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炼铁工艺减排CO₂的挑战与未来前景

北极星大气网  来源:世界金属导报  作者:石昊明  2020/7/27 8:42:37  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:脱碳 CCS CCU

北极星大气网讯:本文论述钢铁工艺中减排CO₂的本质性问题以及未来的技术前景。另外,减排CO₂关乎海内外发展动向,是全球钢铁行业共同面对的问题。基于未来的措施,从新角度开展的技术开发已经开始,如利用CO₂的CCU技术(CO₂捕获与利用)、与可再生能源关联的脱碳氢炼铁等,本文就其开发动向进行论述。

1前言

长久以来,全球气候变暖已成为人们日益关注的问题。自1997年《京都议定书》通过以来,减少温室效应气体排放的重要性已达成共识。2016年11月《巴黎协定》生效,一致通过并确定了至2050年的长期目标以及期间依据NDC(国家自主贡献) 减少温室效应气体排放的具体程序、推进方法等。长期目标即至2050年把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上、低于2℃之内,并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上、1.5℃之内。为了提高其公平性和有效性,制定出从2020年开始每五年将强制执行各个国家设定的目标。各国公布过渡性减排目标,根据“框架与审视”原则,对进度进行相互审查、监督。日本遵循《巴黎协定》,制定了长期目标,即应对全球气候变暖措施和经济增长并重,至2050年将温室效应气体排放量减少80%。虽然其他国家的目标与此相近,但欧洲也出现了2050年实现零排放的国家。尽管美国宣布退出,但《巴黎协定》已经设定了具体的数字化目标,通过所有国家的参与,正在进入实现大幅度低碳化的实施阶段。

在日本,2017财年CO₂排放量为11.9亿吨,占整个温室效应气体的大部分。其中钢铁业约占15%。钢铁业是材料产业的代表,使用碳作为主要的还原剂,由此不可避免地会产生CO₂,与能源产业等其他行业产生因素有本质上不同,影响巨大。因此,作为材料产业,创建一个既要实现长期目标,又要保持健康活力并履行稳定供应责任的方案,实属不易。

2钢铁工艺与CO₂的产生

为了解未来减排CO₂的发展方向与存在的问题,首先要了解当前的生产动向和钢铁工艺。尽管据说钢铁生产设施过剩,但东亚正在陆续建造新钢铁厂,粗钢产量逐年增加,以满足近年来尤其是亚洲对钢铁的旺盛需求。2018年世界粗钢产量达到18.08亿吨。2018年高炉-转炉法生产的粗钢产量占粗钢总产量的71%。在日本,粗钢的75%采用高炉-转炉法生产。电炉法由基于天然气直接还原工艺的电炉或者是将废钢作为铁源的电炉组合工艺构成。比较了各工艺生产粗钢的CO₂排放量:采用高炉-转炉法,每吨粗钢产生的CO₂排放量约为1.8-2.0t;直接还原法由于使用通过重整天然气获得的还原气体,因此,CO₂排放量是使用煤炭的高炉-转炉法的约70%;废钢-电炉法由于无需还原,所以是高炉-转炉法的约30%。两者都是取决于电力的CO₂排放因素,低于高炉-转炉法。另一方面,高炉-转炉法能够生产包括高等级钢在内的所有钢铁产品,并且适合于批量生产。最近,亚洲地区新建钢铁厂采用的是高炉-转炉法,从应对力强的制造技术角度来看,今后仍将继续定位为主流工艺。直接还原工艺最大规模约为200万吨/年,工厂位置仅限于天然气开采区,以前一直是小型工厂。但最近选址条件正在扩大,美国正在建设利用页岩气的200-250万吨/年的大型直接还原工艺设施,天然气价格也在变化,这种用法需引起关注。从抑制CO₂排放量的角度来看,优选使用废钢。但是,将城市废钢和内部产生的废钢用作铁源,前者作为已经成分调整的铁源,由于存在元素流失的问题,只限于制造普通钢。另外,废钢本身数量受到钢材积累量的限制,稳定性难以确保,因此不能成为主要铁源。

为了应对未来钢铁需求的增长并稳定地大量供应优质钢铁产品,针对目前推进的减排CO₂的要求,首先需要考虑如何改进高炉-转炉法,或者灵活应用其他方法的特征,探索复合生产结构的最佳形态,作为候选方法。关注直接还原法,不仅考虑天然气,还需扩展思路,灵活地将炼铁厂产生的焦炉煤气(COG)用作还原气体的工艺,与高炉-转炉法相结合形成复合工艺等。

3低碳和脱碳的方法与技术课题

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图1所示为由高炉-转炉法构成的综合钢铁厂中碳、能源的宏观流程以及低碳和脱碳的基本措施。综合钢铁厂主要由炼铁工序和下游工序构成,需要将由煤炭等组成的22-24GJ/t的能源投入到炼铁工序中。炼铁过程中,除生产铁水之外,还通过将高炉、焦炉等产生的相当于4-5GJ/t的煤气供给下游工序,来实现综合钢铁厂的能源自给。图1中同时示出减排CO₂的界线。钢铁业是能源消耗大户,考虑到能源自给,需要将CO₂减排控制在图1所示界线内。措施包括减少高炉对碳的需求量和脱碳、在出口侧分离、运输和存储CO₂的CCS(CO₂捕获与封存),以及再利用CO₂的CCU(CO₂捕获与利用)。但是,包括运输和存储在内的CCS很大程度上取决于周围的地理条件,其适用性难以预测。因此,入口侧的低碳、脱碳技术以及CO₂再利用技术CCU将成为钢铁领域的主要开发目标。

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图2所示为以高炉为中心减排CO₂工艺的整体。图中左侧所示为从原料侧开始的基于当前高炉减少输入碳的方法。列举了通过提高高炉中碳利用率、降低炉温、控制还原平衡或投入金属铁降低还原负荷等方法。金属铁是由天然气或COG还原生产。作为还原平衡控制的手段,高反应性焦炭是一种具体的形态。在日本,NEDO支持的铁焦项目正在开发中,通过30t/d中试工厂,JFE福山正在建设300t/d中间工厂。将金属铁输入高炉与直接还原过程有关。虽然两者都需要额外的设备,但是现有高炉可以直接使用。图4右侧示出了还原煤气流的再构成以及使用吹入氢还原材的方法。具体讲,就是对从高炉排出的炉顶煤气实施CO₂分离,分离后的气体作为还原气体再生利用,循环到高炉中使用,以减少输入碳量的方法。或者通过COG、天然气重整,转换为还原气体,循环到高炉中使用的方法。两种都是通过增强高炉内的煤气还原功能,抑制消耗焦炭的高炉内的直接还原反应,能够降低作为输入碳的焦比。煤气重整可以是通过炉顶煤气中CO₂的干重整,也可以是蒸汽重整,前者也是碳循环。另外,列举了使用从风口喷吹天然气等氢系还原剂或生物质的方法。作为基础技术,有一种全氧高炉工艺,该工艺可以通过从送风中去除还原不需要的氮来提高还原效率,并通过吹入大量的氢系还原剂来提高低碳化的自由度。1970年初期,日本开发了向高炉底部喷吹还原气体的技术,在当时的新日铁广畑进行了部分商业炉试验。COG干重整法由NKK(现为JFE 钢铁)作为NKG工艺在试验高炉中完成了效果验证。低碳高炉的基础——无氮全氧高炉于1980年在试验高炉中进行了测试等。目前,日本正在实施国家项目COURSE50。COURSE50中的50指的是目标年2050年。目标是通过向COG中喷吹经过蒸汽重整后的还原气体,使CO₂减排10%,通过添加CCS,可使CO2减排30%。当前,正在新日铁君津制铁所建设的试验高炉中进行测试,并预计在2022财年进行商业高炉验证测试,于2030年实现商业化。

在欧盟的支持下,包括工程公司在内的欧洲钢铁企业于2004年开始研发,在全氧高炉的基础上,将高炉炉顶煤气分离CO₂后的还原性气体再循环利用的ULCOS(超低CO₂排放炼铁)项目。分离的CO₂通过CCS隔离。ULCOS项目还包括HIsarna熔融还原工艺的开发,ULCOS项目的主体是高炉炉顶煤气的循环。已在瑞典卢基矿业公司的试验高炉得到验证,据报道,高炉阶段输入碳减少了25%。尽管该项目在开始实施后不久就被关注,但高炉炉顶煤气循环的商业用炉试验后的下一步并未实施,被中断。据推测,试验费用问题是根本原因,但对未来发展潜力和波及效应的判断也产生了影响。对于大型项目,参与组织的可持续性也是一个重要因素。

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图3所示为这些传统提议技术的CO₂减排潜力与长期目标之间的比较。已经提出了各种技术方案,形成了初始技术框架,评估工作正在进行中。另一方面,将会看到与综合钢铁厂能源完整性的偏离以及碳利用效率理论上的定量性限制。由于高炉顶部煤气循环导致向下游工序供应能量不足,因此对其补充也必须同时评估。以热盘卷为基准,ULCOS的炉顶煤气循环减少15%。图2所示的高炉基础改进技术除CCS之外,CO₂减排量只有约10%-15%。由于原理重复,很难建立各项技术的加成性。通过现有工艺技术改进的推进,实现2050年长期目标存在很大差距。尽管目标设定采用了回溯思维,但是像钢铁这样已经拥有大型设施的材料行业也有必要进行预测性探讨。如图3所示,不仅需要确定目标优先级的口号,还需要提出具有技术前景的工艺方案,期待能够弥补这个差距的创新技术出现。

针对2050年目标,EUROFER(欧洲钢铁协会)于2013年根据各项新技术的积累能够减排CO₂的程度,提出了看法。一项假设的工艺研究表明,有效利用还原铁工艺最多可以减排40%的CO₂,而高炉炉顶煤气循环与CCS的组合可以使CO₂减排量达到57%。同时,进行了成本估算,伴随着设备改造和转换等减排CO₂设备的引进,成本大幅度上升,由CAPEX(资本支出)和OPEX(运营支出)显示出具体数字。成本估算表明,在特定区域实施减排CO₂,由于产品价格差距等,缺乏统一性,因此实施减排CO₂需要全球性展开。此外,尽管CCS具有很好的效果,但由于地域环境等因素,CCS的社会接受度存在问题,并且大规模投资加重负担,其可行性受到了质疑。这不仅影响响应目标设定,而且涉及到今后课题、论点路线图的制定。

减排CO₂是全球钢铁生产国共同面临的问题,大宗商品的钢铁产品是国际商品,只在特定国家实施减排CO₂,效果甚微。钢铁业是成长性产业。开发的工艺只有应用到生产设备时,效果才会显现。因此,作为具有满足客户需求的生产设施的材料行业,很难制定执行计划。只有从事钢铁生产的企业步调一致地采用新工艺时,效果才会显现。另外,减排CO₂不是追求利润。减排CO₂的开发工作受到好评,建立与减排CO₂的增量成本负担相当的、具有公平性的社会制度至关重要。需要所有从事钢铁生产的国家都以相同的价值观在全球范围内部署技术,否则没有实效性。

4开启旨在深度减排CO₂的技术开发

如果将大量减排CO₂的长期目标落实到现有的钢铁厂,则将考虑各种形式,例如在生产工艺和设备上进行重大改变,使其远离煤炭,或者隔离排放的CO₂,但这很难想象。日本的钢铁厂已推进彻底节能,虽然依赖煤炭,但形成了一个能源完全循环链。另一方面,高炉寿命超过20年,从钢铁厂设备更新来看,虽说到2050年,但也不是遥远的未来。即使针对长期目标,描绘了理想前景,钢铁业作为原材料产业,是日本活力的源泉,在担负起将高品质钢铁产品平稳供应给用户责任的同时,如何改变现实中看到的大型钢厂,通往未来之路并不容易。也涉及到今后的设备更新计划。将这种现实感与未来想象联系起来是一种挑战,但这是超越传统钢铁技术框架的关键一步,包括扩大视野、与周边产业建立联系以及整个国家的能源使用等。从整体观点来看,构筑未来前景的关键似乎是实现长期目标。

当前,与以往不同的技术开发新流程已经开始萌芽。世界的新潮流正在从改善高炉的碳利用到向再利用CO₂的CCU转换以及向利用不含CO₂的氢气进行脱碳处理的转换。未来发展概念认为,CO₂不是废弃物,而是有利用价值的资源,作为化学制品原料之一融合思考的CCU以及根据可再生能源利用,通过水电解生产清洁氢气,作为还原材、能源利用实现脱碳目标的CDA(直接避免碳),都是为提高减排CO₂潜力而实施的项目。

德国蒂森克虏伯公司已启动名为Carbon2Chem的CCU项目。Carbon是指CO₂,Chem指的是化学产品。目前的化工产业依赖于化石原料。构想将钢铁厂排放的含有CO₂的废气作为原料,生产甲醇等各种化学产品。这是包括化工行业在内的产业间联合,跨行业网络,是在整个产业范围内减排CO₂的概念,称之为集成式CO₂捕获。在Carbon2Chem的化学转换中添加氢是必不可少的。德国倡议的Power to Gas也与此相关联,将不稳定且不能存储的可再生能源转换为可存储的氢或甲烷,并将其稳定地供应给国内市场。蒂森克虏伯公司在国家的支持下,在杜伊斯堡炼铁厂建立了研究中心,以开发Carbon2Chem关键技术。此外,该公司还宣布了具体方案,计划在2030年将该技术商业化,在2050年,加上氢利用,使CO₂减排80%。制氢研究将与法国液空公司合作进行。安赛乐米塔尔公司已启动名为Steelanol的项目,该项目利用生物技术将钢铁厂的废气转化为乙醇等合成燃料。美国朗泽科技公司的发酵技术是核心技术,使用了通过基因转换而改良的发酵菌。该公司根特钢铁厂正在建设一座47000吨/年的中等乙醇生产厂。所有这些都需要进行LCA评估。新的开发趋势是灵活利用现有钢铁厂的功能发展系统工艺,将当前化学工业中由化石原料生产的燃料和化学制品,用钢铁厂废气制造的产品取代。

在瑞典、奥地利和德国,作为深度脱碳的方法,提出使用源自可再生能源不含CO₂的电力,通过水电解制造氢,将氢用作还原剂还原铁矿石的氢炼铁工艺。还原使用竖炉直接还原工艺。瑞典钢铁公司和瑞典卢基矿业公司已开始HYBRIT(氢突破制铁技术)项目、奥钢联集团与西门子公司共同开始H2FUTURE项目、德国的萨尔茨吉特已开始SALCOS(萨尔茨吉特低CO₂炼钢)项目的试验工厂规模的研究。这些都是在寻求欧盟或政府公共资金的支持。直接还原工艺利用现有的MIDREX或TENOVA-HYL 系统的ENERGIRON工艺,在电炉中进行熔炼。安赛乐米塔尔采用与CCU并行,利用德国汉堡现有的MIDREX还原铁设备着手开发10万吨/年的氢制铁生产。普锐特冶金公司着手利用氢气还原铁矿粉用流化床的开发,并宣布将于2020年开始试验工厂的运行。对于利用来自可再生能源的电力生产氢的水电解工艺,已经提出了诸如碱性电解、PEM(质子交换膜)和固体氧化物SOEC(固体氧化物电解池)等方案。但

可再生能源转换为可存储的氢或甲烷,并将其稳定地供应给国内市场。蒂森克虏伯公司在国家的支持下,在杜伊斯堡炼铁厂建立了研究中心,以开发Carbon2Chem关键技术。此外,该公司还宣布了具体方案,计划在2030年将该技术商业化,在2050年,加上氢利用,使CO₂减排80%。制氢研究将与法国液空公司合作进行。安赛乐米塔尔公司已启动名为Steelanol的项目,该项目利用生物技术将钢铁厂的废气转化为乙醇等合成燃料。美国朗泽科技公司的发酵技术是核心技术,使用了通过基因转换而改良的发酵菌。该公司根特钢铁厂正在建设一座47000吨/年的中等乙醇生产厂。所有这些都需要进行LCA评估。新的开发趋势是灵活利用现有钢铁厂的功能发展系统工艺,将当前化学工业中由化石原料生产的燃料和化学制品,用钢铁厂废气制造的产品取代。

在瑞典、奥地利和德国,作为深度脱碳的方法,提出使用源自可再生能源不含CO₂的电力,通过水电解制造氢,将氢用作还原剂还原铁矿石的氢炼铁工艺。还原使用竖炉直接还原工艺。瑞典钢铁公司和瑞典卢基矿业公司已开始HYBRIT(氢突破制铁技术)项目、奥钢联集团与西门子公司共同开始H2FUTURE项目、德国的萨尔茨吉特已开始SALCOS(萨尔茨吉特低CO₂炼钢)项目的试验工厂规模的研究。这些都是在寻求欧盟或政府公共资金的支持。直接还原工艺利用现有的MIDREX或TENOVA-HYL 系统的ENERGIRON工艺,在电炉中进行熔炼。安赛乐米塔尔采用与CCU并行,利用德国汉堡现有的MIDREX还原铁设备着手开发10万吨/年的氢制铁生产。普锐特冶金公司着手利用氢气还原铁矿粉用流化床的开发,并宣布将于2020年开始试验工厂的运行。对于利用来自可再生能源的电力生产氢的水电解工艺,已经提出了诸如碱性电解、PEM(质子交换膜)和固体氧化物SOEC(固体氧化物电解池)等方案。但已加入H2FUTURE的西门子专注于PEM研究,并正在奥钢联的林茨钢铁厂建设6MW水电解试验设备。德国萨尔茨吉特与德国Sunfire公司合作开发SOEC技术。每个项目不仅包括钢铁企业,还包括具有高产氢潜力的能源相关企业、工程公司和财团。还原炉利用现有工艺作为基础技术,在最近几年中,试验工厂的建设、运营及开发较活跃。另一方面,这些项目都是在验证阶段,存在许多不安定因素,如与氢供应的兼容性以及对现有钢铁厂的适用性等。从技术角度来看,存在诸如非碳化还原铁的熔融精炼、通过氢还原能够控制较大吸热反应的竖炉设计等问题,作为新时代技术引人注目。

日本铁钢联盟于2018年11月制定了《地球变暖对策长期愿景》,为应对长期目标提出了“挑战零碳钢”构想。这是2030-2100年适用范围设定的挑战目标。虽然没有提出未来的方案或具体的工艺构想概念,但关键点在于与海外联合,实现无CO₂的氢利用,包括CCU和CCS。

5构建未来钢铁愿景与今后的展望

目前,炼铁的主要课题,如资源响应力、节能等炼铁工艺范畴内的研发已经完成。关于今后钢铁业减排CO₂的问题,仅通过传统研究如钢铁工艺改进以及逐步技术改革,不可能实现目标。认识到局限性,因此正在从实现地球环境问题的长期目标出发,向扩展其框架和技术对象,以从多个角度掌握钢铁工艺的方向转变。将钢铁厂排放的含有CO₂的废气转化为化学制品原料,促进行业间的合作,以减少跨行业的CO₂排放,并考虑从清洁能源生产中设计炼铁生产工艺等,这是一个重组,包括化学、能源领域的大型框架。SCU(智能碳使用)是包括CCU、还原铁利用、碳循环等在内新的碳利用统称。可再生能源、水电解制氢属于其他领域,与钢铁分离,但是如果没有它,就无法实现脱碳炼铁。依赖于碳元素的现行工艺是将碳元素作为还原材料,形成从炼铁工序产生的能量供应下游工序的能源系统,具有独立的完整性,但由此也带来制约。氢制铁是还原材料、能源本身的转换。必须引起注意的是,炼铁工序没有能量供应功能,氢气和电力被消耗,并且下游工序能源的使用方式也会发生变化。虽然会在更大的框架下思考,但自由度会增加。CCU对于与化学相联系的碳循环的想法也是有用的,如将转化为化学制品过程中产生的合成还原材料等中间物质向钢铁工艺回流等,可能会有多种发展。

氢是二次能源,最理想的是使用可再生能源生产的不含CO₂的氢,但是必须对氢的生产、运输和存储等全过程的绿色程度进行全面评估。在欧洲,这项研究是先行的,CertifHy项目定义了绿色氢源,并提出了定量评估方法。

再来看日本的情况,如上所述,钢铁业主要由大型钢铁厂构成,考虑到生产优质钢铁产品并提供给用户的作用,制造工艺的转换并不容易。尤其是日本钢铁厂是在60年代沿海钢厂的理念下建造的,后经不断改进,运行已经50多年,基本的基础设施正在老化。而东亚地区正在陆续建造大型的新钢铁厂,并且钢铁厂形态正在发生变化。在日本尚未普及的节能设备正在东亚被积极采用。聚焦2050年,全球环境问题通常被视为制约因素,但它也是促进向新技术转换的契机。

钢铁产生的CO₂排放量取决于生产量和CO₂排放强度。人们常常倾向于只关注针对未来目标的CO₂排放强度。但可以在基本方向上进行选择,是强调适应规模的意义,还是从一开始就追求理想形态,优先考虑CO₂减排潜力。氢炼铁接近所追求的CO₂减排潜力。上述正在进行开发的瑞典的粗钢产量为470万吨/年,奥地利的粗钢产量为690万吨/年。从两国的规模来看,并非不可能实现。可以成为一个标杆式的存在。SCU基于当前工艺,其路线很容易理解。随着使用技术的发展,适用性也在扩展。最佳形态会根据应用区域、条件而变化。日本是资源进口国,由于地理条件的原因,很难像欧洲的“Power to Gas”那样,在广阔的地域进行再生能源利用等,实现能源相互利用。日本钢铁企业是由大型综合钢铁厂构成,生产多品种生产。需要符合日本国情的独立发展路线图。尽管各种选择的性质不同,但扩大规模和减排潜力两者共同推进是理想的选择。减排CO₂技术是所有行业和世界钢铁工业共同面对的全球性问题,在技术开发中,希望实现跨行业协作,国际合作和角色分担。

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