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

8、使用而完成冶 金任务，包括熔池脱磷、钢液脱气、泡沫渣形成、辅助能源等，生产成分温度合格的钢坯，实现炼 钢生产的“碳近零”，炼钢工序的碳排放将减少80%以上，总碳排小于64 kg/t。图1近零碳排放炼钢的技术组成示意*氢氧烧嘴无碳发泡剂非碳气源WW W W W W W 3 .全球首家！日本最大造船集团今治造船使用“零碳排放”钢材造船近20230318,日本最大造船集团今治造船宣布，决定将神户制钢公司推出的低二氧化碳(Iow-CO2 Ste叫高炉钢材料用于该船厂正处于建造阶段的一艘18万载重吨干散货船。新船预计将于2024年1月交付，意味着今治造船将成为世界上第一家在大型造船项目中使用 低二氧化碳

9、钢(IOW-C。2 SteeI)的造船厂。该项目采用的钢材种类为“Kobenable Premier”，相较于传统钢铁产品，该材料能够降低造船过 程中的二氧化碳排放，通过质量平衡法，每吨产品可降低100%的二氧化碳排放量。据了解，神户制钢公司于2022年推出了“Kobenable Premier”并已实现商业化。该材料是日本 国内首个低碳高炉钢材产品，采用与传统高炉方法相同的制造工艺，但使用了一种可显著减少高炉 二氧化碳排放的技术。该技术在神户制钢公司加古川工厂生产基地通过向高炉装料的方式证明，使 用MIDREX工艺生产热压块铁(HBI),可以减少20%至U 40%的二氧化碳排放。质量平衡方法

10、用于生产涉及原材料混合物的钢铁产品，以达到降低二氧化碳排放的目的。对于 炼铁工艺，神户制钢表示，通过使用HBl替代部分铁矿石，可以减少焦炭的使用量，从而减少二氧 化碳的排放。今治造船表示，使用低二氧化碳(lowC2 Steel)高炉钢材料属于研发造船技术的一部分，这不 仅有助于建造环保船舶，还可以降低生产过程中的功耗以及减少制造阶段的原材料用量。4 .国内外研究状况国内外许多学者对清洁能源应用于钢铁生产工艺进行了研究。文献认为直接使用风光互补技术 可以获得1 600 C以上的熔炼高温，能进行各种金属的冶炼。文献报导了利用太阳能对成品钢材进 行表面和改性处理，改善钢的耐蚀性能、硬度以及其他物理化

11、学性质。太阳能也可直接发电用于电 炉炼钢、铝和镁的电解、铜和铅的电解精炼。文献报道了微波和等离子作为清洁能源在冶金过程中 的应用。作者对绿色能源的来源进行了多年探索，研究了直接利用太阳能光伏发电、直接提供炼钢 所需能量的蓄能供电及输送等问题，并设计制作了公称容量为Ikg的光伏炼钢概念炉，共生产约 25 kg合格钢水，实现了太阳能直接炼钢。5 .能量供给碳近零能量供给碳近零，指利用太阳能、风能、核能、氢能等不产生CO2排放的外来能源，将其转化 为电能，如果将这部分绿色电能高效利用到炼钢过程中，即可从能量来源上达到碳近零的目标。中国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，中国陆地表面每年接受的

12、太阳辐射能约 为50l018kJ,全国各地太阳年辐射总量达335837kJ/(Cm2a),中间值为586 kJ/(Cm?司，其理 论储量达每年24 000亿t标准煤。特别是中国北部和西部，多数地区平均年辐射量为每平方米5 OOOMJ以上。与同纬度美国相近，比欧洲、日本优越得多，利用太阳能完成冶金任务是完全可行 的。太阳能、风力发电等技术将为中国能源供应的战略安全和减少环境污染做出贡献。通过对非涉碳炼钢能量来源问题进行多年探索，直接利用太阳能的光伏发电可提供炼钢所需能 量的蓄能供电及输送，实现对太阳能资源的利用。近年来，中国光伏产业发展迅速，已经掌握了万 吨级多晶硅及晶硅电池全套工艺，光伏设备本

13、土化率以及光伏板的性能不断提升，单片容量已经迈 入了 500 W大关，且价格不断下降，光伏的利用技术也日趋成熟。风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，是一种清洁的能源。中国IOm高度层 的风能资源总储量为32.26亿kW,其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿kW。中国北方 地区风力资源丰富，昼夜34ms的风力比例为90%以上，非常适合建立风力发电机组进行风能 发电。随着技术的不断发展，利用风产生电力所需的成本已经降低许多，单个风轮的装机容量逐渐 扩大，利用效率不断提升。通常光伏和风力是互补的。阳光强烈时，风力相对较弱，因此，当阳光不充足及黑夜时，风力 将发挥作用。光伏和风电都

14、是受天气影响较大的新能源，发出的电能不能平稳地供给用户直接使 用，通常用储能系统进行能量储存及调节。储能行业在近几年发展迅速，手段多样，有物理储能 （如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等）、电化学储能（如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、锂离 子电池、银镉电池、超级电容器等）、电磁储能（如超导电磁储能等）和相变储能（如冰蓄冷、熔融盐 等）。这些储能手段各有其特点，可应用在不同的场景。由于电弧炉用电需求变化快，用电量也较大，对储能系统有比容量大、输出效率高、循环寿命 要求长等需求。综合考虑，使用目前较为成熟的锂离子电池或新近开发的空气压缩储能技术，配合 风光发电不间断给电弧炉充电最为合理。由风光互补

15、发电系统供能、储能系统进行调节的电弧炉微电网，可以充分利用风光的互补优 势，在使用清洁能源的同时，可获得更低的成本，保证电弧炉平稳生产。绿电供能及电弧炉电气系 统如图2所示。该方法在经济上是可行的，光电、风电和谷电3种能源的成本平均为0.20.3元 /（kWh）,使得电弧炉生产的能源成本下降，同时实现电弧炉炼钢生产的“能量供给碳近零”目标。供电电源部分交流电弧炉电气设i电弧炉附属设番图2绿电供能及电弧炉的电气系统6 .炼钢极限碳排放路径高炉-转炉长流程炼钢工艺的吨钢COz排放量是电弧炉短流程工艺的3倍以上，难以承担钢铁行 业的绿色低碳未来。随着我国废钢资源的总量增加，废钢循环及加工产业链的完善，发展电弧炉短流程是钢铁行业低碳发展的主要方向。根据废钢资源的变化，低碳前沿技术的研究进展，预计在2035年前，钢铁行业仍以高炉-转炉 长流程为主要减碳目标，称为BLUE 35-BOF阶段；2035-2060年，将以电弧炉短流程减碳为主，届 时钢铁行业将逐步实现深度减碳，称为GREEN 60-EAF阶段，如图3所示。Greenf-EAF2060BhlC35-BQF2035BFBCF电磁感应加热高加热效率连铸轧钢零碳排8(K)极限碳排BOFEAF -* 28()近零碳排EAF煤、连铸与轧钢42141()，绿料洁净应用低碳原料：优质废钢，氨基直还铁生物质能