中国钢铁生产“碳中和”解决方案探讨

根据某工程各工序碳素流计算出全流程吨热轧钢材的直接CO₂排放量为1.786 t。以此为基数,就高炉-转炉长流程工艺的几种主要减碳技术的减碳效果进行了定量评估,发现减碳效果有限,只能作为从“碳达峰”到“碳中和”的过渡方案或最终解决方案的补充。从“碳中和”要求的角度看,以全废钢或气基还原铁+废钢为原料的电炉炼钢短流程无疑是最佳解决方案。结合中国资源条件就几种典型短流程组合方案进行了适应性分析,提出了以“氢基竖炉直接还原铁+电炉炼钢方案”为主、以“高炉-转炉长流程工艺减碳技术+碳捕集与封存(CCS)方案”和“全废钢电炉炼钢方案”为补充的“碳中和”解决方案,最后给出了安全低成本获取氢基竖炉直接还原铁所需的“绿氢”方案建议。     

氢冶金技术的发展溯源与应用前景

围绕“以氢代碳”对钢铁工业中实现碳减排工艺进行了梳理和溯源。实现碳减排的途径需要发展以氢气作为还原剂的氢冶金工艺。目前世界主要钢铁产区发展了从高炉喷吹燃料工艺到高炉富氢冶炼工艺、从非焦冶炼工艺到全氢直接还原工艺等两大氢冶金技术路线。从各国远景规划来看,发展氢基直接还原工艺及电炉炼钢短流程是氢冶金技术的重要方向。同时在低成本绿氢技术突破前,使用焦炉煤气等灰氢是中国从“碳代替”到“氢冶金”的重要过渡。     

氢气气基竖炉-电炉短流程环境影响分析

氢冶金是中国钢铁行业实现低碳绿色化转型升级的有效途径之一,基于煤制氢技术的气基竖炉-电炉短流程是一种典型的氢冶金工艺,具有广阔的发展前景。采用生命周期评价法(LCA)对煤制氢-气基竖炉-电炉短流程环境影响进行了分析,并对比研究了短流程与传统高炉-转炉(BF-BOF)长流程的环境性能。结果表明,煤制氢-气基竖炉-电炉短流程LCA结果为2.56×10-11,其中GWP₁₀₀(全球变暖潜值)和POCP(光化学臭氧合成潜值)分别贡献54.16%和36.76%;煤气脱碳和电炉电能消耗是造成碳排放和能源消耗的主要原因;短流程整体评价结果仅为BF-BOF流程的27.41%,吨钢CO₂排放和能耗可分别减少53.75%和47.45%,环境性能明显优于传统长流程。     

基于LCA的煤制气-气基竖炉-电炉短流程和高炉-转炉流程环境影响分析

摘要：随着中国煤制气技术的日趋成熟及废钢产生量和累积量增多,基于煤制气的气基竖炉-电炉短流程是钢铁工业低碳绿色发展的重要方向。基于GaBi73软件分别对煤制气-气基竖炉-电炉短流程和高炉-转炉（BF-BOF）长流程进行生命周期评价（LCA）,对比了短流程及长流程的环境性能优劣。结果表明,煤制气-气基竖炉-电炉短流程和BF-BOF流程LCA结果分别为1.83×10-11和9.31×10-11,短流程LCA结果仅为长流程工艺的20%左右。相比BF-BOF流程,短流程吨钢能耗、CO2排放可分别减少60.64%和55.65%,SO2、NOx以及粉尘排放量分别减少74.0%、22.7%和15.9%。综合可知,煤制气-气基竖炉-电炉短流程环境影响远小于传统长流程。     

基于LCA的煤制气-气基竖炉-电炉短流程和高炉-转炉流程环境影响分析

随着中国煤制气技术的日趋成熟及废钢产生量和累积量增多,基于煤制气的气基竖炉-电炉短流程是钢铁工业低碳绿色发展的重要方向。基于GaBi7.3软件分别对煤制气-气基竖炉-电炉短流程和高炉-转炉(BF-BOF)长流程进行生命周期评价(LCA),对比了短流程及长流程的环境性能优劣。结果表明,煤制气-气基竖炉-电炉短流程和BF-BOF流程LCA结果分别为1.83×10~(-11)和9.31×10~(-11),短流程LCA结果仅为长流程工艺的20%左右。相比BF-BOF流程,短流程吨钢能耗、CO_2排放可分别减少60.64%和55.65%,SO_2、NO_x以及粉尘排放量分别减少74.0%、22.7%和15.9%。综合可知,煤制气-气基竖炉-电炉短流程环境影响远小于传统长流程。     

电炉炼钢钢铁原料的现状分析与展望

 电炉炼钢作为短流程的核心工艺,具有铁元素循环利用率高、能源消耗低及环境效益良好的特点,推动电炉炼钢健康发展符合中国实现“碳达峰”、“碳中和”目标对钢铁绿色发展的要求。电炉炼钢入炉的钢铁原料种类较转炉多且结构灵活,并且对电炉冶炼的工艺过程控制有直接的影响。为创造充分挖掘和发挥电炉炼钢优势的良好起始条件,针对目前电炉炼钢的主要入炉钢铁原料的情况和特点,从其生产储备、工艺过程操作、能源消耗、环境保护等方面入手,分析了废钢、铁水和直接还原铁作为主要原料的使用现状及优缺点,并着重对比分析了直接还原球团特点和技术指标,为探究和优化合理的电炉炼钢入炉钢铁原料结构提供了理论依据。从资源消耗、环境保护等方面考虑,废钢和直接还原球团将成为今后短流程炼钢的主要原料。结合钢铁循环利用技术和产业专业化的逐渐成熟,以及更加绿色环保的氢冶金技术的发展,废钢综合回收利用技术、高品位洁净球团生产技术、氢气竖炉直接还原技术将会是未来电炉入炉钢铁原料生产技术的发展方向,配套新型高效智能电弧炉冶炼技术将会是未来短流程炼钢的发展方向。     

我国氢冶金发展现状及未来趋势

高炉富氢冶炼和富氢气基竖炉是我国氢冶金发展的两大主要方向。高炉富氢冶炼以喷吹焦炉煤气最为典型,与未喷吹焦炉煤气相比,喷吹50 m~3/t HM焦炉煤气,炉料还原速度加快,焦比降低14.43%,碳排放减少8.61%。年产1万t DRI煤制气-气基竖炉直接还原中试基地正在建设,该流程吨钢总能耗为263.67 kgce,吨钢CO_2排放量为829.89 kg,优于传统高炉-转炉流程。综合考虑目前制氢和储氢装备与技术尚待完善、氢气还原吸热降低炉温、氢气比重低、制氢成本高等,我国原燃料条件下更适宜发展富氢气基竖炉,大规模产业化经济制氢与储氢将推动全氢竖炉的进一步发展。     

“双碳”背景下低碳排炼钢流程选择及关键技术

“碳达峰”、“碳中和”是一个总体的宏观概念,为中国未来经济与环境发展提供了笼统的理论框架与基本理念。基于“双碳”目标的深度解析,中国钢铁行业处于“碳锁定”状态,只有同时进行技术和制度变革才能实现“碳解锁”。结合当前钢铁工业生产结构、冶炼原材料供应、冶炼能源、节能减排水平以及CO₂排放现状,给出了合理的碳达峰时间及峰值。未来二三十年中国钢铁生产主要流程依然是长流程和短流程并存,氢冶金技术还难以进行工业生产,提升全废钢短流程炼钢的比例是降低碳排放的主要措施。从长远来看,长流程中炼铁工艺由碳还原逐渐向氢还原是大势所趋,炼铁工序的产品将由原来的高碳铁水转变为低碳铁水或直接还原铁（DRI）,具有较高脱碳的转炉炼钢就没有明显优势,发展电弧炉炼钢流程是必然选择。但实现“碳中和”还要依靠氢冶金,碳捕集、利用与封存技术的发展和应用,以及制度的变革。基于近年在全废钢电弧炉相关方面的理论研究、装备开发与实践的深入研究,针对全废钢电弧炉冶炼工艺存在的问题,开发了一系列关键技术,实现在全废钢条件下满足当前连铸生产工艺节奏以及钢液质量的控制,为全废钢电弧炉的发展提供理论支持。      

中国现代电弧炉炼钢废钢快速熔化技术进展

在钢铁行业结构转型关键时期,提高电弧炉短流程工艺比例是降低钢铁行业温室气体排放、脱碳化的有效措施。为了推动短流程炼钢工艺发展,近年来电弧炼钢在废钢快速熔化方面取得明显进展。在回顾前人对废钢熔化速率研究的基础上,全面概述了废钢熔化机理以及影响因素,并结合近年来国内电弧炉炼钢在装备、工艺以及技术上就废钢快速熔化方面取得的进展,探讨了制约电弧炉废钢快速熔化的限制性环节,为废钢快速熔化在电弧炉炼钢装备、工艺、技术方面未来发展提供可行方向。     

氢冶金工艺技术发展现状及应用

钢铁行业为中国重要的经济支撑行业,也是主要的碳排放行业。氢能在冶金领域的应用是一种环保、高效的钢铁生产技术,是实现低碳发展的重要途经之一。在全面介绍富氢高炉、氢基直接还原、氢基熔融还原工艺的基础上,分析各种工艺在冶金工业的应用情况,并且系统探讨了各工艺的探索及实践。综合各种工艺的优缺点,分析了中国低碳背景下氢冶金的发展趋势。目前中国钢铁行业的生产还是以长流程为主,要实现2035年减排30%的目标,富氢高炉工艺可作为现阶段工艺技术改进的首选方向。但是富氢高炉工艺实现碳减排的能力比较有限,碳减排幅度为10%～20%,无法满足未来碳中和的目标。相比于富氢高炉工艺,氢基直接还原铁工艺的碳减排可达到50%以上,因此,氢基直接还原工艺可作为未来发展的主要路线。氢基熔融还原也有较好的碳减排效果,且生产出的高纯铸造生铁可用于高端铸件领域,但是目前对其研究不够充分,还处于基础研究阶段,与大规模的工业化生产还有较大的差距。氢冶金作为钢铁行业低碳绿色发展的重要途径,中国起步较晚且还面临基础研究薄弱、短期成本高等问题,随着绿氢产业的发展,绿色氢冶金将是未来钢铁行业绿色发展的重要方向。     

中国低碳炼铁技术的发展路径与关键技术问题

“碳达峰”和“碳中和”是中国钢铁工业未来发展的总体规划,降低碳排放是钢铁企业需要共同攻克的技术难题。从源头减碳、过程节碳和末端用碳3个层面分析了中国低碳炼铁技术的发展路径,提出了实现“碳中和”需要解决的关键技术问题。分析表明废钢电炉短流程炼钢将是中国钢铁行业实现“碳中和”的主要途径,氢气竖炉直接还原将是中国钢铁行业实现“碳中和”的重要补充。高炉喷吹富氢气体、氧气高炉和全氧熔融还原炼铁等技术可以减少碳排放,但碳排放的减少量有限,必须要与末端CO₂吸附、储存和利用相结合,才能够实现“碳中和”。为了按期实现钢铁工业的“碳中和”,需要解决的关键技术问题有低成本氢气制备技术、煤气高温加热技术、炉顶煤气CO₂低成本脱除技术和CO₂的储存与利用技术。     

电炉炼钢原料及直接还原铁生产技术

中国电炉炼钢的铁源原料由废钢铁料、生铁块、热铁水、直接还原铁等组成。直接还原铁(DRI/HBI)是电炉冶炼纯净钢最佳的残留元素的稀释剂。直接还原是钢铁工业技术发展的重要方向,气基竖炉和煤基回转窑是成熟的直接还原工业化生产技术。中国直接还铁的生产仍处于起步时期,2008年产量约60万t,占世界总产量不足1.0%。直接还原铁在中国有广阔的发展前景,以国内铁矿资源为原料的氧化球团-煤制气-竖炉是中国发展直接还原铁的主要方向。     

用甲醇生产直接还原铁的可行性探讨

钢铁工业的调整离不开电炉炼钢的发展,而直接还原铁又是电炉炼钢发展的关键,气基竖炉生产直接还原铁在中国是短板,缺乏煤制气-竖炉技术和天然气资源。提出了一项新的还原工艺"一种利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备及工艺",阐述了甲醇在新工艺中所体现的优点,并从使用国内煤制甲醇和进口甲醇两方面分析了甲醇作为还原剂的可行性。分析认为,从未来的发展趋势看,用甲醇生产直接还原铁的新工艺具有环保、节能、流程短等明显优势,不需要煤制气-竖炉复杂的衔接工艺,解决了还原剂的来源问题,是值得推广和发展的新思路。     

近零碳排电弧炉炼钢工艺技术研究及展望

 中国钢铁工业碳排放占全国总排放比例达16%,减少钢铁工业碳排放是中国政府实现“碳达峰、碳中和”承诺的重要抓手。在碳中和背景下,全球钢铁行业正加速推动技术革新以降低碳排放。提出近零碳排电弧炉炼钢新工艺,从能量来源碳近零、冶炼过程碳近零、原料生产碳近零3个层面开展技术创新,以实现炼钢工序碳近零。在能量来源碳近零方面,提出利用太阳能、风能及谷电等能源昼夜交替补充,能量有效存储及释放、微型智能电网及电弧炉优化供电,实现绿色能源的直接高效利用;在冶炼过程碳近零方面,提出利用氢能烧嘴、无碳发泡剂、CO₂-Ar动态底吹脱氮、熔池内O₂-CaO喷吹脱磷及系统能效评价等关键技术实现非涉碳冶炼;在原料生产碳近零方面,提出利用绿氢直接还原炼铁及相关配套技术、绿电等离子热风窑炉配合碳捕集工艺等大幅降低原辅料生产过程碳排放。对电弧炉炼钢过程能量输入、冶炼涉碳及原料带碳的吨钢坯二氧化碳排放进行了衡算,并结合上述关键技术减碳能力分析,计算预测该近零碳排电弧炉炼钢新工艺最终极限碳排放可降低到64 kg/t(钢)。因此,开展近零碳排电弧炉炼钢工艺研究,加速其工业落地应用,将有助于促进中国钢铁工业创新发展和绿色低碳发展。     

高炉煤气循环耦合富氢对中国炼铁低碳发展的意义

中国钢铁工业规模巨大，主要由高炉 转炉长流程生产，其能源结构中90%为煤炭，是国家兑现2030年降低碳排放强度承诺的主战场之一。基于当前低碳炼铁技术的研发进展、中国面临的碳减排任务、中国钢铁工业的生产模式、中国钢铁工业碳排放现状等基本事实，提出了以高炉为主体、以炉顶煤气循环耦合富氢还原为技术特征的钢铁工业低碳发展的可行路径，分析了该工艺研发所面临的关键问题，以期引起钢铁行业的重视，为中国钢铁工业进一步深度降低碳排放提供参考。