欧洲超低二氧化碳排放炼钢研发进展

随着欧盟"２０３０年气候和能源政策目标"的发布，欧盟各国都推出更为严格的环保法规和排放标准，特别是欧盟排放权交易体系（ＥＵ－ＥＴＳ）的成立使各行业碳排放的成本大大增加。在此背景下，高能耗、高污染的欧洲钢铁行业不得不将节能减排提升至同增长利润相等的高度。欧盟钢铁业于２００３年建立了欧洲钢铁技术平台（ｅｕｒｏｐｅａｎ　ｓｔｅｅｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｐｌａｔｆｏｒｍ，简称ＥＳＴＥＰ），其成员包括欧洲主要的钢铁公司、相关供应商及行业协会，还涵括了相关的大学和科研机构，欧盟委员会和成员国政府也派出代表参与管理委员会的工作。ＥＳＴＥＰ从２００４年开始启动ＵＬＣＯＳ项目，目标是研究出新的低碳炼钢技术，使吨钢ＣＯ２的排放量到２０５０年比现在最好水平减少５０％，从每吨钢排放２ｔＣＯ２减少到每吨钢１ｔＣＯ２。ＵＬＣＯＳ项目

主要成员来自欧洲１５国的４８个公司，涉及钢铁、气体、设备制造、冶金工程、科研机构和大学，项目的董事会主席由安赛乐米塔尔公司担任，董事会成员包括塔塔钢铁公司、蒂森克虏伯集团、奥钢联、瑞典钢铁公司和ＬＫＡＢ公司等。项目分为两个阶段：第一阶段（ＵＬＣＯＳ　Ｉ，２００４-２０１０年）为理论研究和中试试验阶段，第二阶段（ＵＬＣＯＳⅡ，２０１０-２０１５年）为深入开发阶段，为技术方案的工业化应用做准备。

在ＵＬＣＯＳ　Ｉ理论研究和中试试验阶段（２００４-２０１０年），项目研究人员采用数学模拟和实验室测试对８０个不同的技术的能源消耗、ＣＯ２排放量、运营成本和可持续性进行了评估，最后选择了其中４个最有前景的技术做进一步的研究和商业化，即高炉炉顶煤气循环（ｔｏｐ　ｇａｓ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ－ｂｌａｓｔ　ｆｕｒｎａｃｅ，简称ＴＧＲ－ＢＦ）、新型直接还原工艺（ＵＬＣＯＲＥ）、新的熔融还原工艺（ＨＩｓａｒｎａ）和电解铁矿石（ＵＬＣＯＷＩＮ、ＵＬＣＯＬＹＳＩＳ），此外，开发氢气和生物质还原炼铁技术作为这些技术的支撑；在ＵＬＣＯＳⅡ工业示范阶段（２０１０-２０１５年），通过对欧洲几个综合型炼钢厂的设备进行改造建立了中试装置，并对这些方案的工艺、工装、经济和稳定性等因素进行了检验和完善。

1.炉顶煤气循环工艺（ＴＧＲ－ＢＦ）

ＵＬＣＯＳ　ＴＧＲ－ＢＦ技术工艺有３个主要的特点：（１）使用纯氧代替传统的预热空气，从而除去了不必要的氮气，便于ＣＯ２的捕集和储存；（２）用真空变压吸附（ｖａｃｕｕｍ　ｐｒｅｓｓ　ｓｗｉｎｇａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ，简称ＶＰＳＡ）技术和ＣＣＳ技术将ＣＯ２分离并储存在地下；（３）由于使用了回收的ＣＯ作为还原剂，减少了焦炭的用量。该工艺较传统工艺能有效降低２６％的ＣＯ２排放。

ＴＧＲ－ＢＦ工艺共有４种方案，第２种方案的碳减排效果不好已被放弃，其他３种方案均进行了试验验证。方案１是将脱碳后的低温（２５℃）高炉炉顶煤气与氧气、煤粉经炉缸风口吹入，脱碳后的高温（９００℃）炉顶煤气经炉身风口吹入，碳减排量为２１％。方案３是将脱碳后的高温炉顶煤气与氧气、煤粉经位于炉缸的鼓风口吹入，最高节碳量能够达到２４％，为了达到这一目标，必须同时在低炉缸理论燃烧温度和高喷煤比条件下操作高炉［９］。而方案４将脱碳后的高温炉顶煤气、氧气和煤粉以１　２００℃的温度吹入位于炉缸的鼓风口。脱碳后的高炉炉顶煤气（９００℃）经炉身鼓风口吹入，节碳量能够达到２６％。

研究团队研究了热量和物质平衡模型、鼓风口和风口回旋区域模型，还对３种方案进行了数学模拟，并且通过大量实验室试验研究了还原、热降解和软融行为的影响。

为了测试该工艺的运行效果，２００７年在瑞典ＬＫＡＢ公司的吕勒奥工厂的试验高炉上进行了试验。试验前对高炉进行了改造，为了把ＣＯ２从炉顶煤气中分离除去，安装了１台ＶＰＳＡ 装置，并在３个炉身风口处安装了竖式气体喷吹装置，并与原有的热风装置相连，同时利用分配阀对炉缸与炉身风口煤气分布进行调节。３次试验的煤炭和焦炭使用量从５３０降到了４００ｋｇ，碳的输入量从４７０显著地减少到３５０ｋｇ／ｔ（铁），减少了１２０ｋｇ／ｔ（铁）。ＴＧＲ－ＢＦ方案３的炉顶煤气回收率可达７２％，能减少１５％的碳排放量；方案４的炉顶煤气回收率可达９０％，能减少２４％的碳排放量。此外，新技术使煤和焦炭的消耗量减少了１２３ｋｇ／ｔ（铁）。而且注入的ＣＯ和Ｈ２越多，铁矿的还原率越高，每增加１ｍ３ 的ＣＯ和Ｈ２，煤和焦炭的用量可以减少１７ｋｇ。

ＶＰＳＡ装置的运行非常平稳，９７％的高炉炉顶煤气都能进行处理，其中ＣＯ２平均体积分数约为２．６７％，能回收８８％的ＣＯ，满足数量和质量的要求。ＴＧＲ－ＢＦ与ＶＰＳＡ、ＣＣＳ技术结合使用最多可以减少１　２７０ｋｇ／ｔ（铁）的ＣＯ２排放量，占该工序总ＣＯ２排放量的７６％，其中有２４％的ＣＯ２是炉顶煤气经脱除ＣＯ２后重新注入高炉作为还原剂，另外５２％的ＣＯ２通过ＶＰＳＡ 和ＣＣＳ吸附后储存在地下。

试验结果表明，ＴＧＲ－ＢＦ技术在试验高炉上易于操作、安全性好、效率高、稳定性强，方案４减排效果最佳，被选为下一步工业规模高炉上试验的首选方案。

2.新的熔融还原工艺（ＨＩｓａｒｎａ）

ＨＩｓａｒｎａ其实是ＵＬＣＯＳ之前开发的Ｉｓａｒｎａ技术与力拓公司所拥有的ＨＩｓｍｅｌｔ　ｓｍｅｌｔｅｒ技术的结合。ＨＩｓａｒｎａ融合了３种新炼铁技术：（１）煤炭在反应器中预热和部分热解；（２）矿石在旋风熔融段熔化和预还原；（３）炉底熔池中进行最终还原并出产铁ＨＩｓａｒｎａ工艺的关键设备是由旋风熔融段和还原熔池组成的旋风熔融还原炉。

ＨＩｓａｒｎａ工艺可分解为５个部分：原料准备、旋风熔化、二次燃烧、熔池还原和废气处理。原煤在喷入熔池之前通过煤分解炉预热和部分热解，形成半焦，部分热解所需的热量由挥发分分解燃烧放出的热量供给。这一技术措施减少了熔池对热量的需求。工艺过程产出的热铁水可进入转炉或电炉。矿粉、熔剂和纯氧一同送入旋风熔融段，利用纯氧氧化还原熔池的烟气产生的高温将矿粉和熔剂加热到熔化温度，同时被还原熔池的烟气预还原。

熔融状态的矿粉碰撞到旋风熔融还原炉壁后落到还原熔池中，然后与半焦中的碳发生还原反应ＨＩｓａｒｎａ工艺的主要优势在于不需要传统高炉工艺中的烧结和焦化这两个高能耗、重污染的工序，煤炭的用量大幅降低。与碳捕集存储技术结合使用，ＣＯ２减排效果更好，可减少约７０％的ＣＯ２排放。此外，它还可以采用生物质、天然气和氢气部分替代煤炭。２０１０年９月，在塔塔钢铁公司荷兰艾默伊登钢厂建立了ＨＩｓａｒｎａ中试厂，铁矿、煤炭的喷射能力分别为８和１５ｔ／ｈ，铁水的设计产能为８ｔ／ｈ，年产量可达６５ｋｔ。同时，与ＣＣＳ技术结合使用的研究，以及用生物质、天然气和氢气替代煤炭的研究也在进行中。ＨＩｓａｒｎａ工艺发展到工业化应用至少还需要１０至２０年。

３　新型直接还原工艺（ＵＬＣＯＲＥＤ）

直接还原铁（ｄｉｒｅｃｔ－ｒｅｄｕｃｅｄ　ｉｒｏｎ，简称ＤＲＩ）是利用天然气产生的还原气，将块矿或球团直接还原成金属铁，其产品还原铁以固态形式存在，用于电炉炼钢。该工艺比传统高炉工艺的成本高，而且对铁矿原料的质量要求更高。ＵＬＣＯＲＥＤ工艺用天然气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。此外，天然气部分氧化技术的应用使该工艺不再需要焦炉和重整设备，从而大幅降低了设备投资。烧结矿和球团矿从ＤＲＩ反应器顶部装入，ＤＲＩ反应器尾气净化后，天然气发生化学反应生成还原剂（Ｈ２和ＣＯ的混合物），还原剂喷入ＤＲＩ反应器中与铁矿发生反应，反应器的温度低于铁熔化的温度但足以开始铁矿的还原反应，直接还原铁呈固体形态从反应器底部出来送入电弧炉炼成钢。新工艺的尾气只有ＣＯ２，可通过ＣＣＳ存储在地下。

ＵＬＣＯＲＥＤ工艺与ＣＣＳ技术结合使用使欧洲一般高炉的ＣＯ２排放量降低７０％，该技术还需进行下一步的工业示范阶段。

４碱性电解还原铁工艺（ＵＬＣＯＷＩＮ、ＵＬＣＯＬＹＳＩＳ）

铁矿电解是使用电能将铁矿转化成金属铁和氧气。用电解法冶炼铝、锌和镍等金属在技术上已经非常成熟。由于该工艺采用电解的方法，不需要传统炼铁工艺中所使用的焦炉、链篦机－回转窑和高炉等设备，可达到零ＣＯ２排放的目标。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）。ＵＬＣＯＷＩＮ法铁矿石颗粒悬浮在１００～１１０℃的碱性电解质（ＮａＯＨ）溶液中，再通入恒定电流电解还原。带负电荷的氧气被吸引到正极，从溶液顶部不断涌出。带正电荷的金属铁被吸引到阴极上，铁晶体呈柱状结构由沿表面堆积的双六簇组成沉积在阴极表面上。在ＵＬＣＯＳ　Ｉ阶段中进行的实验室研究已验证了小规模应用的可行性。ＵＬＣＯＷＩＮ工艺得到的铁纯度可达９９．９８％，能耗为２　６００～３　０００ｋＷ·ｈ／ｔ，虽然能耗比较合理，但中试工厂产能只有５ｋｇ／ｄ。因此ＵＬＣＯＳ项目组又开发了ＵＬＣＯＬＹＳＩＳ工艺。铁矿石在１　６００℃的高温下溶解在铁液池中熔溶氧化混合物中，这种熔融氧化混合物是一种特殊的电解质溶液，能使电解操作在高于金属熔点的温度下进行。惰性材料制成阳极浸渍在铁液池中，铁液池连接到电路上作为阴极，电流在阳极与阴极中通过。

生成的氧气从阳极放出，液态铁在阴极生成。ＵＬＣＯＬＹＳＩＳ工艺目前尚处在实验室研究阶段，有望在２０３０年以后有突破性进展。

5.ＵＬＣＯＳ支撑技术---氢气和生物质还原炼钢技术

氢气直接还原炼钢技术（ｈｙｄｒｏｇｅｎ－ｂａｓｅｄ　ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ）采用氢气作为还原剂的氢气还原炼铁技术的尾气产物只有水，因此能大幅降低ＣＯ２排放量达８０％。氢气的来源主要有甲烷水蒸气制氢和电解水。ＵＬＣＯＳ项目利用的氢气来源于电解水，电解水使用的电力来自水力发电站和核电站。铁矿在竖式炉中被直接还原成铁，不含碳的氢气直接还原铁在电炉中被炼成钢。氢气直接还原铁炼钢技术中高炉工序排放的ＣＯ２量几乎为零，即便算上用电产生的ＣＯ２排放量，整个工艺吨钢ＣＯ２排放量也只有300ｋｇ，比目前高炉工艺１　８５０ｋｇ的吨钢ＣＯ２排放量减少了８４％。氢气直接还原炼钢技术是真正意义上的可持续炼钢技术工艺，然而该工艺的发展很大程度上依赖氢能经济，氢气的产量必须达到规模化，并且成本更具有竞争力。生物质直接还原炼钢技术（ｂｉｏｍａｓｓ－ｂａｓｅｄ　ｓｔｅｅｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）使用生物质作为高炉炼铁还原剂，生物质还原剂由碳、氢、氧、氮和硫组成，木质生物质中的碳质量分数比炼钢中用的煤、焦炭和石油低，此外硫的质量分数也低（约为０．０１％～０．１％），对高炉炼铁有利。然而生物质还原炼铁技术作为一种可持续发展的技术，推广应用仍面临一些难题，获取生物质的同时会导致森林砍伐以及水与空气污染，此外生物质的使用还可能引发粮食价格上涨等社会与经济问题。目前在巴西已有完全使用木炭的高炉运行，但是该技术应用到ＵＬＣＯＳ项目中仍是一个挑战，当在煤中掺入木炭时焦炭的高热强度难以保证。生物质还原炼钢工艺目前的成本依然很高，为钢铁生产提供了一种弹性的可替代方案。

６　碳捕集和存储技术

碳捕集和存储技术（ｃａｒｂｏｎ　ｃａｐｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｔｏｒａｇｅ，简称ＣＣＳ）化石燃料燃烧产生ＣＯ２捕获，然后通过管线输送到地下或船舶运到海底里封存，该技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、缓解全球变暖问题最有效的方法。二氧化碳的捕集方式主要有３种：燃烧前捕集（ｐｒｅ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）、富氧燃烧（ｏｘｙ－ｆｕｅｌ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）和燃烧后捕集（ｐｏｓｔ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）。综合性的钢铁生产厂根据其燃烧过程的类型主要采用燃烧后捕集，目前常用的技术有深冷分离、物理吸附（ＰＳＡ 和ＶＰＳＡ）、化学吸收（氨净化）和膜分离等技术。

ＵＬＣＯＳ项目采用何种ＣＣＳ技术需要综合考虑ＣＯ２浓度、处理量、工艺布局和经济效益等因素。例如在ＵＬＣＯＳ项目中，瑞典吕勒奥ＴＧＲ－ＢＦ试验高炉上使用ＶＰＳＡ不仅能获得较高浓度的ＣＯ２，而且技术性能和经济效益表现良好；ＨＩｓａｒｎａ项目中仅使用深冷分离法就可以获得高浓度的ＣＯ２；然而在轧钢厂氨净化法是最佳方案。但是ＣＣＳ技术目前在存储容量方面和大规模应用方面存在技术上的不确定性，其成本也非常高昂，预计储存每吨二氧化碳的成本在３０～６０欧元，而且可能会出现环境负效应，如何解决这些问题仍是各国研究关注的重点。（来源：《中国冶金》2017，№1）

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