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“双碳”目标下我国炼铁技术发展路径

2023/06/19

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我国粗钢产量已连续26年稳居世界第一,据统计,2021年我国粗钢产量达到10.3279亿t,占全球粗钢产量的52.95%。截至2021年,我国钢铁行业碳排放量占全国碳排放总量的15%,是31个制造业门类碳排放量最大的行业。炼铁工序作为钢铁行业的龙头,能耗占整个钢铁行业总能耗的70%左右。因此,随着我国双碳目标的逐步实施,炼铁工序面临的碳减排任务艰巨,迫切需要开发能够显著降低碳排放的低碳炼铁技术及近零碳炼铁技术,以满足碳达峰碳中和的目标愿景。

 

1概述

在全球积极推进碳减排碳中和的趋势下,国内外众多的钢铁企业和研究单位开始探索低碳冶金、氢冶金等前沿技术,既有在原有高炉炼铁工艺技术上改进创新,力图实现碳-氢耦合冶金的技术路线,也有创建全新工艺流程,以绿氢为能源,完全摆脱碳冶金的技术路线。这些研究及探索已经取得了一定成果,其中一些已经进人逐步应用阶段。我国的宝武、河钢、酒钢、鞍钢等企业,也相继开展了低碳冶金或氢冶金的试验工作,例如,新疆八钢正在进行氢-氧高炉、全氧高炉、高炉煤气自循环等方面的工业试验;湛钢、宣钢、酒钢等分别就煤制气-合成气竖炉直接还原、焦炉煤气-合成气竖炉直接还原、全氢基竖炉还原,开展前期工业试验或工业化初步应用。目前我国炼铁生产流程,烧结(含球团)+焦化+高炉工艺占主导地位。2020年我国生铁产量8.89亿t,而高炉生铁产量就达到8.88亿t,占总产量的99%以上;在炼铁工艺能源消耗上,煤、焦炭等碳素消耗占能源总量近90%。因此,如何降低炼铁工艺碳排放是整个钢铁行业实现碳达峰碳中和的重中之重。碳减排工作既要结合我国目前炼铁工艺的实际情况,又要结合绿氢CCUS国家课题实际进展分头并进。首先,目前我国高炉炼铁工艺占绝对统治地位,而且可以预见,到2035年左右,高炉炼铁工艺仍会占主要地位。即使到2060年,仍然会有部分高炉炼铁工艺长期存在,因此,首要的研究任务要放在高炉炼铁工艺碳减排方面。其次,着眼未来,除了进行国家层面的绿氢制备、碳捕集及碳封存外,还需加大氢冶金技术研究力度,争取2060年钢铁行业实现零碳或近零碳冶炼,为国家实现双碳目标做出贡献。

2传统高炉炼铁工艺碳减排技术发展路径

在传统高炉炼铁工艺碳减排方面应从两方面入手。一方面,在完全不改变现有炼铁工艺及装备的前提下,大力加强高风温、高顶压、富氧、高球团矿比等传统减碳措施,对于有条件的厂家,要大力进行天然气及焦炉煤气的喷吹,代替部分焦、煤,减少碳排放;另一方面,对现有炼铁工艺进行适当改造,积极开展高富氧及全氧冶炼、高富氢及全氢冶炼、高炉煤气自循环、钢化联产等新技术的研究及试验,实现传统炼铁工艺超低碳排放,力争2030年传统高炉炼铁工艺碳减排30%以上。

2.1大力采用高炉炼铁工艺的传统碳减排技术

1)高风温。高风温是现代高炉冶炼的热能基础,从某种意义上讲,是一种清洁低碳能源,现代高炉鼓风所带入的物理热一般占能量输入的18%?25%,是高炉冶金过程三传一反的热力学基础,也是冶金过程基元反应的重要热量来源,提高风温能有效降低碳素消耗和碳排放。一般风温每提高100℃,可降低燃料比约10kg/t。目前,我国高炉平均风温不到1150℃,若能达到1250℃左右,则全国高炉可节省焦或煤约888t(按高炉年产生铁8.88亿t计),减少碳排放2350t以上。受焦炉煤气量及转炉煤气量的限制,提高风温应主要着手空气及煤气的预热,加强新型高效换热器的研究,同时积极推广前置燃烧炉及前置预热炉技术,力争全国热风炉平均风温达到1250℃左右,有条件的大厂达到1280±20℃的水平。

2)高顶压。提高炉顶压力、压缩煤气体积、降低煤气流速、延长煤气停留时间、增加煤气浓度进而改善间接还原动力学条件,强化了高炉煤气间接还原过程,提高了高炉煤气利用率,从而降低燃料比,减少碳排放。根据经验数据,顶压每提高10kPa,可降低燃料比3~5%。近年来,我国高炉顶压虽有较大幅度提高,但平均水平仍在240~260kPa。今后,要进一步提高顶压,一些先进高炉的顶压应达到280~300kPa的水平。若全国高炉平均顶压提高20kPa,可降低燃料比6~10%,则全国高炉每年煤炭消耗可减少约3550t/a(按在燃料比500kg/t基础上降低8%计算),碳减排可达9500t/a

3)富氧。空气主要由氧气和氮气组成,采用高富氧或全氧冶炼,其目的就是减少炉内氮气含量,最大限度提高还原性气体的浓度,从而提高还原效率、提高煤气利用率,降低高炉燃料比,达到减少碳排放的目的。一般富氧率每增加1%,降低燃料比约1%。目前我国高炉富氧率平均水平在5%左右,极个别厂能达到8~10%,而荷兰阿姆斯特丹钢铁厂高炉富氧率超过17%,因此,现阶段我国高炉富氧率还有很大提升空间。如果我国高炉富氧率从现阶段的平均5%提高到15%,可降低燃料比保守估计50kg/t以上,全国高炉每年可节省煤炭约4400t,减少碳排放12675t以上。因而,提高富氧率是高炉碳减排的一项重要技术措施。

4)高炉富氢喷吹及铁前富氢。高炉富氢喷吹主要是指喷吹天然气、焦炉煤气或氢气。生产实践表明,通过风口向高炉喷吹天然气,有利于降低燃料比。俄罗斯和美国等天然气资源充沛的国家,从20世纪70年代起高炉就开始喷吹天然气,取得了提高产量、降低焦比和燃料比的效果。高炉喷吹天然气技术较为成熟,2019年美国印第安纳7号高炉(4800m3)天然气喷吹量为50kg/t,燃料比480kg/t。根据理论推算,高炉喷吹1m3(标态)天然气可替代1.25kg碳素。因此,高炉喷吹富氢燃料是降低碳排放的有效途径之一。若我国每吨铁喷吹天然气50kg/t,理论上吨铁可降低CO2排放55~60kg/t,预计每年可减少碳排放约5100t

铁前富氢主要包括富氢烧结、富氢球团、富氢石灰窑、富氢回转窑、富氢转底炉等。在这些工艺上,完全可以用天然气、焦炉煤气等富氢燃料或氢气部分代替焦、煤及高炉煤气,减少碳排放,而且由于燃料富氢,烧结、球团、回转窑、转底炉等含铁原料的预还原率及品质均会得到一定程度提高,从而减少后续工艺的碳排放。因此,必须加强铁前富氢的研究及应用。

5)高比例球团矿。我国高炉炉料一直以烧结矿为主,配加少量酸性球团矿或块矿。进入21世纪以后,我国不少企业大型链箅机、回转窑、大型带式焙烧机球团生产线相继建成投产,高炉球团矿人炉比例不断提高,为降低铁前工序的能耗、CO2和污染物排放发挥了重要作用。生产数据表明,生产球团矿时,吨矿CO2排放量仅为60~80kg/t;而采用碳素固体燃料为主生产烧结矿时,吨矿CO2排放量约为155kg/t。烧结工序CO2排放约为球团工序的2~2.5倍。因此,发展球团工艺、提高球团矿人炉比例,有利于降低铁前系统的CO2排放。目前,我国球团矿人炉比例整体仍然较低,全国平均水平在20%左右,而北美钢铁企业普遍在70%以上。我国受制于原料条件,难以达到北美水平,但仍然有很大提升空间。因此,必须大力发展球团生产工艺,提高球团矿产量,短期内比例力争达到30%以上,长期应达到50%以上。经计算,如果能将球团矿入炉比例由20%提高到30%,全国高炉铁前碳减排仅此一项将达到1100t以上。在球团生产工艺方面,由于带式焙烧机具有良好的原料适应性,特别适合我国原料条件,而且能耗低(比链箅机、回转窑低10%以上)。因此,今后的球团生产工艺应该大力发展带式焙烧机,同时,应加大氢基燃料的利用率,大力发展富氢球团生产技术,力争将球团生产的碳排放控制在60kg/t以内。

2.2大力发展高炉炼铁工艺的超低碳排放技术

1)高富氧及全氧冶炼。当富氧率大于15%时,可称之为髙富氧。采用高富氧或全氧冶炼时,煤气中札或CO浓度大幅提高,流速也会变慢,还原反应动力学条件极大改善,反应速度及效率得到提高,煤气利用率大幅升髙,从而大大降低碳排放。因此,高富氧及全氧冶炼是未来高炉超低碳冶炼技术的一个重要发展方向。然而,进一步提高富氧或采用全氧冶炼时存在不少困难,主要体现在以下两个方面:一是,采用从冷风管道或机前富氧时,为了安全起见,富氧率一般在15%以下,当采用超高富氧或全氧冶炼时,为了尽量减少鼓风量减少带来的热量损失,部分氧气势必要预热到高温状态,而氧气的预热、高温氧气输送及喷吹需要克服极大的安全难题。二是,采用高富氧或全氧冶炼时,由于鼓风量大幅减少,炉内煤气量随之大幅减少,煤气流速大大降低,煤气向上传递热量的能力急剧下降,从而带来高炉高温区下移,缩小了间接还原的有效空间,降低了高炉间接还原效率。因此,采用高富氧或全氧冶炼时,必须对氧气的预热、输送及喷吹工艺设备进行深人研究;同时,也应针对高富氧及全氧冶炼时传热状况变差、高温区下移进行重点研究。同时,在高富氧时,要积极考虑高炉煤气自循环技术,以克服高富氧所带来的一系列问题。

2)高富氢及全氢冶炼。随着今后我国在绿氢生产方面的突破,高富氢及全氢冶炼势必会成为高炉超低碳生产的一大趋势。高炉氢气喷吹有两种方式:在高炉软熔带下部直接喷吹天然气或焦炉煤气,由于它们富含甲焼和氢,喷吹以后在高温条件下经过裂解变成H2CO,提高了炉腹煤气中H2CO的浓度,从而提高了间接还原效率;在高炉风口直接喷人,代替喷煤,从而减少喷煤量,降低碳排放。因此,高炉高富氢及全氢冶炼是高炉炼铁工艺降低碳排放的有效途径之一。然而,高炉高富氢及全氢冶炼也存在大量有待解决的问题,主要包括:在高炉焦炭大幅减少的情况下,如何解决高炉透气性问题;如何确定札的利用率、代替直接还原的程度;由于H2分子小,喷吹H2时风口回旋区的变化规律如何;氢冶炼时会导致高炉局部上冷下热如何解决;炉腹喷吹H2位置如何确定;如何解决H2的加热、运输、喷吹的安全问题。必须对这些问题深入研究,为高富氢及全氢冶炼打下理论基础。

3)髙炉煤气自循环。现代先进髙炉炉顶煤气中,CO20~28%,H21~6%,CO218~23%,发热值为3000~3300kj/m3。传统工艺中,一般将高炉煤气作为气体燃料使用,主要用于热风炉、焦炉、CCPP、蒸汽发电机组的燃烧,因此煤气中的CO经过燃烧后,最终生成CO2排放。CO是很好的燃料和还原剂,但是作为燃料直接进人高炉,由于CO含量不高,热值较低,在风口前端燃烧温度较低,不能满足高炉生产要求。如果作为还原剂直接进人高炉,由于高炉煤气中含有还原反应自平衡含量的CO2CO不能起到很好的还原剂作用。因此,必须对高炉煤气进行提纯富化,富化有两种形式:

一是,当富氧率在15%以下时,高炉内原生煤气充沛、气流稳定,这种情况下,外部喷入的循环煤气体积不能太大,否则将改变高炉内部煤气流,打破煤气平衡,从而影响高炉生产。针对这种情况,可采取直接分离提取CO,在风口或软熔带直接喷入高炉,由于总的CO体积有限,对高炉煤气流分布影响较小。

二是,当高炉采用高富氧冶炼时,高炉内煤气量减少,高温区和软熔带下移,实际上将给高炉冶炼带来不利影响。在这种情况下,采用CO2捕集方式,保留高炉煤气中的其他组分,将富化后的高炉煤气直接从风口喷入,不仅可以降低燃料比,而且由于喷人循环气体体积较大,大大增加了炉内煤气流速,正好可以克服高富氧时煤气量减少所带来一系列不利影响,一举两得。

当然,若高炉煤气循环率较低,无论采用哪种富化方式均是可行的。另外,在高炉采用高富氧冶炼时,如果配合高富氢喷吹,高炉煤气完全可以不做任何处理,进行直接循环,这很可能是高富氧、高富氢冶炼时高炉煤气自循环最好的方式。

俄罗斯和日本曾将高炉煤气脱除CO2以后再经过风口或炉身喷口喷人高炉,实现了高炉煤气的部分循环再利用。这种煤气脱除CO2再循环工艺,在气基竖炉直接还原工艺(如HYLZRMIDREX等)已广泛应用,属于成熟可靠技术。CO捕集技术同样已经成熟,而且新的COCO2捕集技术正在深人研究,部分已取得实质性成果。因此,高炉煤气自循环目前在技术层面已不存在重大难题。

高炉煤气自循环对于碳减排具有重大意义。考虑到热风炉等已用掉的高炉煤气,若将其余的高炉煤气全部进行自循环利用,按每吨铁产高炉煤气1750m3/t(标态)、热值3150kj/m350%自循环考虑,每吨铁可节约94kg/t标准煤,全国高炉每年可节约1亿t标准煤,减少碳排放2.65亿t以上。因此,可以毫不夸张地说,对于传统高炉炼铁工艺来讲,煤气自循环技术是实现超低碳排放最重要的技术手段。

4)钢化联产。钢化联产是我国高炉炼铁工艺实现碳减排的一项辅助措施,钢铁厂与化工厂联建,将钢铁企业产生的COCO2输送至化工厂作为原料,生产甲醇、乙醇等化工产品,而化工厂的富氢副产品输送至钢铁厂用于氢冶金,从而达到碳减排的目的,实现双赢。目前,钢化联产的主要问题是联产品种较为单一,COCO2利用量有限,今后的主要研究方向是化工产品的品种研究,除了增加品种外,更重要的是遴选出具有广泛市场前景的大宗化工产品,以最大限度地利用COCO2,减少碳排放。

3氢冶金零碳炼铁和近零碳炼铁技术发展路径

以焦化、烧结(或球团)+高炉为代表的长流程生产工艺,由于受工艺本身的限制,无法彻底摆脱对碳素能源的依赖,无法实现零碳炼铁或近零碳炼铁。因此,必须大力发展以电炉为主的短流程绿色钢铁生产工艺。在我国,扩大电炉生产主要存在两大问题:我国废钢资源较少,目前的废钢供应量与实际需求量存在很大差距,还需炼铁提高大量铁素料;废钢成分难以控制,100%废钢电炉冶炼难以满足冶炼高品质钢种的需求,必须有一定比例的纯净铁素料进行调质。因此,炼铁作为钢铁行业重要一环将会长期存在。氢能作为清洁能源,是代替碳素能源的理想选择,因此,炼铁要想实现碳中和,必须大力发展氢冶金技术。业内普遍认为:氢基直接还原(或熔融还原)+电炉是钢铁行业实现碳中和的终极模式,是我国氢冶金的主要研究及发展方向。

3.1氢基竖炉技术

竖炉有两大类:气基竖炉和煤基竖炉。煤基竖炉由于仍然依赖碳素能源,不可能成为未来炼铁的发展方向。而气基竖炉,以气体作为热源及还原剂,符合氢冶金的特点,是未来氢冶金的主要发展方向。

气基竖炉种类很多,但真正成熟并大量投人工业性生产的只有两种,即MIDREX竖炉和HYL竖炉。MIDREX是日本神户制钢开发的直接还原工艺,美国MIDREX公司作为神户制钢的子公司在全球推广该技术。MIDREX工艺基本原理是气、固相逆流热交换和还原反应。铁矿石在MIDREX竖炉下降的过程中,被热还原气加热和还原。竖炉直接还原流程由竖炉、还原气重整炉(或氢气系统)、炉顶煤气及冷却气净化、烟气废热回收等部分组成(如图1所示)。MIDREX技术可生产冷直接还原铁(CDRI)、热直接还原铁(HDRI)及热压铁块(HBIDHYLZR竖炉是墨西哥希尔萨(HojALAtAYLAMIAHYLSA)公司于20世纪50年代初开发的直接还原工艺,其基本原理是天然气以水蒸气为氧化剂催化裂解生成高H2含量还原气,经脱水加热到850尤后,再经控制燃烧法将还原气体加热到1100~1200T。下降的铁矿与热还原气逆流接触,经过预热、预还原、终还原,最终得到还原铁(DRI)。最新的HYLIIIHYLZR的基础上,增加了转化炉(如图2所示),进一步扩大了还原介质的使用范围,提高了还原气体的稳定性。



最新的MIDREXHYLZR工艺区别主要在于:MIDREX煤气需进行重整,因此,设有专门的煤气重整装置,而HYLZR通过02补热,提高温度,实现了炉内煤气自重整,取消了重整装置,因而节省了投资;MIDREX煤气适应性广,而HYLZR主要适应高氢冶炼;另外,MIDREX系统压力较低(0.2~0.3MPa),而HYLZR系统压力较高(0.5~0.8MPa),因此,煤气利用率更高,能耗更低。当然,今后MIDREX也可以进行系统优化和重构,达到HYL相同的效果。

世界上不少厂家已经在MIDREXHYL上进行了高氢冶炼,并取得了不错的成绩。我国今后氢基竖炉应着重以MIDREXHYL工艺为参考,并针对今后高富氢冶炼的特点,对其进行消化、吸收、升级、迭代、重构,最终形成具有自主知识产权的创新技术。同时,针对高富氢及全氢冶炼时效率下降、能耗升高的现象进行深入研究,为我国今后大规模的氢基竖炉生产打下良好的理论基础。

3.2氢基流化床直接还原

流化床是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态,并进行气-固相或液-固相反应过程的反应器。利用流化床进行氢基直接还原具有很多优点:

1)相对于氢基竖炉,氢基流化床直接使用铁矿粉进行冶炼,省去了球团工艺,降低了碳排放。

2)竖炉用球团矿对铁矿粉成分要求较严格,而流化床对铁矿粉成分适应性较大,几乎所有铁矿粉均可使用,特别适合我国铁矿石的供应现状。

3)流化床内铁矿粉呈细颗粒状,反应效率高,还原气体循环次数低,能耗低。

4)氢基竖炉为了减少上冷下热,内冷外热的现象,一般还会加人一定比例的CO气体,避免还原效率过分降低。流化床由于床程较小,铁矿粉颗粒较细,基本不存在上冷下热、内冷外热的现象,因此,可实现全氢冶炼。

为了提高单次煤气循环的氢反应效率,流化床一般采用多级串联形式;为了克服氢反应吸热、温度降低的现象,在串联流化床级间一般还耑设置多级补温装置。氢基流化床相对于氢基竖炉,虽然装备比较复杂,控制及操作要求高,投资相对也较高,但由于优点突出,相信未来,必将和氢基竖炉形成两大主流工艺。目前,我国鞍钢集团正在鲅鱼圈钢铁基地进行氢基流化床的相关研究。

3.3氢基熔融还原

熔融还原工艺很多,但真正实现大规模工业化生产的只有COREXFIEX工艺,其他工艺均还存在一定问题。今后的氢基熔融还原应立足于COREXFIEX进行氢基化改造,或者基于COREXFIEX工艺原理,进行氢基熔融还原工艺研究,形成具有自主知识产权的新工艺。COREX是普瑞特(前身VAI)公司开发的一项用煤和球团矿(或块矿)生产铁水的非高炉炼铁工艺。与传统高炉炼铁不一样,在COREX工艺中,铁的还原及熔炼是在两个反应炉中进行的,即上部的还原竖炉与下部的熔融气化炉。原料铁矿,即天然块矿、球团矿、或两者混合物装人竖炉,非焦煤和少量焦丁装入气化炉,同时向气化炉中吹工业纯氧,纯氧与非焦煤发生反应产生还原气体,还原气体自下而上通过还原竖炉,原料铁矿与还原气体反应生成直接还原铁(DRI)。直接还原铁经螺旋给料机向下进人熔融气化炉,在熔融气化炉中,海绵铁最终被溶炼为生铁(如图3所示)。