碳中和炼钢

碳中和炼钢

就全球化石和工业排放总量而言，钢铁生产行业是最大的单一行业，约占温室气体 (GHG) 排放量的 7% 至 9%。同时，钢铁是现代工业社会的主要材料成分。由于需要扩大和改善基础设施并以足以达到令人满意的水平的速度提高全球生活水平，钢铁的进一步消费将会发生。因此，面临的挑战在于寻找一种途径，使钢铁作为一种材料在社会上得到应用，同时避免其生产对环境的负面影响。

传统的钢铁生产过程与非常高的环境温室气体排放有关。目前钢铁厂的排放量约为每吨粗钢 1.8 吨 CO2（二氧化碳）（tCO2/tCS）。尽管在过去的几十年里一直在努力减少炼钢的温室气体排放，但如果钢铁行业要跟上巴黎协定所要求的全面减排的步伐，确实仍然需要重大的技术突破。该协议旨在将本世纪之交的全球气温上升幅度限制在比工业化前水平高出 2 摄氏度的范围内，并指出将努力实现一个更雄心勃勃的目标，即升温幅度仅为 1.5 摄氏度。

钢铁行业的二氧化碳排放量是最难减少的，因为在大多数钢铁厂的钢铁生产中，碳被用作化学计量还原剂。这些碳最终以 CO / CO2 混合物的形式出现在钢铁厂气体中，这些气体被燃烧以产生热量、电力和更多的 CO2。碳、捕获和储存 (CCS)、碳、捕获和利用 (CCU) 或避免二氧化碳存在于钢铁生产中的策略，但高度依赖于可再生电力的可用性来生产氢气（ H2)。

目前对未来钢铁需求的估计差异很大，预计年增长率在 1.4% 和 3.3% 之间波动。按照这样的增长速度，预计到 2025 年钢铁需求将高达 24 亿吨。这个不断发展的钢铁行业的部分脱碳只能通过提高效率和在传统炼钢路线中整合可再生电力来实现，而完全脱碳需要新的零碳和/或负排放技术。另一方面，尽管目前正在进行大量的研发（R&D）工作，但钢铁生产过程脱碳的尝试尚未达到大规模工业采用的水平。 CCS在炼钢背景下的可行性和适用性在目前情况下仍存疑。

在传统的高炉/碱性氧气炉（BF / BOF）路线中，碳（以焦炭和煤的形式）用于驱动吸热还原反应以及提供所需的高温。典型的 BF-BOF 工艺产生 1.6 tCO2/tCS 至 2.2 tCO2/tCS。与钢铁相关的排放存在相当大的区域差异，与经合组织（经济合作与发展组织）国家相比，一些钢铁生产国的二氧化碳排放足迹要高得多。 BF-BOF、DRI-EAF（直接还原铁-电弧炉）和废钢-EAF等不同炼钢路线之间也存在显着差异。通过技术改进，钢铁厂在过去 5 年中稳步降低了燃料消耗率，以至于现在可以认为 BF-BOF 路线已在很大程度上得到优化。就 CO2 排放而言，世界上最高效的高炉现在运行在比理论最小值高出约 5% 的范围内。

直到最近，从能源和气候研究的角度来看，重工业特别是钢铁工业向脱碳的转变一直没有受到太多关注。然而，由于工业排放几乎与发电排放相当，钢铁行业将大力推行深度脱碳减排措施。钢铁行业的深度脱碳战略主要遵循以下两条不同的路线。

• 改变现有流程，以消除对化石燃料的固有依赖。这条路线往往严重依赖电力的使用，直接或通过电解产生的氢气。
• 保留现有流程，并通过结合 CCS 和 CCU 应用解决排放问题，并转向使用可再生能源来获取流程能源。

应用于钢铁行业的这两条路线的分类具有以下几个特点以及与其实施相关的挑战和机遇，如下所述。图 1 给出了各种替代方案的 CO2 排放量预期减少情况。

图 1 二氧化碳排放量的预期减少

改变现有流程

随着低成本可再生电力的日益普及，不同形式的电气化越来越被视为钢铁行业脱碳的有吸引力的选择。为此已经提出了许多不同的技术解决方案。最有前途的技术是铁矿石的电解或“电取”。这需要使用电力作为还原剂，类似于从氧化铝 (Al2O3) 生产铝 (Al)。该工艺仍处于早期开发阶段，迄今为止仅在实验室规模进行了尝试，但它代表了一种高效炼钢选择，具有长期大幅减排的前景。

电解提炼是最古老的电解技术之一，用于通过电力从矿石中提取金属。该技术通常用于铅、铜和稀土元素等金属的电解提炼。有一些商业上可用的矿石专用电积铁技术，即 (i) Boucher 工艺，在 FeSO4-FeCl2 溶液中电精炼，(ii) Eustis 工艺，使用硫化铁矿石在 FeCl2 溶液中电积， (iii) Pyror 工艺，使用硫化铁矿石在 FeSO4 溶液中电致积。然而，更普遍适用的从铁矿石中电提炼铁的方法只是在实验室规模上建立起来。根据用于电解的电力组合的碳足迹，这条路线可能是无碳的。在全球一次能源供应以可再生能源为主的未来情景中，该技术具有显着的碳减排潜力。目前的欧洲 SIDERWIN 计划是 Horizo​​n 2020 框架下的一个项目，目标是二氧化碳排放量和能耗分别减少 87% 和 31%（与 BF-BOF 路线相比），旨在在试点规模上验证该技术，并在 2022 年展示技术就绪水平 (TRL)。

最近引起炼钢兴趣的另一种电解路线是铁矿石的熔融氧化物电解（也称为高温电解）。该工艺类似于通过 Hall-Heroult 工艺从 Al2O3 中还原 Al 的标准方法，其中将 Al2O3 溶解在 800 摄氏度的熔融冰晶石（氟化铝钠）浴中，然后在石墨阳极之间电解（上图） ）和熔融铝的阴极（下图）。与低温电解路线相比，在非常高的温度下运行类似的铁矿石还原工艺预计会降低能耗。已经证明了概念验证，但具有可接受效率的技术可行性仍然难以捉摸。挑战包括熔融电解质的腐蚀性、缺乏合适的阳极材料以及对高温电解过程的机械理解有限。虽然通过熔融氧化物电解法生产钢铁比经典的提取冶金具有潜在的经济和环境优势，但其可行性远未被令人信服地证明为直接的零碳替代方案。

一项研究比较了四种不同钢铁生产路线的能源需求和 CO2 排放，即 BF-BOF 参考案例、BF-BOF 碳捕集 (BF-CCS)、H2-DRI 和电积工艺。与参考 BF-BOF 案例相比，电解提炼途径的能量需求降低了 50%，其次是 H2-DRI 和 BF-CCS，能量需求分别降低了 28% 和 13%。重要的是，该分析还得出结论，通过 BF-CCS 路线不可能将二氧化碳排放量减少 50% 以上，而减少氢气和电积路线最终都可以导致钢铁行业完全脱碳。 H2-DRI 和电取法的市场进入预计分别要到 2035 年和 2040 年。

用于还原赤铁矿的 H2 化学计量消耗量为每吨铁 54 千克。一个 1 Mtpa（每年百万吨）的钢铁厂需要 H2 装置的 STP/小时产能高达 70,000 立方米。目前通过甲烷的蒸汽重整实现大规模的氢气生产。该选项可以保留，甚至可以针对 H2 炼铁进行优化，例如，将 H2 纯度设为 97% 至 98%，而不是通常的 99.9% 以上纯度。然而，由于基于化石资源，二氧化碳减排的总体表现仍然是平均水平，除非添加二氧化碳捕集装置，这代表了一种与目前所采用的策略不同的策略。另一个优选的选择是通过水电解生产 H2，前提是所需的电力是无化石的。工厂的大小可以通过增加电解池来实现。还发现了新的改进技术，例如质子交换膜和高压或高温电解。

在基于 H2 的还原中，铁矿石通过气固反应被还原，类似于 DRI 路线。唯一的区别因素是还原剂是纯 H2 而不是 CO（一氧化碳）气体、合成气或焦炭。 HYBRIT是“氢突破炼铁技术”的缩写，是瑞典三家公司SSAB、LKAB和Vattenfall的合资企业。它的目标是使用 H2 还原完全消除炼钢过程中的碳。 HYBRIT工艺属于更接近商业部署的技术概念类别。

HYBRIT 工艺基于使用氢气作为还原剂，氢气是通过基于可再生电力的电解产生的。从环境的角度来看，这样做最重要的优势是该过程的废气是水 (H2O) 而不是 CO2，从而减少了温室气体排放。与传统的直接还原铁炼钢一样，使用 H2 基直接还原铁路线生产的铁可以使用市售的 EAF 技术进一步加工成钢。如果电力和氢气是使用可再生能源生产的，例如光伏（光伏）/风能/水力电解、光化学制氢或太阳能热水分解，则制氢和电弧炉炼钢步骤可以实现无碳化.

HYBRIT 工艺用 H2 代替煤，用于铁的直接还原 (DR)，并与 EAF 相结合。该过程几乎完全不含化石，从而大大减少了温室气体排放。该工艺是使用 H2-DR/EAF 设置的多项举措之一，将使用 H2 直接还原铁矿石与 EAF 相结合，以进一步加工成钢。 H2-DR 工艺的产品是直接还原铁或海绵铁，将其送入电弧炉，与适量的废钢混合，然后进一步加工成钢。 H2-DR/EAF工艺典型流程图如图2所示。

图2氢气直接还原工艺典型流程图

尽管这种特定的工艺组合尚未在商业规模上实施，但其中一些单独的组件已经在全球钢铁行业广泛使用。以电弧炉为基础的钢约占全球年产量的 30%。 DR 工艺也被广泛采用，约占全球铁总产量的 7%，通常与 EAF 集成在一起。虽然纯 H2 已在商业上用作直接还原中的还原剂，但现有的 DRI 生产能力依赖于通过蒸汽重整得到还原剂的天然气，即 CO 和 H2 的混合物。近年来，开发了零重整（ZR）工艺，大大降低了天然气的消耗量。

由于天然气成本是该装置经济可行性的关键因素，大多数直接还原铁生产位于富含低成本天然气 (CH4) 的地区。尽管 H2-DR/EAF 设置的几个组件已经在工业环境中进行了测试和部署，但该过程仍然存在关键挑战。这些与工艺集成、产品质量、H2 基础设施（生产和储存）的扩大以及将 H2-DR/EAF 钢铁厂整合到基于可再生电力的能源系统中有关。主要挑战之一是如何将碳加入铁中以将其制成钢。

保留现有流程

CCS一直是温室气体排放控制研究的重要课题。 1990 年代，随着对该技术的更深入分析，人们的兴趣增加了。这个概念在 2000 年代初期更广泛地进入了气候政策讨论，作为一种潜在的技术，全球使用化石燃料可以继续使用，而不会对大气中的温室气体水平产生影响。随着 20 世纪中叶食品和化工行业的商业化，碳捕集技术本身已经相当成熟。在天然气储层中也成功地尝试了储存。在以减缓气候变化为目的的 CCS 研究的早期阶段，重点主要是在发电领域的应用，尤其是煤电生产。然而，尽管有很多试点工厂和试验项目，但商业 CCS 未能实现。这部分是由于成本超支，部分是由于公众反对地下二氧化碳储存，部分是由于可再生能源和天然气等其他污染较少的发电方式的成本下降。

尽管人们对 CCS 在电力部门的作用的期望有所下降，但是，通过使用所谓的阿​​拉姆循环从天然气发电中捕获碳的最新发展似乎很有希望。它仍然被认为是减少包括钢铁工业在内的重工业温室气体排放的关键选择，而无需对现有工艺进行重大改变。工业CCS在实施条件方面具有一定的显着特点。一个优点是，与电力生产相比，工业中的二氧化碳流往往非常纯净，这可以使分离和捕集阶段不那么复杂。此外，由于水泥行业等多个行业几乎没有基于可再生能源的替代品，因此预计公众的反对不会那么激烈。

然而，钢铁行业也有一些特点，使 CCS 应用变得困难。首先，与发电行业不同，钢铁行业是全球竞争的，这使得它更容易受到成本上涨的影响，将成本上涨转嫁给客户的问题也更大。 CCS 选项的另一个缺点是工业场地拥有许多不同浓度和体积的 CO2 源。大多数 CCS 评估只关注 CO2 的主要来源，而从工厂中捕获所有 CO2 可能要困难得多，需要进行重大改造。根据多项评估，在工业场所捕获和储存 50% 至 60% 的 CO2 排放量，每吨 CO2 的成本约为 70 美元至 80 美元。然而，为了捕获更高份额的排放，成本结构更加不确定。值得注意的是，对于捕获 90% 以上的排放物，没有可靠的成本估算。

“超低二氧化碳炼钢”（ULCOS）项目已经确定了一些可以支持在钢铁行业实施 CCS 的技术。其中之一，TGR-BF（炉顶煤气回收 - 高炉）工艺已在试点工厂成功测试，可减少 24% 的二氧化碳排放量。然而，实际的 CO2 捕获和储存并不是该试点设置的一部分。

简而言之，目前CCS在工业上似乎比在发电方面更有前景，但仍然存在固有问题。首先，由于排放源小且分散、安装空间不足等问题，CCS 潜在的温室气体减排量被限制在 50% 左右。其次，与储存相关的问题，如储存库的监督和长期完整性，仍未得到解决。第三，CCS 几乎没有共同利益，而共同利益的存在已被确定为加速过渡进程的关键促进因素。这是一个可能阻碍广泛吸收的因素。如果碳捕获与某种形式的二氧化碳利用 (CCU) 相结合，可能会有更大的机会，但仍有许多工艺开发工作要做。此外，即使将 CO2 用作原材料（例如以某种形式的特种化学品或燃料），它最终也会进入大气中。

生物质的作用

在钢铁加工的大部分历史中，生物质是一种关键资源。木炭既是使铁矿石脱离其氧成分所必需的还原剂，也是达到必要高温所需的能源。直到 1875 年左右，由煤炭生产的焦炭才开始流行，尽管重要的是要注意木炭一直被使用到 1900 年代中期。由快速生长的桉树生产的木炭仍被用作巴西小型钢厂的主要还原剂，但由于木炭的抗压强度低于焦炭，这在大型钢铁厂可能不可行。此外，所需的大量产品和保持质量的重大挑战使得从焦炭全面转向生物焦炭的可能性极小。

但生物质能在钢铁行业的脱碳中发挥重要作用，并且已经提出了几种不同的选择。在规模的增量方面，有可能将 5% 至 10% 的木炭与炼焦煤混合用于生产用于现有高炉的冶金焦炭。另一种选择是在生铁矿石的加工中使用生物质，或者作为工艺本身的燃料，或者生产复合生物碳铁矿石球团，然后将其用于 DR 工艺。还进行了旨在在 DR 过程中使用气化生物质的试验。这种方法是可行的，但需要进一步的试验和研究。 Höganäs AB 是一家瑞典公司，该公司使用基于煤的 DR 工艺生产铁粉，该公司已开始对使用木材气化生产生物焦（用作还原剂）和合成气的工艺进行实际试验，用于过程能源（也可能用于还原。

如果焦炉和副产品厂的焦炉煤气不再可用，生物甲烷也将成为二次冶金过程中加热的重要低碳选择。在综合钢铁厂中，来自焦炉和副产品厂的焦炉煤气用于二次冶金过程的加热。对于 H2-DR 概念，必须更换这种能量。从长远来看，电加热存在不同的选择，但生物甲烷可以直接替代目前使用的天然气和焦炉煤气，而对工艺的改变很小。

然而，生物质的系统性挑战往往是巨大的。与煤炭相比，生物质资源并不集中在一个特定的地方（如矿山），这导致采购成本很高，因为来自地理分散地区的生物质要收集、加工并运输到钢铁厂。其次，对木材不断增长的需求可能导致与现有用户（如林业）以及其他旨在利用生物质来实现减排目标的部门的竞争。这反过来又会导致价格上涨，除非重点转移到需求较少的森林残留物上。最后，为了确保温室气体减排，生物质来源于可持续管理的森林至关重要。

总之，生物质能在可再生能源和 CCS 路线中发挥重要作用。两者在铁矿石加工、二次冶金和热轧过程中都需要大量的热量。这可以很好地通过燃烧生物甲烷来提供。在 CCS 路线中，只要保持 BF 装料的机械稳定性，木炭至少可以部分替代焦炭。在 HYBRIT 概念中，预计生物质还可作为钢铁工艺的碳源，并可能用于下游金属加工工艺。