物CO2的热量、材料和基础设施。丹麦卡林堡正在开发此类集群;英国泰恩赛德,荷兰鹿特丹和挪威卑尔根。

7. 将CO2储存在混凝土中
水泥通过添加水、沙子和石头变成混凝土。水会引发反应,使材料变硬并结合聚集体。添加CO2可使水泥更坚固。如果CO2仅占混凝土重量的1.3%,则材料的硬度可增加约10%。这将结构所需的水泥量以及净排放量减少了约5%。

优化混凝土中的碳捕获是一个活跃的研究领域。加拿大达特茅斯的 Carbon Cure 等领先企业已经在混凝土中大规模注入CO2 :据报道,它已经交付了近 200 万卡车的CarbonCure混凝土,节省了132,000 吨CO2。

水泥和混凝土都通过将钙基成分转化回石灰石来吸收空气中的CO2 潜力巨大:理论上,水泥制造过程中大约一半的CO2排放可以被重新吸收。但是这些材料必须在其使用寿命结束时被磨碎,以使混凝土颗粒更小,以便CO2可以更好地扩散。这很昂贵——而且需要能源。

由于碎混凝土可能吸收的CO2量不确定,因此尚未将其包含在联合国气候变化框架公约的排放清单中。但英国政府正在与伦敦的矿物产品协会合作进行调查,全球碳项目已开始将其纳入其年度碳预算。我们敦促谨慎行事,以避免抑制CCS和减少水泥碳足迹的更可追溯的方法。

8.回收钢

使用电弧炉可以大大降低碳排放。如今,四分之一的钢铁生产是基于回收的钢铁废料(中国只有10%左右,欧美国家70%以上)。在全球范围内,到2050年,回收生产预计将翻一番,仅由此可减少 20-25%的排放(当然也取决于电力的生产方式)。然而,目前不可能无休止地回收钢铁,这取决于一个国家或地区钢铁存量多寡。

用于钢铁的氢气直接还原铁工厂和用于水泥的CCS设施仅存在于试点到早期商业阶段。扩大规模既昂贵又冒险。低碳产品缺乏竞争优势和市场。大多数建设正在进行的发展中国家需要共享技术并实施降低金融风险的机制。

朝着正确方向迈出的一步是,根据欧盟排放交易计划 (ETS)将化石燃料与生物质或氢交换,或进行CCS的小额退款。但这还远远不够。有条件的、规模化的政府补贴——类似于鼓励对风能和太阳能技术投资的上网电价补贴——会更有效。

使用CCS进行全面脱碳预计将使波特兰水泥的成本翻倍,约为每吨100 美元。水泥补贴需要与之相匹配。零排放钢的成本预计将比标准钢高出20-40%,标准钢通常约为每吨600 美元,因此钢铁补贴需要达到每吨 240 美元。对于欧盟,我们估计10年内可能花费高达2000亿美元。

生产商将不得不首当其冲地承担这些成本。脱碳钢只会使车辆价格增加0.5-2%,并增加高达15%的建筑物建造成本(其本身仅占总财产价值的 1-3%)。

总结:

构建绿化低碳现代世界基础材料生产工业是可能的,也是至关重要的。但是极具挑战性。

初步建议:

1. 大力开展国际合作。全球各个国家需要共同努力,在必要的情况下,在一个或者多个国家建立国际合作的全球低碳钢铁技术中心或者成立超级转型基金。

2. 研究并制定一些类似上网电价补贴的政策来鼓励这些新的脱碳式钢铁和水泥发展。

3. 注意处理好整体低碳转型与钢铁、水泥转型之间的关系。随着燃煤电厂的转型,一些水泥生产过程中建立的上下游循环链条发生转变,电厂的粉煤灰等原料将不复存在。

4.水泥和钢铁的转型根子在于研发新的生产工艺,需要从理论和技术上实现突破,建议着眼于现代基础工业的根本性变革和新材料的角度,集中力量加大研发投入。

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