双碳研究 绿色氢能助力清洁钢铁生产

时间: 2024-09-07 07:05:47 |   作者: 火狐体育官方登录网址

  SSAB 是一家成立于 1978 年的瑞典钢铁公司,专门生产高强度钢。该公司正积极争取在 2026 年之前生产出无化石钢,利用氢气代替传统的高碳方法。其目标旨在到 2030 年明显降低运营过程中的二氧化碳排放。

  2023 年,全球粗钢产量将近 19 亿吨,中国以 54%的占比位居全球第一。钢铁行业是显著的排放密集型行业。在过去十年中,由于钢铁终端消费需求和生产所需能源一直增长,钢铁行业的二氧化碳(CO₂)排放量持续增加。每生产一吨钢平均排放 1.4 吨二氧化碳。炼钢每年产生的二氧化碳排放量超 30 亿吨,约占全球二氧化碳排放量的 8%。

  《国际能源署可持续发展设想》报告提出,到 2050 年,钢铁生产的直接二氧化碳 排放强度应减少 60%,从目前平均每吨粗钢排放1.4 吨二氧化碳,降低到0.6 吨二氧化碳。为实现这一减排目标,钢铁行业正采用更清洁的技术和利用替代能源来降低二氧化碳排放量。

  碳捕集与封存(CCS)技术发展的潜在能力巨大,它可以捕集钢铁生产的全部过程中释放的二氧化碳,并将其安全地存储在地下。尽管碳捕集与封存技术仍处于开发和实施的早期阶段,但它在减少钢铁行业碳排放方面潜力巨大。

  另一策略是利用太阳能和风能等可再次生产的能源。部分钢铁制造商正在探索利用这些能源驱动其业务运营,旨在减少对化石燃料的依赖,减少碳排放。

  此外,钢铁行业正日益趋向于实践循环经济。这一做法包括回收废金属来生产新钢,由此减少对新原材料和能源密集型工艺的需求。与生产新钢相比,生产回收钢所需的能源显著减少,还能大大降低碳排放。

  传统的钢铁生产的基本工艺最重要的包含两种方法:高炉—碱性氧气炉(BF-BOF)路线和电弧炉(EAF)路线。

  在高炉中生产生铁的过程中,铁矿石、焦炭和石灰石(CaCO₃)被投入炉内。焦炭与热空气一同燃烧,作为加热高炉的热源,同时产生一氧化碳 (CO)。一氧化碳与铁矿石中的氧化铁(Fe₂O₃)发生化学反应,将其还原成金属铁(Fe)。石灰石则作为一氧化碳的辅助来源和 “助熔剂”,与铁矿石中的硅石(SiO₂)反应生成可熔硅酸钙(CaSiO₃)。这种硅酸钙连同其他杂质一同形成炉渣,浮在铁水表面。

  生铁熔液从高炉转移到碱性氧气炉 (BOF),与废钢混合。向炉内吹入氧气,点燃钢水中的碳,并将其转化为一氧化碳(CO)和 二氧化碳(CO₂),同时将炉温提升至约 1500 ºC。这一过程可熔化废钢,降低铁水中的碳含量,还有助于去除不需要的化学元素。

  BF-BOF 工艺每生产一吨钢产生 1.99 至 2.23 吨二氧化碳。由于高炉使用焦炭作为还原剂,在铁矿石转化为铁水的过程中产生了大量的二氧化碳(CO₂),导致碳排放量很高。。在 BF-BOF 工艺中,69%以上的二氧化碳排放来自高炉。

  废钢或直接还原铁被投入电弧炉中,石墨电极和废钢之间产生的电弧产生高热,熔化金属。天然气、碳、石灰和氧气等物质在熔化过程中可提供额外的热量,同时也助于形成熔渣。通过氧化反应精炼钢水,去除杂质。这些杂质会转化为炉渣,通过定期清除炉渣来保证钢的纯度。当钢水达到所需的成分和温度后,便从电弧炉中流出,并被浇铸成各种形状,以便后续加工。

  通常,电弧炉相较于高炉—碱性氧气炉工艺,其碳密集程度较低。因为它主要依赖电力而非焦炭。然而,电弧炉(EAF)的碳足迹会因所用电力来源而有所变化。

  为实现钢铁制造业的去碳化,瑞典钢铁制造商 SSAB、矿业公司 LKAB 以及能源供应商 Vattenfall在2016 年联手创建了HYBRIT(氢直接还原铁技术)合资企业。HYBRIT 将氢气直接还原铁(H2-DRI)与电炉炼钢技术相结合,生产清洁钢材。

  传统的商业直接还原铁(DRI)技术采用碳基还原气体(如天然气)来生产海绵铁。而HYBRIT项目则在 DRI 工艺中采用氢气作为还原剂,即氢直接还原铁(H2-DRI)。这一工艺的副产品是水(H₂O),而不是二氧化碳(CO₂)。氢气是通过碱性电解槽,利用无化石能源产生的电力进行水电解而获得的。

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