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,粗鋼二氧化碳強度每年要降低1.9%,如圖2所示,粗鋼的二氧化碳強度自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度

最近有幾項發(fā)展旨在減少鋼鐵行業(yè)對環(huán)境的影響項目。這些項目、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/球團礦比為90% / 10%。

2. 每噸熱鐵水需要1600kg燒結(jié)礦+球團入高爐。

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,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。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,計算出的每噸熱軋帶卷HRC排放量取決于電弧爐運行的地區(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成為一個全球性的現(xiàn)實。

圖8  預(yù)計到2030年中國可用廢鋼量,以百萬噸為單位

圖9  預(yù)計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排放強度的短期策略是對現(xiàn)有的高爐加強改造,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)計劃開發(fā)的,預(yù)計將導(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)項目的重點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(CCRA)與CanmetENERGY的冶金燃料實驗室(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)起的一個項目,該項目利用烘培技術(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75000噸/年的示范工廠,該工廠自2011年16日開始運營。[16]

在高爐中使用生物材料作為碳替代品的一個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等人的實驗發(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,但是在這些實驗中,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。

2021年11月,能源過渡委員會(EMotor)發(fā)布了“可能的任務(wù)”報告,闡述了工業(yè)部門碳的零排放經(jīng)濟根本不可能實現(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(EMotor)對零碳經(jīng)濟中能源結(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),輕載運輸,重載運輸,船運,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個風(fēng)力電站,每個風(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)啟動了在高爐中探索使用氫的項目。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。該項目計劃在2024年秋季開始,計劃在杜伊斯堡 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%,因為H₂的利用更加經(jīng)濟可行。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?為這個項目建設(shè)一個試驗工廠。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是需要大量的氧氣,價格昂貴,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項目的一部分,該項目的目標(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)6萬噸的試驗工廠,而第二座年產(chǎn)40萬噸的工廠預(yù)計在撰寫本文時開始建設(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,通過三到四個階段將鐵礦石還原為DRI,然后將礦石壓實并以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單元。目前,浦項制鐵在韓國的浦項制鐵工廠有三個工廠,其中最大的是一個200萬噸/年的工廠。據(jù)報道,FINEX工藝比高爐工藝降低4%的二氧化碳排放量。[27]

避免使用碳的選項方案

目前有兩個試點項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氣體是氧氣(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)項目

Siderwin工藝是由安賽樂米塔爾(ArcelorMittal)牽頭的一項歐洲鋼鐵業(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,電流通過電極,鐵被吸引到陰極,氧被吸引到陽極。該項目由歐盟地平線2020資助,目前處于試產(chǎn)階段,在撰寫本文時,一個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)金屬鐵的三個主要工藝步驟是:

1. 赤鐵礦與可溶的二價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)計是以高能源效率運行,目標(biāo)是有一個靈活的生產(chǎn)率,這將是在間歇性可再生電力的電網(wǎng)上運行的理想選擇。在法國Maizières的研究和開發(fā)實驗室進(jìn)行的測試表明,與電解生產(chǎn)氫所需的電力相比,運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,因為它從可再生資源中獲得,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項目開發(fā)這一技術(shù)。高爐煤氣通過一個反應(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,與化石運輸用燃料相比,二氧化碳排放量減少了87%。一個示范工廠目前正在比利時根特Ghent建造,計劃從工廠收集15%的廢氣,每年生產(chǎn)8000萬升生物乙醇。[12]

Carbon2Value是一個由安賽樂米塔爾公司領(lǐng)導(dǎo)的類似項目,該項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項目由幾個子項目組成,這些子項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。一個試驗工廠在蒂森克虜伯杜伊斯堡,于2021年開始運行,當(dāng)項目得到全面實施,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年一個類似的項目由歐盟地平線公司運作,旨在CO2from高爐煤氣轉(zhuǎn)化為甲醇主要被用作船運輸使用的燃料。[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(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。)

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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)濟了解不足,翻譯過程中出現(xiàn)的不妥之處和錯誤之處,希望各位看官給予指正。

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