氢基还原低碳炼钢技术面临的严峻挑战.docx
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1、氢基还原低碳炼钢技术面临的严峻挑战目录1 .引言12 .氢冶金技术现状23 .氢冶金技术减碳潜力分析24 .一般性问题35 .球团矿供应面临的挑战原料质量46 .氢还原面临的挑战金属化程度47 .电弧炉炼钢面临的挑战熔炼和能耗58 .电弧炉炼钢面临的挑战精炼能力和产品牌号59 .下游面临的能源挑战煤炭衍生能源的缺乏610 .氢冶金发展面临的挑战611 .发展建议71.引言钢铁是能源消耗总量高、碳排放量大的行业,在严格的资源和环保碳排放政策约束下,面临着巨大的环保压力和降碳压力。为降低钢铁生产过程中的二氧化碳排放,钢铁企业积极开展氢冶金技术路径研究,希望通过“以氢代碳”,实现绿色低碳发展。截至目
2、前,钢铁行业针对氢冶金研究初步形成氢基竖炉直接还原炼铁技术、氢基流化床直接还原炼铁技术、高炉富氢冶炼技术和富氢熔融还原炼铁技术等四大技术路径。高炉-转炉(BF-BOF)长流程工艺由于严重依赖碳作为铁矿石还原和热能的来源,排放了大量二氧化碳,因此使用氢作为还原剂有望从根本上解决钢铁生产中的碳排放问题。在氢利用技术中,相对成熟的技术就是利用氢气生产直接还原铁(DRI),然后在电弧炉(EAF)中炼钢。氢基直接还原铁生产设施(M1DREX、ENERGIRON等)的商业运营经验,氢还原中试规模测试,以及在世界各地大规模实施的电弧炉项目,为该领域的发展提供了潜在的可持续性。随着制氢和电弧炉开始利用绿色能源
3、,无疑将有助于更大程度的碳减排。为了让氢基直接还原铁/电弧炉(使用零碳电力)工艺逐步取代传统的碳密集型长流程炼钢工艺,迫切需要采用脱碳技术,尽管这类可持续炼钢技术的前景球团原料供应问题!球团竖炉(H2)或者广阔,但也需要应对一系列的挑战(图1)。电弧炉炼钢问题产品质量问题精炼能力(品牌号)电弧炉下游工序产品-,铁粉矿流化床还原(Hw2)(与高炉-转炉炼钢对比)熔炼和能耗卡游工序能量问题-轨乏煤炭衍生能源氢还原问题-金属化程度(难以实现完全金属化,100%)一般性问题:产能、设备转型、基础设施(绿氢和电力)图1氢基直接还原铁/电弧炉炼钢工艺路线面临的挑战2 .氢冶金技术现状从国内外钢铁企业实践来
4、看,采用氢基竖炉直接还原炼铁技术的项目有瑞典HYBR1T项目、安赛乐米塔尔纯氢冶炼技术、德国蒂森克虏伯氢炼铁技术、日本COURSE50项目,以及我国的中晋太行直接还原铁项目、中国宝武湛江钢铁氢基竖炉项目和河钢氢冶金项目。采用氢基流化床直接还原炼铁技术的有鲁奇公司CirCOred流化床直接还原项目和我国的鞍钢氢冶金项目,采用高炉富氢冶炼技术的有德国蒂森克虏伯、迪林根一萨尔钢两家企业,以及我国的晋南钢铁和中国宝武宝钢股份,采用富氢熔融还原炼铁技术的有建龙集团CISP富氢熔融还原项目。从以上国内外企业的氢冶金项目所采用的技术路径进行分析,氢冶金主流技术路径为高炉富氢冶炼和氢基竖炉直接还原炼铁技术,并
5、且氢能来源基本以焦炉煤气为主。3 .氢冶金技术减碳潜力分析对行业内研究较多的氢基直接还原炼铁技术和高炉富氢冶炼技术减碳潜力进行分析。根据焦炉煤气制直接还原铁、全绿电绿氢制直接还原铁和常规高炉炼铁3种工艺流程,分别选择3种工艺流程最接近实际情况的能源资源消耗进行分析,测算碳排放,得到以下结果:“即全绿电绿氢制直接还原铁碳排放最低,比常规高炉炼铁碳排放低约78%,即每吨铁可减排1.235吨二氧化碳;其次为焦炉煤气制直接还原铁,比常规高炉炼铁碳排放低约44%,即每吨铁可减排0.696吨二氧化碳。对于高炉富氢冶炼技术,在无炉顶气循环利用条件下,高炉通过喷吹富氢还原气实现碳减排的潜力受到限制,一般认为高
6、炉富氢还原的碳减排幅度能够达到10%20%。中国宝武开发的富氢碳循环高炉技术,通过富氢、富氧以及炉顶煤气循环等措施,降碳目标为30%。4 .一般性问题在北欧地区,以HYBRIT项目为代表的、氢基直接还原铁/电弧炉技术的开发正在顺利进行,大多数项目都在Ioo万吨规模以上,因此,预计在未来可以很容易将相关技术实现商业化。不过,在亚洲和经合组织国家,钢铁生产大多采用长流程炼钢工艺路线,而且集中了全球大部分产能,不仅设施规模巨大,设施转型的难度相对复杂,而且可能会导致产量和工业竞争力下降。此外,需要确保大规模的商业氢气供应,必须通过经济和去碳化的途径提供制氢和电弧炉运行所需的能源。对于HYBR1T项目
7、而言,如果使其取代长流程工艺路线进行炼钢,吨钢二氧化碳排放量将降至25kg的水平,与此同时,也涉及吨钢约3488kWh的电力消耗。如果采用当前发电的二氧化碳排放系数0.5kgkWh,则相当于1769kgt粗钢的二氧化碳排放量(二氧化碳排放系数可能取决于发电来源和发电量的差异)。因此,如果未来不能保证电力的脱碳,与传统钢铁生产工艺相比,二氧化碳革命性减排的潜力就变得不确定了。由于氢能和电能的脱碳以及这种能源的工业规模供应不仅限于钢铁行业,还必须在其他方面同时做出努力,主要包括社会基础设施建设、相关产业之间的联动和政策制定最后,可以推测在直接还原铁/电弧炉路线之外引入一条潜在的工艺路线的可能性。在
8、最近的一项研究中,有学者提出了DRIOSBF(开式渣浴炉)转炉工艺路线。OSBF是一种类似于SAF(矿热炉)的熔炼炉,在这种熔炼炉中,可以在后续熔炼过程中使用额外的碳还原剂对未还原的矿石进行额外还原。因此,未还原的直接还原铁中的氧化铁可以进一步还原。不过,OSBF的利用通常仅限于小规模的有色金属生产,在大规模的黑色金属生产上还需进行大量验证。5 .球团矿供应面临的挑战一一原料质量在直接还原铁生产中,竖炉的还原是通过固体和气体之间的逆反应进行的,而堆放在竖炉内的铁矿石向下移动,还原气体向上运动。由于铁矿石的透气性和流动性很重要,故而主要使用球团矿原料。不同于普通高炉球团,直接还原球团生产所用的原
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