冶金技术在钢铁工业低碳发展中的应用研究

冶金技术在钢铁工业低碳发展中的应用研究

屈党军

41292319781016153X邮编：474500

摘要：随着人类对温室气体排放引起气候变化是全球性问题的认识进一步加深，积极应对气候变化、践行低碳发展已成为全球关注焦点和世界各国共识。未来，低碳经济将会是全球经济长期发展的倡导模式。钢铁工业作为能源资源密集型产业，是能源消耗和二氧化碳排放大户，也是实现“双碳目标”的关键性领域，因此钢铁工业低碳转型发展势在必行。在此背景下，探讨了低碳经济背景下钢铁企业的发展思路。

关键词：低碳经济；钢铁企业；低碳发展

引言

钢铁工业向来是一种高能耗、高污染的行业，传统钢铁冶炼主要利用烧结矿、焦炭、喷吹煤（+氧）为原料，烧结矿与焦炭的焦化和焦化过程对环境的要求很高，炼焦要求对焦炭资源要求同样也很高，因此，焦炭的资源面临日益短缺的问题。在通常情况下，一吨生铁要用350kg的焦炭和150kg的煤粉做原材料，这些都属于化石能源一类，由于化石矿物能源的消耗，在炼铁、炼钢过程中会产生大量的CO2、CO。中国钢铁工业在全球范围内的碳排放量中占有16%，是世界上最大碳排放量的行业。在中国钢铁行业以高炉流程为主要工艺的前提下，如何达到节能减排、绿化发展的目标，是当前的一个重大课题。

1低碳炼铁、减排CO2技术研究

1.1以氢代焦等为代表的低碳高炉炼铁技术

日本COURSE50计划以减少高炉碳排放为重点，研制出一种氢还原炼铁法，部分采用氢气替代焦炭作还原剂。采用新日铁金君津公司于2015年建成的10m3小实验炉（10m3），对炉内气体进行了富氢焦改造和风口喷吹实验，并对炉身进行了分解，证实采用氢气作还原剂进行氢还原炼铁法可以降低CO2排放，达到预期的减排目的。此外，在近两年，日本JFE钢铁公司开展了竖炉炼焦工程，将低黏性煤和铁矿粉磨成一定的颗粒大小，与胶结剂按照一定的比例进行搅拌，在此基础上，采用竖炉对其进行炭化，得到了一种高反应速率的铁焦炉。利用新的铁焦炉料可以改变还原机制，改善炉热空区温度，促进铁的氧化还原，降低能源消耗，降低CO2排放量。JFE公司京滨炼钢厂的一座中型高炉，用10%的焦炭（日处理30t焦炭为中试规模），经过多次的生产，炉况较好，焦比有所降低。对千叶厂5153m3高炉进行了实验，结果表明：使用铁43kg/t，高炉运行平稳，燃料比减少13～15kg/t。在福山地区，西日本钢铁所，建立了日处理300t的生产试验装置，以扩大生产规模，建立长期使用的作业技术，预计到2030年，该项目的实际应用将达到1500t/d。铁焦在日本钢铁行业中将是一项重要的减排技术。欧洲ULCOS工程在新的低碳高炉炼铁技术方面上进行了炉顶气体再循环技术的研究。本工艺具有三大特点：一是采用纯氧取代了常规的预热（即全氧）；二是二氧化碳的分离、捕集和贮存。利用回收CO循环作还原剂，降低了焦炭的消耗。实验证明，TGR-BF工艺操作简单、安全、高效、稳定。在此基础上，将除CO2后的部分炉顶气体与氧、煤粉混合，经炉膛风口喷吹，达到900℃，再由炉体适当位置喷出，达到最佳的减排效果，CO2排放量减少26%，是下一步工业化生产规模高炉的最佳选择。蒂森克虏伯和液化空气公司也将在2050年之前为“以氢代煤”的高冶炼项目投资100亿欧元。蒂森克虏伯于2018年11月11日将氢气注入杜伊斯堡9号高炉，进行了一系列的试验。如果情况良好，蒂森克虏伯公司将逐步在28个高炉上使用氢。另外，蒂森克虏伯公司还打算在2022年内把这个区域的另外3个高炉用氢来替代煤炭，这样可以减少20%的CO2排放量，另外，液化空气公司还将在莱茵-鲁尔区200km的管线上提供稳定的氢供给。

1.2新型气基竖炉直接还原工艺

由于CO2减排的压力日益增大，直接氢气还原技术正日益引起人们的重视，并为其积极发展创造了机会。在氢能钢铁生产方面，国外的钢铁公司已经进行了大量的研究，并取得了一定的成果。尤其是瑞典的SSAB公司，研发出一种具有革新意义的氢冶炼技术（HYBRIT），它使钢铁工业的CO2排放降至接近于0，这一技术有望对特钢工业带来革命性的变革。本文以ULCOS为例，对ULCORED新工艺进行了研究。采用天然气替代传统的焦碳还原剂，将块状矿石或球状颗粒直接还原成铁质，以供电炉冶炼。设计研究结果显示，ULCORED与碳捕捉与存储技术相结合，可以将CO2的排放降低70%，而欧洲的典型高炉则是采用了ULCORED技术。另外，ULCOS计划正在发展一项技术，通过直接氢还原（Hydroxy）来制造钢铁。氢是由水电解而得，而所需的电能则是从水力发电厂和核电站中获得。将铁矿石经氢气化炉还原后，不含碳的直接还原，然后送入电炉进行冶炼。即使将电力所产生的CO2排放计算在内，碳直接还原法仅为300kgCO2/t，较传统的1850kg/t钢少了84%，烘焙技术。但是，发展直接氢气还原炼钢技术离不开氢经济，因此，要提高生产规模，提高生产成本。在ULCOS的调查中，欧洲HYBRIT项目由瑞典SSAB公司启动，SALCOS项目由德国萨尔茨吉特钢铁公司负责，以及由奥钢联启动的H2FUTURE项目，产生电能，随后在高温下电解出氢（P2G），以生产直接还原铁。HYBRIT公司2018初发布的一份报告显示，SSAB高炉的CO

2排放量是每吨1600kg（欧洲其它国家是2000～2100kg/t），消耗5385kW·h。HYBRIT技术的CO2排放只有25kg/t，电力消耗4051kW·h。但是，通过2017年底电力、焦炭、CO2的交易，HYBRIT的氢冶炼技术的成本要高于常规的炼铁工艺20%～30%，而高的制氢成本是主要原因。

1.3碳捕集和存储技术

碳搜集与储存技术（CCS）是利用矿物燃料燃烧所产生的CO2，经管道运输至地面或由船只将CO2储存在海洋中。COURSE50和ULCOS工程都在开展CO2的搜集和封存方面的技术。COURSE50计划是两大核心技术之一，其目标是把CO2与鼓风炉中的CO2分开，使排放量减少20%。为此，在JFE佛山工厂安装了3tCO2/d的试验装置，并开发了PSA的物理吸附技术；同时，开发新型的化学吸附剂，在新日铁君津厂建立了1tCO2/dCO2的实验装置，对CO2的化学吸附工艺进行了深入的研究，以期实现CO2的分离与循环利用。有关的研究和开发仍在进行中。CCS技术是一种有效的降低温室气体排放、缓解全球气候变暖的手段，但如何安全、安全、长期、无次生灾害地实现CO2的封存，仍然是一个亟待解决的问题。同时，CO2的回收利用效率不高，极易导致资源的浪费。

1.4核能制氢炼钢

超高温核反应堆的反应产物为氢和电。韩国原子能研究所于2009年与韩国13个公司、浦项制铁公司签署了《原子能技术合作协定》，开始了核能源技术的交流与技术研究。2010年五月，POSCO开始了对超高温核反应堆的研发。反应器将于2025年正式投产，2030年将在2个高炉投产，2040年建成12个，实现氢还原。韩国也有人提出，采用FINEX熔融还原技术，采用FINEX技术，将其还原成粉末，再将其加热，送入电炉，通过核反应堆产生的电力进行冶炼，从而降低CO2排放。

2发展趋势与结论

(1)中国钢铁工业要实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标,必须从根本上减少对高炉—转炉长流程和煤焦工艺的依赖,降低碳冶金比重,因此离不开根本性的流程变革及颠覆性的工艺技术。

(2)从发展现状来看,无论哪种钢铁生产流程,目前都在积极发力,从技术革新、资源整合、政策金融等各方面入手,探索最适合自己的低碳化路线。

(3)从发展路径来看,建议不同阶段确立不同的研究重点。近中期的研究重点主要在于各流程工艺的低碳技术、提高电炉短流程炼钢比例、废钢资源高效化应用、流程界面技术、碳排放权交易等,中长期的研究重点在于深度脱碳技术、氢冶金技术、HDR-电炉短流程、CCUS、碳市场与碳金融等。

(4)当前高炉—转炉长流程的成本优势仍难以撼动,因此在今后相当长的时期内仍以长流程占主导。当技术、资源、政策等各因素耦合在一起、电炉短流程成本优势显现的时候,才是中国钢铁流程结构变革、低碳化钢铁之路的真正开始。

3结语

降低碳排放是目前钢铁工业最迫切需要解决的问题。高炉转炉技术的发展主要是以氢焦油为代表的低碳高炉冶炼，而特钢生产体系则是以竖炉高氢直接还原为主要原料。根据CCU的观点，采用工业尾气制取化工产品是最彻底、最合理、最可持续的方式。整合冶金、化工、能源、信息等行业技术力量，加大对神威化工废气的捕集、输送和处理工艺的实施力度，从源头上解决钢铁企业的CO2排放量。

参考文献

[1]张福君，杨树峰，李京社，等“.双碳”背景下低碳排炼钢流程选择及关键技术[J].工程科学学报，2022，44（9）：1483-1495.