中国宝武实现碳达峰碳中和的六个技术研发方向

中国宝武实现碳达峰碳中和的六个技术研发方向

  • 2021年12月02日 11:00
  • 来源:中国铁合金网

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  • 关键字:钢铁
[导读]中国宝武实现碳达峰碳中和的六个技术研发方向

中国铁合金网:2021年11月18日,由中国宝武倡议并联合全球钢铁业及生态圈伙伴单位共同发起的全球低碳冶金创新联盟宣布成立,来自15个国家62家企业的企业家、专家、学者集聚一堂,共商应对低碳挑战之策,共谋开创绿色钢铁未来之路。在随后举行的全球低碳冶金创新论坛上,中国宝武党委书记、董事长陈德荣发表主旨演讲,从宝武的责任、宝武的方向和宝武的行动三个部分介绍了中国宝武碳中和行动方案,全面阐述了中国宝武立志成为钢铁业实现碳中和的先行者和引领者,致力于绿色制造和制造绿色,使钢铁的全生命周期均可为构建碳中和社会作出贡献,重塑钢铁行业在人类可持续发展历史中的关键地位的决心和行动。陈德荣书记、董事长在“宝武的方向”部分详细描述了六个方面的技术突破方向。

一:极致能效

方向之一是极致能效。之所以要把提升能源效率、实现极致能效放在首要位置,是考虑到成本、技术成熟度、资源可用性及政策部署,在变革性大幅减碳技术没有完全成熟之前,全流程能源效率提升应该要成为钢铁行业节能减碳的优先工作。

2018年以来,宝钢股份能源与环保委员会组织专业技术骨干,系统梳理出包含数百项可适用技术在内的节能低碳技术库,目前还在不断地更新迭代,部分采用后,仅宝山基地就可能形成30万吨标煤节能减碳举措,并据此制定了宝山基地的能效提升三年行动方案。世界钢协数据也表明,钢铁行业吨钢能源强度尚有15-20%的下降潜力。瞄准余热余能资源化、提升界面能效的创新与应用,聚焦冶金炉渣显热回收利用、提高鱼雷罐车周转次数降低铁钢之间的铁水温降、铸轧之间的热装热送减少能源浪费等钢铁能源领域共性难题技术突破,以及中低温余热资源的深度回收利用、余压资源潜力充分发挥和副产煤气极限回收和资源化等,挖掘余热余能潜力,实现“消灭活套、应收尽收”这个中国宝武挑战极致能效的目标,能够以最低风险、最快速度、最大限度地提供现有流程转型升级所需要的能源指标保障,达到发展与减排的科学协同。

二:富氢碳循环高炉工艺

方向之二是富氢碳循环高炉工艺。这是中国宝武历经数年开发的独门绝技之一,也是最有希望在世界冶金史上留下宝武印记的技术。经过几百年的发展,现代高炉炼铁工艺已十分成熟,无论是热效率还是产能规模,在当今冶金界都找不到比高炉更优秀的反应器,钢铁冶金完全放弃高炉工艺路线是非常可惜的。中国废钢保有量和循环量较少,采用电炉短流程低碳工艺不足以保障国民经济对钢铁产品量的需求。高炉流程短时间内还将是中国钢铁工业的主流流程,中国宝武更是近94%的流程都是高炉长流程,总资产以数千亿计。如果高炉流程不能延续了,那宝武数千亿计的长流程资产将归零,这对宝武整个资产的保值将会带来巨大压力。中国宝武无论是从保持自身竞争力的需要出发,还是从技术进步的需要出发,都要为“保卫高炉”而战,为炼铁的荣誉而战。

高炉之所以碳排放高,是因为高炉需要以煤制备成的大块焦炭作为骨架、还原剂和热源,来保障将铁矿石冶炼成金属铁的高效过程,由于受化学反应平衡限制,气相中需要保持过剩的CO,因此碳的利用率有限制,炉顶气体中还含有很大一部分CO,而CO同样是良好的还原剂。在当前工艺中,煤气中的这些CO浓度太低,只能用来燃烧放热,不能用于还原。在化石燃料时代,这种工艺是最佳工艺,但在碳中和背景下,煤气中的CO就成为了宝贵的资源,应该发挥更重要的作用。

中国宝武在探索的富氢碳循环高炉技术可以有效地解决这个问题。富氢碳循环高炉技术特点的关键是全氧和煤气提质循环,高炉实现全氧鼓风后,避免了大量氮气进入高炉炉顶煤气中,有利于CO和CO2的分离,分离得到的高浓度CO煤气送至风口和炉身,用于还原铁矿石,这就是碳循环,可实现碳化学能的完全利用。同时,煤气循环也使煤气中的氢气在高炉内循环,解决了高炉使用大量富氢物质后氢利用率下降的问题,为富氢物质在高炉内的大量使用提供了先决条件,从而降低高炉流程对化石能源的消耗。八一钢铁的富氢碳循环高炉已完成了一期和二期的中试试验,明年将开展第三期的试验。目前的实验结果表明,以富氢碳循环为主要技术手段,最大程度利用碳的化学能,以降低高炉还原剂比为方向,加上绿色电加热和原料绿色化技术措施,完全具有实现高炉流程的大幅减碳的潜力,有望继续延续高炉的辉煌。

为进一步降低高炉流程碳排放,围绕碳循环高炉还将开发的技术有:一是绿色电加热。过去冶金工厂将高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气循环使用,传统观念认为将这些煤气用来加热、发电是高效化利用,随着低碳冶金的推进,把煤气这种化学能作为加热能源是一种非常奢侈的行为。化学能在冶金工厂中只能用于还原的化学过程,而所有加热过程,宝武将考虑用绿电加热。二是微波烧结预还原技术。通过微波烧结替代传统的焦粉煤粉加热烧结,高温余热再用于氢气与氧化铁的还原耗热,使氢气既冷却了烧结矿,又对烧结矿进行了预还原,最终降低烧结矿进入高炉以后对还原剂的消耗,实现减碳的目的。三是在转炉的钢包、中间包、轧钢的钢坯加热全流程推行电加热,将煤气加热炉窑变成绿色电加热炉窑。四是新型炉料技术,包括预还原炉料和碳铁复合炉料,将这些新型炉料与常规炉料一同加入高炉,可以利用金属铁的催化作用,提升炉身效率,达到减少燃料消耗、降低CO2排放的目的。这些技术与富氢碳循环高炉一起,将构成宝武未来的碳中和高炉工艺。

三:氢基竖炉

方向之三是氢基竖炉。用氢气还原氧化铁时,其主要产物是金属铁和水蒸气,还原后的尾气对环境没有任何不利的影响,可以明显减轻对环境的负荷。使用清洁能源制取氢气,使用氢气还原铁矿石炼铁,有望实现近零碳排放的钢铁冶炼过程,是钢铁走向碳中和的重要路径之一。氢还原炼铁是欧美钢铁同行在探讨的主流工艺,中国宝武在这个方面当然也不会缺席,也不应该缺席。

采用绿色氢冶金虽然清洁,但由于氢气是最轻的气体,体积能量密度太小,发热量只有碳的72%,在还原铁矿石的过程中热量不足,不适合用来冶炼液态金属铁。因此,从冶金原理出发,宝武确定的氢冶金路径是开发氢基竖炉直接还原炼铁工艺,生产固态金属铁。宝钢股份积极响应,主动承担中国宝武氢冶金技术开发任务,和广东省商议后,终止了湛江基地本在规划中的四号高炉和五号高炉的扩建,改为建造一套兼具工业试验和商业化运营功能的百万吨级氢基竖炉。第一步先实施焦炉煤气的氢基竖炉工艺,在后续工序配套大功率电炉和薄板坯连铸,形成一个非常紧凑的短流程低碳冶金路线。未来考虑利用南海的天然气,乃至南海地区风电、光伏发电的绿氢来实现全氢的竖炉冶炼和极致的短流程工艺,目前已完成全部设计方案。

四:近终形制造

方向之四是近终形制造。近终形制造技术是指力求从钢水浇铸开始,就尽可能接近最终产品尺寸的连铸连轧一体化工艺技术,以便进一步减少中间加工工序,节省能源、减少贮存和缩短生产时间。与传统工艺相比,近终形制造技术流程更短,不需要经过多道工序,避免了反复加热,从而使得生产过程更加高效,能耗及排放更低,被认为是近代钢铁工业发展中的一项重大工艺技术革新。中国宝武已经开发出薄带连铸连轧技术,连同全球冶金技术工作者已经探索出的薄板坯连铸连轧技术、棒线材连铸连轧技术将是轧制区域碳中和的重要工艺路线。在未新建产线的情况下,宝武最近正在推进棒线生产线的直接轧制,在重庆钢铁一条棒线产线上实现了直轧,同时正在筹划在新疆建设一座全新的、极致短流程的薄带连铸零碳工厂。

五:冶金资源循环利用

方向之五是冶金资源循环利用。将循环资源在冶金领域有效、充分地利用是实现循环经济的重要手段,充分利用好含铁含碳固废、钢铁循环材料和有机生物质资源是实现钢铁绿色低碳发展的关键路径。选择经济合理的内部循环路径,充分利用厂内固废中的铁、碳资源,可以减少矿煤资源消耗和实现固废“零排放”。以废钢为代表的钢铁循环材料是充分还原后的金属,属于载能和环保资源,大比例使用钢铁循环材料将是未来低碳冶金的重要发展方向,可以节约高炉铁水使用,从而大幅减少CO2和污染物排放。我国有机固废资源丰富,其中仅农林生物质废弃物产量就达数亿吨,生物质生长时吸收的CO2和燃烧时排放的CO2构成平衡,不会增加大气中的浓度,因此被视为碳中性物质,冶金过程可使用生物质作为化石燃料的替代物,从而减少CO2排放。

六:CO2回收及利用

方向之六是CO2回收及利用。现代工业文明是建立在以碳为代表的化石能源基础上的,钢铁行业完全避免碳,从技术角度来说并不一定是最合适的。清洁地使用碳的化学能,建立内外部的碳循环,过程中再加入适当的绿色能量,对碳和氢进行科学组合,实现C、CO、CO2循环及产品化利用,在热力学和动力学方面会更有利于冶金过程,最终形成冶金工业中完整、可行的碳中和路径,也更利于目前钢铁行业的顺利转型。中国宝武从2015年开始的低碳冶金探索,就是冶金煤化工耦合,试图把冶金过程产生的煤气制成化产品,来减少向大气排放CO2的。CO2资源化利用的前提在于低成本捕获和净化冶金煤气中的CO2,然后往清洁燃料、有机原料和化工产品制备走,业内已有多家企业在尝试,宝武也进行了CO2分离的试验,已稳定运行了一年多。宝武还正在与石油企业策划CO2管道输送驱油技术。

以上六个方面的技术将是中国宝武未来实现碳达峰碳中和的研发方向技术突破后,各制造基地可根据自身情况从中进行组合形成各基地的碳中和实施路径。

来源:中国宝武

  • [责任编辑:zhaozihao]

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