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新聞資訊

李剛:從世界的視角看鋼鐵脫碳技術

發布時間:2022-03-22本文來源:管理員

2020年,全球生產了約18.64億噸鋼,由于煉鋼所用的能源大約75%來自煤炭,生產實踐顯示,每噸鋼時向大氣中排放約1.9噸二氧化碳。世界鋼鐵每年的碳排放量占全球碳排放量的7%-8%。所以鋼鐵行業首當其沖成為低碳化的關鍵目標。

“實現碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革,是對生產、消費、技術、經濟和能源體系的一次歷史性革命。作為工業行業中最主要的上游產業,同時也是最大的碳排放行業(約占中國碳排放總量的16%),鋼鐵行業應提前布局,為其他新興工業部門提供碳排放空間。目前,鋼鐵行業碳達峰目標初定為:2025年前實現碳達峰,2030年碳排放量較峰值減少30%。”此評論引自中國冶金報,比較宏觀的描述了中國鋼鐵的碳減排的迫切形勢和目標。這也是在全球降低溫室氣體行動的重要行動。在此背景下,世界上前沿的鋼鐵公司正在做什么技術研究和發展布局呢?


一、鋼鐵脫碳主要工藝路線

第一條路線就是:保留高爐工藝,從入爐料、富氧鼓風和排放高爐煤氣方面采取降CO2一直被認為是重要的發展方向之一。圍繞此工藝正在研究和試驗的廠家有以下:

1、高爐直接加入直接還原鐵  2020年10月在加古川制鐵所的大型高爐(4844m3)內啟動為期約一個月,向高爐內投入了大量MIDREX所產生的HBI(熱壓鐵),高爐燃料比從518kg/噸鐵(噸鐵水)穩定降至415kg/噸鐵。與傳統方法相比,該技術可以降低約20%的二氧化碳排放量。

由于采用高爐添加HBI,再加高品位鐵粉資源受限,現在Vale公司正在開發低品位的HBI,以改善對鐵粉的廣泛適應,從而降低成本。

2、綠氫+高爐工藝 采用氫氣或天然氣在高爐風口進行噴吹。

蒂森克虜伯鋼鐵是全球第一家將氫氣吹入運行中的高爐的公司,用氫代替煤粉作為額外的還原劑最終目的是:減少二氧化碳排放。

韓國浦項制鐵的富氫高爐煉鐵技術,目標是減少10%的二氧化碳排放。韓國浦項制鐵計劃在2018年-2024年發展二氧化碳減排型煉鐵技術,2025年開始進行試驗,到2030年投入2座高爐試運行,到2040年投入12座高爐。

美國在Cliffs的8座高爐上采用噴吹天然氣,實現降低CO2排放9%的目標。同時高爐加入經過天然氣預還原的還原鐵,實現高爐、轉爐、電爐同時添加,達到其在2030年CO2排放減少25%的宏偉目標。

八鋼富氫碳循環高爐:(1)實現全球首次脫碳煤氣循環利用的重大技術突破;(2)實現第二階段50%高富氧冶煉目標,部分時段富氧率已超過50%,高爐燃料比較噴吹脫碳煤氣前基準期燃料比每噸降低70kg;(3)將開展富氫冶金工業試驗,向更高的低碳綠色冶煉目標邁進。八鋼以480m3氧氣高爐富氫還原低碳煉鐵項目主要建設內容是噴吹焦爐煤氣(富氫冶煉)、頂煤氣自循環與噴吹(脫碳+加熱+爐型改造)、煤粉噴吹系統升級。

3、采用生物炭替代燒結和煉鐵的燃料,部分降低CO2排放。

4、采用碳排捉和碳存儲工藝,減少高爐煤氣中CO2的排放。

5、高爐、轉爐采用鐵粉冷壓塊技術(Vale公司正在進行研究)。

第二條路線就是去掉高爐,采用直接還原鐵+電爐的模式。這條技術路線從工藝上看是沒有問題的,特別是在能源價格有優勢的國家,成為主流鋼鐵生產路線。比如在俄羅斯、中東國家和南非國家,普遍采用此工藝。該工藝的發展方向就是采用綠電化和綠氫化轉變,也有很長一段路要走。同時歐洲有些國家,也試驗性的采用此路線,打造所謂的“綠色工廠”。

如:最近Primetals, Midrex和Metalloinvest三家公司簽定合同,投資6億美元,在俄羅斯的古布金建設新的年產208萬噸的HBI工廠,采用氫氣還原,預計2025年投產。

綠氫+直接還原鐵+電爐,目前被視為最有可能實現綠色冶金的工藝路線。但工藝中的幾個問題同樣不容忽視。

第三條路線廢鋼+電爐,中國發展電爐煉鋼短流程遇到了廢鋼原料根本不足價格昂貴、噸鋼成本高的困難,以致電爐鋼占比徘徊在低水平態勢。我國電爐以冶煉優特鋼為主,不同于國外以冶煉普通鋼為主。我國的絕大多數電爐鋼企業(不管是冶煉優特鋼還是冶煉普通鋼)均采用熱兌鐵水煉鋼,可替代一部分/全部質量差價格昂貴的廢鋼,提高生產效率、降低煉鋼工序能耗(電耗)、降低生產成本。

另外一方面的需要考慮是必須用低雜質的還原鐵或者鐵水,稀釋廢鋼帶入鋼水的有害元素,才能使煉制的鋼種質量達標,即便電爐冶煉普通鋼。由于鐵水/還原鐵在質量和經濟方面優越于廢鋼照樣采用大量熱兌鐵水工藝煉鋼。廢鋼熱兌鐵水是中國電爐煉鋼的主流工藝。這個主流工藝是廢鋼原料質量差和價格昂貴確立的。采用這樣的工藝是巧妙地使用鐵水/還原鐵稀釋廢鋼帶入鋼水的有害元素和同時在鐵水成本價格/ 還原鐵成本價格與廢鋼價格持平條件下,使用鐵水/還原鐵比使用廢鋼更經濟。

廢鋼存在兩個致命缺點:一是含有大量不能去除嚴重影響鋼材性能的有害元素;二是廢鋼在電爐中重熔消耗遠大于鐵水/還原鐵所消耗的能量。


二、氫冶金技術及存在問題

氫冶金主要是:富氫還原高爐、氫基豎爐直接還原、氫冶金熔融還原三種方式。目前行業內主要天然氣、焦爐煤氣為氣基,含少量氫氣做還原反應。

1、富氫還原高爐

以純氫或富氫還原氣部分代替煤或焦炭,通過風口噴吹入高爐,增加爐內煤氣含氫量,強化氫還原,減少CO2排放,實現低碳煉鐵。此工藝相對成熟,但氫利用比例低,碳減排只有10%-20%。

高爐中通入富氫氣體后,需要高爐富氧來保證較高爐溫便于氣體還原,在試驗數據中噴吹焦爐煤氣50m3/噸鐵時,爐內最大氫氣濃度由6%增至10%,氫氣還原FeO最大速度由0.0003mol/(m3·s)增至0.0007mol/(m3·s),生鐵產量增加28.8%,碳排放降低8.05%、焦比降低12.98%,CO利用率提高9.09%,隨著氫氣量的增加,氫利用率會減少。

2、氫基豎爐直接還原

將含氫高于55%(H2/CO大于1.5)還原氣通入豎爐,還原鐵礦石、球團礦,生產優質直接還原鐵。此工藝碳減排能達到50%-98%,是未來氫冶金的主要方向。但受到氫成本、制備能力的限制,還遠未達到理想效果。目前各企業使用高濃度煤氣和天然氣為氣基,逐步增加氫氣量進行試驗。

由于工藝要求原料為高品位鐵礦石或球團礦,試驗數據表示原料品位在67%-70%之間最佳,品位高于71.9%的超高品位鐵精粉在制備氧化球團會出現惡性膨脹,不適用于氣基豎爐。隨還原氣氛中H2含量的增加,還原反應速率加快。但超過50%后,H2含量增加對加速還原反應的影響逐漸減弱。

3、氫冶金熔融還原

在熔融狀態下通入氫氣做還原反應,得到純凈鐵水的工藝,處于實驗室研究階段,未工業化,近期難成為氫冶金主導方向。


三、氫冶金發展的主要困境

1、氫氣原料成本較焦炭更高、制氫成本高昂。

根據國際能源署匯總數據,在中國生產氫氣各種不同技術路徑的成本、碳強度如下所示:電網電解水制氫成本最高(約5.5美元/公斤);可再生能源發電制氫成本(約3美元/公斤);天然氣加碳捕捉與貯存制氫(約2.5美元/公斤);天然氣制氫(約1.8美元/公斤);煤制氫(1美元/公斤);煤加碳捕捉與貯存制氫(1.5美元/公斤)。按照中國目前氫能市場價格,采用氫能煉鐵工藝成本比傳統高爐冶煉工藝至少高五倍以上。

從各國研究機構公布的數據來看,受制氫成本高的影響,氫冶金成本整體高于目前傳統工藝。目前,歐洲氫氣制備市場年產規模約為1150萬噸,且絕大部分為灰氫(基于傳統能源)。歐盟委員會計劃到2024年將電解槽產能擴大到6吉瓦,可生產100萬噸綠氫;到2030年達到40吉瓦,可生產1000萬噸綠氫。歐洲氫能聯盟計劃到2030年完成氫產業鏈的技術布局,整合綠氫和藍氫的整個產業鏈,包括制造、使用、運輸和分配等環節。灰氫目前的成本價格為1.5歐元/千克,藍氫的成本價格為2歐元/千克,綠氫的成本價格目前最高為5.5歐元/千克(42.57元)。歐洲鋼鐵行業內普遍預計,綠氫大約到2030年能夠具備和藍氫相當的成本競爭力。

在綠氫制備技術方面,目前已經成熟的技術有3項:質子交換膜技術、堿性水電解技術、固體氧化物電解技術。

Thyssenkrupp的第一個綠氫項目目前已經獲得了工程合同,即為加拿大魁北克水電公司建設一座88兆瓦、年產1.11萬噸綠氫的電解水廠。該電解水廠的調試工作計劃于2023年下半年進行。除此之外,蒂森還與STEAG能源公司合作,在蒂森的杜伊斯堡STEAG工廠建立電解水廠,該廠所制造的綠氫將被應用于蒂森自己的氫冶金工藝。

2、氫氣存儲要求高,難度大。

氫的高密度儲存一直是較大難題。目前儲氫方法主要有低溫液態儲氫、高壓氣態儲氫及儲氫材料儲氫三種。

液態氫的密度是氣體氫的845倍,體積能量密度比壓縮狀態下的氫氣高出數倍,對于儲氫容器的要求異常嚴格,需要耐超低溫、長時間可保持超低溫、抗壓以及嚴格絕熱,對于材料的要求極高,目前只有航空航天領域在使用。高壓氣態儲存是最常見的儲氫方式,依靠壓縮機將氫氣壓縮到儲氫瓶中,然后用集裝格和長管拖車等工具進行運輸,長管拖車運輸設備產業較為成熟,但在大規模、長距離儲運技術上,成本和技術仍有待進一步改善。

3、部分氫冶金技術還處在研發階段,高爐大比例噴吹存在工藝約束等工藝有待完善。

3.1除日本 COURSE50 在高爐中富氫實現驗證減碳10%的效果;欲實現減碳 30%,還需要與采用碳捕捉和碳存儲配合;如果碳捕捉和碳存儲技術無法取得較大突破,高爐富氫對于鋼鐵行業大規模深度降碳可操作性不大。其它高爐富氫工藝都停留在試驗階段。

3.2氫冶金用氫氣替代C直接還原和CO間接還原,由于此反應是吸熱反應,高爐冶煉大比例增加氫氣使用量存在工藝約束。高爐富氫還原煉鐵在一定程度上能夠有效促進提高生鐵產量,但由于該工藝是基于傳統的高爐,焦炭的骨架作用無法完全替代,同時氫還原需要補充熱量,因此在高爐中噴吹氫氣量存在極限值。


四、碳排放范圍1、范圍2和范圍3的定義及典型的長流程工序碳排放

從下圖中可以看到,范圍1是直接排放量,范圍2是外采購電所帶來的CO2排放量,范圍3是指原料、為生產物料、人員上班、出差運輸產生的碳排放等。

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三、不同工藝對碳排放的影響


如果以高爐+轉爐長流程為基線,那么高爐加直接還原鐵可降22%的CO2; 如果以正常電爐+直接還原鐵為基線,采用天然氣可以降碳排放53%,再加碳捕捉可以降碳排放67%,如果采用70%氫氣+30%天然氣,可降碳排放82%。

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高爐工序降低碳排放措施:

1、高爐增加球團和HBI使用量;由燒結工序的碳排放大于球團和HBI,生產1噸燒結礦排放262kg/t的碳排放,而球團工序的每噸排放60-80kg/t的CO2。但使用100%球團需要增加循環料處理設施。如壓塊或小燒結機。

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