前 言

用天然气代替焦炭能显著减少初级炼钢过程中的二氧化碳排放,向高炉注入氢气或氨气也能做到这一点。然而,没有一种方法可以实现碳中和,因为它们不能完全去除炼钢过程中的碳。

显然,需要能够生产碳中性钢的新技术。2014年,Fischedick等人根据生产一吨粗钢的物质和能量流,对三种创新性钢铁生产技术,即含碳捕集与封存(BF-CCS)的高炉技术、铁矿石电解或电积(EW)技术和铁矿石氢基直接还原(H2-DRI)技术的经济可行性进行了评估。在研究中,发现H2-DRI是最有吸引力的经济和环境的选择。在超低二氧化碳炼钢(ULCOS)项目下,正在探索将CCS整合到炼钢中。然而,对捕获的CO2的安全运输和储存的担忧,使CCS的选择不那么有吸引力。电积或熔融电解铁矿石是一项相对较新的技术,距离达到商业可行还差很远。本文详细讨论了几种新型氢基炼钢工艺。

炼钢新技术——创新性氢基炼钢工艺

1 新型氢基炼钢

炼钢新技术——创新性氢基炼钢工艺


下面讨论了五种氢基炼钢技术,每种技术都考虑了优点和缺点。

1.1 HYBRIT

2016年,洛萨瓦拉-基律纳瓦拉有限责任公司,Svenskt Stål AB和Vattenfall与瑞典能源署一起开始建造三个试点工厂,使用氢直接还原铁矿石。该概念被称为HYBRIT项目,在直接还原过程中,使用优化开发的铁矿石球团通过氢气进行还原。还原在比高炉温度更低的固态下发生,并产生直接还原海绵铁(DRI)。氢气是通过使用可再生电力进行电解产生的,氧气是副产品。

挪威斯塔万格大学(University of Stavanger)研究了氢气体在氧化铁界面上吸附所发生的化学反应。研究表明,使用纯氢比使用合成气(CO和H2的混合物)在700-900℃之间的温度时铁矿石还原率更高。还发现,在高于900℃的温度下,由于烧结和在铁矿石球团上形成致密的外层,反应速率降低。这些还原反应的活化能值从11kJ/mol到246kl/mol不等。有必要进行更彻底的研究,以评估与纯H2的铁矿石还原反应所需的表观活化能。

优点:① 生产灵活性高;② 启停方便;③ 将DRI作为HBI送入高炉-转炉系统,意味着在竖炉/电炉生产增加的同时,可以使用现有的传统棕地工厂。

缺点:该工艺仍然需要铁矿石球团,根据球团厂的热源,生产可能会造成大量排放。

试验项目:自2018年以来,HYBRIT试点工厂一直在瑞典Oxelosund和瑞典Luleå的SSAB基地开展。

1.2 流化床氢气直接还原铁

Circored工艺使用精加工的铁矿粉代替球团,直接还原铁矿粉,无需预先制球。使用纯氢作为还原气体时,其还原温度比HYBRIT要低。这是一个三段的工艺,每段都使用流化床。第一个还原阶段是循环流化床(CFB)对矿石进行预热,第二个阶段是在第二流化床(FB)反应器中进行部分还原,第三个阶段使金属化率达到93%-95%。

循环过程的关键步骤如下:①对铁矿粉进行预热大约850-900℃;② 630℃时,在下一循环流化床中进行快速预还原步骤,实现65%-75%的金属化率;③ 在650℃的流化床中最终还原,达到93%-95%的金属化率。

Circored工艺优点:① Circored-电炉路线排放的二氧化碳仅为BF-BOF路线排放的二氧化碳的50%左右;②使用矿粉代替球团,可以消除球团的生产,降低成本和CO2高排放;③流化床反应器比竖炉减少了内部粘滞问题,实现更高的金属化率(约95%到90%)。

缺点:①该工艺与竖炉法有同样的H2供应、电解槽和运行成本问题。其供电必须是100%绿色能源,才能实现碳中和。②流化床反应器比竖炉投资高。

试验项目:奥托昆普于1999年开始在特立尼达和多巴哥使用Circored工艺生产H2-DRI,HBI产量达到65t/ h。然而,如今,该工厂归安赛乐米塔尔所有,自2015年以来一直处于闲置状态。

1.3 等离子体直接炼钢

等离子炼钢反应器中,细粒铁矿或铁矿被氢等离子体还原。向反应器中添加碳来生产钢。氢等离子体是经过加热或带电分离或电离成氢原子的H2气体。

优点:该工艺不需要对铁矿石进行预处理,并允许降低反应器温度。这使其具有商业吸引力。

缺点:该技术处于非常早期的发展阶段,最佳工艺和完整的反应器设计尚未开发,商业可行性还有待证实。

试验项目:奥地利钢铁制造商奥钢联(Voestalpine)在其多纳维茨工厂建造了一个小型氢等离子体还原反应器试验基地。

1.4 电解工艺

电解工艺有两种类型:电解法和电解沉积法。电解法利用电作为还原剂,在1550℃左右将铁矿石转化为钢液。在电积法中,铁矿石被磨成超细精矿,浸出,然后在110℃左右、流体在电解槽中被还原。得到的铁板在电弧炉中熔化。ULCOLYSIS是主要的电解方法,ULCOWIN是主要的电积工艺。  

优点:由于这些方法跳过了其他生产路线所需的上游阶段,如生产焦炭或氢作为还原剂,因此电解工艺可能成为最节能的炼钢方法,尤其是电解。

缺点:铁矿石的电解仍在实验室中进行测试,这意味着一个漫长而昂贵的开发过程。与H2直接还原铁方法相比,该过程也相对不灵活,因为其不能轻易停止。

试验项目:欧盟的ULCOS项目涉及包括安赛乐米塔尔在内的多家欧洲钢铁制造商,使ULCOLYSIS和ULCOWIN得到了发展。项目演示了实验室规模的高温电解直接生产钢液。

1.5 悬浮炼铁

该工艺从对低品级铁矿进行超细磨矿生产铁精矿开始。然后在高温“闪蒸”反应器中使用氢气将其还原,只需几秒钟,如果添加碳,就可以直接生产钢。铁精矿也可以在单独的反应器中在较低温度下进行预还原,然后加入闪蒸反应器。

优点:在一个反应器中将铁矿石直接还原为铁,无需炼铁、烧结或球团,具有显著的成本和排放效益。由于高温和快速反应时间确保杂质更少,还可生产出更清洁的钢。

缺点:该技术尚未得到很好的发展,仍处于试验阶段,尚未进行大型反应器试验。

从实用的角度来看,铁矿石必须磨成直径小于100微米的颗粒,这需要高能量强度并增加了工厂维护。

试验项目:犹他大学(美国)在实验室反应堆中进行了概念验证试验,并正在开发用于工业工艺和反应器设计。

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2 新技术比较

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上述五种工艺中,悬浮炼铁、等离子体直接炼钢和电解工艺三种技术尚处于早期发展阶段。它们的大规模生产的技术和经济可行性还有待检验。竖炉反应器和流化床反应器处于较先进的商业化阶段。

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3 欧洲的氢战略

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欧洲各国政府计划投资90亿欧元促进氢气生产,该基金将重点关注“绿色”氢气。这包括:① 推广电解槽;② 推广氢的扩大使用;③启动包括交通部门在内的“氢技术2030”研究计划;④在转向气候友好型工业过程时,为氢气生产提供投资和运营赠款;⑤ 加强基础设施建设;⑥扩大国际伙伴关系。

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4 印度的氢基炼钢

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印度需要开始探索深度脱碳替代方案,包括氢、电气化和碳捕获、利用和储存(CCUS)。主要挑战之一是以足够低的成本生产足够数量的氢气。图1显示了未来制氢技术的适用性。在图1中,绿色代表正评分,橙色代表混合评分,红色代表负评分。技术准备水平(TRL),从1(基础规范)到9(广泛实现)。

炼钢新技术——创新性氢基炼钢工艺

印度矿物和材料技术研究所(IMMT)在其上一轮研究(2010-2015年)中进行了氢等离子体技术的试验,规模为5-10kg(IMMT,2019年)。据报道,要实现下一个规模试验(约100kg),将需要大约5亿卢比(折合617万美元)。

塔塔钢铁公司已经试验了由Hoogovens、Corus和塔塔钢铁欧洲公司在欧洲开发的Hisarna直接还原工艺。该工艺使用粉煤作为燃料和还原剂。矿石在位于第二反应器——熔融还原炉(SRV)上方的旋风转炉(CCF)中加热并被部分还原为固态DRI。将煤粉和氧气注入顶部容器,生成的DRI落入SRV,再向SRV注入煤和氧气,最终还原为液态铁和熔渣。

塔塔公司在2018年表示,从2030年起,与传统高炉相比,这项技术可以减少60%的炼铁排放。

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5 结论

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虽然氢是地球上最丰富的元素之一,但从化合物中提取氢需要很高的能量。目前,绿色制氢的成本高于传统的化石燃料方法,并且依赖于可再生能源的成本。这一数值因地区而异,随着可再生能源和绿色氢气的生产能力和补贴的增加,这一数值会下降。氢气可以用作生产DRI的替代还原剂,DRI在电弧炉中熔化进一步加工成钢。值得注意的是,要实现钢铁工业碳中和的目标,并不需要完全过渡到纯氢基炼钢生产。  


来源:世界金属导报


原文始发于微信公众号(艾邦氢科技网):炼钢新技术——创新性氢基炼钢工艺

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作者 808, ab