欧洲钢铁低碳路线图

1钢铁工艺技术路线特点及经济可行性

1.1当前的钢铁工艺技术

钢铁生产工艺大致可分为两类，第一类是将铁矿石还原成粗钢的工艺，包括高炉-转炉工艺、熔融还原和直接还原工艺。欧洲采用直接还原技术生产的只占极小部分。目前欧洲没有熔融还原炼铁厂。第二类是用电弧炉冶炼废钢，铸铁，DRI（HBI）等含铁料工艺。

从二氧化碳减排的角度来看，电弧炉工艺是迄今为止二氧化碳排放强度最低的炼钢工艺。随着发电过程CO2排放的减少，在2050年之前，电弧炉炼钢工艺的二氧化碳排放强度会进一步下降。然而，可用废钢量和钢种的质量要求，也进一步限制了电炉钢比例的提升。

总之，在欧洲和北美自贸区，电炉钢成本通常比高炉-转炉低，在市场疲软的时候就愈加明显。电弧炉炼钢方面，欧盟具有稳定的废钢供应，结合电弧炉生产工艺其技术具有较高的灵活性且所需资金较低等这些优势，支撑起它的成功应用。然而，最近废钢市场的变化使得电弧炉行业的利润率大幅恶化。伴随着不断提高的电力和天然气价格，以及欧盟无力控制这些价格成本，这有可能会进一步挤压电炉厂的利润空间。值得强调的是，美国页岩气对欧盟电炉钢铁制造商提出了新的挑战。在未来几十年，如果废钢出口压力继续增加，以及电力和天然气价格继续上涨，电弧炉生产规模将难以扩大到远超目前的水平，其竞争力将受到显著威胁。

相比现代联合钢铁工艺，直接还原技术具有降低碳排放量20％的潜力。据BCG/ VDEh的分析，新建DRI-EAF厂的投资成本低于新建同等规模的综合钢铁厂，但仍远高于现有的综合工厂。此外，由于欧洲天然气和电力价格相对较高，使得DRI-EAF工艺生产成本也高得惊人。由于这些原因，虽然DRI-EAF路线与BF-BOF相比具有更高的操作灵活性，但在欧洲仍无法与之抗衡。根据BCG/ VDEh的评估，从现有的BF-BOF厂转变到一个新的DRI-EAF厂，每吨二氧化碳减排成本在€260-710之间，这还不包括设备折旧成本。

在天然气和电力价格较低的情景下，DRI-EAF工艺在主要炼钢法中将具有竞争力。就欧洲目前炼钢过剩的现状而言，其产能能够满足到2050年钢材需求最乐观的预期。欧洲不会再增加新的第一类炼钢工艺产能。如果需求的确大于供给，将很可能在欧盟之外，在天然气和电力价格较低的地区，建设DRI-EAF或DRI生产厂。最近美国确立的DRI项目（纽柯，VOESTALPINE），就是要利用页岩气革命带来的低燃气和电力价格。

1.2潜在的炼钢创新技术

为应对气候变化，需要降低温室气体排放，然而以现有技术，难以满足减少排放的要求，必须进行突破性技术的研究。目前欧盟主要突破性技术是ULCOS（超低二氧化碳炼钢）, 另外还有其它区域的一些计划，比如：美国、亚洲和澳大利亚。

1）ULCOS

欧洲的超低二氧化碳炼钢（ULCOS）项目主要进行以下四个技术路线的研究。

高炉炉顶煤气循环——TGRBF

高炉炉顶煤气循环（TGRBF）工艺是利用CO2捕集技术，把高炉煤气分成CO2富集煤气和CO富集煤气。CO富集煤气循环回到高炉内作还原剂使用，可降低高炉炼铁焦比。CO2富集煤气则经过一次、二次除尘净化和压缩后，送入CO2管网或存储器。另外，往高炉内吹氧替代预热空气，这就不需要从煤气中分离N2，可避免N2在循环过程中的富集，同时有利于煤气中CO2的捕集。

先进的直接还原工艺—ULCORED

该工艺采用气基直接还原，并辅以CO2捕集与封存技术，以达到最大限度减少二氧化碳排放为目的，同时将能量消耗降到最低。以天然气、煤/生物质气化产生的合成气或不含CO2的H2为还原剂。因此，ULCORED工艺可分为天然气基ULCORED与合成气基ULCORED。

新型熔融还原工艺—HIsarna

这是由Corus，DCTS和安赛乐米塔尔提出的新型熔融还原工艺。将Isarna的熔融旋涡熔炼炉和HIsmelt熔融炉相结合，并伴随喷吹纯氧。该项目被重新命名为“HIsarna”，以反映两种概念的合并。采用该工艺有望减少二氧化碳排放20%。如果配合CCS，二氧化碳排放量将降低80%。

电解铁矿石工艺

有三种电解方法：水溶液中铁离子的电解沉淀、高温熔盐或熔融氧化物电解。

水溶液电解方法包括酸溶液电解沉淀法，碱溶液电解沉淀法。两种方法都在实验室制出了铁样，其中碱溶液方法制出了1.6kg铁。但是酸溶液能耗非常大，而碱溶液方法能耗非常低，且不难扩大规模。

高温电解法中，研究了熔盐电解法，生产固态铁和熔融氧化物电解法，生产液态铁。

碱溶液电解和高温电解路线将进一步研究。

总结与经济可行性评估

从资本与运营成本的角度来分析，该项目比较复杂，因为迄今为止还没有足够的实验能够得出清晰的论证。采用ULCOS工艺，其投入与获得的节能和生产力的提高是不平衡的。将ULCOS 与CCS技术相结合，以期获得单位二氧化碳减排量不低于50%。这些技术的实施需要大量的资金投入，同时也会大量增加生产成本。就单在高炉上采用CCS技术而言，冶炼每吨钢需要消耗大约0.15兆瓦时电力。如果没有有效地实施削减政策，这将会危及欧洲钢铁业的市场竞争力。

2）非欧盟及欧洲以外地区的创新减排工艺

除了欧盟以外，日本和美国等地区和组织，也致力于解决削减钢铁碳排放这一难题，虽然他们的技术并不如ULCOS先进。

日本的Course 50，其包括两个研究领域：

开发技术用以减少高炉排放的二氧化碳。其主要目的是控制铁矿石的还原过程，比如在高炉中利用氢气做还原剂。

开发技术，从高炉废气中捕获、分离和还原二氧化碳。

韩国POSCO在多方面运营自己的计划，包括在COREX/FINEX（熔融还原）工艺中配置CCS 技术，开发氨净化技术等。

美国钢铁协会（AISI）的计划涵盖三个领域：1）熔融氧化物电解（MOE）；2）氢闪速熔炼（HFS）；3）双向直缸炉（PSHF）。

巴西钢铁业继续开发生物质炼钢生产工艺。

虽然上述这些工艺的原理都与ULCOS类似，考虑到ULCOS工艺已经处用于中试阶段，因此这些工艺在技术应用层面上并不具备多少突破性创新。

近终形连铸的相关加工工艺也正在开发之中，同时欧洲设备制造商也走在更传统的薄板坯连铸技术的前沿，尽管这些技术可以显著提升能源优化利用率和减少连铸/轧钢界面，但对于削减碳排放作用很小。

2 在钢铁生产中应用碳捕获与封存技术（CCS）

2.1CCS技术特点

CCS技术是指把从发电厂和炼铁厂等固定排放源产生的CO2分离回收后，输送到储存层，压入地下进行储存，从而抑制CO2向大气排放的手段。降低分离回收时的能耗和成本是CCS 技术研究的主要课题之一。主要采用两种方法以提高CO2的浓度，一是改进燃烧和氧化工艺的氧燃烧法，即用氧替代空气进行燃烧和氧化；二是采用化学吸收、物理吸附、膜分离和深冷分离等方法对产生的CO2进行分离回收。

CO2地下储存技术就是把CO2压入地下空间进行封闭储存的技术。因此，储存场所必须具备下列条件：储存CO2的空间、防止CO2泄漏的密封层和密封的地质结构。