钢铁工业减碳与CO2资源化利用技术的研究进展

在全球“碳达峰、碳中和”新发展背景下,钢铁工业低碳发展尤为重要。分析了钢铁工业构建低碳循环及减碳领域的典型技术研究现状,以及新型CO₂资源化利用产业的发展情况。从全球相对成熟的钢铁工业生产流程现状出发,重点介绍了高炉-转炉、全废钢-EAF、直接还原和熔融还原4类钢铁生产流程的碳排放强度。目前,全球钢铁制造流程主要以高炉-转炉长流程和废钢-电炉短流程为主,长流程吨钢碳排放强度约为电炉短流程的3倍。结合全球钢铁产量的演变值推算了2001—2022年间全球钢铁工业的CO₂排放量,阐述了减碳以及CO₂资源化利用的紧迫性和必要性。根据已有的钢铁工业减碳经验,选取日本、欧洲和中国的低碳冶炼项目进行分析,包括其在钢铁工业减碳发展中所进行的试验性技术探索和阶段发展实践。在钢铁工业减碳的基础上,推进CO₂的资源化利用是实现钢铁工业碳中和的重要任务。阐述了钢铁企业碳捕集固碳技术的研究现状与特点,系统归纳了当前助力钢铁工业CO₂资源化利用的有效方法,包括在炼钢转炉和精炼工序上采用不同模式的CO     

钢铁行业CO2排放特征及治理技术分析

针对钢铁行业CO₂减排严峻的问题,本文首先系统梳理了长流程炼钢各工序的CO₂排放特征,得出石灰窑烟气、烧结烟气、炼焦煤气、高炉煤气、转炉煤气中CO₂的体积分数分别为10%～40%、7%～10%、2%～4%、9%～12%、15%～20%;接着研究分析了碳替代与碳捕获等控碳技术,以及CO₂资源化利用技术,得出高炉富氢冶炼和富氢气基竖炉是我国氢冶金发展的两大主要方向,应重点采用化学吸收法进行CO₂捕获,在CO₂综合利用上,重点考虑针对钢厂特殊工序,CO₂作为搅拌、控温、覆盖保护、稀释气等发挥作用;最后结合某4×10⁶ t/a钢卷产能的长流程钢铁企业开展的CO₂捕获及综合利用项目分析了相关技术推行的可行性。本文可为国内钢铁行业科学精准有序降碳提供借鉴。     

转炉炼钢工艺极限碳排放研究进展

中国钢铁行业发展取得长足进步,年钢产量连续多年位居全球第一,由此带来的CO₂排放等环保压力也日益凸显。降低钢铁行业CO₂排放至关重要。长流程炼钢工艺的吨钢CO₂排放量约为短流程炼钢工艺的3.5倍,如何降低长流程炼钢碳排放对钢铁工业的低碳发展具有重要意义。提出转炉炼钢极限碳排放工艺技术,从“低碳铁水”、“低碳冶炼”和“低碳原料”3个方面,研究分析长流程-转炉炼钢工艺的减排能力及潜力。在低碳铁水生产方面,依据现有可能实现的技术,铁水生产的碳排可由当前吨铁水碳排1.7 t/t降低至0.8 t/t;在低碳原料方面,转炉炼钢工序生产所需原辅料极限碳排放可由当前吨钢碳排197.5 kg/t降至61.7 kg/t;转炉炼钢工序采用低碳冶炼单元技术,吨钢碳排将显著下降,转炉采用20%废钢和50%废钢,吨钢极限碳排将降低至727 kg/t和466 kg/t。转炉炼钢工序使用50%废钢冶炼,喷吹生物质、采用绿电、低碳原料,转炉工序碳排放强度将从107 kg/t降至-186 kg/t,实现转炉工序“负碳炼钢”;精炼、连铸等工序着眼绿色低碳技术...     

中国低碳炼铁技术的发展路径与关键技术问题

“碳达峰”和“碳中和”是中国钢铁工业未来发展的总体规划,降低碳排放是钢铁企业需要共同攻克的技术难题。从源头减碳、过程节碳和末端用碳3个层面分析了中国低碳炼铁技术的发展路径,提出了实现“碳中和”需要解决的关键技术问题。分析表明废钢电炉短流程炼钢将是中国钢铁行业实现“碳中和”的主要途径,氢气竖炉直接还原将是中国钢铁行业实现“碳中和”的重要补充。高炉喷吹富氢气体、氧气高炉和全氧熔融还原炼铁等技术可以减少碳排放,但碳排放的减少量有限,必须要与末端CO₂吸附、储存和利用相结合,才能够实现“碳中和”。为了按期实现钢铁工业的“碳中和”,需要解决的关键技术问题有低成本氢气制备技术、煤气高温加热技术、炉顶煤气CO₂低成本脱除技术和CO₂的储存与利用技术。     

典型钢铁企业全流程的氮素流及其含氮污染物减排潜力分析

针对钢铁生产全流程产生的NO_x造成的环境污染问题,依据NO_x生成机理及元素流分析方法,建立钢铁生产全流程氮素流分析模型。应用该模型,以某典型钢铁企业实际生产数据为样本,分析钢铁联合企业的氮元素流动特征,讨论钢铁生产全流程中排放的含氮污染物及废气NO_x的产生、脱硝及排放情况。研究结果表明,钢铁企业输入的氮素主要来源于高炉鼓风和各工序燃烧所需的空气(99.655%),输出的氮素主要以N₂形式(82.917%)排放至大气,全流程内的氮素主要以煤气和工序产品形式循环;钢铁企业排放的含氮污染物以废气NO_x(97.982%)为主,高炉炼铁工序废气NO_x排放量最高;钢铁企业产生的废气NO_x主要来源于焦炭(56.84%)和煤炭(28.91%),其中24.23%的NO_x经脱硝后转化为N₂排放至大气。对钢铁生产全流程氮素流及含氮污染物的排放、控制及相关政策开展研究,提出合理建议,对中国环境保护和钢铁行业的绿色发展具有重要意义。     

典型钢铁企业全流程的氮素流及其含氮污染物减排潜力分析

针对钢铁生产全流程产生的NO_x造成的环境污染问题,依据NO_x生成机理及元素流分析方法,建立钢铁生产全流程氮素流分析模型。应用该模型,以某典型钢铁企业实际生产数据为样本,分析钢铁联合企业的氮元素流动特征,讨论钢铁生产全流程中排放的含氮污染物及废气NO_x的产生、脱硝及排放情况。研究结果表明,钢铁企业输入的氮素主要来源于高炉鼓风和各工序燃烧所需的空气(99.655%),输出的氮素主要以N₂形式(82.917%)排放至大气,全流程内的氮素主要以煤气和工序产品形式循环;钢铁企业排放的含氮污染物以废气NO_x(97.982%)为主,高炉炼铁工序废气NO_x排放量最高;钢铁企业产生的废气NO_x主要来源于焦炭(56.84%)和煤炭(28.91%),其中24.23%的NO_x经脱硝后转化为N₂排放至大气。对钢铁生产全流程氮素流及含氮污染物的排放、控制及相关政策开展研究,提出合理建议,对中国环境保护和钢铁行业的绿色发展具有重要意义。     

热压铁块降低高炉CO2排放量的探究

热压块铁(HBI),品位在92%～93%,具有高纯净、低有害杂质、品质均匀、强度高、粉化率低等优点，直接装入高炉，可提高铁水产量，同时也可降低高炉单耗，节焦、增产效果明显。以国内某1 580 m³高炉为研究对象，建立了高炉工序的CO₂排放计算模型，计算出高炉工序CO₂排放量为1192.109 kg/t铁，吨铁CO₂排放量为1618.96 kg。对高炉工序CO₂排放量计算结果分析，焦炭的CO₂排放量高达73.52%,要降低CO₂的排放的关键在于减少焦炭的使用。随着加入热压铁块的量增大，吨铁CO₂减排量增大，从而实现了减少CO₂排放。     

晋南钢铁高炉喷吹富氢气体工业化实践

 钢铁工业是中国制造业中碳排放量最高的行业,碳排放占全国碳排放总量的15%左右。高炉是钢铁工业碳消耗量最大的工序,碳消耗占钢铁流程总碳消耗的70%以上,减少高炉冶炼碳消耗是降低钢铁工业碳排放的最有效措施。高炉喷吹富氢气体不但可以提高冶炼效率,减少污染物排放,而且可以减少焦炭或煤粉消耗,从源头上降低高炉冶炼碳消耗,从而减少碳排放。以山西晋南钢铁两座1 860 m3高炉风口喷吹富氢气体工业化生产数据为例,详细研究了高炉喷吹富氢气体对燃料比、风口理论燃烧温度、炉腹煤气量、H₂利用率以及CO₂排放量的影响。结果表明,喷吹富氢气体可以显著降低高炉固体燃料消耗,在吨铁富氢气体喷吹量为65 m3条件下,富氢气体与固体燃料的置换比为0.49 kg/m3;风口喷吹富氢气体降低了风口理论燃烧温度,吨铁每喷吹1 m3富氢气体,风口理论燃烧温度降低约1.5 ℃,高炉鼓风量和炉腹煤气量都少量降低;喷吹富氢气体以后,炉内H₂的利用率平均为37.3%,CO的利用率约为43.2%;吨铁CO₂排放量可以降低80 kg左右,高炉CO₂排放降低了5.6%,取得了较好的经济、环境和减污降碳效果。     

钢铁行业碳排放管理与服务平台的设计与开发

通过对国内外钢铁行业低碳发展形势、CO₂排放数据基础、CO₂排放因子、“双碳”工作存在的问题等方面进行分析，指出构建具有公益属性的钢铁行业碳排放管理与服务平台对提高钢铁行业“双碳”服务能力具有重要意义，且符合国家“双碳”战略导向。以钢研碳云平台的建设为例，介绍了钢铁行业碳排放管理与服务平台的系统架构及其在碳排放核算管控与产品碳足迹计算方面的应用，并验证了平台应用的可靠性；针对钢铁行业碳排放数据存在的痛点，提出了基于区块链技术建设钢铁行业可信碳排放数据存证管理与服务平台以及3类应用场景开发的设想。     

氢气气基竖炉-电炉短流程环境影响分析

氢冶金是中国钢铁行业实现低碳绿色化转型升级的有效途径之一,基于煤制氢技术的气基竖炉-电炉短流程是一种典型的氢冶金工艺,具有广阔的发展前景。采用生命周期评价法(LCA)对煤制氢-气基竖炉-电炉短流程环境影响进行了分析,并对比研究了短流程与传统高炉-转炉(BF-BOF)长流程的环境性能。结果表明,煤制氢-气基竖炉-电炉短流程LCA结果为2.56×10-11,其中GWP₁₀₀(全球变暖潜值)和POCP(光化学臭氧合成潜值)分别贡献54.16%和36.76%;煤气脱碳和电炉电能消耗是造成碳排放和能源消耗的主要原因;短流程整体评价结果仅为BF-BOF流程的27.41%,吨钢CO₂排放和能耗可分别减少53.75%和47.45%,环境性能明显优于传统长流程。     

钢铁工业二氧化碳排放计算方法实例研究

实现钢铁生产中CO₂排放的准确量化和计算是分析评估其环境影响及各种减排技术的基础和保障.基于Y钢厂2015年的实际生产数据，分别利用国内推荐的投入产出法和国际钢铁协会推荐的生命周期法计算了Y钢厂的吨钢CO₂排放量.计算结果表明:生命周期法计算的Y钢厂的吨钢CO₂排放量为2.183 t CO₂，明显高于国内推荐的投入产出法计算的Y钢厂的吨钢CO₂排放量1.940 t CO₂，这主要是由于钢铁协会提出的计算方法统计项目更为丰富并且考虑了物料和能源的上游产生的二氧化碳排放.结合《温室气体排放核算与报告要求》计算方法和国际钢铁协会所提出的计算方法，从计算边界、排放因子、物料和能源分类以及评价基准线层面提出了一套基于全生命周期方法的符合中国钢铁企业国情的温室气体排放计算方法.      

高炉富氢冶炼后焦炭的性能演变研究现状及展望

在国家提出“碳达峰”和“碳中和”的背景下，钢铁企业的绿色改革迫在眉睫。钢铁企业的化石燃料消耗和CO₂排放主要来源于高炉炼铁工序，高炉富氢冶炼技术可以有效降低高炉焦炭消耗和CO₂排放，高炉内H₂体积分数的增加将使焦炭的性能演变过程发生较大变化，因此，探索这一变化过程对高炉生产的稳定顺行和节能减排尤为重要。综述了高炉富氢后对焦炭的气化反应、微观结构以及软熔带渣铁-焦界面熔蚀过程影响的研究现状。与传统高炉不同，高炉富氢冶炼加大了低温区焦炭的气化反应失重率，但是高温条件下焦炭的气化过程主要发生在表面，这抑制了高温区焦炭反应后强度的降低；高炉软熔带渣铁对焦炭的侵蚀减少，同时焦炭表层灰分质量分数较大，阻碍了渗碳反应的发生。在此基础上对需要进一步深入研究的问题进行了展望，为富氢高炉生产以及焦炭的选择提供参考。     

钢铁联合企业CO2排放研究综述

摘 要：回顾了近年来国内外研究钢铁联合企业CO₂排放的文献,建立了钢铁生产过程碳素流模型;总结和分析了钢铁联合工业影响CO₂排放因素;介绍了国外利用reMIND和CLPEX建立的过程集成优化分析生产成本和CO₂排放量的模型;总结了钢铁联合企业CO₂排放量的估算方法和注意事项;提出我国钢铁联合企业目前应该加快建立适合本国钢铁联合企业温室气体排放计算标准和方法;展望了钢铁联合企业研究CO₂排放的研究方向。     

三类钢铁制造流程降碳路线综述

根据对钢铁行业低碳发展的分析和设想，未来钢铁生产制造流程将在减量化发展进程中，逐渐演变为高炉-转炉长流程、全废钢电弧炉短流程和氢冶金-电弧炉流程三大类。影响三类钢铁生产制造流程碳排放水平的关键因素包括流程结构、原料结构、能源结构、产品结构、装备水平、管理水平、技术水平等。采用中国钢研构建的双碳分析模型（CISRI-CPCN），绘制了三类流程的降碳路线图。研究结果表明，三类流程碳排放量逐年降低。从2020―2060年，长流程的CO2排放量从2.0 t/t（钢）降低到0.87 t/t（钢），可通过碳汇、碳交易等手段实现碳中和。2050年短流程从0.45 t/t（钢）降低到接近0，有望实现“近零碳”冶炼。2060年氢冶金电弧炉流程（50%废钢+50%HDRI原料结构）从1.31 t/t（钢）降低到接近0，基本实现碳中和。综合考虑国民经济的发展需求，建议未来钢铁行业在减量化发展过程中，对三类流程的产品结构进行逐步调整。长流程的产品结构应逐步过渡到以生产平材产品为主，特别是高端板材，主要布局在沿海深水港地区。短流程应以建筑用长材为切入口，逐步替代中小高炉-转炉流程，部分生产合结钢等优特钢或不锈钢...     

CO2在钢铁工业资源利用现状

钢铁生产过程CO₂的资源利用问题将对我国CO₂减排任务的完成起到重要作用.以CO₂在钢铁工业中的资源化利用为出发点,分析了国内外CO₂气体作为反应气体、搅拌气体及保护气体等在钢铁生产过程中的应用现状. CO₂用作反应气体主要应用在BOF转炉炼钢、不锈钢生产及钢渣碳酸化处理;CO₂用作搅拌气体主要应用于转炉底吹、钢包搅拌及LF炉精炼;CO₂用作保护气主要应用在出钢、中间包及连铸等工序.利用CO₂用于钢铁生产具有成本低、热力学条件好、密度大、搅拌能力强及实现CO₂资源利用等优点,CO₂喷吹之后反应体系中CO₂的利用率需进一步研究.      

CO2在炼钢工艺中的资源化利用现状与展望

将CO₂用于炼钢工艺可实现对CO₂资源化利用，是一种绿色化、低成本、高效率和易实现的冶炼技术。本文以采用CO₂炼钢工艺为立足点，介绍了近年来CO₂在转炉、电弧炉等流程的应用研究现状和发展情况。同时，结合基于钢铁企业的实际运用情况，概述了CO₂资源化利用在炼钢过程中的可行性和实际效果。CO₂可作为反应气体、保护气体、搅拌气体应用在炼钢工艺过程中，具有生产成本低、热力学条件好、搅拌能力强等优点，应用前景非常广阔。实际生产表明，采用CO₂炼钢可提高铁水脱磷率5%～7%，吨钢节约生产成本9元以上。CO₂在炼钢工艺中的资源化利用将是实现我国钢铁行业高效率、低成本减排的重点研究方向之一。以我国年产粗钢10亿t估算，采用CO₂炼钢工艺可降低钢铁行业CO₂总排放量约5%左右。     

高炉 转炉流程生产过程的硫素流分析

 针对高炉 转炉流程生产过程产生的SO2烟气造成环境污染的问题,以工业代谢理论为基础,应用物质流分析方法,建立了工序的硫素流分析模型。应用该模型,以某钢铁联合企业实际生产数据为例,分析了高炉 转炉生产流程硫的来源和去向,讨论了钢铁生产过程排放的SO2的构成,为进一步研究钢铁工业SO2的减排提供了理论依据。     

钢铁流程资源-能源-碳排放耦合关系及分析

 钢铁工业作为国民经济建设的基础性行业,在繁荣发展的同时带来了资源和能源消耗量大、CO₂排放高等问题,引起国内外重点关注。基于中国北方某钢铁企业,以3种典型的耦合关系为例对钢铁生产过程的水资源-能源-碳排放耦合关系以及相关的影响因素进行了分析。节能供给曲线分析和生命周期水足迹分析结果表明,案例企业的能源消耗-水资源消耗-碳排放存在协同效应。例如在节能技术视角下,19项具有成本效益的节能技术在减少能耗6.01 GJ/t的同时,还可协同减少工业新水消耗1.35 m3/t、水足迹4.81 m3/t以及CO₂排放640.36 kg/t。进一步分析了耦合关系的主要影响因素,即电力消费结构、废钢投入率和节能技术参数变化的影响。该研究为中国钢铁工业可持续发展提供理论依据和重要参考。     

中国钢铁生产“碳中和”解决方案探讨

根据某工程各工序碳素流计算出全流程吨热轧钢材的直接CO₂排放量为1.786 t。以此为基数,就高炉-转炉长流程工艺的几种主要减碳技术的减碳效果进行了定量评估,发现减碳效果有限,只能作为从“碳达峰”到“碳中和”的过渡方案或最终解决方案的补充。从“碳中和”要求的角度看,以全废钢或气基还原铁+废钢为原料的电炉炼钢短流程无疑是最佳解决方案。结合中国资源条件就几种典型短流程组合方案进行了适应性分析,提出了以“氢基竖炉直接还原铁+电炉炼钢方案”为主、以“高炉-转炉长流程工艺减碳技术+碳捕集与封存(CCS)方案”和“全废钢电炉炼钢方案”为补充的“碳中和”解决方案,最后给出了安全低成本获取氢基竖炉直接还原铁所需的“绿氢”方案建议。     

中国钢铁工业CO2减排的进步与展望

CO₂减排已引起中国钢铁行业的高度重视。中国钢铁行业20多年来,一直重视节能工作,并取得了巨大成就,成为CO₂减排最重要的基础。1990年以来,不同时间段的吨钢综合能耗年均降低值为3.02～5.85个百分点,主要大型钢铁企业能耗水平已与国外先进企业相当,干法除尘、冶金煤气、余压、余热利用技术水平不断提高,钢铁能耗统计不断完善,先进的“少碳”、“非涉碳”冶金技术正在研发。在保证中国发展的前提下,不断淘汰落后企业和装备,深化节能技术,进一步降低CO₂是中国钢铁工业最为迫切和长远的任务。