行业动态

钢铁产业碳中和途径及其关键技术研究

2021-05-28 09:08:41


钢铁产业碳中和背景及其实现路径
  钢铁产业是国民经济发展的支柱产业。我国是世界第一钢铁大国,2020年粗钢产量达到10.65亿吨,占全球粗钢总产量的56%,但我国钢铁生产以高炉-转炉长流程为主,严重依赖煤基化石能源,是导致碳排放量较高的首要因素。2020年,钢铁产业二氧化碳排放量占我国碳排放总量的16%左右。有效降低二氧化碳排放强度和加强碳捕捉利用是钢铁产业亟待解决的难题,也是国家的重大战略需求。因此,钢铁产业亟待研发和应用碳中和前沿技术,实现低碳绿色化转型升级。即将实施的碳税政策更凸显其倒逼作用,将对资源能源密集型的钢铁产业产生直接深远的影响。
  从技术层面来看,钢铁产业实现碳中和主要包括以下几步:
  第一步,针对碳达峰和碳减排平台阶段,研发和应用低碳冶炼与全流程低碳加工及智能制造技术,实现高能效和低碳化。在工艺优化、强化冶炼、余热和二次资源高效循环利用、超低排放改造、系统节能、产品高质化等基础上,研发应用低碳高炉、高效连铸、铸轧一体化、在线组织性能调控等低碳冶炼、加工新技术,同时开发全流程信息物理系统,实现高可靠性、高稳定性全流程智能制造,最大程度地提高能源利用效率和实现碳减排,为碳中和奠定基础。
  第二步,针对钢铁产业快速降碳阶段,在低碳高能效冶炼基础上,研发和应用钢铁-化工联产技术(见图1),增加碳汇,实现碳净零排放。基于碳捕集利用,研发应用钢铁-化工-氢能一体化网络集成CCU技术(steel-chemicals-energy networking integration,简写为SCENWI,也称神威CCU技术),通过钢铁-化工协同,为我国以高炉-转炉长流程为主的钢铁产业实现碳净零排放提供最合理、最彻底的解决方案。
  第三步,针对钢铁产业深度脱碳阶段,在低碳高能效和钢铁-化工联产基础上,辅以氢能替代化石能源,研发应用氢基竖炉-电炉短流程新工艺技术,在适宜区域实现钢铁工艺流程革新和能源结构优化,为深脱碳或无涉碳钢铁生产提供全新途径。
  与国外相比,国内目前在氢冶金、钢铁-化工联产等碳中和前沿技术研发方面尚处于起步阶段,工业化应用较多处于空白,总体属于“跟跑”阶段。因此,碳中和冶炼极有可能成为制约我国钢铁工业未来发展的“卡脖子”技术。由于国外技术保密和限制,我国今后在核心技术应用方面极易受制于人,急需加快碳中和冶金研发步伐,突破关键技术,打破国外技术封锁,抢占低碳前沿阵地,实现核心技术、关键装备、标准体系、研发平台和人才队伍的全面超越,引领钢铁产业低碳绿色化发展。
  钢铁产业是国民经济发展的支柱产业。我国是世界第一钢铁大国,2020年粗钢产量达到10.65亿吨,占全球粗钢总产量的56%,但我国钢铁生产以高炉-转炉长流程为主,严重依赖煤基化石能源,是导致碳排放量较高的首要因素。2020年,钢铁产业二氧化碳排放量占我国碳排放总量的16%左右。有效降低二氧化碳排放强度和加强碳捕捉利用是钢铁产业亟待解决的难题,也是国家的重大战略需求。因此,钢铁产业亟待研发和应用碳中和前沿技术,实现低碳绿色化转型升级。即将实施的碳税政策更凸显其倒逼作用,将对资源能源密集型的钢铁产业产生直接深远的影响。
  从技术层面来看,钢铁产业实现碳中和主要包括以下几步:
  第一步,针对碳达峰和碳减排平台阶段,研发和应用低碳冶炼与全流程低碳加工及智能制造技术,实现高能效和低碳化。在工艺优化、强化冶炼、余热和二次资源高效循环利用、超低排放改造、系统节能、产品高质化等基础上,研发应用低碳高炉、高效连铸、铸轧一体化、在线组织性能调控等低碳冶炼、加工新技术,同时开发全流程信息物理系统,实现高可靠性、高稳定性全流程智能制造,最大程度地提高能源利用效率和实现碳减排,为碳中和奠定基础。
  第二步,针对钢铁产业快速降碳阶段,在低碳高能效冶炼基础上,研发和应用钢铁-化工联产技术(见图1),增加碳汇,实现碳净零排放。基于碳捕集利用,研发应用钢铁-化工-氢能一体化网络集成CCU技术(steel-chemicals-energy networking integration,简写为SCENWI,也称神威CCU技术),通过钢铁-化工协同,为我国以高炉-转炉长流程为主的钢铁产业实现碳净零排放提供最合理、最彻底的解决方案。
  第三步,针对钢铁产业深度脱碳阶段,在低碳高能效和钢铁-化工联产基础上,辅以氢能替代化石能源,研发应用氢基竖炉-电炉短流程新工艺技术,在适宜区域实现钢铁工艺流程革新和能源结构优化,为深脱碳或无涉碳钢铁生产提供全新途径。
  与国外相比,国内目前在氢冶金、钢铁-化工联产等碳中和前沿技术研发方面尚处于起步阶段,工业化应用较多处于空白,总体属于“跟跑”阶段。因此,碳中和冶炼极有可能成为制约我国钢铁工业未来发展的“卡脖子”技术。由于国外技术保密和限制,我国今后在核心技术应用方面极易受制于人,急需加快碳中和冶金研发步伐,突破关键技术,打破国外技术封锁,抢占低碳前沿阵地,实现核心技术、关键装备、标准体系、研发平台和人才队伍的全面超越,引领钢铁产业低碳绿色化发展。
图片关键词
  东大的钢铁碳中和技术路线
  在上述背景下,东北大学成立低碳钢铁前沿技术研究院,协同研发氢冶金、钢铁-化工联产、跨工业系统智能制造等低碳关键共性前沿技术(见图2),提出了CCU技术。
  神威CCU技术首先解决氢能来源问题,在钢厂内部副产煤气制氢、化石能源制氢和石化废氢(灰氢和蓝氢)基础上,重点开发可再生能源发电、高效电解水制氢(绿氢),进而研发富氢还原高炉炼铁、氢基竖炉直接还原-电炉短流程技术,实现氢冶金低碳冶炼。同时,基于二氧化碳捕集利用思想,将钢铁生产的尾气进行高效低成本净化、捕集、分离,得到一氧化碳和二氧化碳,作为化工产业的原料气,用于合成甲酸、乙酸、乙醇及其他化工产品,通过钢铁-化工产业协同实现钢铁产业二氧化碳净零排放。
图片关键词
  东大的钢铁碳中和关键技术研究
  低碳冶炼技术
  在国家“2011”计划(高等学校创新能力提升计划)支持下,东北大学矿冶学科群以“工艺绿色化、装备智能化、产品高质化”为目标,开展了钢铁全流程一体化协同创新,研发了一系列低碳绿色化关键共性技术,主要包括以下内容:
  1.选矿
  难选铁矿石悬浮磁化焙烧技术。东北大学自主研发了“预氧化-蓄热还原-再氧化”悬浮磁化焙烧新技术,成功开发悬浮焙烧工业化装备与高效分选系统,填补国内外技术空白,实现贫杂赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿石及含铁固废等资源高效利用,盘活国产铁矿资源100亿吨以上,提高难选铁矿石回收率15个百分点以上,提高铁精矿品位3个百分点~10个百分点,大幅降低采矿、冶炼工序碳排放量。
  新型常温高效铁矿石浮选药剂。传统浮选药剂凝固点高,分散性差,矿浆需加温40摄氏度以上,能源浪费和环境污染严重,开发贫杂铁矿石常温高效浮选药剂体系迫在眉睫。为此,东北大学自主研发新型常温高效铁矿石浮选药剂体系,根据药剂极性基团活性原子的电子态密度与矿物表面活性位点原子的电子态密度匹配关系,开发TD-Ⅱ、HBGT-135等新型浮选药剂,解决浮选过程能耗高、效率差等问题。
  新型陶瓷介质搅拌磨机技术。在选矿各环节中,磨矿成本占总成本的50%以上。开发新型高效绿色磨矿技术,努力降低球耗与电耗,成为矿山降本增效的重要课题。东北大学自主研发新型陶瓷介质搅拌磨机在鞍钢弓长岭选矿厂工业应用,球耗成本降低55.61%以上,磨矿电耗降低50.26%,磨矿单体解离度提高11.31%,选别指标提高0.2个百分点,预计年综合经济效益达到1600多万元。
  2.炼铁
  低碳高炉集成技术。东北大学与多家钢企合作研发富氢煤气喷吹、复合铁焦、炉顶煤气循环-高富氧冶炼优化匹配的低碳高炉炼铁技术,研究结果表明喷吹焦炉煤气137立方米/吨铁,顶煤气循环率为48.8%,鼓风富氧率为71.7%,则高炉吨铁能耗降低22.1%、碳排放降低51.8%。目前正在进行关键技术的工业化试验。
  3.炼钢、精炼和连铸
  转炉高废钢比冶炼技术。东北大学重点研发氧燃法废钢预热、复吹转炉高效冶炼技术与装备,主要特点有:采用模块化设计,根据企业装备及空间而定制设计;集成多工况燃控模型、高效氧燃枪与燃控自动化技术;快速升温,10分钟加热到800摄氏度以上;成本低,低热值煤气消耗200立方米/吨废钢~300立方米/吨废钢;吨钢铁水比降低30千克,二氧化碳减排50千克。
  高效连铸关键技术。东北大学自主研发形成以连铸坯凝固末端重压下、微合金钢表面裂纹控制为代表的高效连铸关键技术,开辟表面无缺陷、低轧制压缩比高效生产高端钢材新流程。与常规模铸制坯相比,金属收得率提升近15%,吨钢节约标煤1.32千克;实现微合金钢热装送,吨钢节约标煤20千克~30千克。该技术已在中国宝武等国内外钢企的29条产线推广应用,获得国家科技进步奖1项、省部级一等奖5项。
  电弧炉高效冶炼技术。东北大学自主开发形成电弧炉节能炼钢、快速熔炼等全套电弧炉高效冶炼技术,实现全废钢电弧炉短流程低成本环境友好高效冶炼技术的国产化;能耗降低20%以上,吨钢碳排放降至667千克,冶炼周期缩短约40%,效率提高50%以上,运行成本降低30%以上。该技术已在中国宝武等钢企的多座电弧炉上推广应用,并在江苏金虹公司投产国内首条低成本环境友好型全废钢电弧炉高效熔炼短流程生产线,达到国际领先水平。
  高品质特殊钢电渣重熔关键技术。东北大学自主研发形成以全参数过程稳定的电渣重熔洁净度控制为代表的高品质特殊钢电渣重熔关键技术,解决了国家重大工程和重大装备用多种“卡脖子”材料急需。与传统工艺相比,该技术能耗和碳排放降低效果显著,已推广应用于60多家特钢企业,获得国家科技进步奖一等奖1项、省部级一等奖3项。
  4.轧钢
  新一代TMCP(控制轧制和控制冷却技术)理论技术与装备研发及工程化。东北大学研发成功系列首台(套)板、带、管、型、棒、线材一体化在线组织调控核心装备,成为我国热轧钢材生产线主力机型,覆盖全部热轧钢材门类,推动离线热处理工艺在线化,节能降耗,提高产品品质。该技术应用至宝钢、鞍钢、首钢、河钢等90%以上大型钢企50余条生产线,在鞍钢、南钢建成国家级示范线,年创效益超百亿元。
  薄带连铸硅钢基础理论与产业化技术。通过基础研究、工业化技术开发,东北大学研发了独创的颠覆性工业技术和超高性能产品,开发高磁感电工钢薄带铸轧短流程工艺,目前已与敬业集团开展产学研合作,开展高品钢薄带铸轧产业化项目,旨在开发生产领先的高磁感硅钢产品。
  5.系统节能
  智慧化能源管控系统。东北大学开发能源管控系统,实现钢企能源精益化管理,为节能和碳减排提供工具,其中智能化能源管控平台项目在鞍钢鲅鱼圈分公司上线运行;煤气预测与多介质耦合优化项目在首钢京唐能源管控中心上线运行;与宝信合作承担重点研发项目,在宝钢股份上线运行。
  全流程智能制造
  钢铁工业属于大型复杂流程工业,涵盖炼铁-炼钢-轧制-热处理等工序,是充分发挥场景优势与数据资源优势的最佳载体,也是人工智能、大数据赋能产业增效的最具代表性领域,引领示范作用强。
  东北大学提出依托云计算、大数据、5G+边缘计算等先进信息通信技术,以信息物理系统为核心、工业互联网为载体的钢铁全流程智能制造架构,取得了重要突破,形成自主知识产权和高质量、低成本、高效率改造路径与模式,已在鞍钢、河钢、华菱涟钢、建龙集团抚顺新钢铁实施中。
  氢冶金
  在我国能源转型过程中,氢能扮演着“高效低碳的二次能源、灵活智慧的能源载体、绿色清洁的工业原料”角色。绿色氢能被认为是无碳经济的关键之钥,将氢能应用于冶金是冶金行业低碳绿色化转型的有效途径。一般意义上的氢冶金是指入炉还原气含氢高于55%条件下,还原铁矿石、球团矿生产优质DRI(直接还原铁)的气基竖炉直接还原。基于氢冶金的气基竖炉-电炉短流程具有碳减排50%以上潜力,是欧洲国家和美日等先进产钢国研发的热点。
  为基于我国原燃料条件发展氢冶金,东北大学进行了以下研究工作:
  高品位铁精矿制备技术。基于河北、山西、吉林、辽宁、山东、湖北、安徽多地磁铁矿资源(大于30亿吨),成功开发高品位铁精矿(全铁>70.5%、二氧化硅2.0%)制备技术和设备,建成年产10万吨高品位铁精矿示范线。
  气基竖炉专用氧化球团制备技术。通过多地高品位铁精矿的氧化焙烧试验系统研究,结果基于国内铁矿条件可生产冶金性能优良的气基竖炉专用氧化球团。
  煤制气-富氢竖炉示范工程设计。筹建富氢竖炉-电炉短流程示范工程,已完成整个工艺系统和工程设计,自主开发了气基竖炉核心装置,形成了多项知识产权成果。
  全氢气基竖炉关键技术。与某大型钢企合作,研发基于可再生能源制氢-全氢竖炉直接还原关键技术,包括全氢竖炉炉料、工艺系统设计、重大工艺装备、操作优化、安全控制技术、智能冶炼。
  钢铁-化工联产
  我国将来很长一段时间钢铁生产仍将以高炉-转炉流程为主,应在加强氢冶金研发的同时,重点发展钢铁-化工联产技术,即将钢铁副产含一氧化碳、二氧化碳尾气进行捕集和分离,作为合成气提供给化工厂用作加氢催化合成燃料、塑料、肥料等化工产品。这样做既减少钢铁生产的二氧化碳排放,同时为化工行业输入原本需要消耗化石或生物质才能获得的碳资源。另外,由于钢铁系统副产氢能不足,须引入新能源行业,利用可再生能源制氢。因此,钢铁-化工联产是通过钢铁、化工、氢能三大行业跨工业生产系统的网络协作和一体化网络集成,在保留高炉前提下实现高炉-转炉长流程最合理、最可持续的减排方式,也是通过钢铁-化工协同,实现碳排放趋零的最彻底的解决方案。
  钢铁-化工联产的难点主要体现在尾气多级协同净化捕集分离、二氧化碳高效催化合成、大规模低成本制氢、高附加值化工产品制备等方面。为此,东北大学开展了以下研究工作:
  尾气高效净化捕集技术及装置。开发国际领先的一步法高炉尾气脱硫工艺,脱硫率达99.9%,比主流技术节省20%成本,并与相关企业合作研发了世界首套多塔重回流变压吸附装置。
  尾气高效吸附剂。开发具有自主知识产权的离子液沸石、“分子陷阱门”材料等吸附剂,用于高效、低成本、选择性吸附,在钢厂尾气、烟道气、天然气分离等领域具有广泛应用前景。
  二氧化碳液相催化还原制甲醇。研发铜纳米颗粒催化剂和ZnZr离子交换的HTC催化剂,进行了二氧化碳催化还原制甲醇的系统研究和工艺技术开发。
  二氧化碳加氢合成甲烷。结合载体界面电子效应和多组元设计,开发高活性、高选择性稀土氧化物负载的Ni催化剂,在常压和300摄氏度条件下获得转化率99%以上的选择性。
  光催化二氧化碳还原制甲醇。以太阳光为能源,以水或氢气为还原剂,利用Ta3N5(五氮化三钽)、Cu2O(氧化亚铜)基高效光催化剂,常温常压将二氧化碳转化为甲醇,甲醇产率223.2μmol/g cat.,具有绿色、环保、节能优点。
  二氧化碳电催化制乙烯。以绿色电能为能源,通过电催化技术将钢铁尾气中的二氧化碳转变为乙烯等高附加值化学品。随着太阳能、风能等清洁能源转换为电能的成本不断降低,电化学二氧化碳还原有望在可预期的将来规模部署。重点研究了催化中心结构精准构筑和高活性、高选择性、长寿命气体扩散电极的制备。
  合作研发二氧化碳微生物发酵法生产乙酸技术。合作单位以复合产乙酸菌将二氧化碳在常温常压条件下,加氢稳定高效转化乙酸高附加值产品,攻克生物发酵法气体溶解度低、产率低、选择性差等难题,实验室条件下实现二氧化碳和氢气利用率达98%,产酸菌稳定性和选择性远高于现有其他技术。
  钢铁-化工联产技术中试。目前,东北大学与某钢企合作建设钢铁碳中和关键技术中试基地,以高炉煤气为气源,进行煤气净化和选择性捕集分离、二氧化碳热催化合成甲醇、电催化制乙烯、生物催化制乙酸的中试研究,以期择优选定技术经济性合理的二氧化碳转化利用工艺路线。
  在我国全面实现工业化进程中,钢铁产业仍是起重要支撑和推动作用的支柱产业。针对国家“30·60”碳减排目标,当前钢铁产业正处于低碳绿色化和数字智能化转型关键时期。为此,钢铁产业应以节能高能效为基础,重点发展多产业协同的碳捕捉利用,并辅以能源替代发展氢冶金,最终实现碳中和。
  毋庸置疑的是,体量巨大的钢铁产业实现碳中和是一个相当艰巨的任务,需要集聚全社会的优势力量,通过产学研用深度融合、多行业协同和多学科交叉,构建以“基础-研发-工程-应用”为框架的钢铁行业科技创新完整全链条,以点带面实现关键共性技术重大突破,最终形成在钢铁-化工-新能源-建材-高端装备制造等组成的新产业链中起到重要中枢节点功能的全新钢铁产业。


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