零碳排、负碳排钢铁冶金的可能途径

2021-08-03 14:26:12 作者:huangj 来源: 浏览次数:0 网友评论 0

采用熔铁浴为手段,将生物质固废、垃圾、工业高分子固废等气化为还原气,进行气基竖炉还原,最终在另一台熔铁浴中对金属化球团进行熔分,可以实现钢铁长流程的近零碳排放。如果对高浓度CO2实施CCUS,则可以实现负碳排的钢铁长流程生产,降低大气中CO2含量。
 

牛强1. ,苏亚杰2.

1.中国科学院浙江应用技术研究院绿色氢能研究所 2.山西焦煤集团

 

1 负碳排流程工业的迫切性

要把地球升温效应控制在临界点之内,现在看来仅仅靠低碳、零碳排已经不够了。全球主流社会公认,现在主要的能源供应、工业行业、居民生活、交通、农业及养殖业等,必须主动进入到“负碳排”的状态,才能拯救地球家园于“水火”。

有诸多专业论点指出:全球Covid19病毒的流行,以及严重干旱、山火等自然灾害,皆有很大程度是气候灾变为诱因导致的。

钢铁工业作为温室气体排放比较突出的流程工业,要从当前的碳减排,尽快跨入低碳排、零碳排,甚至进入到负碳排的状态。

钢铁行业实现碳中和,以绿电为基础的工艺流程得到比较多的关注和重视。

2 以绿电为基础的钢铁低碳冶炼工艺

所谓绿电,就是非化石能源的可再生能源电力。有风力、光伏及光热、水电、核电、地热能发电、潮汐等海洋能发电等。生物质发电也一定程度上属于可再生能源电力。而化石能源,无论煤炭、重油或燃料油、天然气、煤层气、页岩油页岩气等,皆属于化石能源,如果没有碳捕集封存的话,都是导致碳排放的。

常规的绿电为基础的低碳、零碳钢铁工业流程有:

(1)绿电+废钢重熔的短流程炼钢;

(2)绿电电解水制氢+氢基竖炉气基还原+竖炉电力补热+氢气脱水除尘加压循环利用+绿电电炉DRI熔分;

(3)绿电电解水制氢+电极加热的密闭氢气熔融还原+氢气脱水除尘加压循环利用;

(4)绿电+含铁氧化物熔融电解制取纯铁;

(5)绿电+二价铁离子水溶液电解;

(6)绿电+以锌为介质的间接水溶液电解;

(7)绿电+微生物冶金等。

上述以绿电为基础的钢铁冶金低碳流程工艺技术,尚需要解决如下难题:

(1)绿电的发电成本总体较高:

(2)绿电的不稳定及波动性:风电光伏等的年利用小时数往往在1000-2000小时范围,远远低于流程工业所需的7000-8000小时的年作业小时数,而储能方面,抽水蓄能需要适合的场地条件,其他如电化学储能的成本较高、效益不高,而且消防安全隐患很大;

(3)废钢供应量受限。国内废钢蓄积量不足,进口政策刚刚有所松动,进一步全面放开有可能涉及违反洋垃圾进口的管制,另外废钢反复利用使得一些有害的有色金属元素富集难以去除,造成钢材质量下降;

(4)氢气还原铁矿石是吸热反应,需要额外补充热量;

(5)氢气还原由于无碳溶解,导致纯铁液熔点远远高于含碳生铁,导致能耗和耐材消耗较高;

(6)氢气熔融还原过程中,电炉加热采用碳质电极,优先于氢与铁矿石反应,消耗较快;

3 生物质固废熔铁浴气化+气基竖炉+熔融还原熔分

3.1 熔铁浴造气

所谓熔铁浴气化,就是在高温的熔融铁基合金液池中,将破碎的垃圾固废、生物质碎屑,以高速气体射流喷射进入到熔铁液中,发生浸没在熔融铁液中的高温裂解反应,使得有机物的碳碳键、碳氢键急骤断裂,碳原子溶解入铁液中,同时纯氧或富氧空气也鼓入液态熔铁液中,发生造气反应,获得以CO和氢气为主的合成气的过程。铁液充当了蓄热体、催化剂、碳吸收体、氧载体、密封体、洗涤液等多重功能,使得气化速度非常快速、高效,不产生中间有机物,更没有二噁英、苯环类、酚类、焦油类复杂有机物,含碳物质统统转变为CO/CO2的最简单无机物分子的过程。铁液滞留在炉缸内,作为类似于“火锅老汤”而存在。熔铁浴气化在1980年代经由德国开始研发,经过历时40年,作为单元技术,已经日趋成熟。

3.2 全流程描述

3.2.1 第一台炉:熔铁浴气化

将生物质废弃物、废旧高分子材料、废旧纸张、竹木、干燥生活垃圾、退役风电叶片等,经过一定破碎或粗粉碎,以CO2气体为载气,喷吹进入到熔融铁液,然后每吨配以400-600立方纯氧为气化剂,获得800-2000立方有效合成气,经过降温、除尘、脱除酸性气体、加压、返回间接换热等方式升温,作为还原气供应给气基竖炉。

3.2.2 第二台炉:气基直接还原竖炉

带有一定显热和压力的合成气,进入到竖炉进行直接还原,获得90%左右的金属化球团DRI。炉顶尾气降温、除尘、加压、变换制氢、脱除酸性气体、间接换热,返回给气基竖炉循环利用。

3.2.3 第三台炉:熔融还原熔分炉

将DRI尽可能热装进入到铁液熔池中,可采用两种燃料/还原剂进行终还原和熔分。一种是直接用干净的预热合成气配合喷吹氧气,保持较低的氧化度,实现熔池供热和终还原。另一种是采用固态的半焦粒子喷吹配合较低过剩系数的氧气,固态半焦粒子是固废垃圾、生物质废弃物等400-600℃低温热解的残余碳基物料,不含氯。低温热解的气态挥发物和液态油类物质,在第一台熔铁浴气化炉中充分气化,没有焦油、酚类物质。本炉产生的低氧化度合成气,按照第一台炉相同的降温、除尘、脱除酸性气体、加压、返回间接换热等,供应给气基竖炉,也可以一部分用来发电。

总起来看,可以在1800-2000立方有效合成气的作用下,实现一吨液态铁水的近零碳排放工业化生产。而获得这么多的有效合成气/还原气/燃气,需要1.5-2.5吨的有机固废、垃圾等。

4 实现负碳钢铁生产的方式

4.1 以采用焦炭、煤炭、天然气、化石能源发电为基准的减排量

传统钢铁工业的长流程生产,无论采用焦炭、煤炭、天然气,以及副产氢气作为还原剂或者燃料,以及采用含有火力发电成分的电力,都是有碳排放的,故此钢铁工业长流程是碳排放大户。

工业固废、垃圾一般来说,其含碳物料,部分属于生物来源碳的范畴,例如农业、林业废弃物,以及纸张等;另一些例如废塑料,则有比较强的化石来源碳的属性。而废橡胶,例如汽车废旧轮胎等,则根据其天然橡胶、合成橡胶的所占比例,二者兼而有之。

由于生物质的内的碳元素,是来源于大气中CO2气体,在太阳光照射下,发生光合作用被吸收到植物体内,转变为纤维素、半纤维素、木质素等,最后经过气化等过程,碳元素转变为CO2气体,重新回归大气,相当于“碳取之于大气,最终回归于大气”,在几百天内完成一次循环,故生物质的气化制取的含碳生物质燃气、燃料,并不会增加大气二氧化碳水平。同样的,垃圾处理过程也在国际社会上参照生物质类物质计算其温室气体排放量。可以说,微观上看,生产线是有CO2气体排出的,但是宏观上并不会增加大气层的含碳气体量。

4.2  以垃圾填埋、堆放为基准的减排量

温室气体虽然以CO2气体为代表,其他非二氧化碳类型的温室效益气体也是不容忽视的。甲烷(CH4)引起温室效应的能力是二氧化碳的23倍。牛、羊等反刍动物在消化时会产生大量甲烷,使得畜牧业也是温室效应的提供者。垃圾、固废、生物质废弃物如果不加以及时处理,产生富含甲烷的沼气,排入大气中,比起熔铁浴超快速气化,其温室效应反而是巨大的。以垃圾、生物质废弃物随意堆放导致的甲烷气体释放温室效应,熔铁浴气化的非二氧化碳温室气体减排效应也是显著的。

4.3 进一步实现负碳钢铁的实现方式

上述三个炉子中,都会产生CO/CO2的混合气体,如果把CO2简单从合成气/还原气中脱除,不进行收集的话,只能是零碳排或者近零碳排。由于CO2脱除过程没有氮气,只伴随有水分,是高浓度甚至是高纯度CO2气体,极易实现捕集封存,也就是通过CCUS实现了负碳化,对于降低大气中存量的CO2气体是有积极贡献的,故为负碳排的钢铁生产。

5 长流程炼铁的过渡阶段方案

现有长流程高炉工艺,可以直接采用固废、垃圾、生物质废弃物进行熔铁浴造气,降温、除尘、加压再换热升温后,通入高炉风口以上部位的多个高度,进行合成气直接还原,可以有效降低焦比、煤比,减少碳排放。采用这种折中方式,炼铁成本比用焦、用煤降低很多,如果每公斤焦炭、煤粉可以用2-3立方合成气替代,替代一半煤焦的话,一个年产1000万吨的炼铁厂,全年利润可以增加30-50亿元。

6 最终的负碳排钢铁冶炼工艺

……

 

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