邁向綠色鋼鐵冶金的理想之路

V.Chevrier,Ph.D.¹, 錢良豐²

1 Midrex Technologies，2米德雷克思冶煉技術服務（上海）有限公司

背景

巴黎協議在2016年地球日簽署，于當年11月4日生效。協議的目標是“應對氣侯變化的威脅，共同擔負起保證地球溫度在本世紀比前工業化時代升溫不超過2攝氏度”[1]。降低工業部門的二氣化碳 (CO2) 排放被視為實現目標最關鍵的挑戰，其中鋼鐵工業是溫室氣體排放的最大戶，占總排放量的7-9% ，因為其主要靠煤作為燃料。世界大約75%的鋼鐵是由高爐和轉爐聯合工藝生產，高爐用焦炭作為燃料生產含碳~4.5%左右的鐵水，鐵水中的碳在轉爐中被噴吹的氧氣氧化為二氧化碳來提供煉鋼升溫的熱源。BF/BOF 聯合工藝不管采用哪種具體技術，其CO2排放大約在1.6～2.0 kgCO2/kg 范圍內。天然氣基的MIDREX®直接還原聯合電爐的煉鋼工藝是目前基于原礦的冶煉工藝中CO2排放最低的商業化的路線，排放在1.1～1.2 kgCO2/kg 鋼。通過配備CO2脫除系統，MIDREX工藝還可以進一步降低CO2排放到BF/BOF流程的三分之一左右。

然而通過采用氫氣為燃料和還原劑的工藝有更大的降排放潛力。最徹底的降低鋼鐵工業碳排放的方式是采用綠氫（使用可再生能源制備的氫氣）。用MIDREX豎爐生產直接還原鐵煉鋼。MIDREX H2™就是這一技術，可以在現有工廠基礎上改造實現，也可以新建基于氫氣的工廠。實現氫基直接還原的最重要障礙是生產大量無碳排放印跡的經濟的綠氫，目前氫氣主要通過蒸汽甲烷重整工藝制備。

1 鋼鐵行業的主產品不是鋼鐵，而是碳

鋼鐵生產約占全球二氧化碳排放的9%。從碳基還原劑到氫等替代品的決定性轉變幾乎是不可避免的，但這必須分階段實施。

目前仍占主導地位的高爐/轉爐(BF/BOF)工藝生產的鋼液，每噸產品大約產生1.8噸二氧化碳排放到大氣中—這個數字是根據經合組織統計歐洲運行的工廠平均值計算得出的。對于行業內的決策者來說，這些事實很難說是好消息。世界各國政府正在權衡實現《巴黎氣候協定》(Paris Climate Agreement)規定的大規模減少溫室氣體排放(GHG)的選擇。為了實現2050年凈零碳排放這一雄心勃勃的目標時，減排必須行動起來，鋼鐵生產商將面臨更大的壓力，以大幅降低排放。碳排放交易機制即將實施并擴大范圍，碳稅即將出臺，消費者最終將對鋼鐵產品的碳足跡表示關注。

世界上一些地區的生產商已經感受到了碳定價帶來的痛苦。圖1所示的歐洲二氧化碳排放限額價格的制定就是一個很好的例子。在2021年年中達到峰值時，油價在四年時間里上漲了近8至10倍。隨著歐盟排放交易計劃在2021年進入下一個階段，屆時將啟動幾項措施，逐步收緊配額供應，排放量仍接近歷史高點。

由于預見到此類監管措施和市場壓力，世界各地的鋼鐵生產商正競相采用旨在降低鋼鐵生產中的碳強度的新技術。僅僅將鋼鐵生產從以煤和焦炭為基礎的高爐轉移到以天然氣為基礎的直接還原工廠是不夠的。該行業將需要開發不產生直接碳足跡的其他能源，例如基于可再生能源的氫，以經濟上可行的方式實現商業規模。

如圖2所示，直接還原/電弧爐（DR-EAF）路線在DR工藝中使用天然氣，與傳統的BF / BOF路線相比，將生產鋼水的碳強度降低了50%以上。短流程工藝減排的力度與電弧爐工藝的電力來源相關。圖2的計算基于每千瓦時0.226千克CO2排放網格系數，這是2019年EU-27的平均值。采用瑞典的CO2排放網格系數（目前為每千瓦時0.023千克二氧化碳）將使排放量降至每噸僅181千克二氧化碳。更進一步的降低碳排放必須通過使用“綠色” 氫氣來代替天然氣，排放量可以減少85-90%。

2 規?；茪浼夹g

毫無疑問，建立一種基于完全使用氫氣為能介，使鋼鐵生產能真正做到無碳足跡的工藝，將是一項重大挑戰。其中一個關鍵的障礙是要支撐鋼鐵行業的大規模升級將消耗的海量氫氣，其消耗強度將是巨大和驚人的。將一個典型的年產500萬噸的聯合鋼鐵工廠從煤和焦炭轉化為氫氣，每小時至少需要48萬Nm³(相當于44噸) 的氫氣供應。從這個角度來看，目前正在運行的最大的質子交換膜 (PEM)電解槽每小時僅產生約3000 Nm³ (即0.25噸) 的氫氣。

不僅需要大量額外的氫氣來支持鋼鐵工業，而且還必須使用可再生能源來生產氫氣。目前，大約95%的氫是“灰色”的，這意味著它是通過從化石燃料中提取氣體產生的。利用碳捕獲和存儲(CCUS)技術可以防止二氧化碳排放到大氣中，從而產生 “藍色” 氫。但這只有在特定的地質上安全的地方才能儲存捕獲的碳，比如海底或地下深處。 

截至今天，大多數工業用氫氣都是由蒸汽甲烷重整器（SMR）生產的。由于為這些重整器（甲烷 - CH4）供給的天然氣含有碳，因此產生的“灰色”氫氣會導致相當數量的CO2排放。如果以降碳排放為目的而新建煉鐵工廠，其氫氣必須通過使用非化石能源從水中電解來制取才有意義。自2000年以來，全球已有230多個氫電解項目（包括基于可再生能源和傳統能源的項目）投入運營。他們中的大多數，如H2Future項目，都位于歐洲。但在澳大利亞，中國和美洲也已經啟動或宣布了一些新的項目。幾乎所有工廠的規模都小于10兆瓦，但一座20兆瓦的工廠現在在加拿大投入運營，最近還有幾個正在討論中的項目規模超過100兆瓦。

目前主要有三種電解制氫技術：堿性，質子交換膜（PEM）和高溫蒸汽電解。暫時最先進的技術 - 也是最近普遍應用于商業電解水制氫項目的技術是質子交換膜技術或PEM（圖3）。它將電極連接到固體聚合物膜的兩側，作為電解質和分離器，以防止產生的氣體混合。氫離子在陽極形成，穿過膜，并與來自陰極的電子結合形成氫氣。PEM型電解槽具有以下幾個優點：它效率高，功率密度高，并且具有很寬泛的動態工作范圍，允許它直接耦合到可再生能源 -它可以快速響應電力供應的變化。模塊的功率范圍為 3 至 100 MW，每小時可產生高達 20,000 Nm³（或約 2 噸）的氫氣。

3 氫基直接還原技術商業化應用

氫氣早就是直接還原工藝中還原氣體混合物的一部分。直接還原工藝的靈活性為工廠所有者過渡到氫氣提供了一種漸進的方式，可以隨著價格下降和供應增加，時間的推移增加氫氣的添加量。這突顯了對直接還原工廠進行新投資的價值：無論未來在排放法規或原材料價格方面有怎樣的變化和進展，直接還原的減排潛力可以幫助工廠實現最大的經濟適應性。

MIDREX®直接還原工廠生產了全球約60%的直接還原鐵。還原氣體（主要是 H2 和CO的混合物）由天然氣在特殊的CO2重整爐中產生。無需對設備進行任何修改，本工藝允許高達30%的天然氣被氫氣取代（圖4）。例如，可以引入60,000 Nm³/h的氫氣來替代20,000 Nm³/h的天然氣。通過對設備進行輕微改造就可以達到甚至100%全氫還原的目標，現實的條件下，會按照產品中所需的碳含量決定氫氣使用比例。本工藝可以輕松適應加氫比例的波動，使工廠能夠對使用風能或太陽能等可再生能源從水電解中獲取氣體時預期的氫氣供應變化做出反應。

如果要將氫氣用作唯一的還原劑（MIDREX H2 ™），則可以用還原氣體加熱爐替換天然氣重整爐（圖 5）。氫氣在還原過程中將轉化為H2O，并在頂部氣體洗滌器中冷凝。由于過程回路中沒有CO源，因此不需要CO2去除系統。該工藝每噸DRI使用約650Nm³的氫氣進行還原。此外，每噸DRI需要約250Nm³的H2用于加熱，這也可以由其他能源（例如電能）替代。當然，工廠還可以設計為在目前條件下先用天然氣，然后按需要靈活利用氫氣（0 - 100%氫氣）來替代天然氣。

4 結論
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