作为现代社会四大基础材料之一，钢铁对世界经济的发展至关重要。然而，由于目前全球75%的粗钢来自于高炉转炉（BF-BOF）工艺，无法摆脱对煤的高度依赖，导致钢铁工业成为高能耗、高排放的代表。钢铁工业每年直接排放2.6Gt CO2, 占全球碳排放的6.7%。为了落实巴黎协定的气候目标，到2050年钢铁产业的碳排放必须至少降低50%。目前钢铁厂主流的减排措施包括：电弧炉炼钢、H2直接还原铁和碳捕集、利用与封存（CCUS）技术。考虑到大规模绿色电能尚未部署，CCUS配合可再生能源是短期内实现钢铁厂深度减排的有效途径。然而CCUS的整合增加了系统的复杂度；可再生能源的随机性和间接性又给系统的灵活运行带来挑战。利用优化调度实现热、电、碳和煤气等多能流之间的协调互补是保证整体系统的绿色高效运行的关键。
图1低碳化钢铁厂煤气利用系统流程图
针对这一问题，东南大学能源与环境学院吴啸团队建立了耦合新能源和碳捕集与利用的低碳化钢铁厂煤气利用系统，借助智能化的调度方法实现了系统的低碳、灵活与经济运行，并通过敏感性分析深刻揭示了系统多能互补的耦合机理。相关结果发表在Applied Energy（DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117069）上。
研究者建立了耦合可再生能源和碳捕集与利用的低碳化钢铁厂煤气利用系统，如图1所示。采用梯度提升回归树方法构建了准确的系统模型用于调度，并依靠粒子群算法在真实的风光负荷场景下进行优化，实现了系统的低碳、灵活与经济运行。优化调度结果表明：与传统的煤气利用系统相比，CCUS的灵活部署使得97%的可再生能源得以消纳，减少了62.2%的CO2排放，同时缓解了煤气柜位的波动。对新能源装机比例、燃煤约束、碳排放惩罚以及碳捕集运行方式进行了敏感性分析，认为CCUS与新能源的互助合作与协同发展是未来钢铁工业走向碳中和的关键。而采取日平均捕集率的运行方式能在保证减排能力的同时激发系统的灵活性。
原文刊载于【InfoMat】公众号
原文作者：InfoMat团队
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