碳中和目标下的冶炼技术探索

刘献东

自20世纪50年代以来，替代传统炼铁工艺的直接还原（DR）和熔融还原（SR）技术路线一直处于研发状态，截至目前全球共探索出73个直接还原技术路线和59个熔融还原工艺路线上的不同技术，但是只有少数可以达到工业试验或工业应用阶段。从热化学和能源的角度上看，有“碳”“氢”“电能”3种不同维度的还原方式。传统的“碳基冶金”工艺（BF-BOF和SR）属于“碳”维度的还原方式。伴随着社会的发展，电能的使用程度不断加深，冶金工艺也朝着“氢”和“电能”维度进化。在这两种维度内包含直接还原工艺（DR），可将天然气、氢气，或者一氧化碳和氢气的混合气体等作为富氢还原性气体，将金属氧化物还原成金属。现代钢铁冶炼技术中，最常采用的是氢气与一氧化碳的混合气体。常规状态下，采用焦炭作为还原剂，高炉炉气中的氢气含量可达到10%。采用COREX®、FINEX®等还原工艺时，氢气含量最高可达30%。直接还原技术以富氢气体代替焦炭或煤等作为还原剂，可将高炉炉气中的氢气含量提高到60%~100%。目前主流的直接还原技术有基于竖炉的ENERGIRON®技术（氢气含量可小于85%）和MIDREX®技术（氢气含量可小于65%），以及基于流化床的FIOR/FINMET®技术和CIRCORED®技术（氢气含量可高达100%）。但是，由于流化床工艺技术成本过高，当竖炉工艺商业化成熟后或将被淘汰。将绿色氢基的直接还原技术作为氢冶金的主流技术路线已成为当前业内共识。基于碳中和的总体目标，与采用传统高炉转炉技术的吨钢1.76吨碳排放量相比，采用绿色氢基直接还原技术的吨钢碳排放量仅为0.15吨，减少85%以上的二氧化碳排放。目前，共有3项正处于实验室开发阶段的潜在技术：电解冶金技术（Electrowinning）、熔融氧化物电解技术（MOE）、氢等离子体熔融还原技术（HPSR）。一是电解冶金技术（Electrowinning）。电解冶金技术（Electrowinning）是一项基于铁矿石电解的突破性创新技术。与传统的钢铁制造工艺相比，它将炼钢与电化学工艺结合在一起，可直接从铁矿石中分离铁和氧。该技术使用的碱性溶液在电流作用下从惰性阳极流过，同时将溶液中的铁颗粒沉积并还原到阴极上。该技术具有很高的灵活性，可由可再生能源提供电能，从而大大减少了能源消耗及碳排放（可减少87%的碳排放、31%的直接能源消耗）。安赛乐米塔尔通过12年的开发，已经将该项目的技术成熟度（TRL，Technology Readiness Level），提升到了TRL4。目前，安米正和欧洲11个研究机构一起合作，目标是将此项技术的商业化成熟度提升到TRL6。二是熔融氧化物电解技术（MOE）。熔融氧化物电解（MOE）是熔融盐电解的一种形式，该技术用于生产铝、镁、锂、钠和稀土等金属。其还原剂为电子，原料为精矿或纯氧化物，电解质为熔融氧化物，温度高达2000℃，产品为铁和氧气。其商业化成熟度范围为TRL1~TRL2。熔融氧化物电解技术（MOE）可以在实验室规模上制造金属。Antoine allanore、Jim Yurko和Donald R. Sadoway于2012年成立了波士顿电冶金公司（现称为波士顿金属公司）。据2013年《自然》杂志报道，波士顿金属公司的Antoine Allanore、Lan Yin和Donald R. Sadoway证明了MOE技术可以通过使用合适的惰性阳极制造零碳排放的钢铁产品。该公司在美国能源部和国家科学基金会的资助下继续创新，并将MOE技术拓展至铁合金、钢铁和各种合金的制造。三是氢等离子体熔融还原技术（HPSR）。该项技术基于高温下的气体等离子体，分子氢被分解为原子氢或离子氢（H或H+），由于其具有比分子氢高得多的还原电位，可以将所有金属氧化物还原为金属。该项技术具有低排放、工艺流程简单、渣量少等优点，但仍然存在对炉壁的辐射较大（无泡沫渣过程）、渣对耐火材料的侵蚀性大等主要问题。因此，在氢等离子体熔融还原工艺的开发过程中，下部容器的耐火材料设计是研究该领域的核心技术之一。此外，氢气的合理利用也尤为重要。一方面，由于等离子火焰辐射产生的高热负荷和FeO高含量炉渣的化学侵蚀，氧化的耐火材料也会被未使用的氢还原；另一方面，由于部分氢气会伴随水蒸气溢出，氢气未能被全部用于还原铁矿石。根据奥地利莱奥本矿业大学的RHI研究中心的研发结果，耐火材料将在奥Donawitz工厂的HPSR反应器中通过K1-MET进行测试。此外，通过底部吹扫系统注入气体而产生的泡沫渣可保护衬里免受高热冲击。实验室的反应器在放大到500千瓦~2兆瓦的功率水平时，可以评估电弧稳定性、电弧情况和氢气等离子体条件下的传热。电解系统的设计将检验可再生能源制氢的最新技术水平，并存储所产生的氢气、回收废气中未使用的氢气。

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