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实现深度碳减排的目标 中国钢管行业应如何发展?

2021-03-10 上海钢管行业协会 阅读

实现深度碳减排的目标 中国钢管行业应如何发展?

彭在美,上海钢管行业协会,(上海,200070)

【内容提要】实现“碳达峰”到“碳中和”,是国际社会应对气候变化的目标,也是体现出中国作为一个负责任大国的担当。中央经济工作会议将“碳达峰”“碳中和”工作定为2021年的重点任务之一。中国实现“碳中和”愿景的时间只有西方发达国家的一半左右,其转型力度是前所未有的。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”技术,其难点在于低成本的氢制取。无缝钢管生产工艺是热加工,碳排放量较大;焊接钢管生产工艺是冷成型,是低碳产品。中国无缝钢管产量占世界无缝钢管总产量的比例达60%以上,中国钢管从低碳减排视角,应发展焊管高端产品,控制无缝钢管增长速度。

1.限期实现“碳中和”,是国际社会应对气候变化的新目标

2020年9月22日在75届联大会上,习近平主席提出了中国力争于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。[1] [2]

世界各主要国家对“碳中和”都作出了承诺:日本、韩国、加拿大、欧盟、英国都宣布2050年实现“碳中和”,瑞典宣布在2040年实现“碳中和”。美国总统拜登在就职第1天就宣称重返《巴黎协定》,此前在竞选辩论中,承诺美国实现2035年前电力部门零碳排放,并在2050年实现净零碳排放,即“碳中和”。拜登此前宣布在他第1个任期内,4年要拿出2万亿美元的投资,促进应对气候变化的实施,强调通过发展风电、光伏等清洁电力以实现2035年前电力部门零碳排放,这与皆在终止燃煤发电、实现电力系统脱碳的欧盟“弃煤”目标高度一致,未来欧美可能联手合作,督促各国根据减排目标制定煤电的退出计划,并在酝酿要征收碳边境调节税。[3]

欧盟27个成员国在2030年减少碳排放量由1990年的40%提高到55%以上。要达到这个目标,至少需要投资3万亿欧元,尤其是建筑、工业、电力和交通部门的投资占比最大。除了欧盟的投资外,各国也有一揽子方案来推动“低碳经济”,德国未来几年预算的23%-27%将分配给与低碳排放相关领域,包括削减增值税、下调电价以及技术创新提供补贴等措施。法国的措施非常细致,例如推出产品生态评分,评分将印刷在产品外包装上,标准涵盖在制造过程中使用的电力清洁程度等方面。延长电子设备使用寿命5~15年,也可纳入低碳排放的指标。挪威致力于研发CCUS技术(碳捕捉、存储及利用技术),荷兰、英国、德国都在研发低碳新技术。在这样的形势下,全球主要国家努力实现“碳中和”促进经济发展,也成为大国之间竞争与合作的一个重要领域。

2.从“碳达峰”到“碳中和”,中国与西方发达国家在经济环境上的差异

首先来看中国与西方发达国家在经济环境上的差异。西方发达国家例如美欧等国经过百多年的工业化进程,已经达到了现代化,其碳排放量的程度较低;而中国目前仍然是发展中国家,现在还处于工业化阶段的后期,何况国内的区域经济发展程度不平衡,东南部较发达,西北部较迟缓。因此,未来经济发展的预期还比较高,2035年GDP增长预期比2020年要翻一翻,到2050年有可能会达到2020年的3.5倍。中国经济的增长主要靠基建拉动,因此,能源需求的增加,中国目前依然是“生产型”而不是“消费型”能源消费结构。美国的商业和居民用电约占76%,而中国仅为30%。[4]这一方面说明西方发达国家工业碳排放量较低,比较容易“碳达峰;另一个方面从“弃煤”角度来看,中国煤炭消费绝大部分都是由第二产业消费的,约2/3用于资本形成(包括基建)。与发达国家相比,决定了能源电力需求还保持较高的增长,预计要到2030年之后,能源总需求达到峰值。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,而是增加天然气消费;同时,煤炭消费量必须持续下降。与此相适应的措施是,大力发展新能源和可再生能源,来满足总能源新增加的需求。

3.中国钢管行业实行深度碳减排的路线图

钢管行业包括无缝钢管和焊接钢管两大产品,其中无缝钢管是热加工工艺生产,焊接钢管是冷加工工艺生产。无缝钢管生产过程其中炼铁与炼钢环节与碳排放密切相关。据测算,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达到118亿吨,占比36%,中国钢铁行业二氧化碳排放量大约占全国二氧化碳排放量的15%。钢铁行业从一次性能源消费上来看,2005年占到一次性能源消费的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。因此,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2021年“碳达峰”的重点行业。[6]钢铁行业包括钢管行业特别是无缝钢管面临绕不开的挑战,必须现在开始付诸实施低碳减排。

(1)有专家在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。[7]笔者解读这句话有两层含义,其一当然是指电炉炼钢的发展认识不足;更深层次的含义是指对“碳中和”的认识不足。现在首先来审视电炉钢的发展问题。

(2)中国钢管生产基本流程中,高炉-转炉长流程与电炉短流即“碳冶金”与“电冶金”评判

电炉短流程是中国钢铁业有利于“碳达峰”“碳中和”战略发展的基本生产流程。我国钢铁业能源结构为:69.9%为煤炭,26.4%为电力,3.2%为石油,0.5%为天然气。由于能源结构以煤为主,即碳冶金,排放二氧化碳量高达17.7亿吨,占全国排放量的15%左右。而这主要源自于高炉-转炉长流程生产工艺:具有烧结、球团、焦化、炼铁;而电炉短流程生产工艺直接使用废钢冶炼,没有炼铁系统(铁、焦、烧、球工序)的能源消耗及污染,即电冶金。长流程碳排放强度约为2tCO2/t,短流程碳排放强度约为0.5 tCO2/t。欧美钢铁工业电炉钢的产量占其钢铁总产量约54%以上,而我国电炉钢的产量所占比例不足15%。

2020年12月9日第三届电炉炼钢科学发展论坛上,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。这为无缝钢管选择电炉短流程指明了方向。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,建议似可参考德国对低碳排放企业下调电价。这对于无缝钢管产量增加电炉钢占比,相应减少转炉钢占比,达到“碳达峰”“碳中和”目标是有促进作用。我国政策出于环保原因,出台优惠政策鼓励发展电动汽车;建议也可以按照同样的原因,出台优惠政策鼓励发展电炉产业。

(3)“氢冶金”工艺流程重构“碳冶金”工艺流程,将是一场具有颠覆性的技术革命。对于这个问题,我们似有认识不足。为了实现欧盟“碳中和大陆”目标,欧钢联前些年已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。[9]我国一些钢铁企业目前也在尝试非碳还原,一方面着手开展氢能炼铁和炼钢试验,例如,力拓将出资1000万美元与我国钢企宝武在低碳炼铁项目和研究方面开展合作。宝武并且已敲定碳减排目标,2023年碳达峰,2050年实现碳中和。另一方面就是二氧化碳的捕集和利用,我国一些钢企已在实际生产中利用捕集的二氧化碳向高炉或转炉中喷吹,而降低粉尘的排放量,(挪威清洁能源集团SARGAS用船将液化后的二氧化碳运送到北海油田,注入油井底部,增加产油量)从目前来看,国内外钢企在降碳上的技术路线和操作方法都相同或相似,还有一个共同难点,就是氢气如何低成本制取。我国专家提出钢铁企业副产煤气制氢的思路,有重要参考价值。[10]

(4)关于钢铁企业副产煤气制氢的思路。由钢铁制造流程可以开发出大量的新一代清洁能源——氢气,例如通过吸附制氢的方法从焦炉煤气中得到氢,通过CO-H2O反应从高浓度CO的转炉煤气中得到氢,也可以从熔融还原炉富CO、富H2的尾气中得到氢。氢气进而还可以进一步加工成二甲醚(CH3OCH3)作为液态能源。

焦炉煤气制氢。钢铁企业(或炼焦厂)产生的焦炉煤气含有50%~%60%的H2,是非常好的制氢原料气(下表)。目前,钢厂主要还是将焦炉煤气用作燃料。焦炉煤气利用的合理途径须引起重视,应该尽可能少地将焦炉煤气作为燃料使用。

焦炉煤气与天然气成份                              单位:%

成份

H2

CH4

CO

CmHn

CO2

N2

O2

焦炉煤气

55-60

23-27

5-8

2-4

1.5-3

3-7

0.3-0.8

气井

-

98.0

-

0.6-1.0

-

1.0

-

油井

-

81.7

-

10-15

0.7

1.8

0.2

 

目前,焦炉煤气变压吸附制氢技术在装置规模为1000~3000m3/h是成熟的,大规模制氢装置(如10000m3/h级以上)尚有待进一步开发。

钢厂其他煤气制氢。钢厂的转炉煤气和COREX煤气成分,均富含CO甚至富含H2,其制氢工艺可以通过水煤气变换反应,生成富H2的合成气。

转炉煤气、COREX煤气成份                                 单位:%

成份

H2

CO

CO2

N2

O2

转炉煤气

0.5-3

60-80

10-20


0-1

COREX煤气

10-30

48-80

5-30

<5


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。

COREX煤气制氢。熔融还原炉(COREX)以铁矿和煤炭为原料,在生产铁水过程的同时,产生大量富含CO和H2的COREX煤气。在工业条件下,其制氢过程以及相应其物料平衡大致如下表:

物料平衡表

物料名称

COREX气

变换气

VPSA原料气

VPSA产品气

组成

Nm3/h

mol%

Nm3/h

mol%

Nm3/h

mol%

Nm3/h

mol%

CO2

35939

28.86

85981

49.5

85981

28.58

/

/

CO

55714

44.74

5541

3.19

5731

1.91

190

0.1

CH4

1980

1.59

1980

1.14

2550

0.85

570

0.3

H2

25005

20.08

75611

43.53

200190

66.55

188179

99

N2

4570

3.67

4586

2.64

6368

2.12

1141

0.6

H2O

1320

1.06

/

饱和

饱和



/

合计

124528

100

173699

100

300820

100

190080

100

压力Mpa.G

0.6

0.55

0.55

0.5

 注:物料对应118吨铁/小时, 即110%负荷。

有专家透露,氢能源将纳入我国终端能源体系,带动形成10万亿级的新兴产业。[11]目前已有多地抢滩布局万亿氢能市场,有40多个地区出台了相关的氢能规划。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,需要深入研究和探索实践,例如输送氢气的钢管尚需进口,国内目前还不能制造。

(5)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。一般无缝钢管有二次加热工序,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103.4kgce/t。因此,如何实施铸坯热装、热送和控轧,以利于提高钢管性能和节能,是热轧无缝钢管工艺流程设置优化的课题。山东鲁丽集团磐金钢管制造公司2018年新建成的φ159mm连轧管生产线在工艺布置时,配有管坯热送通道,试行了热装、热送,其工艺创新特点有采用倍尺装炉,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。[8]对无缝钢管控轧控冷,以提高产品性能,宝钢烟台钢管厂开发国内首套无缝钢管在线控冷设备,实现在线控冷、淬火,提供了控制轧制的创新思路。

4.从深度碳减排的视角,探讨中国钢管发展的问题

为实现低碳发展愿望,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。[6]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。理由很简单:焊接钢管生产工艺是冷成型,是低碳性产品;无缝钢管生产工艺是热加工,碳排放量高。

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,其压缩比比无缝钢管在轧制过程的压缩比要高很多,因此,材料的力学性能好、壁厚较小、而且精度较高,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。例如高精度管线管、油套管和机械管等用HFW焊管(高频焊管)制造,可使用户减少10%或更多材料的消耗。[12]

全球无缝钢管2019年产量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》,列举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。[13]举一个例子,世界多数国家和地区,例如,北美、中东、非洲、南美、欧洲和俄罗斯OCTG(石油专用管)年消耗量中的比例,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,焊接油井管的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54%,与之对应其焊接油井管消耗量约占50%左右,中国高炉-转炉长流程产钢量约85%,与之对应其焊接油井管消耗量约占10%左右。这有某种关联性。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;而中国钢铁业产钢量以高炉-转炉长流程为主,达85%,其生产板带工艺流程优势是少规格品种、大批量,不适应油井管多规格品种、小批量。而且前一个时候去产能,将1000立方米以下高炉,50吨以下转炉淘汰出局,因而3000~5000立方米高炉、150~300吨转炉更是规模化生产,从而少批量、多规格品种的油井管对板带要求与钢厂供销体系格格不入。我国焊管企业多是要调坯轧材,只有宝钢等极少数企业自身生产板带直供焊管厂,容易协调焊管厂所需板带品种规格,而且运输费等为零。多数焊管企业需要向板带生产企业订购原料,不容易协调,而且价格较贵,再加上长途运费,其结果是生产的焊接钢管价格不比无缝管便宜,失去了价格上的优势。西方发达国家往往焊管企业自身有电炉钢配套,所以焊管价格一般比无缝钢管便宜5~10%,因而占领油井管的半壁市场。

中国焊接钢管行业有一个现象值得注意,就是石油焊接钢管的高端品种质量在消化引进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,整个石油系统产、学、研以群策群力协同攻关的结果。这就给我们以启示,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,从而能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。还有一个关键点,各个下游行业要认识到“碳中和”的迫切性,对焊接钢管的使用,从降碳减排角度来看是有必要的。同时,有专家指出:“就政策来看,钢铁行业可持续转型不会自行实现,政府将发挥核心作用。”[6]2020年12月18日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。工信部为此正在制定低碳降排路线图,确定四大举措,坚决压缩钢铁产量和严禁新增产能。正如前述,法国在产品上要标注生态评分,“形成压力,推动速度才能加快”。[14]

焊接钢管只能替代一部分无缝钢管。无缝钢管要发挥自身的优势,例如制造高性能油井管、高性能高压锅炉管、核电用管、火车转向导管、火车轴管、高压气瓶管、高压容器管、轴承钢管、液压(气压)件用管、航天航空及军用管等,这些品种在无缝钢管领域甚至有不可替代的优势。无缝钢管业在低碳减排形势下要有进有退;质量要进,产量要退。

 

参考文献

1.青木,欧洲低碳投资机遇和风险,环球时报,2020年12月16日,13版

2.青木,应对气候变化,中国作出更多承诺,环球时报,2020年12月14日,06版

3.林伯强,气候治理转“绿”,减排着眼三大抓手,环球时报,2020年11月14日,07版

4.林伯强,疫情危机加速全球“脱碳”?环球时报,2020年10月15日,15版

5.朱晓波,碳减排大幕已开启,钢铁行业该如何发展?中国冶金报,2021年1月14日,08版

6.麻林巍,加强钢铁碳减排方面的顶层设计,中国冶金报,2021年1月14日,08版

7.何惠平,贾林海,钢铁是低碳绿色发展、打造人类命运共同体关键,中国冶金报,2020年12月15日,01版

8.庄钢等,《中国钢管70年》,187页,冶金工业出版社,2019年

9.刘献东,“碳中和大陆”背景下,欧盟有哪些技术难题待破解?中国冶金报,2020年12月4日,02版

10.殷瑞钰,钢铁制造流程的本质功能与钢厂未来发展模式,《中国钢铁大趋势》,16-17页,经济日报出版社,2009年,北京

11.王宝梅,多地抢滩布局万亿氢能市场,报刊文摘,2020年8月3日,01版

12.杨秀琴,关于我国焊接专用管的发展情况,钢管,2012年第2期,1-8页

13.彭在美,试论中国钢管业的发展方向,南方金属,2003年2月,7-15页

14.骆铁军,2021年钢铁行业展望及“十四五”应关注的问题,中国冶金报,2020年12月22日,01版

 

2021年2月2日


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