超低二氧化碳炼钢 – ULCOS

超低二氧化碳炼钢 - ULCOS  

气候变化已被世界各地的钢铁行业确定为两个半世纪以来的主要环境挑战。早在 2007 年政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 的调查结果之前，主要钢铁生产商就认识到需要长期的解决方案来解决钢铁生产过程中产生的二氧化碳 (CO2) 排放问题。

因此，钢铁行业在改善能源消耗和减少温室气体 (GHG) 排放方面一直非常积极。

与世界钢铁行业最相关的温室气体是二氧化碳 (CO2)。根据世界钢铁协会 (WSA) 的统计，每生产一吨钢材，平均会排放 1.8 吨二氧化碳气体。根据国际能源署 (IEA) 的数据，2010 年钢铁行业的二氧化碳排放量约占世界总排放量的 6.7%。

现在每生产一吨粗钢的二氧化碳排放量降低了约 50%，从而显着降低了钢铁行业对气候的影响。最好的钢铁厂现在的运行接近当前钢铁生产技术设定的热力学极限。这反过来又意味着钢铁生产商在进一步提高能源效率方面受到限制。由于已经实现了大部分主要节能，因此使用现有技术不可能进一步大幅减少二氧化碳排放量。

进一步减少温室气体（温室气体）排放意味着引入突破性技术。将二氧化碳排放量减少到后京都政策需要“跳出框框”思维的水平，因为它提出了具体的挑战。没有现成的简单流程可用于实现这一目标。必须想象钢铁生产方式的深刻范式转变，并设计和开发相应的突破性技术。政府和国际机构所呼吁的那种减少需要发明和实施激进的新生产技术。

这是创建 ULCOS（超低二氧化碳炼钢）计划的背景，该计划是根据京都议定书于 2004 年启动的欧洲合作研发计划。 ULCOS 寻求进一步大幅减少钢铁生产中的二氧化碳排放量的方法。该计划的主要目标是寻找突破性的工艺路线，这些路线在未来得到充分开发后，可以证明铁矿石生产钢铁的二氧化碳排放量大幅减少的潜力。与当今的生产技术相比，该计划旨在将二氧化碳排放量减少至少 50%。实现这样一个雄心勃勃的目标需要钢铁生产的范式转变，这将改变钢铁厂目前在世界各地的运营方式。 ULCOS 是全球钢铁行业计划的一部分，该计划旨在确定具有显着减少二氧化碳排放潜力的炼钢技术。根据该计划，人们正在尝试寻找以最可持续的方式制造钢铁的答案。

ULCOS 计划的成员由来自 15 个欧洲国家的 48 家欧洲公司和组织组成，包括所有主要的欧盟 (EU) 钢铁公司、能源和工程合作伙伴、研究机构和大学。它也得到了欧盟委员会的支持。 ULCOS 是一项欧洲计划，但它是全球钢铁行业最大的努力，正在积极寻求应对全球变暖威胁的解决方案。该联盟的专业知识范围从炼钢到生物质生产和二氧化碳地质储存，还包括工艺工程、能源经济学和气候变化的前瞻性研究。

今天，ULCOS 是全球钢铁行业最大的倡议，积极寻找应对全球变暖威胁的解决方案。 ULCOS 合作伙伴为 7500 万欧元预算中的 60% 提供资金。欧盟委员会通过其 RTD（研究和技术开发）框架计划和 RFCS（煤钢研究基金）计划贡献了剩余的 40%。两者的设立都是为了促进欧洲的工业研究和技术发展。

目前的钢铁生产技术基于主要以碳为基础的煤炭、由碳和氢混合而成的天然气以及基于废料的电弧炉。为了确定贫 CO2 工艺路线，三种主要的解决方案可能的途径是 (i) 远离煤炭，称为脱碳，即在氢还原或铁矿石电解等工艺中，碳将被氢或电取代，(ii ) 引入 CCS（碳捕获和储存）和矿物碳化技术，以及 (iii) 使用可持续生物质。

ULCOS 是一项精心设置的大型计划，旨在应对钢铁行业以及整个社会所面临的长期而复杂的挑战。 ULCOS 计划有四个步骤，即 (i) 工艺概念构建，(ii) 大规模示范，(iii) 第一个商业工厂的大规模试验。 (iv) 在欧洲和世界范围内部署该技术。 ULCOS 是一项研究计划，目前已转变为一项示范计划。

自 2004 年启动以来，ULCOS 计划已进行了大量研究。一项持续四到五年的初步可行性研究在其研究计划的初始阶段调查了 80 多种技术/概念路线，使用建模和实验室方法进行评估它们在二氧化碳排放、能源消耗、炼钢运营成本和可持续性方面的潜力。已经同时研究了几个概念。在所有这些中，已在 ULCOS 计划中选择了以下广泛的工艺路线系列，以进行进一步调查并最终扩大到商业实施可以接管的规模。

• 高炉 (BF) 的一种变体，其中 BF 的炉顶气体经过 CO2 捕集，剩余的还原性气体在反应器底部重新注入，此外，该反应器使用纯氧而不是热风运行 (空气）。这个过程被称为炉顶煤气回收高炉（TGR-BF）。富含 CO2 的气流被送入储存（CCS 技术）。
• 一种冶炼还原工艺，称为 HIsarna 工艺。该工艺基于热旋风分离器和熔池冶炼厂的组合，并结合了 HIsmelt 工艺的一些技术特征。该过程还使用纯氧并产生几乎可以储存的废气（CCS 技术）。
• 称为 ULCORED 的直接还原 (DR) 过程。该工艺在竖炉中从天然气或煤气化产生的气体中生产 DRI（直接还原铁）。来自竖井的废气在捕获 CO2 后被回收到工艺流程中，然后以浓缩流的形式离开 DR 工厂并进入储存（CCS 技术）。
• 两种电解工艺变体，称为 ULCOWIN 和 ULCOLYSIS。 ULCOWIN 在略高于 100 摄氏度的水碱性溶液中运行，该溶液中含有小颗粒矿石（电积工艺）。 ULCOLYSIS 在炼钢温度下使用由炉渣制成的熔盐电解质（高温电解）运行。
• 还有两个可用的选项。第一个是在没有任何碳足迹的情况下使用氢气进行直接还原。第二个是基于可持续生物质的使用，第一个实例是从热带国家种植的桉树可持续种植园生产的木炭。

还评估了在新的 ULCOS 技术中使用 CCS 和矿物碳化。 CCS 从一开始就被认为是一种强大的解决方案。关于矿物碳化，已确定它只能导致适度但重要的总体减排。

ULCOS计划下正在审查和开发的流程如图1所示

图 1 ULCOS 计划下正在审查和开发的流程

ULCOS 现在选择了四个经过实验测试的工艺概念，与当前的最佳实践相比，它们可以减少一半以上的二氧化碳排放量。这些概念现在正在实施ULCOS 项目第二阶段的工作钢厂。ULCOS 计划第二阶段的结果可能会在大约 15 到 20 年后推广到生产工厂。选定的工艺概念是 (i) 重新设计高炉将 CCS 纳入工艺核心，(ii) 具有 CCS 能力的熔炼还原，(iii) 大量使用天然气，采用比现在更多的贫 CO2 技术，(iv) 氢炼钢和铁矿石电解。

TGR-BF 在短期内似乎是最有希望的解决方案，因为现有的 BF 可以改装为新技术。这可以在一定程度上控制转换到突破性技术所需的大量资本支出。此外，由于二氧化碳的捕获和净化气体的再循环取代了高温化学平衡（布杜尔反应），并且在高炉内使用焦炭和煤的效率比传统操作更高，因此该工艺的原理还可以节省能源.这在一定程度上平衡了捕获和存储所产生的额外成本。在 TGR-BF 中应用的正确概念是过程中 CO2 捕集和氧气操作。氧气部分类似于氧气燃料操作，但不相同。回收部分是原创的，是获得一些节能和相应降低运营成本的关键原因。这一概念已在瑞典吕勒奥的一个大型实验室高炉上进行了测试，取得了积极成果。

在有天然气的地方，ULCORED 工艺路线是一个有吸引力的选择。应用于 ULCORED 工艺的概念与 TGR-BF 的概念相似，它还包括纯氧的使用和竖井炉顶气的过程中循环，以及其他特征，如一系列变换反应器。回收循环。为了验证这一概念，ULCOS 的合作伙伴 LKAB 计划在未来几年在吕勒奥建立一个 1 吨/小时的试点。

正在开发的 HIsarna 工艺将在未来几年成为一种可用的选择，可能用于新建钢厂。 HIsarna 工艺与 TGR-BF 和 ULCORED 工艺略有不同，因为它不涉及气体的循环循环。冶炼气体在旋风分离器水平被氧化，其中一些还原与燃烧一起进行以预热和熔化矿石。气体与铁流形成逆流，其中的化学能被完全耗尽。在 ULCOS 计划的过程中，已经建立并测试了一个 8 吨/小时的试验工厂。试点工厂于 2011 年 4 月启动。在第一个项目中，该工厂于 2011 年 4 月 18 日至 6 月 11 日运行。有四次启动。第一次启动并不成功。其他三个创业公司都成功了。达到的注入率为容量的 60%。该操作的可用数据表明该过程按预期运行，但需要更多的运行时间来确认这一点。营业小时数低于预期。第二次活动已于 2012 年 10 月 16 日开始，一直持续到 2012 年 11 月结束。

电解工艺是在 ULCOS 计划中从头开始开发的，因此仍以实验室规模运行。尽管他们承诺零排放，但如果他们能够获得绿色电力，则需要时间将其扩大到商业规模（10 到 20 年）。 ULCOWIN工艺包括铁矿石的碱性电解。电解通常用于生产钢铁以外的金属，并且需要大量电力。该过程将依赖于贫二氧化碳的电力来源，例如水电或核电。 ULCOLYSIS是熔融氧化物电解。熔融氧化物电解的工作原理是使电流通过加入氧化铁的熔渣。氧化铁分解成液态铁和氧气。不产生二氧化碳。使用低 CO2 电源可进一步减少过程排放。

在氢炼钢中，铁是在高温（高于 1,300 摄氏度）和非常短的反应时间下从铁矿石中还原的。不排放二氧化碳，但生产氢气需要大量的贫二氧化碳电力。这个过程也可以在天然气等低二氧化碳燃料上运行。

氢炼钢在很大程度上依赖于绿色氢的供应，而木炭的使用远离发展中国家，需要建立复杂的物流，包括跨越多个大陆的重型基础设施。

ULCOS 是钢铁行业的一项长期举措。它充满了希望，但也充满了风险和陷阱，这可能与其他行业正在经历的情况相似。风险与问题的复杂性有关，这需要在非常短的时间限制下开发和实施突破性技术。该计划要成为钢铁行业的一项成功举措并实现大部分目标目标，需要耐心、支持、诚意和持续的决心。