我国近零碳排放的电弧炉炼钢工艺技术研究及展望2023版.docx
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1、我国近零碳排放的电弧炉炼钢工艺技术研究及展望2023版目录摘要11 .序言22 .技术思路33 .全球首家!日本最大造船集团今治造船使用“零碳排放”钢材造船34 .国内外研究状况45 .能量供给碳近零46 .炼钢极限碳排放路径56. 1. BLUE 35减碳路径66. 1.1.铁前低碳生产66. 1. 2.低碳炼钢技术76. 2. GREEN 60 发展路径87.突破性低碳技术的思考97. 1.突破性炼钢技术97. 1. 1.埋弧炉-转炉流程新工艺97. 1.2.全连续超短流程电弧炉炼钢工艺97.2. CCUS技术在钢铁行业的应用97.3. 绿色钢化耦合、钢农联合技术方向IO8.冶炼过程碳近零
2、技术路径IO8. 1.前述108.2. 氢能烧嘴118. 3.无碳发泡剂121.4. 全废钢的洁净化冶炼技术139 .原料生产碳近零1410 .炼钢终极碳排放分析1511 .展望16摘要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
3、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、COz-Ar动态底吹脱氮、 熔池内02-Ca0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64kgt(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
4、展。关键词:近零碳排;电弧炉炼钢;绿电供能;非涉碳冶炼;低碳原料1 .序言力争2030年前实现碳达峰,努力争取2060年前实现碳中和,这是党中央经过深思熟虑作出 的重大战略决策,是我国对国际社会的庄严承诺。2022年我国粗钢产量10.18亿吨,占世界粗钢 产量的54%以上,我国钢铁行业CO?排放占全国能源相关CO?排放总量的15%左右。降低化石能源 消耗,减少CO2排放总量和排放强度,确保国家实现“双碳”目标,已成为钢铁行业的重要任务。钢铁流程主要包括以铁矿石为原料的高炉转炉长流程(BF-BOF流程)和以废钢为原料的电弧 炉短流程(EAF流程)两类。我国钢铁工业长流程粗钢产量占比约为90%,电
5、弧炉短流程粗钢产量 占比约为10%。受废钢资源量等因素影响,未来较长时期内,我国钢铁工业仍将以高炉转炉长流 程为主。我国钢铁工业正处于向过程低碳化和产品高性能化转型升级的关键阶段,加快转炉低碳技术创 新,对于促进钢铁工业高质量发展、实现钢铁工业节能降碳具有重大意义。同时,电弧炉短流程工 艺具有流程短、降碳潜力大等特点,发展电弧炉短流程是推动我国钢铁行业实现碳中和目标的重要 技术举措。本文基于当前我国炼钢碳排放现状,探究“双碳”背景下炼钢极限碳排放路径,助力钢铁 行业绿色低碳发展。中国政府于2020年提出了“碳达峰、碳中和“国家战略,力争2030年前实现碳达峰,2060年 前实现碳中和。作为中国
6、主要基础工业及碳排放大户,中国钢铁工业2021年碳排放近18亿3占 全国总排放约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。未来中国钢铁的需求量将依旧旺盛,钢铁行业在高速发展的同时也持续面临着巨大的碳减排压 力。电弧炉短流程炼钢的碳排放为传统长流程的1/3,发展短流程炼钢对钢铁行业碳减排意义重 大;但即使采用电弧炉短流程,全废钢吨钢坯碳排仍然为400500kg0钢铁行业如何在此基础上 进一步降低碳排,对钢铁工业实现碳中和至关重要。作者在本文中提出了“近零碳排放”电弧炉炼钢工艺,新工艺从冶炼过程碳近零、能量来源碳近零、原料生产碳近零等3个方面入手进行研究开 发,其目
7、标是最终炼钢工序碳近零,为钢铁工业趋近碳中和奠定技术基础。2 .技术思路“近零碳排放”电弧炉炼钢是指采用绿色清洁能源冶炼低碳或微碳原辅材料,通过“非涉碳”冶炼 技术生产钢坯,从而实现炼钢过程C02的近零排放。近零碳排放炼钢的技术组成示意如图1所示。 绿色清洁能源是指生产过程采用无C02排放的能源,包括太阳能、风能、核能、氢能及谷电(注:部 分谷电可不计碳排)等,这些能量来源上不再利用碳的氧化放热反应,可从源头上杜绝C02的产生及 排放。低碳或微碳原辅料是指在原辅料本身生产过程也不涉及或少涉及含碳反应,从而在原辅料来 源和原辅料碳含量上减少C02的排放。“非涉碳”冶炼技术是指炼钢生产中不涉及碳的
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