钢铁业先进超低二氧化碳排放技术工艺

钢铁业先进超低二氧化碳排放技术工艺
钢铁行业是现代化国家经济发展的基础产业，在推动工业发展和经济建设方面起到重要的作用。

然而，钢铁行业的能源消耗占到全世界总能源消耗的5%，并且贡献了全球6%的人为排放的CO2。

目前钢铁行业主要节能减排技术已经达到了减排理论上的极限。

过去10年间，世界上许多国家开始致力于开发能够显著降低CO2排放量的突破性低碳炼钢技术，其中，欧洲的超低二氧化碳排放炼钢工艺研究项目（ultra-low CO2steelmaking，简称ULCOS）研究范围最广。

欧盟钢铁业于2003年建立了欧洲钢铁技术平台（ESTEP），从2004年开始启动ULCOS项目，目标是研究出新的低碳炼钢技术，使吨钢CO2的排放量到2050年比现在最好成绩减少50%，从1吨钢排放2吨CO2减少到1吨钢排放1吨CO2。

在ULCOSＩ理论研究和中试试验阶段（2004年~2010年），该项目研究人员采用数学模拟和实验室测试，对80个不同的技术的能源消耗、CO2排放量、运营成本和可持续性进行了评估，最后选择了其中4个最有前景的技术做进一步的研究和商业化，即高炉炉顶煤气循环（TGR-BF）、新型直接还原工艺（ULCORED）、新的熔融还原工艺（HIsarna）和电解铁矿石（ULCOWIN、ULCOLYSIS），此外，开发氢气和生物质还原炼铁技术作为这些技术的支撑。

在ULCOSⅡ工业示范阶段（2010年~2015年），该项目通过对欧洲几个综合型炼钢厂的设备进行改造，建立了中试装置，并对这些方案的工艺、装备、经济和稳定性等因素进行了检验和完善。

一、ULCOS技术工艺研究与进展
1、炉顶煤气循环工艺（TGR-BF）
TGR-BF工艺有三个主要的特点：
一是使用纯氧代替传统的预热空气，从而除去了不必要的氮气，便于CO2的捕集和储存；
二是用真空变压吸附（VPSA）技术和CCS技术将CO2分离并储存在地下；
三是由于使用了回收的CO作为还原剂，减少了焦炭的用量。

VPSA装置的运行非常平稳，97%的高炉炉顶煤气都能进行处理，其中CO2平均体积分数约为2.67%，能回收88%的CO，满足数量和质量的要求。

TGR-BF与VPSA、CCS技术结合使用，最多可以减少1270kg/t（铁）的CO2排放量，占该工序总CO2排放量的76%。

试验结果表明，TGR-BF技术在试验高炉上易于操作，安全性好，效率高，稳定性强。

其中，将脱碳后的高温炉顶煤气、氧气和煤粉以1200℃的温度吹入位于炉缸的鼓风口，脱碳后的高炉炉顶煤气以900℃从炉身鼓风口吹入的方案减排效果最佳，可降低26%的CO2排放，被选为下一步工业规模高炉上试验的首选方案。

2、新的熔融还原工艺（HIsarna）
HIsarna其实是ULCOS之前开发的Isarna技术与力拓公司所拥有的HIsmelt smelter技术的结合。

HIsarna融合了3种新炼铁技术：
一是煤炭在反应器中预热和部分热解；
二是铁矿石在旋风熔融段熔化和预还原；
三是在炉底熔池中进行最终还原并出产铁。

HIsarna工艺的关键设备是由旋风熔融段和还原熔池组成的旋风熔融还原炉。

HIsarna工艺可分解为5个部分：原料准备、旋风熔化、二次燃烧、熔池还原和废气处理。

原煤在喷入熔池之前通过煤分解炉预热和部分热解，形成半焦，部分热解所需的热量由挥发分分解燃烧放出的热量供给。

这一技术措施减少了熔池对热量的需求，工艺过程产出的热铁水可进入转炉或电炉。

矿粉、熔剂和纯氧一同送入旋风熔融段，利用纯氧氧化还原熔池的烟气产生的高温将矿粉和熔剂加热到熔化温度，同时被还原熔池的烟气预还原。

熔融状态的矿粉碰撞到旋风熔融还原炉壁后落到还原熔池中，然后与半焦中的碳发生还原反应。

HIsarna工艺的主要优势在于不需要传统高炉工艺中的烧结和焦化这两个高能耗、重污染的工序，煤炭的用量大幅降低。

其与碳捕集存储技术结合使用，CO2减排效果更好，可减少约70%的CO2排放。

此外，它还可以采用生物质、天然气和氢气部分替代煤炭。

HIsarna工艺发展到工业化应用起码还需要10年~20年。

3、新型直接还原工艺（ULCORED）
直接还原铁（DRI）是利用天然气产生的还原气，将块矿或球团直接还原成金属铁，其产品还原铁以固态形式存在，用于电炉炼钢。

该工艺比传统高炉工艺的成本高，而且对铁矿石原料的质量要求更高。

ULCORED工艺用天然气取代了传统的还原剂焦炭，并且通过炉顶煤气循环和预热工序，减少了天然气消耗。

此外，天然气部分氧化技术的应用，使该工艺不再需要焦炉和重整设备，从而大幅降低了设备投资。

烧结矿和球团矿从DRI反应器顶部装入，DRI反应器尾气净化后，天然气发生化学反应生成还原剂（H2和CO的混合物），还原剂被喷入DRI反应器中与铁矿石发生反应，反应器的温度低于铁熔化的温度但足以开始铁矿石的还原反应，直接还原铁呈固体形态从反应器底部出来，被送入电弧炉炼成钢。

新工艺的尾气只有CO2，可通过CCS存储在地下。

ULCORED工艺与CCS技术结合使用，使欧洲一般高炉的CO2排放量降低70%，该技术还须进入下一步的工业示范阶段。

4、碱性电解还原铁工艺（ULCOWIN、ULCOLYSIS）
铁矿石电解是使用电能将铁矿石转化成金属铁和氧气。

用电解法冶炼铝、锌和镍等金属在技术上已经非常成熟。

由于该工艺采用电解的方法，不需要传统炼铁工艺中所使用的焦炉、链箅机—回转窑和高炉等设备，可达到零CO2排放的目标。

铁矿石电解最有前景的工艺路线是电解冶金法（ULCOWIN）和电流直接还原工艺（ULCOLYSIS）。

ULCOWIN法铁矿石颗粒悬浮在100℃~110℃的碱性电解质（NaOH）溶液中，再通入恒定电流电解还原。

带负电荷的氧气被吸引到正极，从溶液顶部不断涌出。

带正电荷的金属铁被吸引到阴极上，铁晶体呈柱状结构，由沿表面堆积的双六簇组成，沉积在阴极表面上。

ULCOWIN工艺得到的铁纯度可达99.98%，能耗为2600kWh/t~3000kWh/t，虽然能耗比较合理，但中试工厂产能只有5kg/d。

因此，ULCOS项目组又开发了ULCOLYSIS工艺。

铁矿石在1600℃的高温下熔解在铁液池中熔融氧化混合物中，这种熔融氧化混合物是一种特殊的电解质溶液，能使电解操作在高于金属熔点的温度下进行。

惰性材料制成的阳极浸渍在铁液池中，铁液池连接到电路上作为阴极，电流在阳极与阴极中通过。

生成的氧气从阳极放出，液态铁在阴极生成。

ULCOLYSIS工艺目前尚处在实验室研究阶段，有望在2030年以后有突破性进展。

5、ULCOS支撑技术——氢气和生物质还原炼钢技术
氢气直接还原炼钢技术采用氢气作为还原剂，尾气产物只有水，因而能大幅降低CO2排放量，达80%。

氢气的来源主要有甲烷水蒸气制氢和电解水。

ULCOS项目利用的氢气来源于电解水，电解水使用的电力来自水力发电站和核电站。

铁矿石在竖式炉中被直接还原成铁，不含碳的氢气直接还原铁在电炉中被炼成钢。

氢气直接还原炼钢技术中高炉工序排放的CO2量几乎为零，即便算上用电产生的CO2排放量，整个工艺吨钢CO2排放量也只有300kg，比目前高炉工艺1850kg的吨钢CO2排放量减少了84%。

氢气直接还原炼钢技术是真正意义上的可持续炼钢技术工艺，然而该工艺的发展很大程度上依赖氢能经济，氢气的产量必须达到规模化，并且要求成本更具有竞争力。

生物质直接还原炼钢技术使用生物质作为高炉炼铁还原剂，生物质还原剂由碳、氢、氧、氮和硫组成，木质生物质中的碳质量分数比炼钢中用的煤、焦炭和石油低，此外硫的质量分数也低（约为0.01%~0.1%），对高炉炼铁有利。

然而其推广应用仍面临一些难题，获取生物质的同时会导致森林砍伐以及水与空气污染，生物质的使用还可能引发粮食价格上涨等社会与经济问题。

生物质还原炼钢工艺目前的成本依然很高，为钢铁生产提供了一种弹性的可替代方案。

6、碳捕集和存储技术（CCS）
CCS是将化石燃料燃烧产生的CO2捕获，然后通过管线输送到地下或通过船舶运到海底里封存，该技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、缓解全球变暖问题最有效的方法。

二氧化碳的捕集方式主要有3种：燃烧前捕集、富氧燃烧和燃烧后捕集。

综合性的钢铁生产厂根据其燃烧过程的类型主要采用燃烧后捕集，目前常用的技术有深冷分离、物理吸附（PSA和VPSA）、化学吸收（氨净化）和膜分离等技术。

ULCOS项目采用何种CCS技术须要综合考虑CO2浓度、处理量、工艺布局和经济效益等因素。

例如瑞典吕勒奥TGR-BF试验高炉上使用VPSA不仅能获得较高浓度的CO2，而且技术性能和经济效益表现良好；HIsarna项目中使用深冷分离法就可以获得高浓度的CO2；而在轧钢厂，氨净化法是最佳方案。

但是CCS技术目前在存储容量方面和大规模应用方面存在技术上的不确定性，其成本也非常高，而且可能会出现环境负效应。

如何解决这些问题，仍是各国研究关注的重点。

二、ULCOS技术的经济和环境效益
ULCOS项目新技术的能耗、碳排放量和投资、运营成本与欧洲高炉的平均水平的比较结果见附表（将参考基准欧洲高炉的平均水平设定为100%，其他数值为绝对数值）。

在能耗和碳排放量方面，ULCOS新技术不仅低于欧洲的平均水平，而且低于EU-ETS第3阶段的碳分配额1450kg CO2eq./tHM（二氧化碳当量/吨铁水），结合了CCS技术后，CO2排放量最高可减少80%。

在天然气价格低廉的国家和地区，ULCORED作为一项突破性技术是可行的，可以减少80%~95%的CO2排放，目前发展不够完善，而且许多方面难以进行评估。

在投资和运营成本方面，TGR-BF项目绿地投资比高炉略高5%，而棕地投资只有高炉的25%，但运营成本高出了20%；HIsarna项目所需的投资只有高炉的65%~75%，而且运营成本也只有高炉运营成本的90%；ULCORED项目所需的投资比传统高炉高1倍，运营成本（不带CCS装置）约为高炉工艺的80%~90%。

ULCOS今后还将面临着一系列的挑战，如工业化应用后的运行效率和成本，更重要的是如何将这些革命性技术工业化、大规模应用，代替传统的高炉工艺。