值得关注的钢铁低碳前沿技术- 大数跨境

湖北金盛兰冶金科技有限公司

2021-03-18

导读：当前，我国炼钢企业中，高炉-转炉长流程炼钢仍然占据主导地位。一般而言，传统高炉工艺生产1吨生铁需要消耗3

　　当前，我国炼钢企业中，高炉-转炉长流程炼钢仍然占据主导地位。一般而言，传统高炉工艺生产1吨生铁需要消耗350千克焦炭和150千克煤粉。由于化石能源的使用，造成炼铁、炼钢过程中二氧化碳和一氧化碳大量排放。因此，低碳冶金技术被认为是未来钢铁行业碳减排的重要抓手。

　　目前，被认为比较有前景的低碳冶金项目包括日本COURSE50计划、瑞典SSAB公司突破性氢能炼铁技术（HYBRIT）项目、欧洲超低二氧化碳排放炼钢工艺ULCOS项目、德国Car-bon2Chem项目等以低碳炼铁为核心，探索低碳炼铁工业化的路径，实现节能减排、高效绿色发展。

　　日本COURSE50项目围绕高炉碳减排，开发了部分使用氢代替焦炭作为还原剂的氢还原炼铁法，并预期通过该技术研发应用而实现的碳减排目标为10%。利用2015年在新日铁住金君津厂建成的小型试验高炉，进行高炉煤气改质富氢焦和高炉风口喷吹试验，随后进行了炉体拆解研究，确认部分使用氢作为还原剂的氢还原炼铁法，可使二氧化碳排放值接近期望的减排目标。

　　欧洲ULCOS项目在低碳高炉炼铁技术方面，研究了炉顶煤气循环工艺（TGR-BF）。该工艺有3个主要特点：一是使用纯氧代替传统的预热空气（即全氧喷吹）；二是二氧化碳分离、捕集和储存；三是使用回收的一氧化碳循环作为还原剂，减少焦炭使用量。试验结果表明，TGR-BF工艺具有易于操作、安全性好、效率高、稳定性强的特点。其中，将脱离二氧化碳后的部分炉顶煤气加热到1200摄氏度，氧气和煤粉混合通过炉缸风口喷吹入炉内，同时将脱离二氧化碳后的炉顶煤气加热到900摄氏度，从炉身适当位置喷吹的减排效果最佳，可降低26%的二氧化碳排放，被确定为下一步工业规模高炉试验的首选方案。

　　基于ULCOS项目，HYBRIT项目将研究采用氢的直接还原工艺，而氢则是利用非化石能源产生的。氢与球团矿发生反应，生成直接还原铁（DRI），将直接还原铁与废钢一起装入电炉，或者制成热压块铁储存或出售。HYBRIT项目的核心是提升技术、降低成本，使氢气冶炼钢铁在经济上与传统焦炭炼铁相比有竞争力。焦炭和氢气都可作为还原剂去除铁矿石中的杂质。传统冶炼钢铁工艺中二氧化碳排放占全行业90%，比如使用氢气替代焦炭，氢气将与铁矿石中的氧气反应生成水蒸气，实现碳的零排放。

　　与上述各项技术减少碳排放不同，Car-bon2Chem项目是利用钢厂废气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、氮和氢等，生产含有碳和氢的合成气体，再应用于生产氨气、甲醇、聚合物和高级醇等各种初级化工产品，替代目前天然气、煤等化石原料。因此，Car-bon2Chem不仅可转化钢厂废气中的二氧化碳，同时也节省了生产此类合成气体的碳资源使用量。2018年9月份，蒂森克虏伯Car-bon2Chem项目成功地将钢厂废气转化为合成燃料，生产出第一批甲醇。2019年1月份，蒂森克虏伯成功利用钢厂废气生产氨，这在全球范围内尚属首次。蒂森克虏伯宣布，目前全世界大约有50家钢厂符合引进Car-bon2Chem项目的条件，已开始与各地的意向方建立联系，探讨将该技术运用于其他二氧化碳密集型行业。

　　此外，我国钢铁企业也在积极探索低碳冶金技术。比如，河钢集团与意大利特诺恩集团签署谅解备忘录（MOU），商定双方在氢冶金技术方面开展深入合作，利用世界最先进的制氢和氢还原技术，并联手中冶京诚共同研发、建设全球首例120万吨规模的氢冶金示范工程，应用于河钢宣钢转型升级项目。京华日钢控股集团有限公司与中国钢研科技集团有限公司签订了《年产50万吨氢冶金及高端钢材制造项目合作协议》。该项目以氢冶金全新工艺-装备-品种-用户应用为目标，进行系统性、全链条的创新开发，通过现代化工、冶金联产循环经济的方式，建设具有中国自主知识产权的首台（套）年产50万吨氢冶金及高端钢材制造产线。中国宝武、中核集团和清华大学三方启动了共同研究核能技术与冶金制造技术如何协同以及创新技术链与产业链的可行性工作。与传统的铁烧焦工艺相比，煤基氢冶金工艺具有流程短、监控点少、水循环及水处理设施规模小，烟气排放次数少、数量小的特点，可降低能耗50%以上。

　　碳捕及、利用及封存技术（CCUS）

　　与低碳冶金技术不同，碳捕集、利用与封存（Carbon Capture,Utilization and Storage，简称CCUS）技术是一项新兴的、具有大规模二氧化碳减排潜力的技术，即把生产过程中排放的二氧化碳进行提纯，继而投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存。作为目前唯一能够实现化石能源大规模低碳化利用的减排技术，CCUS是我国实现2060年碳中和目标技术组合的重要组成部分。

　　长期以来，CCUS一直被认为是减少化石发电和工业过程中二氧化碳排放的关键技术。我国政府部门明确提出，开展CCUS试点项目的行业涉及火电、煤化工、水泥和钢铁行业。

　　CCUS是钢铁、水泥等难以减排行业深度脱碳的可行性技术方案。国际能源署发布2020年钢铁行业技术路线图，预计到2050年，钢铁行业通过采取工艺改进、效率提升、能源和原料替代等常规减排方案后，仍然剩余34%的碳排放量，即使氢能直接还原铁技术取得重大突破，剩余碳排放量也超过8%。水泥行业通过采取其他常规减排方案后，仍剩余48%的碳排放量。2019年，能源转型委员会与落基山研究所联合发布的报告《中国2050：一个全面实现现代化国家的零碳图景》假设，中国钢铁行业到2050年预计产量为4.75亿吨，即使考虑了其他各项减排措施后，要实现净零排放，还有0.5亿～2.1亿吨二氧化碳需要通过CCUS进行减排。

　　有研究表明，CCUS技术在电力系统、工业部门的应用及其负排放具有潜力，预计到2050年，CCUS技术可提供减排贡献为11亿～27亿吨二氧化碳。特别是发达国家日益重视CCUS技术的规划与应用，比如美国、英国、澳大利亚、加拿大等国家不仅将CCUS视为推动传统产业结构调整和优化的重大减排技术，更瞄准该技术未来可观的市场效益。

　　同样，我国对CCUS技术的研发和示范给予了积极的关注。《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006-2020年)》《中国应对气候变化科技专项行动》《国家“十二五”科学和技术发展规划》等科技政策文件中均明确提出，要将CCUS技术开发作为控制温室气体排放和减缓气候变化的重要任务。

　　在CCUS技术研发、示范与产业化方面，我国政府相继支持了高校、科研院所与大型电力、石油和煤炭企业CCUS技术的研发，为CCUS技术的产业化奠定了基础，包括开展了10万吨/年二氧化碳捕集、运输与咸水层封存的全流程示范工程，在二氧化碳利用的多个领域均开展了大量的研发与示范。现已初步形成了具有中国特色的CCUS技术发展路线和二氧化碳资源化利用技术体系。目前，我国尚没有超过100万吨/年的大规模全流程示范项目，而且短期内CCUS技术实现商业化运作仍面临成本高、部分关键技术不成熟、配套基础设施和相关政策缺失的困难。

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