RecentSustainability Developments in the Iron and Steel Industry

鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最新進(jìn)展

概述了近年來鋼鐵行業(yè)的一些減碳排放創(chuàng)新,包括:(1)減少高爐產(chǎn)量,趨向采用電弧爐熔煉廢鋼或使用直接還原鐵煉鋼;(2)直接還原鐵過程中使用氫作為還原劑,氫氣則通過綠色電能而產(chǎn)生;(3)鐵礦石濕法冶金電解;(4)熔融氧化物電解(Boston Metals);(5)歐洲研發(fā)超低二氧化碳煉鋼(ULCOS)計(jì)劃(高爐煤氣回收,HISarna);(6)利用廢氣生產(chǎn)化工產(chǎn)品;(7)礦渣在水泥工業(yè)中的應(yīng)用。

鋼鐵是全球最大的二氧化碳排放行業(yè)之一,占全球二氧化碳排放總量的7-9%,約占整個(gè)工業(yè)二氧化碳排放的30%。圖1描述了自19世紀(jì)晚期高爐現(xiàn)代化以來,全球粗鋼產(chǎn)量不斷增長的情況。2021年,全球粗鋼產(chǎn)量剛剛超過18億噸,比2023年7.3年增長4.6%

圖1  全球粗鋼產(chǎn)量和增長率[2]

如果鋼鐵產(chǎn)量繼續(xù)增長,降低粗鋼的二氧化碳排放濃度對降低鋼鐵行業(yè)的全球排放將變得越來越重要。為了保持可持續(xù)發(fā)展事態(tài)(SDS),國際能源機(jī)構(gòu)倡導(dǎo)巴黎協(xié)議目標(biāo),鋼鐵工業(yè)必須減少二氧化碳,在2023年到2030年之間,粗鋼二氧化碳強(qiáng)度每年要降低1.9%,如圖2所示,粗鋼的二氧化碳強(qiáng)度自2009年以來一直在下降(在2023年下降了1.8%);但是,要降低鋼鐵產(chǎn)品每噸的排放量,還需要鋼鐵行業(yè)進(jìn)一步的努力和不斷的技術(shù)進(jìn)步。

圖2  鋼鐵生產(chǎn)直接排放二氧化碳強(qiáng)度

最近有幾項(xiàng)發(fā)展旨在減少鋼鐵行業(yè)對環(huán)境的影響項(xiàng)目。這些項(xiàng)目、技術(shù)或創(chuàng)新可以分為以下幾類:

1. 使用氫還原鐵礦石。

2. 綠色能源的使用。

3. 管未技術(shù),使用生物碳原料。[4]

本文討論了目前的鋼鐵工藝路線及其二氧化碳排放。本文還回顧了現(xiàn)有的以及即將出現(xiàn)的低[1]排放技術(shù)(LETs),這些技術(shù)可能會(huì)從根本上改變鋼鐵行業(yè)。

鋼鐵的主要工藝路線

鋼材生產(chǎn)主要有三條制造路線:

1. 采用高爐(BF)、轉(zhuǎn)爐(BOF)和焦?fàn)t的長流程。

2. 電弧爐煉鋼用直接還原鐵(DRI)生產(chǎn)。

3. 電爐采用廢鋼冶煉。

最常見的路線是傳統(tǒng)的長流程,即使用高爐煉鐵,轉(zhuǎn)爐煉鋼(圖3)。全球約70%的鋼鐵生產(chǎn)依賴于高爐和轉(zhuǎn)爐路線。[5]鐵礦石作為原料,冶金焦炭用于高爐中鐵礦石的還原劑。第2和第3條鋼鐵生產(chǎn)路線涉及用廢鐵和/或DRI作為鐵源的電弧爐,全球約30%的鋼鐵產(chǎn)量是通過電弧爐生產(chǎn)的。通常,50-100%的電爐原料含有回收的廢鋼,添加原始鐵礦石提煉出來的鐵(DRI或熱壓塊鐵(HBI))來稀釋廢鋼中殘余元素或替換購買的廢鋼)。電爐冶煉需要大量電力,然而,電爐路線的直接二氧化碳排放量通常較低。

圖3  2018年各種鋼鐵生產(chǎn)工藝路線概括

Hatch計(jì)算了三條工藝路線每噸熱軋卷板(HRC)的二氧化碳排放量,傳統(tǒng)的高爐和轉(zhuǎn)爐的長流程路線,100%直接還原鐵和100%廢鋼冶煉的電弧爐短流程路線。為了計(jì)算綜合高爐和轉(zhuǎn)爐煉鋼路線的排放,使用了以下操作假設(shè):

1. 燒結(jié)礦/球團(tuán)礦比為90% / 10%。

2. 每噸熱鐵水需要1600kg燒結(jié)礦+球團(tuán)入高爐。

3. 每噸熱鐵水需要325公斤焦炭。

4. 每噸鋼冶煉需要1.1公噸鋼鐵水。

5. 熱軋卷板成材率為0.98。

采用西歐鋼鐵行業(yè)最好的10%技術(shù)指標(biāo)作為基準(zhǔn)值來進(jìn)行估計(jì),焦炭和燒結(jié)廠的二氧化碳排放量為0.33噸二氧化碳/噸焦炭和0.191噸二氧化碳/噸燒結(jié)。[6]除石灰窯排放及板坯連鑄機(jī)后用電需求外,高爐、轉(zhuǎn)爐路線CO₂排放約為2.05噸CO₂/噸HRC。圖4所示為高爐和轉(zhuǎn)爐長流程冶煉二氧化碳排放的桑基圖。

圖4  桑基圖,描述了典型的長流程高爐/轉(zhuǎn)爐的二氧化碳排放點(diǎn)。每噸熱軋板卷總CO₂排放量為2.05噸

(圖中左上:煉鐵排放包含熱風(fēng)爐和動(dòng)力廠,525kg/t HRC + 827 kg/t TRC = 1452 kg/t HRC;圖中右下:從石灰窯中的排放,和板坯連鑄后的電力需求(如軋鋼需要的電能)不包含在內(nèi))

由于電弧爐煉鋼需要大量電力,計(jì)算出的每噸熱軋帶卷HRC排放量取決于電弧爐運(yùn)行的地區(qū)(及其各自的電網(wǎng)電力排放系數(shù))。在法國,電網(wǎng)電力排放因子低至0.08 kg CO₂/kWh,而在中國和印度,電網(wǎng)電力排放因子均大于1.0 kgCO₂/kWh。采用日本國家電網(wǎng)0.47 kg CO₂/kWh的電力排放因子計(jì)算兩種電爐情景下的排放量,假設(shè)以天然氣為基的DRI生產(chǎn),生產(chǎn)一噸DRI的二氧化碳排放量約為0.5噸。

100%使用DRI電爐和100%廢鋼電爐來生產(chǎn)熱軋盤卷帶鋼,噸鋼的二氧化碳排放量分別約為0.96噸和0.26噸。典型的電爐既使用部分來自礦石鐵原料,也使用部分廢鋼,其排放值將介于100% DRI和100%廢鋼路線之間。圖5總結(jié)了三種情況下的計(jì)算CO₂排放量。

圖5  電爐使用DRI和使用廢鋼工藝比較,傳統(tǒng)高爐/轉(zhuǎn)爐長流程冶煉過程中的CO₂排放( tCO₂/tHRC)

按工藝路線劃分的地區(qū)差異

現(xiàn)代高爐和轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)已經(jīng)存在一百多年,然而,電爐煉鋼始于20世紀(jì)初,直到20世紀(jì)60年代大量廢鋼出現(xiàn)后才開始普及。早期電爐鋼生產(chǎn)受到缺乏電力供應(yīng)的限制——特別是廉價(jià)的電力,缺乏足夠的廢鋼供應(yīng),而且只能生產(chǎn)低等級的鋼鐵產(chǎn)品。在過去的50年里,對電弧爐的改進(jìn)已經(jīng)使將近80%的鋼鐵產(chǎn)品可由電弧爐生產(chǎn)。[7]擁有廉價(jià)電力和擁有足夠廢鋼或者有豐富用于DRI生產(chǎn)的天然氣的國家通常電弧爐生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品比例高。2021年,美國68%的鋼鐵都是通過這種方式生產(chǎn)的,相比之下,中國的這一比例僅為12%,廢鋼不足和電價(jià)過高仍是中國電爐生產(chǎn)的限制因素。[2]圖6顯示了自1985年以來電爐占粗鋼產(chǎn)量百分比,突出看出美國和中國鋼鐵生產(chǎn)工藝路線上的差異。

圖6  電弧爐占粗鋼產(chǎn)量的百分比[8]

工藝路線選擇——長流程煉鋼、電爐煉鋼和DRI   

利用日本電力排放系數(shù)可以看出,電爐煉鋼工藝,特別是使用廢鋼情況下,其排放明顯低于傳統(tǒng)高爐和轉(zhuǎn)爐長流程工藝。為了實(shí)現(xiàn)更環(huán)保的煉鋼,向電爐冶煉工藝全球轉(zhuǎn)型可以顯著減少鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放。如果60%的鋼產(chǎn)自高爐和轉(zhuǎn)爐路線,40%產(chǎn)自電爐工藝(使用100%的NG-DRI原料),則排放量可減少約20%,生產(chǎn)噸鋼熱軋板卷就可以達(dá)到1.62噸CO₂排放量。如果在電爐中使用更高比例的廢鋼,排放會(huì)進(jìn)一步減少。

電爐煉鋼要想成為傳統(tǒng)高爐轉(zhuǎn)爐長流程可行的替代選擇,低碳綠色的電力和充足的廢鋼是必要條件。此外,電爐必須能夠冶煉所有的鋼種,只能在電爐中添加原始鐵礦石含鐵產(chǎn)品原料(即DRI或者HBI)。DRI和HBI的生產(chǎn)主要制約因素是天然氣的可用性和成本。在天然氣資源豐富的地區(qū)(如美國),很多電爐使用DRI冶煉生產(chǎn)。因此,在低碳綠色電力、廢鋼和天然氣供應(yīng)充足的地區(qū),可以假設(shè)DRI/EAF工藝路線最終可以取代高爐和轉(zhuǎn)爐的長流程工藝路線,生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品時(shí)候排放的二氧化碳排放大大減少。圖7顯示了地區(qū)和年份的DRI/HBI產(chǎn)量,近年來,全球DRI/HBI產(chǎn)量顯著增加。

圖7  按地區(qū)和年份的世界直接還原鐵和熱壓塊鐵產(chǎn)量[9]

在中國這個(gè)世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國中,由于電力限制和DRI和廢鋼價(jià)格偏高,電弧爐煉鋼目前受到限制。在過去的十年里,中國一直在進(jìn)口廢鋼;然而,2023年中國廢鋼出口激增,不久之后中國停止進(jìn)口廢鋼。在未來幾年,由于21世紀(jì)中國鋼鐵工業(yè)的快速增長,中國國內(nèi)廢鋼的可用性預(yù)計(jì)將增加(圖8和圖9),電力將變得更加豐富。因此,用電爐替代一些長流程很可能會(huì)成為一個(gè)全球性的現(xiàn)實(shí)。

圖8  預(yù)計(jì)到2030年中國可用廢鋼量,以百萬噸為單位

圖9  預(yù)計(jì)全球每年可獲得的廢鋼量,單位百萬噸

高爐改進(jìn)

由于目前有70%的鋼鐵是通過高爐和轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的,減少鋼鐵生產(chǎn)中CO₂排放強(qiáng)度的短期策略是對現(xiàn)有的高爐加強(qiáng)改造,從而減少噸鋼CO₂排放量。高爐和轉(zhuǎn)爐的改進(jìn)包括使用電能技術(shù),如提高熱風(fēng)爐溫度、轉(zhuǎn)爐煤氣回收、對熱風(fēng)爐或煉焦工藝進(jìn)行改進(jìn)、高爐噴吹天然氣替代部分焦炭,以及使用生物質(zhì)等替代燃料。

在高爐采用電力技術(shù)可以減少二氧化碳排放,前提是電能來自可再生能源或綠色國家電網(wǎng)。等離子加熱是利用電能產(chǎn)生高溫、高速等離子體流,自20世紀(jì)80年代引入高爐以來,其可靠性和可維護(hù)性有了顯著提高。Hatch的熱風(fēng)過熱技術(shù)采用等離子噴槍將熱風(fēng)過熱送入高爐,從而減少了焦炭消耗,提高了高爐的生產(chǎn)效率。[11] IGAR是目前由安賽樂米塔爾公司和Europlasma公司開發(fā)的一項(xiàng)技術(shù),該技術(shù)利用等離子噴槍反應(yīng)器對高爐頂部氣體進(jìn)行利用改造,并將含CO的合成氣通過風(fēng)口循環(huán)回高爐,從而減少碳粉消耗。[12]同樣,高爐頂部的氣體可以通過真空變壓吸附(VPSA和PSA)來分離和捕獲二氧化碳,并將CO再循環(huán)返回高爐利用。該技術(shù)是通過超低二氧化碳煉鋼(ULCOS)計(jì)劃開發(fā)的,預(yù)計(jì)將導(dǎo)致焦炭率降低35%,將高爐和轉(zhuǎn)爐長流程路線的總體排放減少約18%

干熄焦是對現(xiàn)有煉焦技術(shù)的一種改進(jìn),該技術(shù)利用惰性氣體對熾熱焦炭進(jìn)行熱能回收。回收的熱量用于在鍋爐中產(chǎn)生蒸汽,用于其他用途,如發(fā)電。干熄焦的水分含量非常低,這導(dǎo)致高爐節(jié)省焦炭。焦炭干熄焦技術(shù)為新日鐵和住友工程擁有,該技術(shù)已投入商業(yè)應(yīng)用。截至2021年3月,已經(jīng)建造了126臺焦?fàn)t,與傳統(tǒng)焦?fàn)t相比,它們可以節(jié)省5-10%的二氧化碳。[14]

許多高爐改進(jìn)項(xiàng)目的重點(diǎn)是利用生物碳替代冶金用煤/焦炭。與其他化石碳源類似,生物碳向大氣釋放二氧化碳;而生物碳生產(chǎn)過程中釋放的CO₂是生物在生長過程中吸收的CO₂,這是一個(gè)大自然的平衡過程,因此認(rèn)為生物碳產(chǎn)生的是中性溫室氣體(GHG)。加拿大炭化研究協(xié)會(huì)(CCRA)與CanmetENERGY的冶金燃料實(shí)驗(yàn)室(MFL)合作,旨在用生物碳替代現(xiàn)有鋼鐵設(shè)施中的化石碳,他們的2030年目標(biāo)包括替代10%的冶金焦炭,在高爐煉鐵中100%替代噴吹煤粉(PCI),在電爐煉鋼中100%替代化石碳。Torero是阿塞洛-米塔爾公司發(fā)起的一個(gè)項(xiàng)目,該項(xiàng)目利用烘培技術(shù)將廢木材轉(zhuǎn)化為生物煤。目前,在比利時(shí)的阿塞洛-米塔爾根特(ArcelorMittalGhent),一家大型示范工廠正在建設(shè)中,目標(biāo)是每年將12萬噸廢木材轉(zhuǎn)化為5萬噸生物煤。[12]淡水河谷公司開發(fā)的新的爐子Tecnored旨在利用木炭作為碳源。該爐類似于移動(dòng)床豎爐,它裝有自還原型煤和固體碳源,以產(chǎn)生液態(tài)生鐵,類似于高爐的產(chǎn)品。目前,在巴西S?o Paulo有一個(gè)75000噸/年的示范工廠,該工廠自2011年16日開始運(yùn)營。[16]

在高爐中使用生物材料作為碳替代品的一個(gè)主要問題是生物碳具有很高的活性,這將導(dǎo)致焦炭質(zhì)量的顯著下降。Steinmetzger等人研究了利用甘蔗渣作為生物材料制作生物煤,發(fā)現(xiàn)這種方式生產(chǎn)的生物煤不能達(dá)到與化石煤相同的效率。[17] Ng等人的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在制作生物煤塊中用焦煤對生物炭進(jìn)行致密化,可以提高得到的生物煤的質(zhì)量,但是在這些實(shí)驗(yàn)中,煤的混合中只含有10%的生物炭。[18]  由于煤炭質(zhì)量的下降,在高爐中完全用生物煤替代化石煤是不可能的現(xiàn)實(shí)。

2021年11月,能源過渡委員會(huì)(EMotor)發(fā)布了“可能的任務(wù)”報(bào)告,闡述了工業(yè)部門碳的零排放經(jīng)濟(jì)根本不可能實(shí)現(xiàn),EMotor預(yù)測,鋼鐵行業(yè)中只有5%的能源組合將通過生物能源和生物原料提供(圖10),綠色電力和氫還原技術(shù)將在未來的鋼鐵生產(chǎn)中扮演重要角色,這樣才能得到零碳排放的未來。

圖10  能源轉(zhuǎn)型委員會(huì)(EMotor)對零碳經(jīng)濟(jì)中能源結(jié)構(gòu)的說明[19]

(左側(cè)從上至下:水泥,鋼鐵,化學(xué)能,化學(xué)物質(zhì),其它工業(yè),輕載運(yùn)輸,重載運(yùn)輸,船運(yùn),航空,建筑物取暖,農(nóng)業(yè),其它,總供應(yīng)側(cè)路徑,總供應(yīng)側(cè)+效率路徑)

氫還原煉鐵項(xiàng)目

降低鋼鐵工業(yè)二氧化碳排放的長期解決方案是使用氫取代碳作為鐵的還原劑技術(shù),氫的使用避免了二氧化碳的產(chǎn)生,反應(yīng)產(chǎn)物僅僅是水。氫還原技術(shù)有兩種方法:

1. 向高爐噴氫,降低所需的煤/焦量。

2. 氫可作為天然氣的替代物用來生產(chǎn)DRI,電弧爐使用氫制造的DRI進(jìn)行冶煉。

雖然從理論上講,在粗鋼生產(chǎn)中使用氫可以將煉鋼過程中的二氧化碳排放量減少到接近于零,但只有使用綠色氫才能實(shí)現(xiàn)全球二氧化碳的減排。氫可以由蒸汽甲烷重整的方式生產(chǎn),這是一種碳?xì)浠衔镏g的反應(yīng)和蒸汽高壓下產(chǎn)生的氫氣和一氧化碳,一種內(nèi)在的非綠色工藝過程;或用電解的方式,用電力來把水分解成氫和氧,使用15L的水電解生產(chǎn)氫氣需要55至86千瓦時(shí)的電力,因此,為了生產(chǎn)綠色氫氣,必須使用可再生電力能源技術(shù)。

利用2021年的粗鋼產(chǎn)能計(jì)算,如果完全用氫取代煤碳,各種工藝路線生產(chǎn)的18億噸粗鋼需要6400萬噸氫,這就需要4150TWh/年的綠色電力來生產(chǎn)這么多的氫。從這個(gè)角度來看,用氫取代碳,生產(chǎn)完全綠色鋼鐵所需的電力大約是澳大利亞年電力消耗的兩倍,或者是2021年中國年電力消耗的10%。奧鋼聯(lián)已經(jīng)計(jì)算出大約需要33TWh的外部可再生電力來生產(chǎn)足夠的氫來運(yùn)行其林茨和多納維茨高爐和轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn),這相當(dāng)于奧地利目前發(fā)電量的一半,即大約4000個(gè)風(fēng)力電站,每個(gè)風(fēng)能電站的發(fā)電量為4兆瓦。[20]因此,與煤/焦炭或天然氣生產(chǎn)方法相比,生產(chǎn)綠色氫的成本是非常高的。

盡管取代碳作為還原劑需要大量的氫,而且氫的成本很高,許多鋼鐵制造商已經(jīng)啟動(dòng)了在高爐中探索使用氫的項(xiàng)目。蒂森克虜伯與液化空氣公司合作的目的是通過在風(fēng)口噴入氫氣來減少高爐中煤粉的數(shù)量,該氫氣是通過蒸汽制氫工藝得到的。該項(xiàng)目計(jì)劃在2024年秋季開始,計(jì)劃在杜伊斯堡 BF9高爐里注入2.5萬Nm³/h的H₂,這樣每噸鐵水可以節(jié)省約19%的CO₂排放量。GrInHy2.0和H2Future是由EU Horizon 2020資助的技術(shù),旨在通過固體氧化物電解燃料電槽技術(shù)生產(chǎn)用于高爐還原劑的綠色氫氣。H2Future目前正在奧地利奧鋼聯(lián)集團(tuán)林茨鋼鐵廠建設(shè)世界上最大的質(zhì)子交換膜(PEM)電解工廠,產(chǎn)能為6兆瓦,小時(shí)生產(chǎn)1200立方米的綠色氫。目前,高爐在可接受的操作條件下的最大氫置換量仍然是未知的;然而,用現(xiàn)有的高爐技術(shù)完全取代煤炭是不太可能的。

氫作為還原劑的更有前景的應(yīng)用可能存在于H₂-DRI的生產(chǎn)中。使用天然氣的NG-DRI直接還原鐵生產(chǎn)目前使用的還原性氣體中氫氣含量約為55%;因此,該工藝有潛力逐步引入額外的H₂,其組成比例最高可達(dá)100%,因?yàn)镠₂的利用更加經(jīng)濟(jì)可行。Muller等人認(rèn)為,與NG-DRI相比,H₂-DRI有可能減少91%的二氧化碳排放。[23]以H₂為還原劑的DRI生產(chǎn)技術(shù)包括H2Hamburg、HYBRIT和SALCOS。H2Hamburg是阿塞洛-米塔爾擁有的一項(xiàng)新的爐子技術(shù),利用回收廢氣來生產(chǎn)H₂,綠色氫作為還原劑每年可生產(chǎn)0.55萬噸DRI。該工藝每噸HRI需要635 m³STPH₂。[24]  HYBRIT項(xiàng)目(圖11)是由SSAB、LKAB和Vattenfall擁有的H₂-DRI - EAF工藝,該工藝使用電解產(chǎn)生的H₂來生產(chǎn)DRI。目前正在瑞典Lule?為這個(gè)項(xiàng)目建設(shè)一個(gè)試驗(yàn)工廠。Salzgitter正在帶頭開展SALCOS研究,以生產(chǎn)用于高爐和電爐的原料DRI。

圖11  H₂-DRI-EAF路線煉鋼與高爐路線的比較(左側(cè)為長流程,右側(cè)為H₂-DRI-EAF工藝)

熔融還原技術(shù)

熔融還原是一種依賴于煤在鐵水中氣化的替代煤基煉鐵工藝。熔融還原過程包括兩個(gè)區(qū)域:預(yù)還原區(qū)和熔融還原區(qū)。煤進(jìn)入熔融還原區(qū)氣化,產(chǎn)生熱量和豐富的CO熱氣體,熱能在熔融還原區(qū)熔化鐵礦石,而熱氣體被輸送到預(yù)還原區(qū)。熱氣體在鐵的氧化物進(jìn)入熔煉還原區(qū)之前對其進(jìn)行預(yù)還原,最終發(fā)生還原反應(yīng)。熔融還原技術(shù)避免使用焦化工藝,往往避免了鐵礦石的團(tuán)聚過程,顯著減少了二氧化碳排放。大多數(shù)熔融還原工藝的缺點(diǎn)是需要大量的氧氣,價(jià)格昂貴,目前只有不到1%的鋼是通過熔融還原生產(chǎn)的。

兩種最常見的熔融還原技術(shù)是HISARNA和FINEX。HISARNA是ULCOS項(xiàng)目的一部分,該項(xiàng)目的目標(biāo)是在煉鋼過程中減少50%的二氧化碳排放。自2007年以來,塔塔鋼鐵、里約熱內(nèi)盧Tinto和ULCOS一直在開發(fā)HISARNA技術(shù),該技術(shù)直接將鐵礦石和煤轉(zhuǎn)化為鐵,無需對礦石和煤進(jìn)行任何預(yù)處理(圖12)。與傳統(tǒng)煉鐵路線相比,這將減少20%的二氧化碳排放,并且在HISARNA爐中使用生物質(zhì)碳或廢鋼可進(jìn)一步減少50%的排放。使用純O₂代替爐內(nèi)的熱風(fēng),產(chǎn)生含有高濃度二氧化碳的頂部氣體,使HISARNA工藝成為理想的碳捕獲工藝。該項(xiàng)目一直在與TNO合作開發(fā)碳捕捉和存儲(CCS)方法,如溫室植物生產(chǎn),或提高石油回收,將與HISARNA工廠一起使用,減少80%的排放。[26]目前,位于荷蘭IJmuiden的塔塔鋼鐵公司擁有一座年產(chǎn)6萬噸的試驗(yàn)工廠,而第二座年產(chǎn)40萬噸的工廠預(yù)計(jì)在撰寫本文時(shí)開始建設(shè)。

圖12  HISARNA熔融還原技術(shù)

FINEX由一系列流化床反應(yīng)器組成,通過三到四個(gè)階段將鐵礦石還原為DRI,然后將礦石壓實(shí)并以HBI的形式充入熔爐-氣化爐裝置中,將其還原為金屬鐵,FINEX爐將燒結(jié)廠、焦化廠和高爐組合成為一個(gè)單元。目前,浦項(xiàng)制鐵在韓國的浦項(xiàng)制鐵工廠有三個(gè)工廠,其中最大的是一個(gè)200萬噸/年的工廠。據(jù)報(bào)道,FINEX工藝比高爐工藝降低4%的二氧化碳排放量。[27]

避免使用碳的選項(xiàng)方案

目前有兩個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目正在研究全新的工藝路線,有可能徹底改變鋼鐵行業(yè)并使其脫離碳的影響:熔融氧化物電解(MOE)和鐵礦石電解,這兩種都是綠色電力技術(shù)。

熔融氧化物電解

波士頓金屬公司(Boston Metal)正在開發(fā)一種從鐵礦石中無碳生產(chǎn)鋼鐵的工藝。這一過程處于小規(guī)模的試產(chǎn)水平階段上。MOE工藝以鐵礦石為原料,通過惰性陽極和更穩(wěn)定的熔融氧化物電解液層選擇性還原鐵。純鐵定期從槽中取出,添加合金,然后按照典型的下游煉鋼設(shè)備對鋼進(jìn)行加工和澆鑄。熔融氧化物層是由鐵礦的脈石成分與助熔劑結(jié)合而成,以保持目標(biāo)化學(xué)性質(zhì)和堿度。該過程中使用的設(shè)備類似于鋁生產(chǎn)的電解槽,因此是可擴(kuò)展添加,這種方法適合于現(xiàn)有工廠的鋼鐵增量生產(chǎn),可以直接取代大型綜合鋼廠。波士頓金屬公司實(shí)現(xiàn)無碳煉鋼的關(guān)鍵創(chuàng)新是開發(fā)了惰性陽極,使得電解槽釋放的主要?dú)怏w是氧氣(而不是CO或CO2)。MOE工藝是電力的主要消耗者,并要求建立綠色電網(wǎng),以減少鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放。

Siderwin鐵礦石電解沉結(jié)項(xiàng)目

Siderwin工藝是由安賽樂米塔爾(ArcelorMittal)牽頭的一項(xiàng)歐洲鋼鐵業(yè)倡議,使用電解槽生產(chǎn)金屬鐵。當(dāng)鐵礦石被引入電解槽時(shí),電流通過電極,鐵被吸引到陰極,氧被吸引到陽極。該項(xiàng)目由歐盟地平線2020資助,目前處于試產(chǎn)階段,在撰寫本文時(shí),一個(gè)3米長的工業(yè)電解槽正在建設(shè)中,用于測試各種鐵礦石原料,包括含鐵廢料。[12]

生產(chǎn)金屬鐵的三個(gè)主要工藝步驟是:

1. 赤鐵礦與可溶的二價(jià)鐵形成磁鐵礦的化學(xué)反應(yīng):

               (公式1)

2. 磁鐵礦與鐵電的耦合:

            (公式2)

3. 鐵在陰極極化下的電解結(jié)晶:

          (公式3)

Siderwin工藝的設(shè)計(jì)是以高能源效率運(yùn)行,目標(biāo)是有一個(gè)靈活的生產(chǎn)率,這將是在間歇性可再生電力的電網(wǎng)上運(yùn)行的理想選擇。在法國Maizières的研究和開發(fā)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的測試表明,與電解生產(chǎn)氫所需的電力相比,運(yùn)行電解槽所需的電力更少。與傳統(tǒng)的高爐和轉(zhuǎn)爐路線相比,Siderwin技術(shù)可以減少87%的二氧化碳直接排放

廢氣到產(chǎn)品過程

碳的捕集、儲存和利用也可能在向低排放的鋼鐵生產(chǎn)邁進(jìn)過程中發(fā)揮作用。碳捕獲儲存和利用過程從廢氣流中捕獲二氧化碳,并將其作為產(chǎn)生各種化學(xué)產(chǎn)品的原料重新利用,避免使用煤炭或天然氣原料。從鋼鐵廢氣流中捕獲的二氧化碳可以用于提高油井的石油采收率,或者可以轉(zhuǎn)化為更高價(jià)值的產(chǎn)品,如生物乙醇、生物甲醇或聚合物。二氧化碳也可以儲存在水泥中或用作藻類生長的飼料;然而,要完全消除鋼鐵行業(yè)目前的二氧化碳排放,需要大量的水泥或藻類,這給擴(kuò)大使用這些技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)。

生物乙醇通常是由生物材料(如玉米或甘蔗)的糖的酵母發(fā)酵生產(chǎn)出來的,它被用作汽油的替代品。生物乙醇很有吸引力,因?yàn)樗鼜目稍偕Y源中獲得,毒性較低,與化石燃料相比產(chǎn)生的二氧化碳排放量略少。對生物乙醇以及生物質(zhì)原料的需求不斷增加,意味著生物乙醇的價(jià)格一直在上漲;因此,從替代原料中采購生物乙醇將是理想的方案。LanzaTech,一家美國公司,擁有用于分離高爐煤氣用于生物乙醇生產(chǎn)的生物技術(shù)。阿塞洛-米塔爾與蘭扎泰克公司合作,一直致力于通過Steelanol/ carbalystst項(xiàng)目開發(fā)這一技術(shù)。高爐煤氣通過一個(gè)反應(yīng)器來捕獲一氧化碳廢氣并將其生物轉(zhuǎn)化為生物乙醇。對這一工藝生命周期分析表明,與化石運(yùn)輸用燃料相比,二氧化碳排放量減少了87%。一個(gè)示范工廠目前正在比利時(shí)根特Ghent建造,計(jì)劃從工廠收集15%的廢氣,每年生產(chǎn)8000萬升生物乙醇。[12]

Carbon2Value是一個(gè)由安賽樂米塔爾公司領(lǐng)導(dǎo)的類似項(xiàng)目,該項(xiàng)目利用變壓吸收法分離高爐煤氣,并利用化學(xué)生產(chǎn)Fischer-Tropsch工藝將其轉(zhuǎn)化為生物乙醇和乙烯。[12]

甲醇可以用高爐煤氣或焦?fàn)t煤氣生產(chǎn),通過避免使用化石燃料來減少二氧化碳排放。用于甲醇合成的合成氣可以是H₂、CO₂和CO的混合物;然而,像N₂這樣的化合物必須從氣體中去除,才能用于生產(chǎn)甲醇。[30]由蒂森克虜伯牽頭的Carbon2Chem項(xiàng)目由幾個(gè)子項(xiàng)目組成,這些子項(xiàng)目將鋼鐵排放的氣體轉(zhuǎn)化為甲醇,然后可用于生產(chǎn)各種甲醇衍生物,如塑料、氨或甲氧基甲烷。一個(gè)試驗(yàn)工廠在蒂森克虜伯杜伊斯堡,于2021年開始運(yùn)行,當(dāng)項(xiàng)目得到全面實(shí)施,它的目標(biāo)是在德國每年減少2000萬噸的鋼鐵廠排放量。[31]  FReSMe, 是2023年一個(gè)類似的項(xiàng)目由歐盟地平線公司運(yùn)作,旨在CO2from高爐煤氣轉(zhuǎn)化為甲醇主要被用作船運(yùn)輸使用的燃料。[32]

將現(xiàn)有的碳捕集、儲存和利用技術(shù)應(yīng)用于綜合性長流程鋼廠的煙氣流的一個(gè)主要問題是存在不良化合物。在高爐煤氣或焦?fàn)t煤氣用作原料之前,必須將CO和CO2獨(dú)立分離出來。加拿大CO₂公司開發(fā)了一種工藝,使用1T1酶來加速二氧化碳捕獲,產(chǎn)生純二氧化碳?xì)饬?>99%),非常適合重復(fù)使用或隔離。目前,加拿大魁北克的卡夫紙漿廠正在啟用一個(gè)每天30公噸的捕集裝置。[33]

結(jié)論

很明顯,鋼鐵行業(yè)正在對減少碳足跡的技術(shù)研發(fā)投入大量資金。短期的解決辦法,例如增加對高爐的改進(jìn)措施,或過渡到電弧爐煉鋼,可以幫助減少每噸鋼鐵生產(chǎn)的CO₂排放量;然而,如果要大幅減少二氧化碳排放,則需要改進(jìn)新的替代工藝,如使用氫作為還原劑或綠色冶煉還原技術(shù),以實(shí)現(xiàn)工業(yè)脫離碳的影響(圖13)。此外,政府支持綠色能源和逐步淘汰化石工業(yè)的舉措對于推動(dòng)這些突破性技術(shù),使其成為現(xiàn)有工藝路線的可持續(xù)和低成本的替代方案至關(guān)重要。

圖13  低排放技術(shù)及其對減緩二氧化碳潛力的適用性的看法

(左側(cè)1排:深綠圓圈:電爐冶煉使用化石電力能源熔化廢鋼;下面淺綠:高爐改進(jìn)技術(shù),噴煤改為噴射天然氣。

左側(cè)2排:深綠圓:新的煤基煉鐵工藝;下面淺綠圓:在高爐中采用生物質(zhì)碳原料。

左側(cè)3排:上綠圓:使用綠色電能的電爐,原料是氫還原的DRI;中綠圓:高爐中使用氫;下綠圓:循環(huán)經(jīng)濟(jì)(鋼渣和廢氣生產(chǎn)副產(chǎn)品產(chǎn)品和化工產(chǎn)品。)

右上綠圓:熔融氧化物電解,電解鐵礦石生產(chǎn)鋼鐵。)

參考文獻(xiàn)

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作者

Alisha Giglio:Process Engineer, Climate Change andSustainability, Hatch Ltd., Mississauga, Ont., Canadaalisha.giglio@hatch.com 

唐杰民2024年2月底在黃山屯溪翻譯自美國《鋼鐵技術(shù)》2024年3月期刊,3月2日完成于鎮(zhèn)江丹陽。水平有限,對低碳經(jīng)濟(jì)了解不足,翻譯過程中出現(xiàn)的不妥之處和錯(cuò)誤之處,希望各位看官給予指正。

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