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.      

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.      

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。     

碳中和目标下四川梭罗沟金矿铁镁质尾矿固碳潜力评估

铁镁质矿物可在自然条件下与CO₂反应形成稳定的碳酸盐矿物，是一种安全、经济且长久的碳捕获与封存方式。介绍了铁镁质矿物固碳机理，基于四川梭罗沟金矿铁镁质尾矿储量大，且可封存CO₂的CaO、MgO和FeO等成分占比高，分析了其固碳能力及潜力。初步估算梭罗沟金矿现有尾矿的CO₂封存量高达164万t,按目前的生产效率估算未来年均CO₂封存量约12万t,未来生产的尾矿至少可以封存CO₂ 246万t。参考ERW法可将梭罗沟金矿尾矿砂进一步分选出铁镁质矿物后，喷撒在农田使其自然风化消耗CO₂,全面推广将极大地降低CO₂封存成本。     

铝电解生产过程全氟化碳排放现状与分析

全氟化碳(PFCs)是目前被认为增温潜势非常强的温室气体，铝电解生产过程中产生的全氟化碳包括CF₄和C₂F₆。我国电解铝产量连续十多年位居世界首位，降低铝电解生产过程中PFCs排放是铝工业温室气体减排的路径之一。本文分析了铝电解PFCs的产生机理和排放情况，并以某企业300 kA系列电解槽为例，测量计算其PFCs的CO₂当量排放，并与按照指南缺省值核算的PFCs排放数据进行对比。对比结果表明，按缺省值计算的PFCs排放量为0.252 3 t CO₂e/t-Al,远小于测量值0.883 9 t CO₂e/t-Al,无法体现企业的真正PFCs排放情况。根据铝电解析出碳氟化合物的反应机理，降低铝电解生产PFCs排放的直接途径是减少阳极效应次数和缩短效应时间。因此，为了减少PFCs排放，从电解槽优化设计、槽控系统升级、工艺技术优化、大宗原料把控、设备运行维护等建方面提出了建议。     

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。     

铜基材料电催化二氧化碳还原反应的研究进展

利用可再生能源将CO₂转化为具有高附加值的产品是助力“碳中和”目标的有效途径。电化学CO₂还原反应(CO₂RR)因其独特的优势被认为是碳资源循环利用的重要方向,设计和合成高性能的催化剂对于发展电化学CO₂还原反应具有重要意义。在众多金属催化剂中,金属Cu催化剂是唯一具有负*CO吸附能和正*H吸附能的金属催化剂,能够将CO₂转化成多种不同经济产物,包括一氧化碳(CO)、甲烷(CH₄)、甲酸(HCOOH)等碳一(C1)产物,以及乙烯(C₂H₄)和乙醇(CH₃CH₂OH)等碳二(C₂)产物,成为了电化学CO₂还原反应研究中的重要研究体系。本文综述了近年来Cu基催化剂在电催化CO₂还原反应中取得的进展,详细介绍了CO₂电化学还原反应中Cu基催化剂的设计策略,着重对金属Cu的尺寸效应、晶面效应...     

低钙钢渣中钙、铁分离及回收利用

针对中国钢铁行业所面临的钢渣综合利用和CO₂减排这两大迫切需求，研究了以低钙钢渣为原料、醋酸为提取剂浸出钙离子的方法。使钙、铁分离后，再利用钙浸出液碳酸化固定CO₂制备轻质碳酸钙，并磁选回收浸出渣中的铁元素。借助ICP、XRD、XRF、TG-DSC等手段，对钢渣中钙和铁元素浸出效果、浸出渣磁选效果以及沉淀CaCO₃的纯度进行表征。结果表明，在钢渣粒径为[58,74]μm、浸出时间为1 h、固液比为1∶10、酸浓度为2 mol/L、浸出温度为40℃的条件下，钙铁分离的效果最佳。浸出液改性后通入模拟烟气，每t转炉渣能固定103.72 kg CO₂,可回收240.1 kg CaCO₃,CaCO₃纯度可达到98.18%。在0.14 T的磁场强度下浸出渣的磁选效果最好，富铁矿物回收量可达每t钢渣201 kg,同时铁品位也能达到57.3%。固碳产物碳酸钙可以作为填充剂用于橡胶、塑料行业，富铁矿物可返回钢铁生产流程。研究结果可为钢渣的有效利用提供参考。     

钢渣中游离氧化钙碳酸化反应的数值模拟

应用CFD fluent软件,以欧拉多相流模型为基础,建立流化床气固反应模型,该模型同时考虑了气固两相流动、传质和化学反应。通过UDF(User Define Function)自定义程序,实现气固两相流动、传热、传质、化学反应的耦合。研究目的为:(1) CO₂气体与钢渣中游离氧化钙反应生成碳酸钙,从而使渣的稳定性得以加强,拓展其应用领域;(2)熔渣可以作为CO₂的吸附剂,使CO₂得以固定。对直径0.24 m、高度1 m的流化床碳酸化反应器的反应过程进行数值模拟,获得了反应器内固相的体积分数、速度矢量和浓度场分布以及化学反应速率变化规律。得出最佳反应条件为:气速0.2 m/s,粒度(半径)90～150μm, CO₂:水蒸气=8:2,温度650～720℃,气体与固体颗粒充分接触的流化状态。     

超低碳钢RH混合喷吹Ar-CO2冶金反应特性

 钢铁生产过程CO₂的资源化利用对中国“碳达峰,碳中和”目标的实现起着重要作用。氩气驱动的RH(ruhrstahl-heraeus)真空装置是超低碳钢精炼的关键设备,利用高真空下钢水循环流动可有效脱碳、脱气和去除夹杂物。由于真空条件下CO₂可直接与钢水中碳反应生成CO,在实现脱碳的同时可促进熔池搅拌。因此,尝试将Ar-CO₂混合气体作为提升气体引入超低碳钢RH脱碳过程。首先,针对CO₂在RH脱碳条件下的冶金反应行为,通过热力学理论分析了不同压力下Fe-C-O熔体与Ar-CO₂的反应特性。其次,搭建了Ar-CO₂混合气体作为RH提升气体的工业试验平台,通过工业性试验研究了超低碳钢RH脱碳过程混合喷吹Ar-CO₂对钢水脱碳、脱氮和温降的影响。Fe-C-O熔体与Ar-CO₂反应热力学表明,在低于100 kPa和超低碳条件下,Ar-CO₂混合气体中的CO₂仍可能与钢水中碳反应,从而促进RH脱碳和脱气。工业性试验表明,喷吹100% CO₂、50% Ar+50% CO₂和100% Ar炉次出站平均碳质量分数分别为0.001 50%、0.001 57%和0.001 19%,因而混合喷吹Ar-CO₂并不会显著影响RH脱碳效率。同时,由于CO₂与钢水中碳反应十分有限,与喷吹100% Ar相比,喷吹100% CO₂和50% Ar+50% CO₂对RH脱氮效率和钢水温降没有明显影响。因此,超低碳钢RH脱碳时,完全可采用CO₂取代部分或全部氩气作为提升气体,尽管无法提高精炼效率,但仍具有显著的经济价值和环保优势。     

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。     

中国重点区域钢铁产业能耗和CO2排放趋势分析

钢铁产业是区域工业发展的重点,也是区域协调发展的重要因素。采用自下而上的方法建立了重点区域钢铁产业能耗和CO₂排放模型,分析区域特征对钢铁产业节能减排的影响。模型以2015年为基准年,基于粗钢产量预测结果,设置了与节能减排技术普及和生产结构调整相关的4个情景,用于分析2015—2030年国内重点区域钢铁产业的能耗和CO₂排放。结果表明,降低钢产量是区域钢铁产业节能和CO₂减排的根本措施。随着重点区域的粗钢产量进入峰值区,技术普及因素的节能贡献力将持续减少,生产结构调整的节能减排贡献力则逐渐增强,成为重点区域钢铁产业节能减排的关键红利来源。同时还可得出,对重点区域钢铁产业发展影响最大的区域特征是市场需求,经济产业政策和环保要求对钢铁产业发展的影响程度逐渐增强。未来重点区域钢铁产业的发展仍以市场需求为导向,新增产能更倾向于布局在水资源丰富、交通便利的地区。     

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。     

焦炭在H2O+CO2气氛中的溶损反应特性

 为了研究富氢高炉内焦炭的溶损反应特性,开发了连续进水的全自动焦炭反应性测定装置,分别利用CO₂和N₂载带不同比例H₂O(0%～30%)提供H₂O+CO₂(H₂O和CO₂混合气体)和H₂O+N₂(H₂O和N₂混合气体)的含水气氛进行焦炭溶损试验,通过红外气体分析仪实时记录出口气体中CO和H₂的摩尔分数,研究了焦炭在H₂O+CO₂气氛下的溶损反应过程以及碳溶反应(C+CO₂=2CO)和水煤气反应(C+H₂O=CO+H₂)的动力学过程。研究表明,随着H₂O+CO₂混合反应气氛中H₂O比例的增加,焦炭的碳素溶损率和溶损速率均逐渐增大,而且水煤气反应的溶损速率逐渐变大、碳素溶损率逐渐升高,但是碳溶反应的溶损速率则逐渐减小、碳素溶损率也逐渐降低,这说明H₂O+CO₂反应气氛中H₂O和CO₂同时与焦炭反应存在显著的竞争作用。通过分析碳素溶损率和水蒸气含量线性关系的拟合斜率发现,焦炭在H₂O+CO₂混合反应气氛中发生的碳溶反应和水煤气反应的斜率均小于单纯单一气氛下的碳溶反应和水煤气反应的斜率,并提出基于斜率差值的抑制因子α表征H₂O和CO₂对碳溶反应和水煤气反应互相影响程度,CO₂对水煤气反应的抑制因子α_<sub>CO₂/H₂O为0.253,H₂O对碳溶反应的抑制因子α_<sub>H₂O/CO₂为0.179,α_<sub>CO₂/H₂O为α_<sub>H₂O/CO₂的1.41倍,CO₂对水煤气反应的抑制程度强于H₂O对碳溶反应的抑制程度。     

磷铝复掺对C2S晶型转变的影响

为了探明P、Al复掺对纯C₂S晶型转变及物相组成的影响规律,采用X射线衍射仪(XRD)和FactSage热力学分析软件分析了P₂O₅和Al₂O₃复掺C₂S焙烧后试样的主要矿物组成及平衡态时物相组成。研究发现,P₂O₅的掺杂对C₂S晶型由β-C₂S向γ-C₂S转变有抑制作用,当P₂O₅掺杂质量分数高于0.5%时,抑制效果明显。Al₂O₃掺杂C₂S,Al₂O₃中Al3+替代β-C₂S中Si4+形成氧原子空缺,提高了C₂S的活化能;铝酸盐能够替代硅酸盐四面体,形成低熔点物质,提高C₂S的稳定性,降低熔点。因此,P、Al复掺C₂S,既能抑制C₂S晶型由β-C₂S向γ-C₂S转变所产生的体积膨胀,提高硅酸盐水泥的安定性,又能降低C₂S的熔化性温度,节约硅酸盐水泥的烧制成本。     

Steel’s CO2 balance—a contribution to climate protection

Steel making is energy and material intensive.That is why steel is always demonized and confronted with incriminations and requirements for reduction of its environmental impact.Those pure demands-like for emission trading are short-sighted as they do not base on an integrated approach.Instead they merely consider CO₂ emissions during the production process.A forward-looking,global climate and environmental policy needs a sustainable life cycle approach.Therefore it must for example also take into account the contribution of steel towards cutting emissions in its application-in the energy.automotive and household sectors.Steel will play a key role in climate protection. One-third of the remaining CO₂ reduction target planned in Germany by 2020 can only be achieved with the help of innovative steel products and their applications.This is the conclusion of an independent study by The Boston Consulting Group（BCG） on behalf of Steel Institute VDEh,and German Steel Federation.The study compares CO₂ savings from important innovative steel applications（such as more efficient power stations,wind turbines,or lighter vehicles） with CO₂ emissions caused by steel production. By adopting this comprehensive perspective,the study for the first time provides a CO₂ balance for the material steel by comparing the CO₂ reductions made possible through innovative steel applications with the CO₂ emissions resulting from steel production.The balance was calculated on the basis of eight selected innovative steel applications in Germany for the period 2007 to 2020,whereby the CO₂ emissions caused by steel production were considered throughout the entire life cycle of the particular steel use.For the selected examples,the use of innovative steels resulted in a total savings potential of 74 Mt of CO₂ in 2020.The calculations are based on conservative assumptions;for example without counting of potentials by exported steel or by comparison with competitive materials. The production of steel in Germany,including the extraction of raw materials,transports and further processing, causes annual emissions of approx.67 Mt CO₂ This can be more than compensated by the above mentioned CO₂ savings.The balance is even more positive if one only considers the emissions of about 12 Mt/a CO₂ caused by the selected eight steel applications.Innovative steel use thus saves six times as much CO₂ as is generated by its production. Steel is part of the story and helps to achieve CO₂ reduction targets.On this basis the steel industry should start up with a new global approach to be accepted as a CO₂ killer,too,instead of being the devil.This needs a political discussion on an integrated approach taking into account the whole life cycle,which finally can lead away from stringent emission caps or incompatible emissions trading systems for the different regions.     

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。     

CO2作为RH提升气的冶金反应行为研究

钢液真空循环脱气法（RH）精炼能够利用高真空和钢液循环流动有效脱气和去除夹杂物。同时,炼钢环境下 CO₂可与钢液中[C]反应生成CO提高搅拌强度。因此,本文提出将CO₂作为RH提升气进行真空精炼。针对CO₂在RH精炼过程的冶金反应行为特性,通过热力学理论分析了极限真空条件下CO₂脱碳的有利条件及限度,同时搭建了CO₂作RH提升气工业试验平台,通过工业试验对比研究了CO₂/Ar分别作提升气时对钢液精炼过程的影响。结果表明,若单纯考虑CO₂与碳反应,则当钢液中[C]低于1.8×10?6,CO₂仍然具有氧化碳元素的能力。然而,CO₂对钢液中碳铝元素存在选择性氧化,当铝含量低于一定程度时,CO₂主要参与脱碳反应;反之,CO₂则会造成一定铝损,因此若采用新工艺需考虑铝合金加入时机以及加入量。此外,CO₂用作RH提升气可获得与Ar效果相当甚至更优的脱氢效果,喷吹同等量CO₂并未造成钢液的大幅温降,因此CO₂完全有潜力作为RH提升气,进而完成精炼。      

低碱度含FeO渣热分解H2O/CO2制取H2/CO

以转炉钢渣为原料,通过高温重熔获得不同碱度渣样并开展H₂O/CO₂氧化试验,在获得H₂/CO气体能源的同时改善渣样磁性,提升渣综合利用率。试验结果表明,随着碱度增加,析出主要物相从橄榄石到镁蔷薇辉石最终向硅酸二钙转变,与此同时,固溶在其中的RO相逐渐溶出。相同亚铁含量下,高碱度渣样能够大幅度改善氧化反应效率,碱度1.83渣样最高产气量为H₂ (32.3 cm3/g)、CO (22.1 cm3/g),反应率分别达到了83.7%、57%,碱度1.13的渣样反应率分别仅为 40.5%、32%。氧化后的渣样磁选效率均有提高,碱度2.13渣样从14.85%增加到78.75%。