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低碳减排的绿色钢铁冶金技术研究

时间:2022年06月20日 所属分类:科学技术论文 点击次数:

摘 要:随着市场对钢铁的需求量的与日俱增。钢铁行业在扩大钢铁生产的同时,还在面临着低碳减排问题的考验。传统的高炉炼铁法作为世界范围内应用最为广泛的炼铁法,对环境造成的损伤也是有目共睹。为此,在钢铁生产的过程中做到低碳减排,是每一个钢铁企业都

  摘 要:随着市场对钢铁的需求量的与日俱增。钢铁行业在扩大钢铁生产的同时,还在面临着低碳减排问题的考验。传统的高炉炼铁法作为世界范围内应用最为广泛的炼铁法,对环境造成的损伤也是有目共睹。为此,在钢铁生产的过程中做到低碳减排,是每一个钢铁企业都应努力的目标。

  关键词:低碳减排;钢铁冶金;技术分析

低碳冶金

  当前人们环境保护意识的提升,许多以往会造成环境污染的企业都开始关注生产过程中的环保问题,这其中就包含钢铁产业。对钢铁产业而言,污染的主要来源是钢铁冶炼过程中产生的废气,而这些气体是由于化石燃料的使用而形成的。为了保护环境,减少空气污染,许多钢铁企业都在加强冶炼过程中控制废气排放方式的研究工作。

  1 非高炉炼铁技术的基本情况概述

  随着工业生产与社会发展的不断推进,高质量钢铁的需求量也在与日俱增。作为应用最广泛的炼铁方法,高炉炼铁所造成的污染情况也在随着钢铁产量的提升而不断提升。此外,由于高炉炼铁的化石能源属于不可再生能源,因此高炉炼铁正在逐渐面临资源枯竭的问题。为此,非高炉炼铁技术在钢铁冶炼中的使用已经刻不容缓。自 20 世纪 50 年代起,欧美就开始进行非高炉炼铁技术的探索,通过气基竖炉还原炼铁法打开了非高炉炼铁的大门。此后,随着非高炉炼钢的研究逐渐加深,多种新型炼铁技术纷纷面世,其中 COREX 熔融还原炼铁技术更是已经投入实际应用的炼铁技术,受到南非、韩国、日本、印度等国家和地区的多家钢铁公司使用。相比于传统高炉炼铁技术,COREX 熔融还原炼铁技术有着炼铁流程短,成本低,污染小等优点,而且不像传统高炉需要依赖特定煤种与焦炭进行冶炼,COREX 熔融还原炼铁技术使用的是普通煤,且焦炭使用率也更低。非高炉炼铁技术的出现,对未来的冶金、能源与环保等多个领域都有着相当重要的意义。

  2 低碳炼铁、减排 CO2 技术研究

  目前,温室效应造成的全球变暖正在逐渐威胁着自然生态系统的平衡,而工业活动排放的二氧化碳气体则是造成温室效应的元凶之一。其中,钢铁冶炼行业由于对化石燃料的大量使用导致二氧化碳排放量居高不下,包括上文提高的几种非高炉炼铁技术依旧未能完全摆脱对化石燃料的使用。为了缓解生态系统的压力,减缓温室效应造成的影响,在钢铁冶炼过程中通过新兴技术减少二氧化碳排放有着非常重要的意义。

  2.1 低碳高炉炼铁技术

  (1)以氢代焦。氢气作为一种绿色无污染的清洁能源,在新能源开发中占据重要的地位。长期以来,世界各国都在研究氢气替代其他能源的方法,其中也包括炼铁行业。在 2018 年,德国蒂森克虏伯集团就开始尝试以氢代焦的炼铁方式,并通过与液化空气公司的合作在莱茵 - 鲁尔区建立全场 200 公里的氢气输送管道,来保证氢气炼铁过程中的氢气供应。

  (2)竖炉铁焦。除了通过氢气替代焦炭进行钢铁冶炼之外,使用竖炉铁焦法也能够减少钢铁冶炼过程中的二氧化碳排放量。日本钢铁公司在 21 世纪初期年开启竖炉法铁焦项目,将黏结性煤与铁矿石进行粉碎处理后,使用黏结剂将其按照一定比例,通过竖炉的炭化形成的铁焦作为新型炉料投入钢铁冶炼,在降低了焦炭使用量的同时,保持了钢铁冶炼的正常进行,从另一个侧面减少了二氧化碳的排放。

  (3)煤气循环。除了以上的方法外,还有一种方法可以通过提升能源利用率来达到二氧化碳排放减少的效果。21 世纪初欧盟钢铁技术平台正式开启了超低二氧化碳排放炼钢工艺研究项目(简称 ULCOS),通过顶炉煤气循环技术将炼铁过程产生的气体进行收集,分离其中的二氧化碳与一氧化碳,并将分离出的一氧化碳重新吹入炉内,从而减少焦炭的用量,减少二氧化碳的排放。经过实际操作证明,通过这种方式可以相较以往减少 26%的二氧化碳排放,而顶炉煤气循环工艺也已经成为工业规模高炉实验的首选方案。

  2.2 气基竖炉直接还原除以上的低碳高炉炼铁工艺外,欧洲的 ULCOS 项目还在新型还原工艺的研究上取得了一定的成果。原本的炼铁技术中,焦炭是作为还原剂使用的,而新型还原工艺则是通过天然气取代焦炭的方式,使块状或球团状的氧化铁直接还原为铁后,进入下一步的电炉炼钢。与一般的高炉相比,新型还原工艺的二氧化碳排放量降低了近 70%。此外,ULCOS 还研发出了氢气还原炼钢技术,利用电解水直接制取氢气,通过氢气竖炉将铁矿石进行还原,再使用电炉进一步冶炼。这种方法的二氧化碳排放量更低,比传统高炉工艺的二氧化碳排放量降幅可达 84%。在此基础上,欧洲各国开始了对可再生能源发电项目的研究,试图在减少发电过程中的二氧化碳排放同时,使用高温电解水生产氢气,进而使用氢气竖炉还原炼钢。经过实验证实,这种方法的碳排放量仅为传统高炉的 1.3%,但由于电力成本的增加,反而是炼铁成本相较传统高炉更高。

  2.3 碳捕集和存储技术将钢铁冶炼过程中产生的二氧化碳进行收集封存也是一种减少二氧化碳排放的方式,欧盟的 ULCOS 项目与日本的 COURSE50 项目均对碳捕集与存储技术有着一定研究。目前,碳捕集与存储技术收集完成的二氧化碳会通过管道输送至地下,或使用船舶深埋至海底,虽然在一定程度上减少了二氧化碳的排放,但封存的二氧化碳却未能得到有效处理,属于治标不治本。因此,碳捕集与存储技术还有着相当大的发展空间。

  2.4 核能制氢炼钢技术核能制氢炼钢技术是基于以氢代焦的低碳高炉技术与氢气竖炉还原炼钢技术而出现的,由于核反应堆在运转过程中产生的氢气与电能可以直接用于钢铁冶炼,因此核能制氢炼钢也有着相当的发展前景。韩国原子能研究院与浦项制铁公司(POSCO)早在 2009 年就开始牵头研发原子能制氢的技术,并于 2010 年 5 月成功开发超高温反应堆。通过核反应产生的电能与氢气进行钢铁冶炼,不仅可以实现二氧化碳减排,还能够有效控制钢铁冶炼成本。

  2.5 Carbon2Chem 项目目前的碳捕集与存储技术对于二氧化碳的处理还存在着一定的问题。为了实现资源的充分利用,基于碳捕集与存储技术的 Carbon2Chem 项目应运而生。与前述各项技术能够减少碳排放不同,Carbon2Chem 项目是对冶炼过程中的废气内含有的化工元素如碳、氢、氧等进行二次加工,应用于各种初级化工产品的生产。因此,Carbon2Chem 项目不仅可以缓解二氧化碳的排放,还能够减少初级化工产品的生产资源消耗。

  3 低碳炼铁国内的实际情况及发展

  3.1 以氢代焦,发展低碳高炉炼铁技术高炉炼铁在中国的冶炼行业中占据绝对的主力地位,因此在国内推行低碳炼钢应以低碳高炉工艺为主,通过以氢代焦、复合铁焦与顶炉煤气循环等方式,在确保钢铁产量的同时,降低二氧化碳的排放量。例如,在传统的钢铁冶炼过程中,使用煤炭进行炼焦的过程中产生的焦炉煤气中富含氢气,如果将焦炉煤气中的氢气作为氢能源参与高炉炼钢,就可以大幅度降低二氧化碳的排放量。

  3.2 CCU 利用冶金废气制造化工产品碳捕集与封存技术在控制二氧化碳排放方面有着非常好的效果,而基于碳捕集与封存技术收集的废气也可以进行二次利用,制造部分化工产品。在《国家“十二五”科学和技术发展规划》中就强调了“发展二氧化碳捕集、利用与封存等技术”,而我国钢铁企业也在对钢铁化工的组合发展模式进行积极探索。例如,四川达州钢铁集团就成功以转炉煤气与焦炉煤气实现了甲醇的生产,年产量高达 10 万吨;而宝钢与新西兰郎泽公司合作开展的乙醇制备也达到了 300 吨每年的产量。

  3.3 非焦煤制气+气基竖炉直接还原氢气竖炉直接还原技术在减少二氧化碳排放方面有着独到的优势,在世界范围内受到了广泛重视。2019年,我国河钢集团与意大利特诺恩集团正式展开合作,成功建设了全球第一例 120 吨规模的氢冶金示范工程;2020 年,京华日钢控股集团有限公司与中国钢研在氢冶金工艺链条方面展开合作,通过化工冶金联产循环的方式,成功建设了一条有着完全自主知识产权的,年产钢材 50 万吨的氢冶金及高端钢材生产线。

  3.4 核能制氢的不断发展随着超高温核反应堆的技术不断成熟,核能制氢的安全性与技术也在不断的成熟。目前,中国有着自主研发的高温气冷堆,作为第四代核能技术有着可靠的性能与安全性,与核能制氢的技术匹配度很高。根据分析,一台功率为 60 万千瓦的高温气冷堆机组用于制氢炼铁,每年可以减少近 100 万吨的标准煤使用量,减排约 300 万吨二氧化碳,从而大幅减少冶炼过程对环境造成的损伤。目前,我国的高温气冷堆技术水平已经位于世界前列,预计在 2020 年,将正式建成功率达 20 万千瓦的高温气冷堆商业示范电站。

  4 结 语

  随着钢铁行业的发展,低碳减排的问题已经越发严重,对传统的高炉炼铁方法的改进与创新已经势在必行。只有结合各项技术,提升清洁能源的使用率,减少化石能源的使用,增加化石能源的循环使用效率与废气二次处理,才能在保障钢铁行业发展的同时,为环境的保护贡献一份力量。

  参考文献

  [1]王新东,郝良元.现代炼铁工艺及低碳发展方向分析[J].中国冶金,2021,(5):1-5+18.

  作者:刘红潇