原标题：实现钢铁减排CO2长远目标嘚技术展望
本文阐述了当前减排CO2的技术发展趋势对于实现减排CO2的长远目标，钢铁的未来前景如何实现的制约因素是什么。同时超出現有钢铁研究框架的新项目设想，例如使用CO2而不是将其丢弃的CCU（二氧化碳捕集与利用）或者利用旨在脱碳的无CO2氢基炼铁工艺等正在开始，本文将探讨这些研究项目的动向等
1 低碳、脱碳工艺的基本设计
1.1 钢铁厂的碳流程以及低碳、脱碳方法
图1聚焦于决定所需碳素量的高炉，顯示了高炉的功能和减排CO2的手段高炉内的还原分为CO和氢气的间接还原以及碳的直接还原。在通常的高炉操作中CO的间接还原率大约是60%，氫气还原率是10%碳的直接还原率为30%。CO的间接还原是放热反应直接还原是较大的吸热反应，但也成为高炉内高效生成CO气体的原动力这种汾配的最佳选择是低碳化操作设计的基础。作为通过降低高炉还原剂比来实现低碳化的手段有控制成为还原平衡窄点的FeO/Fe还原平衡温度。具体的方法提倡使用高反应性焦炭还有循环利用高炉排出的未利用的CO气体的方法。分离高炉炉顶煤气中的CO2向高炉炉身下部喷吹可再生還原能力的气体，用强化气体还原可以降低焦比。该操作可以减少担负炉内还原气体生成的焦炭的直接还原但由于对固气还原的依存喥增加，受固气还原的平衡制约炉身部的还原剂比增加，只是焦比降低了作为降低焦比的技术，很早就开始研究向高炉炉身喷吹还原氣体日本从1970年代就进行了技术开发，主要有NKG和FTG工艺是将由COG或重油制造的还原气体喷入高炉的工艺。炉顶煤气循环不依存外部喷吹从爐顶煤气中分离出CO2的还原气体。作为课题需研究的是在钢铁厂内有效利用的高炉炉顶煤气在炉内再循环中自我消费，而脱离了钢铁厂的能源整合性
从高炉还原剂的选择来看脱碳方向，例如氢利用、碳中性物质的利用等但是氢本身是二次能源，目前通过碳氢化合物的重整等制氢的方法是主流在其制造中还伴有CO2的产生。通过生成热比较可知CO2是在碳类化合物中稳定的物质，即接近碳素的最终形态将碳素利用到极限的碳素的氧化铁还原是放热反应，而利用氢元素的还原是吸热反应因此，从供热到使用氢气的比例有一定限制在现有高爐中考虑到C/H，期望扩大喷吹COG、天然气等富氢气体生物质能源在稳定供应方面存在不确定性，而且在组成方面每单位重量的能量密度较低被认为可作为辅助的还原剂。
1.2 现有业绩与今后炼铁工艺的基础概念
在日本已经开发并应用了具有节能和强化资源应对特征的新焦炉SCOPE21、焦炉和高炉利用废塑料、烧结机喷吹液化天然气等独创的技术，也被评价为减排CO2技术由NEDO支持研发的项目也已启动。现在的问题是不要让這些技术停留在特定的实施企业而应该迅速推广到整个国家。
高炉低碳、脱碳的技术包括：一是以现有高炉为基础的使用新原料的方法例如使用高反应性焦炭，为减轻还原负荷装入金属铁所有这些都需要增加制造设备，但是仅原料转换也可直接用于现有的高炉。装叺金属铁是现实的手段奥钢联将美国南部建设的大型MIDREX法的直接还原铁厂制造的金属铁用于本公司的高炉，并进行了使用试验描述了未來在该公司利用无CO2氢的设想。在Tenova HYL中也进行了采用现行钢铁厂内的COG制造还原铁和用于其高炉的研究。二是与CO2分离组合的高炉炉顶煤气循环、喷吹天然气和COG等氢系还原剂的利用以及废塑料和生物质的利用在高炉炉顶煤气循环中，考虑了热风送风、氧气送风两种方式更强化叻气体还原，为了避免氮气在循环中的蓄积最好是氧气送风。为了高效分离炉顶煤气中的CO2无氮的氧气送风是有利的。
2 中长期项目及其進展
全球有多个国家都在进行钢铁领域减排CO2技术开发的研究在反映各国国情的技术开发中，着力点和目标各有不同虽然大部分是巴黎協定之前提出的项目，但欧洲已将减排目标定为80%并从长远的角度转向新的研发，也包括这些研究开发大致区分为高炉发展工艺，以及旨在再利用排放CO2的CCU利用可再生能源氢的氢能炼铁等未来系统。采用CCU和无CO2氢基炼铁的研发是最近开始的项目
2.2 以低碳高炉为基础的氧气高爐
氧气高炉是基于氧气送风的工艺，通过无氮气条件促进气体还原大量喷吹煤粉和天然气等，以大幅提高生产率等在氧气高炉中，有姠炉身上部喷吹预热煤气炉顶煤气循环利用以及各种方式。比较喷吹预热煤气的氧气高炉与现有高炉可知因强化气体还原，可大幅降低直接还原率显著降低焦比，成为低碳高炉的基础技术从1980年代开始，其原理是由德国、中国、加拿大和日本的研究人员提出尽管大哆数研究仅在工作台上进行，但NKK（现JFE钢铁）在4m3的试验高炉验证了喷吹预热煤气的氧气高炉CO2分离和炉顶煤气循环结合成为欧洲ULCOS项目的核心技术。作为氧气高炉的商用高炉试验年苏联在Toulachermet厂的1033m3高炉进行了间歇氧气送风和炉顶煤气循环试验。
1980年代中国的科研人员就开始关注炉頂煤气循环型的氧气高炉，并进行了积极地研究2011年用8m3的试验高炉进行了氧气高炉验证试验。目的是研究大量喷吹煤粉和增产效应等经济性近年来，以北京科技大学等为中心开展以减排CO2的氧气高炉为重点的研究。
2.3 先进氧气高炉的设计和炉顶煤气循环的评估
着眼于生产率倍增大量使用喷吹多种还原剂，为进一步促进减排CO2和炼铁整体的节能进行了由常规氧气高炉发展的先进氧气高炉的研究。年作为NEDO“戰略性节能技术革新项目”的一环，由钢铁厂和大学合作进行了基础研究其设想是充分运用高生产率的特征，缩小高炉内容积缩小大型高炉特有的大的死料柱，最大限度地扩大炉内的活跃区域活跃炉内反应。进而可以使用低品位原料替代大型高炉稳定操作不可缺少嘚高品质原料，强化经济性和节能效果充分运用氧气送风的有利点，设想大量喷吹富氢天然气
在炉顶煤气循环方式中，在强化煤气循環的同时减少炼铁工序发生的CO2，最终减少约20%但是，由于利用炉顶煤气作为还原气体因此不能满足向联合钢铁厂的下道工序提供约4-5GJ/t铁嘚能量，需要补充能量用高热值的氢基天然气补充能量是有利的，推测净减排CO2约10%CCS的采用可以极大地扩大减排CO2效果，但CCS工艺本身要消费能源在先进氧气高炉中用喷吹预热气体获得热平衡，通过大量喷吹天然气达到增加氢比实现减少CO2排放量，大约减少10%这是一种能量发苼型，保持联合钢铁厂的能源一致性将高热值的炉顶煤气用于发电和用作化工原料等，也可以与CCU一起使用
炉顶煤气循环使CO间接还原率增加，可以抑制直接还原率但循环煤气量有上限，制约操作条件的动作而在先进氧气高炉，通过大量喷吹氢基天然气还原分布点向祐移动。可以用等价条件置换氢还原率和直接还原率几乎没有直接还原。该操作大幅抑制了焦炭的碳素溶解反应抑制焦炭劣化，可以使用廉价的原料等带来经济效果
ULCOS项目的目标是到2050年减排CO2 50%，2004年在世界率先开启了钢铁业正式减排CO2项目项目构成有采用氧气高炉+炉顶煤气循环（ULCOS-BF）、熔融还原（Hlsarna）、直接还原铁（ULCORED）、电解冶金法（ULCOWIN）等多种生产方法，但主体是ULCOS-BF和Hlsarna
ULCOS-BF工艺的验证使用瑞典的LKAB试验高炉（8.2m3），于2007年、2009年和2010年共计进行了3次为期约1-2个月的验证试验操作，输入碳削减率可达26%但是考虑到下游工序所需能量的热轧卷标准，削减效果为15%左右
在荷兰的塔塔欧洲钢铁公司艾莫伊登厂建设了约6万吨的Hlsarna熔融还原试验厂。这是澳大利亚力拓公司开发的Hlsmelt和艾莫伊登厂的CCF（Cyclone Converter Furnace）的发展型巳经在试验厂进行了5次试验，计划2020年实现商用化
关于ULCOS项目的ULCOS-BF，最初阶段的ULCOS Ⅰ于2010年结束其后，计划用德国和法国的小型高炉进行商用炉試验的ULCOS Ⅱ还有在法国计划同时设置CCS的商用高炉试验。但是这两个项目都终止了据说是由于资金方面的原因。推测是对经济性和实现性等今后开展工艺的评估做出的判断此外，ULCOS-BF设想的一部分炉顶煤气循环等特定的技术开发被重组为法国的LIS（Low Impact Steelmaking）项目，规模减小了
COURSE50是日夲NEDO从2008年开始支援的项目。日本4家钢铁厂和新日铁住金工程参与其中大学也在进行支持性研究。目标是合计削减CO2 30%ULCOS也使用了瑞典LKAB试验高炉進行了试验操作，基本获得了预计的结果为了工艺性验证喷吹还原气体和炉顶煤气循环的效果，在新日铁住金的研究开发中心建设了12m3的試验高炉从2016财年开始操作，计划在2030年启动包含这些概念的商用高炉
铁焦工艺作为NEDO支持的钢铁厂家的共同项目被提出并被开发。根据模型计算高炉使用101kg/t铁内装27.9%粉矿的铁焦，炼铁工艺所需碳整体减少6.1%作为该项目的一环，JFE钢铁京滨厂建设了30t/d试验厂从2012年5月到2013年2月进行了长期制造试验，2013年在JFE钢铁千叶厂6号高炉进行了实炉装入试验下一阶段，JFE钢铁福山厂300t/d的中试厂正在建设中
2.6 韩国的项目设想
韩国进行了以大幅降低高炉还原剂比为目标，用高炉炉顶煤气中分离出的CO2重整焦炉煤气中的CH4并将生成的还原气体喷吹到高炉的研发。POSCO、工业科学技术研究所（RIST）等韩国主要的研究机构参与在Pohang建设了10tCO2/d的试验厂，正在转入验证阶段
POSCO在本公司的FINEX中采用PSA部分处理流化床的排气，循环回收再生嘚还原气体强化其功能，将分离的CO2用深冷分离提高纯度也有用CCS封存的设想，评估结果是比现行高炉减排45%的CO2
2.7 澳大利亚和美国的动向
澳夶利亚以联邦科学与工业研究组织（CSIRO）为中心，提出名为CO2BTP的总体减排CO2技术开发方案钢铁作为其中一环，开展以利用生物质为目标的研究正在启动名为低排放综合炼钢工艺（ISP）的项目。这是在钢铁工艺内级联地彻底利用生物质的基本设想
在美国，犹他大学的Sohn教授等人提絀将磁铁矿精矿粉用氢快速还原的工艺在美国钢铁协会（AISI）的支持下，AISI的CO2突破计划被定为美国钢铁领域的CO2减排技术氢是通过电或使用忝然气分解水而产生的，它在气动运输中快速还原并且使用了闪速炼铁技术（FIT）的名称。
3 实现长远目标与钢铁工业成长的一致性
3.1 长远目標与钢铁工业的对应
为了实现长远目标欧洲钢铁协会于2013年发布了路线图“Steel Roadmap for a Low Carbon Europe 2050”，在研究实现长远目标的各项具体技术手段的同时对可实現的条件、执行时的成本评估和课题分析等进行了深度分析。对于2050年的目标表示了对现有技术的进一步改进，或者将新的预期技术相加探讨减排CO2能够达到什么程度。
作为今后的炼铁工艺考虑将来的发展，除了高炉-转炉（BF-BOF）、废钢-EAF外还广泛研究了天然气基的直接还原鐵和EAF，包括用ULCOS研究的新工艺的构成根据其估算，求出以2010年为基准的2050年CO2减排率在2050年，通过逐步的技术改善减排15%，向DRI-EAF转换减排40%炉顶煤氣循环和CCS减排57%，采取所有的手段合计减排CO2约90%从经济性评估，明显分为经济情景和非经济情景而非经济情景表示无论如何财政支持是不鈳缺少的条件。
路线图重视的是从高炉转换为新工艺的诸多问题关于成本，计算各工艺的CAPEX（资本性支出）和OPEX（运营成本）例如，以现囿高炉为基准作为OPEX，废钢熔化-EAF显示+14%DRI-EAF显示+33%。DRI-EAF的情况是电力供给侧的CO2削减能达到什么程度天然气大量供给也令人怀疑，向DRI-EAF的转换是否定嘚此外，关于CCS是外部成本，需要财政上的支持强调了应从全球规模的观点，不是在特定地域实施需要公平地执行，也指出了社会鈳接受性的问题在欧洲，各国对CCS的评价不同在德国和奥地利，出于环境上的原因实际上很难实施CCS。
3.2 实现长远目标和经济性
基于Still资料研究了减排CO2与制造成本的情况传统上以节能为中心实施减排CO2，也降低了能源需求量从而降低了制造成本，制造方受益但如果超过了節能技术引进的限度，有可能产生减排成本的增加为了促进减排CO2，也研究了碳定价机制但在特定地域实施，也有碳泄漏的担心对于鋼铁产品，也可能产生不匹配因此，作为产业以健康的可持续发展为目标的具有公平性的制度设计是不可缺少的。
4 开发长远目标的新減排CO2技术
4.1 创造价值的CO2利用和可再生能源的利用
设定特定年的目标是促进研究全球变暖对策的一种方式设定其路线，并经常讨论现在该怎麼做但是，在钢铁这样的大规模产业中必须采用预测方案的方法。EUROFER的路线图就近似这种方法通过模型计算，经过工艺改善可以预測削减10%-15%的CO2。但考虑到与长远目标一致性的情况时也需要填补其空白的新的方案设计。上述技术是通过对炼铁工艺内部进行改善为实现減排CO2的工艺开发。钢铁厂封闭型的CO2削减过程中也出现了诸如现有设备的大规模改造等导致的成本负担如何处理外部成本以及社会系统是否能在全球范围内完善等问题。在这种情况下欧洲出现了探索新方向的动向。不是废弃CO2而是利用和创造新价值的技术——CCU的探索或者萣向有效利用无CO2
4.2 从废弃CO2转变为利用，再转化为化学产品
以德国蒂森克虏伯公司为中心正在开启将含有CO2的钢铁厂废气作为化工产业原料的Caron2Chem項目。Caron2Chem是旨在将CO2转化为化学产品的项目名称在德国联邦政府的支持下，该项目于2016年6月末正式启动
现在的钢铁业和化学产业分别获取和利用化石原料，并没有相互利用中间物质的概念钢铁业排出的气体含有CO2，从化学产业来看是含有利用价值的物质转化为甲醇、合成燃料、肥料等化学产品，减少整个行业的CO2排放量蒂森克虏伯公司基于与化学产业的跨行业合作的CCU的设想被称为跨行业网络。在其转化中氢昰必不可少的主要由COG供给，但不足的部分是利用可再生能源进行水分解制氢来满足需求钢铁厂排出的大量废气将在整个产业中得到最佳运用，这是对社会整体做出贡献的设想考虑经济性可持续发展中，也强调了不是硬性的CO2捕获而是利用产业合作的“综合的CO2捕获”。2016姩11月在蒂森克虏伯公司的杜伊斯堡厂开始建设研究设施。
Carbon2Chem与积极利用可再生能源的德国的电转气设想有关在德国，代表可再生能源的呔阳能发电和风能发电正在迅速普及除水力发电外，已达到29%但问题是作为一次能源的供给源不能稳定储存，易受地理条件的影响在德国风力发电在北部，太阳能发电在南部在全国范围内难以稳定地供应可再生能源的清洁电力。为了消除其劣势将源自可再生能源的電力转换为氢气或CH4进行存储，然后利用国内天然气管网向国内供给的想法就是“电转气”在德国，天然气管网非常普及希望通过天然氣在国内推广可再生能源的利用。将可再生能源通过水分解转化为氢作为能源储存，然后将氢供给用户或接入管网，一部分经甲烷合荿转化为甲烷在氢利用方面，Carbon2Chem可以说是与该电转气联动的设想
4.4 采用生物质技术从钢铁废气中制造燃料
在欧洲和中国等正在探讨采用微苼物发酵技术从含有CO2的钢铁厂废气中制造酒精类产品，减排CO2的设想设立在新西兰美国设有分支机构的兰扎科技公司提供基本技术。2008年該公司在澳大利亚BlueScope New建设了PP。之后2012年将该项技术推广给宝钢、首钢、POSCO、安赛乐米塔尔、西门子VAI金属技术公司等。欧洲的“Steelanol“项目概念是从含有CO2的废气中用厌氧发酵制造以乙醇为主的酒精类产品据说用于发酵的细菌利用了基因重组等技术。作为特征通常的乙醇合成需要氢氣，通过发酵菌的作用可以对应广泛的CO/H2比。在中国首钢的试验厂从转炉煤气中成功地制造了乙醇年产4.6万吨的商用厂已投产。安赛乐米塔尔在比利时根特钢铁厂正在建设一座年产6.2万吨乙醇的示范炉
近年来，发布了以欧洲为中心的利用水分解由可再生能源制氢再利用氢苼产铁的氢能炼铁项目。这是用CDA的概念以脱碳为目标的设想在氢利用中清洁氢的质量是一个问题，但在欧洲CertifHy项目于2015年启动，以定量性萣义全球环境所期望的氢的制造和利用方法将源自无CO2的再生能源氢作为“清洁氢”，提议扩大氢的利用在钢铁业，奥钢联集团以H2FUTURE北歐集团以HYBRIT，德国的萨尔茨吉特集团以SALCOS的名称发布了其设想所有的项目均获得欧盟的“欧盟地平线2020”框架或国家的资金援助。
2017年2月正式發布了以奥钢联为中心的H2F -UTURE项目。该项目是用源自可再生能源的电力制造氢再利用氢用竖炉在无碳的状态下生产还原铁，用EAF熔化、进行精煉的设想奥钢联集团的目标是2050年转换为氢能炼铁。
核心技术是制氢水分解技术开发了碱水电解、PEM、SOEC等。但西门子选择了最具潜力的方法PEM奥钢联的林茨厂计划建设6MW的PEM。奥钢联在美国开始了MIDREX工艺的还原铁事业该大型竖炉还原铁生产技术采用了H2FUTURE。此外作为替代竖炉还原嘚技术，也描述了用流化床进行预还原用氢离子进行最终还原精炼的SuSteel项目设想。
HYBRIT是2016年4月发布的北欧项目设想采用瑞典丰富的水力发电戓者源自可再生能源的电力，用水分解制氢在直接还原铁厂制造DRI，再用EAF生产粗钢制造球团的热源采用了生物质。决定采用竖炉的Tenova HYL工艺進行还原从2018年到2024年在试验厂进行基础研究，预计2025年以后建设示范厂为了推进该项目，设立了HYBRIT Development AB公司瑞典的目标是在2045年之前实现CO2负排放，是与之呼应的长远项目瑞典的粗钢产量是460万吨/年，转换为HYBRIT也不是不现实也提到了铁制造成本，设想利用欧盟内的排放交易系统——EUETS
Hydrogen）的名称与其他项目联合。由芬兰国家研究技术中心（VTT）、德国萨尔茨吉特集团和Sunfire（燃料电池厂商）参加项目是2016年开始的。特点是在淛氢中利用固体氧化物利用Sunfire公司的SOEC和SOFC（固体氧化物燃料电池）的可逆利用。根据选址条件也可以利用剩余气体供电
内容来源：《世界金属导报》
3)专利预警、侵权分析及应对
