當前,我國煉鋼企業中,高爐-轉爐長流程煉鋼仍然占據主導地位。一般而言,傳統高爐工藝生產1噸生鐵需要消耗350千克焦炭和150千克煤粉。由于化石能源的使用,造成煉鐵、煉鋼過程中二氧化碳和一氧化碳大量排放。因此,低碳冶金技術被認為是未來鋼鐵行業碳減排的重要抓手。
目前,被認為比較有前景的低碳冶金項目包括日本COURSE50計劃、瑞典SSAB公司突破性氫能煉鐵技術(HYBRIT)項目、歐洲超低二氧化碳排放煉鋼工藝ULCOS項目、德國Car-bon2Chem項目等以低碳煉鐵為核心,探索低碳煉鐵工業化的路徑,實現節能減排、高效綠色發展。
日本COURSE50項目圍繞高爐碳減排,開發了部分使用氫代替焦炭作為還原劑的氫還原煉鐵法,并預期通過該技術研發應用而實現的碳減排目標為10%。利用2015年在新日鐵住金君津廠建成的小型試驗高爐,進行高爐煤氣改質富氫焦和高爐風口噴吹試驗,隨后進行了爐體拆解研究,確認部分使用氫作為還原劑的氫還原煉鐵法,可使二氧化碳排放值接近期望的減排目標。
歐洲ULCOS項目在低碳高爐煉鐵技術方面,研究了爐頂煤氣循環工藝(TGR-BF)。該工藝有3個主要特點:一是使用純氧代替傳統的預熱空氣(即全氧噴吹);二是二氧化碳分離、捕集和儲存;三是使用回收的一氧化碳循環作為還原劑,減少焦炭使用量。試驗結果表明,TGR-BF工藝具有易于操作、安全性好、效率高、穩定性強的特點。其中,將脫離二氧化碳后的部分爐頂煤氣加熱到1200攝氏度,氧氣和煤粉混合通過爐缸風口噴吹入爐內,同時將脫離二氧化碳后的爐頂煤氣加熱到900攝氏度,從爐身適當位置噴吹的減排效果最佳,可降低26%的二氧化碳排放,被確定為下一步工業規模高爐試驗的首選方案。
基于ULCOS項目,HYBRIT項目將研究采用氫的直接還原工藝,而氫則是利用非化石能源產生的。氫與球團礦發生反應,生成直接還原鐵(DRI),將直接還原鐵與廢鋼一起裝入電爐,或者制成熱壓塊鐵儲存或出售。HYBRIT項目的核心是提升技術、降低成本,使氫氣冶煉鋼鐵在經濟上與傳統焦炭煉鐵相比有競爭力。焦炭和氫氣都可作為還原劑去除鐵礦石中的雜質。傳統冶煉鋼鐵工藝中二氧化碳排放占全行業90%,比如使用氫氣替代焦炭,氫氣將與鐵礦石中的氧氣反應生成水蒸氣,實現碳的零排放。
與上述各項技術減少碳排放不同,Car-bon2Chem項目是利用鋼廠廢氣中含有的化工原材料,比如以一氧化碳和二氧化碳形式存在的碳、氮和氫等,生產含有碳和氫的合成氣體,再應用于生產氨氣、甲醇、聚合物和高級醇等各種初級化工產品,替代目前天然氣、煤等化石原料。因此,Car-bon2Chem不僅可轉化鋼廠廢氣中的二氧化碳,同時也節省了生產此類合成氣體的碳資源使用量。2021年9月份,蒂森克虜伯Car-bon2Chem項目成功地將鋼廠廢氣轉化為合成燃料,生產出第一批甲醇。2024年1月份,蒂森克虜伯成功利用鋼廠廢氣生產氨,這在全球范圍內尚屬首次。蒂森克虜伯宣布,目前全世界大約有50家鋼廠符合引進Car-bon2Chem項目的條件,已開始與各地的意向方建立聯系,探討將該技術運用于其他二氧化碳密集型行業。
節選來源:中國冶金報
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