钢铁工业可持续发展最新研究
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本文综述了一些近期钢铁工业碳减排的技术创新，包括：1）减少高炉生产，用废钢或直接还原铁进行电弧炉炼钢；2）绿色电力产生的氢气在直接还原铁生产中的应用；3）湿法冶金基电解铁矿石；4）熔融氧化物电解；5）欧洲开发的超低二氧化碳炼钢（ULCOS）项目（高炉炉顶煤气回收利用，HISarna）；6）利用煤气生产化工产品；7）炉渣在水泥工业中的应用。
1 前言
国际能源署为实现《巴黎协定》目标提出可持续发展方案（SDS），为了实现此方案，国际能源署提出，钢铁工业必须在2017年至2030年间每年将粗钢的二氧化碳排放强度降低1.9%。粗钢的二氧化碳排放强度自2009年以来一直呈下降趋势（2017年同比下降1.8%）。但是要降低钢铁产品的单位二氧化碳排放量，还需要钢铁工业更加努力，不断进行技术创新。
最近，减少钢铁工业环境足迹有几项最新发展，许多此类项目、技术或创新都属于以下类别：1）铁矿石的氢还原。2）绿色电力的使用。3）生物质的利用。4）末端治理技术。本文论述了当前钢铁生产工艺路线及其二氧化碳排放问题，还回顾了现有和正在发展的低排放技术（LETs），这些技术可以从根本上改变钢铁工业。
1.1主要钢铁工艺路线
钢铁生产有三条主要工艺路线：1）综合路线采用高炉、碱性氧气转炉和炼焦炉（BF-BOF法占70%）。2）直接还原铁（DRI）生产，用于电弧炉炼钢（DRI-EAF法占5%）。3）用废钢进行电弧炉炼钢（废钢-EAF法占24%）。
1.2钢铁生产工艺地区差异
现代BF-BOF炼钢工艺的前身已经存在了数百年，然而，电弧炉炼钢始于20世纪初，20世纪60年代由于有大量的废钢可用，电弧炉炼钢才得以推广应用。早期电弧炉的局限性是缺乏电力（特别是廉价电力）和废钢供应，只能生产低等级的钢产品。在过去的50年里，电弧炉不断改进，使得近80%的钢铁产品可以由电弧炉生产。拥有廉价电力和废钢或可用于DRI生产的天然气的国家通常会用电弧炉生产大量钢铁。2018年，美国有68%的粗钢由电弧炉工艺生产，而中国只有12%，在中国，废钢充足供应和廉价电力仍然是限制性因素。
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2 减排策略
2.1工艺路线选择：传统综合炼钢、电弧炉炼钢、直接还原铁
根据日本的电力排放系数，电弧炉炼钢工艺的排放量，特别是使用废钢作原料时，明显低于传统的BF-BOF工艺。为了实现更环保的炼钢，全球钢铁行业向电弧炉工艺过渡可以显著减少二氧化碳排放。如果BF-BOF路线生产占60%，电弧炉路线生产占40%（使用100%的NG-DRI原料），二氧化碳排放量可减少约20%，达到1.62tCO2/tHRC。
低碳电力和充足的废钢供应，是电弧炉炼钢代替传统BF-BOF炼钢的必要条件。此外，只有在电弧炉生产中添加DRI/HBI，电弧炉才有可能成为适合生产所有钢种的工艺方法。天然气的可用性和成本是制约DRI/HBI生产的一个主要因素。
在中国这个全球最大的钢铁生产国，电弧炉炼钢目前受到限制，原因是电力以及低成本的DRI和废钢供应有限。用电弧炉替代一些转炉可能成为全球钢铁行业发展的趋势。
2.2高炉改进
由于目前BF-BOF路线占钢铁生产的70%，降低钢铁碳排放强度的短期策略是对现有高炉路线进行增量修改和改进，从而减少吨钢二氧化碳排放量。对BF-BOF路线的改进包括利用电能的技术，如热风过热、炉顶煤气再循环、炉子或炼焦工艺改进、向高炉内喷吹天然气以部分抵消焦炭需求，以及使用生物质等替代燃料。
在高炉采用电气技术可以减少二氧化碳排放，前提是电力来自可再生电力或绿色国家电网。等离子炬，其可靠性和可维护性自从它们在1980年代被引入高炉以来已经有了显著的改进，使用电能来产生高温、高速等离子体流。
干熄焦是对现有炼焦技术的改进，采用惰性气体对红热焦炭进行热回收。回收的热量在锅炉中产生蒸汽，用于发电等其他用途。干熄焦水分含量低，节省了高炉焦炭的用量。
许多高炉改进项目的重点是使用生物炭替代冶金煤/焦炭。与其他石化碳源类似，生物炭向大气释放二氧化碳，而释放的二氧化碳被认为是与生物质生长期间吸收的二氧化碳平衡，因此生物炭被认为是温室气体（GHG）中性。
在高炉中使用生物质作为碳替代品的一个主要问题是，生物炭活性很高，导致焦炭质量显著降低。
2.3氢基炼钢项目
减少钢铁二氧化碳排放的一个长期解决方案是推广用氢替代碳作为铁还原剂的技术。在反应过程中使用氢，生成了水，避免了二氧化碳的产生。
氢还原有两种方式：1）向高炉喷氢，可减少所需的煤/焦炭数量。2）在电弧炉炼钢中，氢气可以作为NG-DRI的替代品生产H2-DRI。
2.4熔融还原技术
熔融还原是一种替代的煤基炼铁工艺，它依赖于煤在铁水中的气化。熔融还原工艺包括两个区域：预还原区和熔融还原区。煤进入熔融还原区，在那里煤被气化产生热量和富含一氧化碳的热煤气。热量在熔融还原区熔化铁，热煤气则被输送到预还原区。然后，热煤气在铁氧化物进入熔融还原区进行最终还原之前，对铁氧化物进行预还原。熔融还原技术省去了炼焦工艺，并倾向于避免铁矿石结块工艺，显著减少了二氧化碳排放。大多数熔融还原工艺都有一个缺点就是需要大量的氧气，成本较高。目前只有不到1%的钢铁是通过熔融还原工艺生产的。
HISARNA和FINEX是两种最常见的熔融还原技术。HISARNA是ULCOS项目的一部分，目标是将炼钢过程中的二氧化碳排放量减少50%。自2007年以来，塔塔钢铁、力拓集团和ULCOS项目组一直在开发HISARNA技术，该技术可以直接用铁矿石和煤炭生产铁，无需进行任何预处理。与传统炼铁路线相比，二氧化碳排放量减少了20%，在HISARNA炉中使用生物质或废钢可进一步减少二氧化碳排放量50%。
3 碳直接避免选项
目前有两个试验阶段的项目正在研究全新的工艺路线，有潜力彻底改变钢铁工业，使钢铁工业脱碳：熔融氧化物电解（MOE）和铁矿石电解项目。这两项都是绿色电气技术。
3.1熔融氧化物电解
B公司正在开发一种用铁矿石无碳生产钢的工艺。这一工艺处于小规模试点开发水平。MOE工艺以铁矿石为原料，通过惰性阳极和更稳定的熔融氧化物电解质层选择性地还原铁。定期从电解槽中取出纯铁，添加合金，然后按照典型的下游炼钢设备对钢进行加工和铸造。为保持目标化学性质和碱度，铁矿石中的脉石成分与熔剂结合形成熔融氧化物层。
3.2铁矿石电解项目
Siderwin工艺是由安赛乐米塔尔负责的欧洲钢铁工业一项新项目，利用电解槽生产金属铁。当铁矿石被引入电解槽，电流流过电极时，铁被吸引到阴极，氧被吸引到阳极。该项目由欧盟地平线2020计划资助，目前处于试点阶段，一个3m的工业电池正在建设中，用于测试作为进料物质的各种铁源，包括废铁。
生产金属铁涉及三个主要工艺步骤：
1）赤铁矿与可溶性亚铁发生化学反应形成磁铁矿：Fe2O3 + HFeO2–→Fe3O4 + OH–
2）磁铁矿与铁的电耦合：Fe3O4 + Fe + 4OH–→HFeO2 –
3）阴极极化下铁的电结晶：3HFeO2– + 3H2O + 6e– →3Fe+ 9OH–
4 废气回收利用
碳捕集、封存和利用也可以在向低排放钢铁生产迈进的过程中发挥作用。碳捕集、封存和利用技术从废气中捕集二氧化碳，并将其重新用作生产各种化学产品的原料，避免使用煤炭或天然气原料。从钢铁废气中捕集的二氧化碳可用于提高油井石油的采收率，也可以转化为更高价值的产品，如生物乙醇、生物甲醇或聚合物。二氧化碳还可以储存在水泥中，或用作藻类生长的饲料，然而，要完全消除目前钢铁工业的二氧化碳排放量，需要大量的水泥或藻类，这会增大这些技术的难度。
生物乙醇通常是从玉米或甘蔗等生物质中的糖的酵母发酵中产生的。它被用作汽油的替代品。生物乙醇引人注目是因为它从可再生资源中获得，与化石燃料相比，毒性更低，产生的二氧化碳排放量略少。
甲醇可由高炉煤气或焦炉煤气生产，通过避免使用化石燃料，减少二氧化碳排放。用于甲醇合成的合成气可以是氢气、二氧化碳和一氧化碳的混合物；然而，诸如N2等化合物必须从气体中除去，才能用于甲醇生产。
5 结论
钢铁行业正在投入大量资金用于研发减少其碳足迹的技术。短期解决方案如，逐步改进高炉，或过渡到电弧炉炼钢，可以帮助减少钢铁生产的单位产品碳排放量。然而，如果要大幅减少二氧化碳排放量，就必须改进新的替代工艺，如使用氢气作为还原剂或绿色熔融还原技术，以使钢铁工业脱碳（图2）。此外，政府支持绿色能源和逐步淘汰化石燃料行业的举措，对于推进这些突破性技术，使其成为现有工艺路线的可持续和成本效益高的替代品至关重要。
文章完整内容请锁定《世界金属导报》21期B14版。