牛強1. ,蘇亞杰2.

1.中國科學(xué)院浙江應(yīng)用技術(shù)研究院綠色氫能研究所 2.山西焦煤集團(tuán)

1 負(fù)碳排流程工業(yè)的迫切性

要把地球升溫效應(yīng)控制在臨界點之內(nèi)，現(xiàn)在看來僅僅靠低碳、零碳排已經(jīng)不夠了。全球主流社會公認(rèn)，現(xiàn)在主要的能源供應(yīng)、工業(yè)行業(yè)、居民生活、交通、農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)等，必須主動進(jìn)入到“負(fù)碳排”的狀態(tài)，才能拯救地球家園于“水火”。

有諸多專業(yè)論點指出：全球Covid19病毒的流行，以及嚴(yán)重干旱、山火等自然災(zāi)害，皆有很大程度是氣候災(zāi)變?yōu)檎T因?qū)е碌摹?/p>

鋼鐵工業(yè)作為溫室氣體排放比較突出的流程工業(yè)，要從當(dāng)前的碳減排，盡快跨入低碳排、零碳排，甚至進(jìn)入到負(fù)碳排的狀態(tài)。

鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳中和，以綠電為基礎(chǔ)的工藝流程得到比較多的關(guān)注和重視。

2 以綠電為基礎(chǔ)的鋼鐵低碳冶煉工藝

所謂綠電，就是非化石能源的可再生能源電力。有風(fēng)力、光伏及光熱、水電、核電、地?zé)崮馨l(fā)電、潮汐等海洋能發(fā)電等。生物質(zhì)發(fā)電也一定程度上屬于可再生能源電力。而化石能源，無論煤炭、重油或燃料油、天然氣、煤層氣、頁巖油頁巖氣等，皆屬于化石能源，如果沒有碳捕集封存的話，都是導(dǎo)致碳排放的。

常規(guī)的綠電為基礎(chǔ)的低碳、零碳鋼鐵工業(yè)流程有：

(1)綠電+廢鋼重熔的短流程煉鋼；

(2)綠電電解水制氫+氫基豎爐氣基還原+豎爐電力補熱+氫氣脫水除塵加壓循環(huán)利用+綠電電爐DRI熔分；

(3)綠電電解水制氫+電極加熱的密閉氫氣熔融還原+氫氣脫水除塵加壓循環(huán)利用；

(4)綠電+含鐵氧化物熔融電解制取純鐵；

(5)綠電+二價鐵離子水溶液電解；

(6)綠電+以鋅為介質(zhì)的間接水溶液電解；

(7)綠電+微生物冶金等。

上述以綠電為基礎(chǔ)的鋼鐵冶金低碳流程工藝技術(shù)，尚需要解決如下難題：

(1)綠電的發(fā)電成本總體較高：

(2)綠電的不穩(wěn)定及波動性：風(fēng)電光伏等的年利用小時數(shù)往往在1000-2000小時范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于流程工業(yè)所需的7000-8000小時的年作業(yè)小時數(shù)，而儲能方面，抽水蓄能需要適合的場地條件，其他如電化學(xué)儲能的成本較高、效益不高，而且消防安全隱患很大；

(3)廢鋼供應(yīng)量受限。國內(nèi)廢鋼蓄積量不足，進(jìn)口政策剛剛有所松動，進(jìn)一步全面放開有可能涉及違反洋垃圾進(jìn)口的管制，另外廢鋼反復(fù)利用使得一些有害的有色金屬元素富集難以去除，造成鋼材質(zhì)量下降；

(4)氫氣還原鐵礦石是吸熱反應(yīng)，需要額外補充熱量；

(5)氫氣還原由于無碳溶解，導(dǎo)致純鐵液熔點遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于含碳生鐵，導(dǎo)致能耗和耐材消耗較高；

(6)氫氣熔融還原過程中，電爐加熱采用碳質(zhì)電極，優(yōu)先于氫與鐵礦石反應(yīng)，消耗較快；

3 生物質(zhì)固廢熔鐵浴氣化+氣基豎爐+熔融還原熔分

3.1 熔鐵浴造氣

所謂熔鐵浴氣化，就是在高溫的熔融鐵基合金液池中，將破碎的垃圾固廢、生物質(zhì)碎屑，以高速氣體射流噴射進(jìn)入到熔鐵液中，發(fā)生浸沒在熔融鐵液中的高溫裂解反應(yīng)，使得有機物的碳碳鍵、碳?xì)滏I急驟斷裂，碳原子溶解入鐵液中，同時純氧或富氧空氣也鼓入液態(tài)熔鐵液中，發(fā)生造氣反應(yīng)，獲得以CO和氫氣為主的合成氣的過程。鐵液充當(dāng)了蓄熱體、催化劑、碳吸收體、氧載體、密封體、洗滌液等多重功能，使得氣化速度非?？焖佟⒏咝?，不產(chǎn)生中間有機物，更沒有二噁英、苯環(huán)類、酚類、焦油類復(fù)雜有機物，含碳物質(zhì)統(tǒng)統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)镃O/CO2的最簡單無機物分子的過程。鐵液滯留在爐缸內(nèi)，作為類似于“火鍋老湯”而存在。熔鐵浴氣化在1980年代經(jīng)由德國開始研發(fā)，經(jīng)過歷時40年，作為單元技術(shù)，已經(jīng)日趨成熟。

3.2 全流程描述

3.2.1 第一臺爐：熔鐵浴氣化

將生物質(zhì)廢棄物、廢舊高分子材料、廢舊紙張、竹木、干燥生活垃圾、退役風(fēng)電葉片等，經(jīng)過一定破碎或粗粉碎，以CO2氣體為載氣，噴吹進(jìn)入到熔融鐵液，然后每噸配以400-600立方純氧為氣化劑，獲得800-2000立方有效合成氣，經(jīng)過降溫、除塵、脫除酸性氣體、加壓、返回間接換熱等方式升溫，作為還原氣供應(yīng)給氣基豎爐。

3.2.2 第二臺爐：氣基直接還原豎爐

帶有一定顯熱和壓力的合成氣，進(jìn)入到豎爐進(jìn)行直接還原，獲得90%左右的金屬化球團(tuán)DRI。爐頂尾氣降溫、除塵、加壓、變換制氫、脫除酸性氣體、間接換熱，返回給氣基豎爐循環(huán)利用。

3.2.3 第三臺爐：熔融還原熔分爐

將DRI盡可能熱裝進(jìn)入到鐵液熔池中，可采用兩種燃料/還原劑進(jìn)行終還原和熔分。一種是直接用干凈的預(yù)熱合成氣配合噴吹氧氣，保持較低的氧化度，實現(xiàn)熔池供熱和終還原。另一種是采用固態(tài)的半焦粒子噴吹配合較低過剩系數(shù)的氧氣，固態(tài)半焦粒子是固廢垃圾、生物質(zhì)廢棄物等400-600℃低溫?zé)峤獾臍堄嗵蓟锪?，不含氯。低溫?zé)峤獾臍鈶B(tài)揮發(fā)物和液態(tài)油類物質(zhì)，在第一臺熔鐵浴氣化爐中充分氣化，沒有焦油、酚類物質(zhì)。本爐產(chǎn)生的低氧化度合成氣，按照第一臺爐相同的降溫、除塵、脫除酸性氣體、加壓、返回間接換熱等，供應(yīng)給氣基豎爐，也可以一部分用來發(fā)電。

總起來看，可以在1800-2000立方有效合成氣的作用下，實現(xiàn)一噸液態(tài)鐵水的近零碳排放工業(yè)化生產(chǎn)。而獲得這么多的有效合成氣/還原氣/燃?xì)?，需?.5-2.5噸的有機固廢、垃圾等。

4 實現(xiàn)負(fù)碳鋼鐵生產(chǎn)的方式

4.1 以采用焦炭、煤炭、天然氣、化石能源發(fā)電為基準(zhǔn)的減排量

傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)的長流程生產(chǎn)，無論采用焦炭、煤炭、天然氣，以及副產(chǎn)氫氣作為還原劑或者燃料，以及采用含有火力發(fā)電成分的電力，都是有碳排放的，故此鋼鐵工業(yè)長流程是碳排放大戶。

工業(yè)固廢、垃圾一般來說，其含碳物料，部分屬于生物來源碳的范疇，例如農(nóng)業(yè)、林業(yè)廢棄物，以及紙張等；另一些例如廢塑料，則有比較強的化石來源碳的屬性。而廢橡膠，例如汽車廢舊輪胎等，則根據(jù)其天然橡膠、合成橡膠的所占比例，二者兼而有之。

由于生物質(zhì)的內(nèi)的碳元素，是來源于大氣中CO2氣體，在太陽光照射下，發(fā)生光合作用被吸收到植物體內(nèi)，轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維素、半纖維素、木質(zhì)素等，最后經(jīng)過氣化等過程，碳元素轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2氣體，重新回歸大氣，相當(dāng)于“碳取之于大氣，最終回歸于大氣”，在幾百天內(nèi)完成一次循環(huán)，故生物質(zhì)的氣化制取的含碳生物質(zhì)燃?xì)?、燃料，并不會增加大氣二氧化碳水平。同樣的，垃圾處理過程也在國際社會上參照生物質(zhì)類物質(zhì)計算其溫室氣體排放量。可以說，微觀上看，生產(chǎn)線是有CO2氣體排出的，但是宏觀上并不會增加大氣層的含碳?xì)怏w量。

4.2  以垃圾填埋、堆放為基準(zhǔn)的減排量

溫室氣體雖然以CO2氣體為代表，其他非二氧化碳類型的溫室效益氣體也是不容忽視的。甲烷（CH4）引起溫室效應(yīng)的能力是二氧化碳的23倍。牛、羊等反芻動物在消化時會產(chǎn)生大量甲烷，使得畜牧業(yè)也是溫室效應(yīng)的提供者。垃圾、固廢、生物質(zhì)廢棄物如果不加以及時處理，產(chǎn)生富含甲烷的沼氣，排入大氣中，比起熔鐵浴超快速氣化，其溫室效應(yīng)反而是巨大的。以垃圾、生物質(zhì)廢棄物隨意堆放導(dǎo)致的甲烷氣體釋放溫室效應(yīng)，熔鐵浴氣化的非二氧化碳溫室氣體減排效應(yīng)也是顯著的。

4.3 進(jìn)一步實現(xiàn)負(fù)碳鋼鐵的實現(xiàn)方式

上述三個爐子中，都會產(chǎn)生CO/CO2的混合氣體，如果把CO2簡單從合成氣/還原氣中脫除，不進(jìn)行收集的話，只能是零碳排或者近零碳排。由于CO2脫除過程沒有氮氣，只伴隨有水分，是高濃度甚至是高純度CO2氣體，極易實現(xiàn)捕集封存，也就是通過CCUS實現(xiàn)了負(fù)碳化，對于降低大氣中存量的CO2氣體是有積極貢獻(xiàn)的，故為負(fù)碳排的鋼鐵生產(chǎn)。

5 長流程煉鐵的過渡階段方案

現(xiàn)有長流程高爐工藝，可以直接采用固廢、垃圾、生物質(zhì)廢棄物進(jìn)行熔鐵浴造氣，降溫、除塵、加壓再換熱升溫后，通入高爐風(fēng)口以上部位的多個高度，進(jìn)行合成氣直接還原，可以有效降低焦比、煤比，減少碳排放。采用這種折中方式，煉鐵成本比用焦、用煤降低很多，如果每公斤焦炭、煤粉可以用2-3立方合成氣替代，替代一半煤焦的話，一個年產(chǎn)1000萬噸的煉鐵廠，全年利潤可以增加30-50億元。

6 最終的負(fù)碳排鋼鐵冶煉工藝

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