超低碳炼铁技术路径分析.docx

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1、超低碳炼铁技术路径分析目录摘要1前言21 .传统“长流程”炼铁工艺碳减排技术发展路线41.1. 1.提高热风温度冶炼技术41.2. 高顶压冶炼技术51.3. 高富氧及全氧冶炼技术51.4. 高炉富氢喷吹冶炼、铁前富氢技术61.5. 高炉煤气自循环技术71.6. 大比例球团冶炼技术91.7. 钢化联产技术92 .氢冶金零碳炼铁和近零碳炼铁技术发展路线102. 1.氢基竖炉技术103. 2.氢基熔融还原122. 3.氢基回转窑直接还原、氢基转底炉直接还原技术143.氢气还原炼铁分析153. 1.氢气直接还原炼铁153. 2.氢气熔融还原194.电化学还原炼铁分析214. 1.铁氧化物熔融电解炼铁2

2、14. 2.碱性溶液电沉积铁224. 3.酸性溶液电沉积铁235.超低碳炼铁路径对比分析245. 1.电耗对比分析245. 2.应用前景分析256. 结语26摘要2060年碳中和目标既使我国钢铁工业未来发展面临巨大挑战，又为其提供了换道超车的发展机遇。本文对绿氢直接还原、氧化铁熔融还原、碱性溶液电沉积铁、酸性溶液电沉积铁的发展历史和技术现状进行了综述。在全绿电炼铁场景下，本文对各种技术路线的理论和实际耗电进行了估算，从技术成熟度、电耗、技术难度、应用前景等方面，对各技术路径进行了对比分析，发现碱性溶液电沉积铁电耗最低，酸性溶液电沉积铁和电供热氢气熔融还原次之。从技术难度上看，氢气直接还原、酸性

3、溶液电沉积铁技术难度较小，且都已完成一定规模的中试，氢气熔融还原炼铁、碱性溶液电沉积铁和氧化铁熔融电解炼铁技术都还处于概念或技术发展早期阶段。综合来看，氢气直接还原、酸性溶液电沉积铁和氢气熔融还原炼铁路线可望发展成为有竞争力的超低碳炼铁技术，而碱性溶液电沉积铁和氧化铁熔融电解炼铁技术难度较大，短期内恐难以取得较大突破。关键词：长流程；高炉；碳减排；氢冶金；氢基竖炉；氢基熔融还原；智能制造前言我国是世界上最大的粗钢生产国和消费国，据统计，2023年我国粗钢产量达到10.65亿t,占全球粗钢产量的57%02023年我国碳排放量占全球碳排放总量60%以上。而在我国碳排放总量中，钢铁工业碳排放量约占1

4、5%,钢铁工业排放CO2约17.5亿吨，是制造业中碳排放量最高的行业之一。因此随着我国“双碳”政策的逐步落实及实施，钢铁工业面临的碳减排压力巨大，迫切需要开发能够显著降低碳排放的低碳冶金技术及近零碳冶金技术，以满足“碳达峰”和“碳中和”的政策要求。在全球积极推进“碳减排和碳中和”的背景下，国内外众多的钢铁企业和研究单位开始研究探索低碳冶金、氢冶金等前沿技术：既有在原有高炉炼铁工艺的技术上进行改进创新，力图实现碳氢耦合冶金；也有创建全新工艺流程，以“绿氢”为能源，生产钢铁材料，完全摆脱碳冶金的技术路线。这些研究及探索已经取得了一定成果，其中一些已经开始了逐步应用阶段。我国宝武、河钢、酒钢等企业，

5、也相继开展了低碳冶金或氢冶金的试验探索和试验工作，其中宝武新疆八一厂正在进行氢一氧高炉、全氧高炉、高炉煤气自循环等方面的试验研究；宝武湛江、河钢宣化、酒钢等企业就煤制气-合成气竖炉直接还原、焦炉煤气-合成气竖炉直接还原、全氢基竖炉还原，正在开展工业化应用的前期试验或者已经实现工业化初步应用。目前我国炼铁生产流程，仍是以烧结（含球团）+焦化+高炉的传统“长流程”工艺结构占主导地位。2023年我国生铁产量8.89亿吨，而高炉生铁产量就达到8.88亿3占总产量的99%以上；在炼铁生产工艺能源消耗上，煤、焦炭等碳素消耗占能源总量近90%,因此，如何降低炼铁生产碳排放的整个钢铁行业实现“碳减排和碳中和”

6、的重中之重。我国炼铁碳减排工作既要结合我国目前炼铁工艺的实际情况，又要结合“绿氢”及CCUS国家课题实际进展情况，分头并进。首先，我国目前炼铁传统“长流程”工艺结构占绝对统治地位，而且可以预见，到2035年左右，这种“长流程”工艺仍会占主要地位。即使到2060年，仍然会有部分长流程工艺长期存在，因此，我们目前首要的研究任务要放在传统“长流程”工艺碳减排方面。以此同时，着手未来，除了进行国家层面的“绿氢”制备、CCUS碳捕集及碳封存外，还需大力进行长期氢冶金技术研究，力争2050年冶金行业实现零碳或近零碳冶炼技术，为国家“双碳”政策的落实及实现做出贡献。钢铁工业低碳化及超低碳化（这里的碳指CO2

7、,下同）对我国2060年碳中和总体目标的实现至关重要。我国钢铁工业减碳的途径主要有三种：1）一是钢铁需求下降的自然减碳，据估计到2060年我国钢铁的产量将从当前的超10亿吨降至6亿吨左右，产量大降必然使钢铁工业CO2排放显著下降。2）二是废钢用量增加减碳，当前我国钢铁的蓄积量约为100亿吨，废钢产生量约每年2亿吨，到2030年我国钢铁蓄积量将达约132亿吨，废钢年产出量将达到3.2亿3.5亿吨，预计到2060年我国钢铁蓄积量将可超300亿吨，年产大量废钢将可有效支撑全废钢电炉短流程炼钢的大规模应用。由于存在较大的不确定性，文献预测的2060年我国电炉短流程钢铁比例在25%70%。3）三是通过应

8、用超低碳炼铁技术减碳，主要包括两个方面：3.1） 高炉转炉流程辅以CO2捕集、利用及封存（CCUS）；3.2） 基于绿电的炼铁技术，国内对“氢冶金”路线（绿电电解水制氢一一氢气直接还原一一电炉冶炼）讨论较多，国外的规划还包括电冶金技术。2060年我国实现碳中和时钢铁工业CO?的排放量主要由国家层面统筹分配，钢铁工业难以自行确定。一旦国家给钢铁工业确定了碳排放配额，钢铁行业就只能在该排放约束下，采用最佳的技术组合生产经济社会发展所需的钢铁。由于2060年我国钢铁需求、废钢产生量、各种超低碳炼铁技术发展均存在不确定性，当前只能基于假设来分析未来的情形。假设2060年我国钢铁需求为6亿吨，其中50%

9、由全废钢电炉绿电生产，假设1吨钢排放CO2为02吨，则生产这部分钢铁排放CO2约06亿吨；若其余3亿吨钢全由高炉转炉流程生产，且高炉一一转炉流程优化后的碳排放为1.5tC02t钢，则生产3亿吨钢排放CO2为45亿吨。这种情景下，2060年我国钢铁工业碳排放将达到5.1亿吨，占届时我国碳汇的约1/3,我国钢铁工业大概率不会获得这么大的碳排放配额。由此可见：必须应用超低碳炼铁技术，未来我国钢铁工业才能满足国家碳中和的要求。由于高炉转炉CCUS路线主要依赖CCUS减碳，其技术核心与炼铁关系不大，本文将不讨论该技术路线，而主要分析基于绿电的超低碳炼铁技术路径。通过比较不同技术路径的电耗、技术可行性、技

10、术难度等方面，预测各技术路径的发展前景，为我国钢铁工业超低碳技术路线选择提供参考。1传统“长流程”炼铁工艺碳减排技术发展路线在传统“长流程”炼铁工艺碳减排方面，在大力加强高风温、高顶压、大富氧、高球团比等传统减碳措施前提下，应积极开展高富氧及全氧冶炼、高炉富氢冶炼、高炉煤气自循环、钢化联产等新技术的研究及试验，力争2035年传统高炉“长流程”工艺碳减排50%以上。1. 1.提高热风温度冶炼技术高风温是现代高炉冶炼的热能基础，从某种意义上讲，是一种“清洁低碳能源”，现代高炉鼓风所带入的物理热一般占能量输入的18%25%,是高炉冶金过程“三传一反”的热力学基础，也是冶金过程基元反应的重要热量来源，

11、提高风温的能有效降低碳素消耗和碳排放。一般风温每提高100,可降低燃料比1525kgt铁。目前，我国高炉平均风温在1150C左右，若提高Io(TC风温，达到125Oc左右，则全国高炉可平均节约焦或煤1776万吨，减少碳排放4700万吨以上。受焦炉煤气量及转炉煤气量的限制，提高风温应主要着手空气及煤气的预热，应加强新型高效换热器的研究，同时积极推广前置燃烧炉及前置预热炉的推广，力争全国热风炉评价风温达到1250C左右，有条件的大厂达到128020C的水平。1.2. 高顶压冶炼技术提高炉顶压力、压缩煤气体积、降低煤气流速、延长煤气停留时间、增加煤气浓度进而改善间接还原动力学条件，强化了高炉煤气间接

12、还原过程，提高了高炉煤气利用率，从而降低燃料比，减少碳排放。根据经验数据，顶压每提高IOkPa,可降低燃料比35%近年来，我国高炉顶压虽有较大幅度提高，但平均水平仍在2.52.6kPa左右，今后，要进一步提高顶压，一些先进高炉的顶压应达到280kPa、接近30OkPa的水平。若全国平均顶压提高20kPa,可平均降低燃料比610%,则全国高炉每年煤炭消耗可减少（平均燃料比按500kgt铁，平均降低燃料比按8%计算卜550万吨，碳减排可达9500万吨/n。1.3. 高富氧及全氧冶炼技术空气主要由氧气和氮气组成，采用高富氧或全氧冶炼，其目的就是减少炉内氮气含量，最大限度提高还原性气体的浓度，从而提高

13、还原效率、提高煤气利用率，降低高炉炼铁燃料比，达到减少碳排放的目的。一般富氧每增加1%,节约燃料比1%。目前我国高炉富氧率平均水平也就在5%左右，极个别厂能达到810%左右，而世界高炉富氧最高水平的米塔尔荷兰阿姆斯特丹钢铁厂高炉富氧率超过17%,因此，现阶段我国高炉富氧还有很大空间。如果我国高炉富氧水平从现阶段的平均5%提高到20%,可降低燃料比保守估计50kg/t铁以上，全国高炉每年可节约煤炭4400万吨，减少碳排放1.18亿吨以上。因此，提高富氧率是高炉碳减排的一项重要措施。然而，进一步提高富氧或采用全氧冶炼存在不少困难，主要体现在以下两个方面：1）采用从冷风管道或机前富氧时，为了安全起见

14、，富氧率一般在15%以下，当采用超高富氧和全氧冶炼时，为了尽量减少高炉因富氧鼓风量减少而带来的热量损失，部分氧气势必要预热到高温状态，而氧气的预热及高温氧气输送及喷吹就需要克服极大的安全难题。2)采用高富氧或全氧冶炼时，由于鼓风量大幅减少，炉内煤气量随之大幅减少，煤气流速大大降低，煤气向上传递热量的能力急剧下降，从而带来高炉高温区下移，缩小了间接还原有效空间，降低了高炉间接还原效率。因此，采用高富氧或全氧冶炼时，我们必须对氧气的预热、输送及喷吹工艺及设备进行深入研究；同时，也应针对高富氧及全氧冶炼高温区下移是情况进行重点研究，解决高炉因高温区下移所带来的一系列问题。1.4. 高炉富氢喷吹冶炼、

15、铁前富氢技术高炉富氢喷吹主要是指高炉喷吹天然气或焦炉煤气。生产实践表明，通过高炉风口向高炉喷吹天然气，有利于高炉降低燃料比。俄罗斯和美国等天然气资源充沛的国家，高炉从20世纪70年代起就开始喷吹天然气，取得了提高产量、降低焦比和燃料比的生产效果。高炉喷吹天然气技术较为成熟，2019年美国安塞洛米塔尔公司印第安纳7号高炉(4800m3)天然气喷吹量为50kgt,高炉燃料比480kg/to根据理论推算，高炉喷吹1m，天然气可替代1.25kg碳素。高炉富氢喷吹有两种方式，一是在高炉软熔带下部附近直接喷吹天然气或焦炉煤气，由于它们富含甲烷和氢，高炉喷吹以后在高温条件下经过裂解变成电和CO,提高了炉腹煤

16、气中H2和CO的浓度，从而提高了高炉间接还原效率；二是在高炉风口直接喷入，代替喷煤，从而减少了喷煤量，降低了碳排放。因此，高炉喷吹富氢燃料是长流程钢铁工艺降低碳排放的有效途径之一。若我国每吨铁喷吹天然50kg,理论上述吨铁可降低CO2排放约5560kgt,预计每年可减排CO2约为5100IO4tao铁前富氢技术主要包括富氢烧结、富氢球团、富氢石灰窑、富氢回转窑、富氢转底炉等。在这些生产工艺上，完全可以用天然气或焦炉煤气等富氢燃料部分代替焦、煤和高炉煤气，减少碳排放，而且由于燃料富含氢，烧结、球团、回转窑、转底炉等含铁原料的预还原率及品质也会得到一定提高，从而减少后续工艺的碳排放。因此，必须加强铁前富氢的研究及应用。随着我国天然气开采和进口量迅速