高炉富氢碳循环
2022-04-21 来源:钢易通

可以预见的是,目前以及未来相当长的时间内,高炉-转炉工艺都是我国钢铁冶炼的主流 工艺,而基于高炉加以改进、减少高炉冶铁过程中的碳排放量,则是我国钢企短期减碳 较合理的发展方向,其中高炉富氢工艺发展较为成熟。

 

高炉富氢通过在高炉中喷吹高浓度的焦炉煤气(其中富含高浓度的 H2 和 CH4),用还原 气替代传统高炉中焦炭和煤的作用;辅以炉顶煤气循环技术(TGR)和碳捕集、封存、 利用技术(CCUS),将高炉煤气中的 CO、H2 循环再利用,CO2 捕集、封存地下、或用 于工艺生产,从而减少高炉冶铁流程中的碳排放。

 

短期卓有成效,长期能力有限

 

向高炉中喷吹焦炉煤气的浓度决定了该工艺经济效益和减碳效果。浓度越高,生产效率 越高,减碳效果越好。一方面,H2 具有还原性,焦炉煤气浓度增加时,炉内还原气浓度 上升,炉料还原加速,从而提高生铁生产效率,H2 参与还原越多,对焦炭的消耗越少; 另一方面,H2 参与还原反应时,炉内需要喷吹更多的富氧进行热补偿,富氧浓度的增加 强化了回旋区碳的燃烧,有利于炉料的快速下降。

 

 

但是,焦炉煤气浓度提高时,H2的利用率下降,对还原气利用率的提升边际递减。考虑 到焦炉煤气和富氧的成本,喷吹焦炉煤气在吨铁 50m3 时具有最高的经济效益。

 

尽管焦炉煤气减碳能力随着浓度得提升而增强,但是焦炉煤气对焦炭的替代作用有限: 1)从热源上看,高炉冶炼中 70%-80%的热源是碳燃烧提供,H2 还原铁是吸热反应,反 应时需要不断提供热量;2)从还原率看,H2 的密度小,在高炉中停留的时间短,相比 于焦炭对铁的还原率更低,使生产效率下降;3)从骨架作用上看,氢的密度和分子结构 决定了氢无法像碳一样在高炉中起到支撑骨架的作用,使得还原气和炉料的接触不充分。

 

减碳效率的边际下降也掣肘了该工艺的减排能力。根据梅钢 2 号高炉实验,喷吹焦炉煤 气的浓度为吨铁 50 m3 时,吨钢可以减少 45.7kg 焦炭的使用量;100 m3 时,减少 64.1kg 焦炭的使用量;注入焦炉煤气浓度上升时,H2 利用率下降,还原气利用率增量边际递减 也印证了这一点。从目前技术上看,高炉富氢可减少约 10%的碳排放。

 

 

高炉富氢+碳循环+CCUS:完美互补,合力减排

 

发展炉顶煤气循环技术(TGR)对低碳炼铁有重要意义。从经济性看,高炉煤气由 N2、 CO、CO2、H2 组成,其中 CO 和 H2 可用于还原铁;由于冶炼过程对还原气的利用率有 限,可将未利用的还原气循环使用,降低成本、减少能耗;从环保性看,高炉煤气中的 CO2 是整个炼钢过程碳排放最主要的来源,炉顶煤气循环技术将 CO2 和还原气分离,结 合 CCUS 技术可以减少碳排放。

 

欧盟开发的超低 CO2 炼钢项目(ULCOS)实现了高炉富氢和 TGR 技术的结合:1)用 低温纯氧代替热风从炉缸风口吹入,去除高炉煤气中不必要的 N2;2)使用来自于焦炭和 喷吹煤中的低碳燃料;3)利用真空变压吸附技术(VPSA),将 CO2 从高炉煤气中分离, 从而实现对还原气体的循环利用+对温室气体的处置。目前这一技术已在小型高炉中实 现,据测算,高炉富氢和 TGR 技术的结合可减少约 30%的碳排放。

 

捕集 CO2后,通过碳捕集、利用、封存技术(CCUS)将其低成本、无害化处置以减少 碳排放是这一工艺的长期发展方向。CCUS 技术可将 CO2 用于工业材料(如水泥、甲醇 燃料)生产,或将 CO2 液化后泵入咸水层、油气层封存,从而达到减少碳排放的目的。 目前这一工艺仍在实验阶段,处置成本较高,而随着 CCUS 技术的成熟,高炉富氢碳循 环工艺将具有更大的减排潜力。

 

 

我们预期,短期内,高炉富氢碳循环技术是国内钢厂减少碳排放可行的方案:1)我国 钢铁生产近 90%左右基于高炉-转炉流程,高炉富氢技术基于现有的高炉设备,改造成 本较低;2)钢厂绝大部分资产是基于长流程炼钢,如果不能延续,资产保值带来压力; 3)富氢技术经过多年研发,技术比较成熟,且在海外已有应用;4)该技术具有良好的 减碳效果,高炉富氢和 TGR 技术的结合预计可减少 30%碳排放,和 CCUS 技术结合可 减少 30%-50%碳排放,能够满足国内钢厂短期减碳目标。

 

2030-2035 年之间,钢厂普遍有减少 30%碳排放的目标,这一目标的实现或依赖于富氢 碳循环技术在高炉上的大规模应用。因此我们预计,2030 年左右,高炉或将迎来改造 的高峰期。

 

关键词:行业动态,减排,高炉富氢碳循环

 

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