高炉炼铁和二氧化碳排放

高炉炼铁和二氧化碳排放

众所周知，大气中的二氧化碳（CO2）是通过温室效应影响全球变暖的主要成分。自 1896 年以来，大气中 CO2 的浓度增加了 25%。钢铁行业是能源密集型行业，也是二氧化碳的重要排放者。因此，气候变化被钢铁行业确定为一项重大的环境挑战。早在 2007 年政府间气候变化专门委员会的调查结果之前，主要钢铁生产商就认识到需要长期解决方案来解决钢铁行业的二氧化碳排放问题。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。

在当前气候变化的环境下，钢铁行业一直在努力降低能源成本、减少排放并确保最大限度地回收利用废能。在传统的钢铁生产工艺中，CO2的排放是不可避免的，尤其是高炉（BF）工艺，它需要碳（C）作为燃料和还原剂将氧化铁转化为金属态，因此是综合钢铁厂产生二氧化碳的主要过程。事实上，气候政策是高炉炼铁技术进一步发展的重要推动力。

至关重要的是，高炉运营面临的挑战之一是脱碳。钢铁行业已经采取了重要措施来提高高炉操作的热效率，但最终在脱碳方面存在硬性限制，这与碳作为化学还原剂的需求有关。自 1950 年代以来，为了提高高炉炼铁技术的效率，已经进行了大量的研发（研究和开发）工作。这些研发工作包括 (i) 提高焦炭和烧结矿的质量，(ii) 富氧 (O2)，(iii) 注入其他还原剂，如煤粉和天然气，(iv) 负荷分布，以及 (v) 测量技术等上。在 1950 年代，还原剂用量约为每吨铁水 1000 公斤 (kg/tHM)，从那时起，由于研发工作和研发工作成果的实施，它已降低了 2 倍。

如今，传统高炉的还原剂消耗量约为 500 kg/tHM，仅比传统高炉操作下可能的最低热力学值高 5%。 BF 工艺现在是一种高度发达的工艺，其操作接近效率的热力学极限。没有明显的重大改进可以从根本上减少其 C 需求或显着提高其热效率，但是，由于 BF 是主要的排放源，因此必须努力减轻该行业对环境的影响。重点关注高炉炼铁工艺。

需要突破性的炼铁技术来进一步显着减少碳消耗或二氧化碳排放。已经提出了几种技术来进一步减少化石 C 的使用并减少 BF 过程本身中的 CO2 排放。这些包括 (i) 从高炉炉顶气中回收 CO，(ii) 使用生物质，(iii) 用 H2 作为还原剂替代 CO，(iv) 使用 C 贫直接还原铁 (DRI)，热型铁 (HBI) 或低还原铁 (LRI)，(v) 碳复合材料的使用，(vi) 贫碳电能的使用，以及 (vii) 二氧化碳捕获和储存 (CCS) 等。需要的方法是提出渐进式改进，提供减少排放的步骤或从当前过程中存在的潜力中产生更多。

不可避免的是，在考虑此类技术时，需要考虑围绕经济和总体二氧化碳排放量的一些交叉主题。例如，使用 CO2 和工艺气体作为化学原料可能需要额外购买再加热炉的燃料，这可能会影响综合工程成本、钢材质量和 CO2 总排放量。任何需要进一步考虑的解决方案都需要有可能实现这些各个方面的多组件优化。

因此，未来高炉运营面临的主要挑战是（i）显着减少资本和运营支出，以在整个经济周期中产生可持续的资本支出回报，以及（ii）将有效二氧化碳排放量降低到甚至低于由化学热力学确定的水平。传统的焦炭工艺。为了应对这些挑战，必须确定一些技术机会。这些在下面描述。

顶级气体回收和碳捕获技术

输入 C 的减少受限于 BF 中气体的还原平衡。输入 C 的减少可以通过降低直接还原率（吸热反应）来实现，方法是通过脱碳和炉顶气体的再循环通过注入炉中来加强 BF 内部的气体还原。典型的炉顶煤气回收（TGR）工艺流程如图1所示。

图1典型的炉顶煤气回收工艺流程

BF 路线脱碳的任何解决方案都需要一些 C 捕获元素。为了实现大幅度的 CO2 减排（大于 50%），CCS 技术的应用是必要的，尽管业界普遍认为减排超过 80% 是不可能的。碳捕集的一个令人鼓舞的变化是高炉炼铁过程中的炉顶煤气回收。从顶部离开高炉的气体中回收CO和H2，是最有前景的可显着减少CO2排放的技术。

TGR 技术主要基于通过在去除炉顶气中的 CO2 后重新使用还原剂（CO 和 H2）来降低化石 C（焦炭）的使用量。这导致较低的能量需求。 TGR-BF 的主要技术是 (i) 从炉顶煤气中洗涤 CO2 并在 BF 竖井和炉膛风口中注入平衡以减少炉顶煤气成分 CO 和 H2，(ii) 由于焦炭含量较低，化石碳输入量较低(iii) 在炉膛风口处使用纯 O2 代替热风，即从工艺中去除氮气 (N2)，以及 (iv) 从炉顶煤气中回收纯 CO2 用于地下储存。

大多数 C 捕获方案通常与存储相关，但也可以考虑利用率。 C 捕获和利用之间的这种联系突出了当前感兴趣的一个重要研究领域，即围绕过程集成。与收集、运输和储存等方面相比，通过改造现有的高炉和 C 捕获系统来实现过程集成的领域很少得到考虑。

可以预期，对于大多数运营高炉的场地，C 捕集将与已经运营了数十年的高炉一起投入使用。与气体质量、压力、操作协议以及高炉和碳利用工厂的相对优化等方面相关的过程干扰可能很大。需要在不影响现有资产的运营效率或产品质量的情况下实现改造和后续运营。

在这个过程集成领域，将部署先进的过程模拟和建模技术，以优化集成的 BF 和 C 捕获系统的组合。在这方面，需要将热流体建模与工艺动力学和通过工艺经济建模相结合，以了解关键的炼铁工艺参数。有了这样的关注点，就可以实现将C捕获应用到现有的BF操作中。

氢还原

BF 工艺面临的重要环境挑战是使用 C 作为化学还原剂。这有一个严格的热力学极限，低于这个极限，如果没有显着的工艺变化，就不可能进一步减少 C。一种这样的工艺变化是从 C 部分转换为氢气 (H2) 作为还原剂。具有高 H2 含量的还原剂的例子是废塑料 (CnHm) 或天然气（主要成分为 CH4）。 H2 已经用于生产 DRI 的直接还原过程，因此对机理和化学热力学有基本的了解，但是围绕 H2 还原和 C 之间的平衡程度，还有进一步工艺研究和创新的机会还原可以在炉内转移。

使用废塑料 (WP) 来促进 BF 中的 H2 减少是通过在 BF 中注入 WP 来完成的。 WP 以与煤粉 (PC) 类似的方式通过风口以固体形式注入。通常它是通过将 WP 和煤共同注入到高炉中来完成的。 WP 的燃烧能量通常至少与正常喷射的 PC 一样高，并且其较高的 H2 与 C 比意味着在 BF 内由燃烧和铁矿石还原过程产生的 CO2 较少。此外，由于 H2 是比 C 更有利的还原剂，因此能耗更低。WP 的注入增加了炉渣气 H2 浓度。由于 H2 还原的化学反应速率高于 CO，因此 Boudouard 反应的程度随着波什气体 H2 的增加而降低。由于氧化铁的还原，高炉上部存在CO2和H2O。

为了促进高炉中的氢气还原，另一种方法正在日本通过 COURSE50 项目进行研究，该项目于 2008 年开始工作。该项目是通过进一步开发向高炉注入还原性气体的技术来减少二氧化碳排放量的尝试通过重整焦炉煤气与 H2 放大相结合。本项目提出的H2还原技术包括（i）焦炉煤气重整增加H2，（ii）H2矿石还原技术，以及（iii）H2还原高炉炼焦技术。在这个项目中，还原气体被注入高炉竖井。从两种气体的动量平衡发现，竖井注气的渗透面积与注气量成正比，H2促进了铁矿石的还原。但由于H2还原是吸热反应，需要特别注意炉顶温度的维持。

替代碳轴承材料

替代的 C 轴承材料是 C 复合团块 (CCA) 或 C 铁复合材料 (CIC)。这些是含碳材料和氧化铁混合物的团块，是一种含有金属铁的成型焦炭。含碳材料可以是焦粉、煤、木炭、富碳厂矿粉、生物质、废塑料等，而氧化铁可以是低品位铁矿石、富铁厂矿粉等。与冶金焦相比，由于铁颗粒的催化作用，材料与 CO2 气体的反应性非常高。通常C复合材料与CO2气体的反应温度比冶金焦低150℃左右。

C复合材料促进了矿石还原反应，因为（i）这些材料的反应性较高，以及（ii）这些材料的溶失反应从较低温度开始。利用这种团聚体不仅有助于减少二氧化碳排放，而且有助于焦炭和节能。这种附聚物中铁和碳之间的紧密距离显着改善了反应动力学。使用这种附聚物时可以看到的其他好处是 (i) 使用富含铁和/或 C 的厂内细粉的可能性，(ii) 由于气化反应和氧化铁 (方铁矿) 减少，以及 (iii) 减少对二氧化碳和能源密集型矿石制备过程的依赖。

生产C复合材料的方法包括将廉价的含铁材料和非焦化或轻度焦化煤粉碎、混合和压块，然后在竖炉中加热和碳化。这些材料的强度是高炉进料的一个重要特性，通过压块的致密化效果和较高的竖炉温度控制精度，即使是低质量的原材料，也可以达到与冶金焦同等水平的强度。 .

C轴承材料也可以通过几种方式引入BF工艺。在烧结过程中，生物质或可湿性粉可以部分替代焦粉。厂内细粉可用作碳源和铁源。在炼焦过程中，已尝试将生物质以及可湿性粉添加到炼焦煤混合物中。替代的含碳材料可以从顶部与料块一起加入高炉，也可以通过风口将富含碳的厂内细粉或生物质注入高炉。

高炉煤气炉内的烟气回收

一种被称为“烟气回收”（FGR）的新技术正在为热风炉开发。该技术涉及炉子的转换，从空气燃料燃烧到氧气燃料燃烧，增加了烟气中的二氧化碳百分比。产生的火焰温度将通过废气再循环到炉燃烧器来缓和。图 2 显示了传统空气燃料炉操作和采用烟气循环的增强氧燃料操作的示意图比较。

图 2 传统空气燃料炉操作与采用烟气循环的增强型全氧燃料操作的示意图比较

炉子的 FGR 操作可以基于燃烧产物的恒定质量或恒定体积流量。恒定的质量流量确保对流传热相对于传统的空气燃料操作没有变化，并且热烟气的再循环降低了炉灶的燃烧能量需求。当烟气被回收时，由于燃烧产物的密度增加，因此出现了恒定体积流量选项。在这种模式下，热量回收可以与提高燃烧器放气率相结合，从而转化为更高的热风温度和降低高炉中焦炭消耗的潜力。

考虑到 C 捕获的潜力，与传统的炉灶加热做法相比，烟气中的 CO2 含量基本上翻了一番。就质量而言，每吨铁水 (HM) 烟气中的 CO2 含量为 0.8 吨，超过当前特定排放水平的三分之一。由于运行空气分离设备所消耗的电力，产生促进这一点所需的 O2 会略微降低 C 捕集效益。这使净减排潜力降低了约 6%。

炉子中的烟气回收消除了燃烧过程中空气和焦炉煤气的使用。因此，硫氧化物和一氧化二氮的产生显着减少。正在开发的这项新技术的具体目标包括 (i) 确认改性烟气中的 CO2 含量为 40% 至 50%，(ii) 验证余热回收和提高炉灶的热效率，以及 (iii)确认新的运行条件可以保持或提高输送到高炉的热风温度，从而避免对高炉运行产生负面影响。