欧洲和日本钢铁行业低碳技术发展

1、欧洲和日本钢铁行业低碳技术发展全球气候变化已经成为国际社会关注的热点。低碳发展作为解决气候变化问题、协调社会经济发展的综合路径，为应对气候变化提供了新的机遇。钢铁行业是能耗大户，同时也是二氧化碳排放大户2。在全球碳排放控制日趋严格的大环境下，大力发展钢铁行业低碳技术、推广低碳技术的应用，是钢铁行业实现低碳发展，保证绿色可持续发展的有效途径3。目前，许多国家都已经开展钢铁行业低碳技术相关项目的研究工作，具体包括美国、瑞典、加拿大、韩国、日本、巴西及欧洲部分国家，为减排二氧化碳提供了新思路。一、欧洲钢铁行业低碳技术概况为应对气候变化，欧盟从2004年开始启动超低二氧化碳排放炼钢项目(ULCOS),

2、旨在使钢铁工业二氧化碳排放量减少50%£右。之后经研究，确定对其中4个最有发展前景的技术做进一步研究，即高炉炉顶煤气循环(TGR-BF)、新型直接还原工艺(ULCORED)新的熔融还原工艺(HIsarna)2和碱性电解还原铁工艺(ULCOWINULCOLYSIS)。1 .TGR-BF高炉炉顶煤气循环该工艺是利用氧气鼓风并将高炉炉顶煤气应用真空变压吸附(VPSA)技术脱除二氧化碳后返回高炉重新利用的炼铁工艺，工艺流程见图1。该工艺有以下3个主要的特点：一是使用纯氧代替预热空气，除去了氮气，有利于二氧化碳的捕集和储存；二是用VPSA技术和二氧化碳捕集和贮存(CCS)技术将二氧化碳分离并储

3、存在地下；三是回收一氧化碳并作为还原剂，减少焦炭的使用量4。图1高炉炉顶煤气循环炼铁技术工艺流程2007年，ULCOS®目组在瑞典LKAB公司的试验高炉(EBF)上分别开展了为期7周的炉缸和炉身喷吹循环煤气的试验研究。在喷煤比为170kg/t的条件下，焦比由400405kg/t降至260265kg/t,碳耗降低24%VPSAg置运行非常平稳，97%勺高炉炉顶煤气都能循环使用，并且能回收88%勺一氧化碳，二氧化碳平均体积分数约为2.67%o将高炉炉顶煤气循环技术与VPSACC即术结合使用，吨铁二氧化碳排放量最多可以减少1270kg,占该工序总二氧化碳排放量的76%4。根据试验结果可以看

4、出，高炉炉顶煤气循环技术在试验高炉上操作方便，安全性高，具有较高的效率和稳定性4。其中，在1200C时将脱碳后的高温炉顶煤气、氧气和煤粉吹入炉缸的鼓风口，脱碳后的高炉炉顶煤气在900C时吹入炉身鼓风口的方案减排效果最佳，可减少26%勺二氧化碳排放。该技术被选为下一步在工业规模高炉上试验的首选方案。2 .ULCOREEW型直接还原工艺ULCOREET艺直接还原铁是利用由天然气产生的氢气等还原气体将块矿或球团矿直接还原成固态金属铁，用作电炉炼钢的原料。ULCOREET艺流程为：烧结矿和球团矿从顶部装入直接还原铁反应容器，天然气产生的还原气体喷入直接还原铁反应容器与铁矿石发生还原反应，产生固态的金属

5、铁。ULCORED工艺用天然气产生的还原气体取代了传统的还原剂焦炭，并且通过炉顶煤气循环和预热工序，减少了天然气消耗。该工艺配合二氧化碳捕集和封存技术，可以最大限度地减少二氧化碳排放，同时将能耗降到最低。ULCORED：艺与CC诚术结合可使高炉的二氧化碳排放量降低70%E右。图2HIsarna新的熔融还原工艺流程该工艺主要包括3个环节：第一，煤炭的预热和部分热解；第二，铁矿石的熔化和预还原；第三，炉底熔池中还原产生铁水4。相对于普通高炉流程，由于不需要高能耗、高污染的烧结和焦化这2个工序，HIsarna工艺的煤炭用量大幅度降低。HIsarna工艺与CCS技术结合可减少80%勺二氧化碳排放。20

6、10年9月，TATA集团在荷兰艾默伊登钢厂建立了HIsarna中试厂，目前已经完成了4次试验。如果该技术能成功实现工业化生产，将有利于减少能源消耗和二氧化碳排放，降低生产成本，显著提高资源利用效率。4 .碱性电解还原铁工艺(ULCOWINULCOLYSIS)碱性电解还原铁工艺是使用电能将原料铁矿石转化成铁和氧气。用电解法炼铁可实现二氧化碳零排放。目前，铁矿电解最有前景的工艺路线是电解冶金法(ULCOWIN和电流直接还原工艺(ULCOLYSIS)4,均尚处于实验研究阶段。在小规模试验中，ULCOWINT艺得到的铁纯度可达99.98%,能耗为26003000kWh/t,但中试工厂产能为每天5kg。

7、之后，ULCO颔目组又开发了ULCOLYSIS工艺。该工艺是铁矿石在1600C的高温下熔解在铁液池中发生电化学反应4。液态铁在阴极生成，氧气从阳极放出。5 .瑞典HYBRIT氢气直接还原炼铁技术2016年4月，能源供应商瑞典大瀑布电力公司(Vattenfall)、瑞典钢铁集团(SSAB)和瑞典矿业集团(LKAB)联合开展HYBRIT项目，旨在联合开发用氢气替代炼焦煤和焦炭的突破性炼铁技术。项目计划在20182024年进行全面可行性研究，并建立一个中试厂进行试验；在2025-2035年建设示范厂。HYBRIT是采用氢的直接还原炼铁工艺项目。采用氢气作为主要还原剂，氢气和球团矿反应生成直接还原铁和

8、水，如图3所示。直接还原铁作为电炉炼钢的原料，该工艺能大幅度降低二氧化碳的排放量。使用的还原剂一一氢气的主要来源是电解水制氢，电解水使用的电力来自于水力、风力等清洁能源发电站。海绵铁铁矿石图3HYBRIT氢还原炼铁工艺HYBRIT生产流程与传统高炉生产流程对比如图4所示。HYBRIT与传统高炉炼铁工艺碳排放对比情况如图5所示。其中，HYBRIT工艺二氧化碳排放量为25kg/t钢，比高炉工艺二氧化碳排放量降低了98%高炉生产流程;氯化碳化石燃料。三三铁植矿HYBR门i产流，三三额£非化石燃料煤炭FW1恭铁矿球团造球铁犷球团事询/始，氢3I氮储I海绵铁J右废钢图4HYBRIT生产流程与传

9、统高炉生产流程对比inuxir球团工序焦化1：序高低气转炉化石燃料拮施二氧化於25斥图5HYBRIT与传统高炉炼铁碳排放对比、日本COURSE5颜目概况日本钢铁联盟开展的COURSE5®目5主要是通过用氢气还原铁矿石和从高炉煤气分离捕集二氧化碳，采用一种新的焦炉煤气的氢分离技术和高炉煤气胺净化技术，可综合减排生产工序中产生的约30%勺二氧化碳。目前，在开发减排高炉二氧化碳的技术方面，日本钢铁联盟建设了1座12而的试验高炉（见图6）,确立了将氢还原效果达到最大化的反应控制技术；在分离捕集高炉二氧化碳的技术方面，研发高性能的化学吸收液，进一步提高物理吸附法效率，并且研究使用未利用的热能，

10、从而进一步降低成本。化学吸收法工艺主要是在吸收塔内，吸收液与供给气体呈逆流接触，选择性地吸收二氧化碳。二氧化碳浓度升高后，将高浓度的吸收液送往再生塔，加热至120c左右，释放二氧化碳；再生后的吸收液冷却，再送至吸收塔。吸附和分离不断重复，从而达到二氧化碳的分离捕集。跳（处理还帷嵌,*3H.*CU一乳喟谿技不郭江原铁甲行技术二制化碳分啕射及技术石技术轼化碳等>，忖拿珑学焦炭消费+减排二*牝儡图6日本钢铁联盟建设的12m3的试验高炉工艺流程该技术计划在2030年开始应用。在满足确立二氧化碳封存技术及相关基础设施和确保经济合理性的前提下，预计在2030年之前将1号机投运，并配合高炉相关设备的更

11、新;在2050年之前实现该技术的推广普及。三、美国钢铁行业低碳技术美国的低碳炼钢研究旨在开发能显著降低钢铁生产中二氧化碳排放的新技术4。其中有2项低碳技术效果最好：一是麻省理工学院开展的熔融氧化物高温电解（MOE）研究（见图7）,通过电解将液态氧化铁分解为铁水和氧气，不产生二氧化碳；二是犹他大学将处于实验室研究阶段的氢还原铁矿石技术应用到闪速炉反应器上6,通过替代炼铁生产过程中所用的煤和焦炭减排二氧化碳。(尸eOJ=生11)+(g)图7熔融氧化物高温电解示意四、CCU诚术概述CCU诚术指二氧化碳的捕集应用与封存技术。能源工业和其他行业生产中化石燃料燃烧的二氧化碳经分离捕集后重新利用，或者通过管线输送到地下数千米的地质层中或经船舶运到海底封存，与大气隔绝。目前，二氧化碳的捕集方式主要有燃烧前捕集、富氧燃烧和燃烧后捕集。钢铁行业主要采用燃烧后捕集，常用的技术有深冷分离、物理吸附、化学吸收法及膜分离等。二氧化碳捕集后的主要应用领域涵盖二氧化碳强化驱油(EOR)、二氧化碳强化采煤层气(ECBM)及食品级二氧化碳精制等。该项技术被认为是应对气候变化并能较大程度减少碳排放的有效方法。美国、澳大利亚、欧盟、中东等国都十分重视发展CCU限术，对该项目提供了包括政策