本報記者 朱曉波
低碳冶金技術(shù)
當(dāng)前,我國煉鋼企業(yè)中,高爐-轉(zhuǎn)爐長流程煉鋼仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。一般而言,傳統(tǒng)高爐工藝生產(chǎn)1噸生鐵需要消耗350千克焦炭和150千克煤粉。由于化石能源的使用,造成煉鐵、煉鋼過程中二氧化碳和一氧化碳大量排放。因此,低碳冶金技術(shù)被認為是未來鋼鐵行業(yè)碳減排的重要抓手。
目前,被認為比較有前景的低碳冶金項目包括日本COURSE50計劃、瑞典SSAB公司突破性氫能煉鐵技術(shù)(HYBRIT)項目、歐洲超低二氧化碳排放煉鋼工藝ULCOS項目、德國Car-bon2Chem項目等以低碳煉鐵為核心,探索低碳煉鐵工業(yè)化的路徑,實現(xiàn)節(jié)能減排、高效綠色發(fā)展。
日本COURSE50項目圍繞高爐碳減排,開發(fā)了部分使用氫代替焦炭作為還原劑的氫還原煉鐵法,并預(yù)期通過該技術(shù)研發(fā)應(yīng)用而實現(xiàn)的碳減排目標(biāo)為10%。利用2015年在新日鐵住金君津廠建成的小型試驗高爐,進行高爐煤氣改質(zhì)富氫焦和高爐風(fēng)口噴吹試驗,隨后進行了爐體拆解研究,確認部分使用氫作為還原劑的氫還原煉鐵法,可使二氧化碳排放值接近期望的減排目標(biāo)。
歐洲ULCOS項目在低碳高爐煉鐵技術(shù)方面,研究了爐頂煤氣循環(huán)工藝(TGR-BF)。該工藝有3個主要特點:一是使用純氧代替?zhèn)鹘y(tǒng)的預(yù)熱空氣(即全氧噴吹);二是二氧化碳分離、捕集和儲存;三是使用回收的一氧化碳循環(huán)作為還原劑,減少焦炭使用量。試驗結(jié)果表明,TGR-BF工藝具有易于操作、安全性好、效率高、穩(wěn)定性強的特點。其中,將脫離二氧化碳后的部分爐頂煤氣加熱到1200攝氏度,氧氣和煤粉混合通過爐缸風(fēng)口噴吹入爐內(nèi),同時將脫離二氧化碳后的爐頂煤氣加熱到900攝氏度,從爐身適當(dāng)位置噴吹的減排效果最佳,可降低26%的二氧化碳排放,被確定為下一步工業(yè)規(guī)模高爐試驗的首選方案。
基于ULCOS項目,HYBRIT項目將研究采用氫的直接還原工藝,而氫則是利用非化石能源產(chǎn)生的。氫與球團礦發(fā)生反應(yīng),生成直接還原鐵(DRI),將直接還原鐵與廢鋼一起裝入電爐,或者制成熱壓塊鐵儲存或出售。HYBRIT項目的核心是提升技術(shù)、降低成本,使氫氣冶煉鋼鐵在經(jīng)濟上與傳統(tǒng)焦炭煉鐵相比有競爭力。焦炭和氫氣都可作為還原劑去除鐵礦石中的雜質(zhì)。傳統(tǒng)冶煉鋼鐵工藝中二氧化碳排放占全行業(yè)90%,比如使用氫氣替代焦炭,氫氣將與鐵礦石中的氧氣反應(yīng)生成水蒸氣,實現(xiàn)碳的零排放。
與上述各項技術(shù)減少碳排放不同,Car-bon2Chem項目是利用鋼廠廢氣中含有的化工原材料,比如以一氧化碳和二氧化碳形式存在的碳、氮和氫等,生產(chǎn)含有碳和氫的合成氣體,再應(yīng)用于生產(chǎn)氨氣、甲醇、聚合物和高級醇等各種初級化工產(chǎn)品,替代目前天然氣、煤等化石原料。因此,Car-bon2Chem不僅可轉(zhuǎn)化鋼廠廢氣中的二氧化碳,同時也節(jié)省了生產(chǎn)此類合成氣體的碳資源使用量。2018年9月份,蒂森克虜伯Car-bon2Chem項目成功地將鋼廠廢氣轉(zhuǎn)化為合成燃料,生產(chǎn)出第一批甲醇。2019年1月份,蒂森克虜伯成功利用鋼廠廢氣生產(chǎn)氨,這在全球范圍內(nèi)尚屬首次。蒂森克虜伯宣布,目前全世界大約有50家鋼廠符合引進Car-bon2Chem項目的條件,已開始與各地的意向方建立聯(lián)系,探討將該技術(shù)運用于其他二氧化碳密集型行業(yè)。
此外,我國鋼鐵企業(yè)也在積極探索低碳冶金技術(shù)。比如,河鋼集團與意大利特諾恩集團簽署諒解備忘錄(MOU),商定雙方在氫冶金技術(shù)方面開展深入合作,利用世界最先進的制氫和氫還原技術(shù),并聯(lián)手中冶京誠共同研發(fā)、建設(shè)全球首例120萬噸規(guī)模的氫冶金示范工程,應(yīng)用于河鋼宣鋼轉(zhuǎn)型升級項目。京華日鋼控股集團有限公司與中國鋼研科技集團有限公司簽訂了《年產(chǎn)50萬噸氫冶金及高端鋼材制造項目合作協(xié)議》。該項目以氫冶金全新工藝-裝備-品種-用戶應(yīng)用為目標(biāo),進行系統(tǒng)性、全鏈條的創(chuàng)新開發(fā),通過現(xiàn)代化工、冶金聯(lián)產(chǎn)循環(huán)經(jīng)濟的方式,建設(shè)具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的首臺(套)年產(chǎn)50萬噸氫冶金及高端鋼材制造產(chǎn)線。中國寶武、中核集團和清華大學(xué)三方啟動了共同研究核能技術(shù)與冶金制造技術(shù)如何協(xié)同以及創(chuàng)新技術(shù)鏈與產(chǎn)業(yè)鏈的可行性工作。與傳統(tǒng)的鐵燒焦工藝相比,煤基氫冶金工藝具有流程短、監(jiān)控點少、水循環(huán)及水處理設(shè)施規(guī)模小,煙氣排放次數(shù)少、數(shù)量小的特點,可降低能耗50%以上。
碳捕及、利用及封存技術(shù)(CCUS)
與低碳冶金技術(shù)不同,碳捕集、利用與封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,簡稱CCUS) 技術(shù)是一項新興的、具有大規(guī)模二氧化碳減排潛力的技術(shù),即把生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳進行提純,繼而投入到新的生產(chǎn)過程中進行循環(huán)再利用或封存。作為目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳化利用的減排技術(shù),CCUS是我國實現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)技術(shù)組合的重要組成部分。
長期以來,CCUS一直被認為是減少化石發(fā)電和工業(yè)過程中二氧化碳排放的關(guān)鍵技術(shù)。我國政府部門明確提出,開展CCUS試點項目的行業(yè)涉及火電、煤化工、水泥和鋼鐵行業(yè)。
CCUS是鋼鐵、水泥等難以減排行業(yè)深度脫碳的可行性技術(shù)方案。國際能源署發(fā)布2020年鋼鐵行業(yè)技術(shù)路線圖,預(yù)計到2050年,鋼鐵行業(yè)通過采取工藝改進、效率提升、能源和原料替代等常規(guī)減排方案后,仍然剩余34%的碳排放量,即使氫能直接還原鐵技術(shù)取得重大突破,剩余碳排放量也超過8%。水泥行業(yè)通過采取其他常規(guī)減排方案后,仍剩余48%的碳排放量。2019年,能源轉(zhuǎn)型委員會與落基山研究所聯(lián)合發(fā)布的報告《中國2050:一個全面實現(xiàn)現(xiàn)代化國家的零碳圖景》假設(shè),中國鋼鐵行業(yè)到2050年預(yù)計產(chǎn)量為4.75億噸,即使考慮了其他各項減排措施后,要實現(xiàn)凈零排放,還有0.5億~2.1億噸二氧化碳需要通過CCUS進行減排。
有研究表明,CCUS技術(shù)在電力系統(tǒng)、工業(yè)部門的應(yīng)用及其負排放具有潛力,預(yù)計到2050年,CCUS技術(shù)可提供減排貢獻為11億~27億噸二氧化碳。特別是發(fā)達國家日益重視CCUS技術(shù)的規(guī)劃與應(yīng)用,比如美國、英國、澳大利亞、加拿大等國家不僅將CCUS視為推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化的重大減排技術(shù),更瞄準該技術(shù)未來可觀的市場效益。
同樣,我國對CCUS技術(shù)的研發(fā)和示范給予了積極的關(guān)注?!秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要 (2006-2020年)》《中國應(yīng)對氣候變化科技專項行動》《國家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》等科技政策文件中均明確提出,要將CCUS技術(shù)開發(fā)作為控制溫室氣體排放和減緩氣候變化的重要任務(wù)。
在CCUS技術(shù)研發(fā)、示范與產(chǎn)業(yè)化方面,我國政府相繼支持了高校、科研院所與大型電力、石油和煤炭企業(yè)CCUS技術(shù)的研發(fā),為CCUS技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ),包括開展了10萬噸/年二氧化碳捕集、運輸與咸水層封存的全流程示范工程,在二氧化碳利用的多個領(lǐng)域均開展了大量的研發(fā)與示范?,F(xiàn)已初步形成了具有中國特色的CCUS技術(shù)發(fā)展路線和二氧化碳資源化利用技術(shù)體系。目前,我國尚沒有超過100萬噸/年的大規(guī)模全流程示范項目,而且短期內(nèi)CCUS技術(shù)實現(xiàn)商業(yè)化運作仍面臨成本高、部分關(guān)鍵技術(shù)不成熟、配套基礎(chǔ)設(shè)施和相關(guān)政策缺失的困難。