钢铁冶炼过程低二氧化碳排放技术的概述

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1、西安建筑科技大学华清学院本科毕业设计英文翻译题 目：钢铁冶炼过程中低二氧化碳排放技术的概述院（系）：材料与冶金工程系专 业：冶金工程学生姓名：杨静鹏学 号：0705020319指导教师：杨双平钢铁冶炼过程低二氧化碳排放技术的概述徐崇宝(查尔斯)1），苍大强2）1) 湖首大学化学工程系, 加拿大 安大略 P7B5El 2）北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083摘 要:全球的钢产量持续增长了50多年，从20世纪50年代的200百万吨增长到2006年的1240百万吨。钢铁冶炼行业是能源密集型的产业之一，每年的能耗大约是24EJ，占世界总能耗的5%。钢铁企业的温室气体排放约占世界总排放量

2、的3%-4%。提高能源效率和采用节能或回收能源技术，例如：干法熄焦和顶压回收技术。这对钢铁企业减少温室气体排放来讲是有效的方法。对钢铁企业来讲，为了大量减少二氧化碳的排放量的长期方法是通过开发和利用二氧化碳的突破技术和增加利用可再生资源。因此，本文写了一篇关于二氧化碳减排突破技术的评述。关键词:温室气体排放，二氧化碳减少技术，炼铁，炼钢 第 7 页 全球人为二氧化碳排放量在2007年约为29Gt，预计在2020年将达到37Gt1-2。能源和环境对许多国家来讲已成为刻不容缓的问题了，尤其对那些经济高速发展的发展中国家，例如：在2006年中国的GDP约占世界总GDP的5.5%，同时也耗费的能源约占

3、世界总能耗的15%，并且二氧化碳的排放量约占世界总排放量的14%(仅次于当时美国)。为了应对这些挑战，中国在关于国家经济和社会发展的第11个五年规划里制定的强制性指标，即：和2005年相比每单位的GDP要减少能耗20%，并且到2010年二氧化硫的减排总量达到10%。在过去的10年里，全球的钢铁产量迅速的增长，从1995年的752Mt到2006年的1240Mt，平均每年的增长率为5%，由于中国钢产量的迅速增长，致使现如今中国钢产量已成为世界第一。钢铁企业是世界上耗能最大的企业之一，平均每年的能耗约为24EJ（1018），约占世界总能耗的5%。中国在2006年钢产量为419Mt，耗费了9.8EJ的

4、能量或者335亿吨标准煤，约占国家一年总能耗的15%。现如今，在中国每吨生铁需要710-740公斤的煤，这样的能源效率远远低于那些发达国家的水平3。每吨钢产生2200公斤的二氧化碳作为世界的平均值（那些发达国家则为1800公斤)4。根据政府间气候变化小组知，钢铁行业温室气体排放量约占世界总排放量的3%-4%。 结果，为了应对全球变暖和气候变化问题，减少二氧化碳的排放量对钢铁企业具有重要的战略意义。对钢铁企业来说，降低二氧化碳排放量短期方法能够提高能源效率并且采用节能或回收能源技术，例如：干法熄焦和顶压回收透平技术。然而，钢铁企业应该寻求能大量减少二氧化碳排放量的先进的长期方法。这些方法就包括增

5、加使用可再生资源和开发和应用二氧化碳突破技术，例如：二氧化碳捕获和储存技术和纯氧高炉炉顶煤气回收相结合，新的钢铁冶炼工艺工程不需要烧结和炼焦等步骤。1. 钢铁企业减少二氧化碳排放量的有效方法 综上所述，在钢铁冶炼过程提高能源效率对钢铁企业减少温室气体的排放量是一种短期的有效的方法。事实上，从1990年通过改善能源效率以来，钢铁企业已经大量减少了二氧化碳的排放量。也许由于平炉被碱性氧气炉替代（碱性氧气炉和平炉相比具有相对较低的能耗）和连铸技术的广泛应用，在北美，欧盟，日本这些国家钢铁行业的能耗和1975年相比大概降低了50%。例如：美国钢铁业的能耗从1975年50MBtu/t到1990年的17M

6、Btu/t显著降低了65%，直到2004年的大约1350MBtu/t4。2007年5月7日，国际钢铁协会在布鲁塞尔要求各国政府在钢铁行业合作为了开发一种富有想象力和全面的方法来应对后京都时期的气候变化。几乎在同一时间，2007年6月中国也公布了它的首个气候变化计划，致力于提高能源效率并且要求钢铁企业在国家大型高炉采用更加节能的技术如干法熄焦和顶压回收透平技术。干法熄焦技术是有益的，由于它可以从每吨焦炭回收400-500公斤的水蒸气，每吨焦炭相当于800-1200MJ4。对于现代使用煤粉或喷油的高炉来讲，每吨铁水消耗350公斤焦炭，使用干法熄焦技术大约每吨生铁能节约10-14公斤的焦炭，这样每吨

7、生铁因此也能减少排放30-40公斤的二氧化碳。由于它的优良的操作的可靠性，TRT技术也能广泛的应用于钢铁行业。在日本和韩国，TRT设施被安装在所有的高炉上。每吨生铁由TRT大约能产生40到60KWh的电力。现如今，在钢铁联合企业所需的超过8%的电是由TRT提供4。这样减少了火电厂使用化石燃料（如煤）。假设一个火电厂每KWh排放0.5公斤的二氧化碳，TRT对二氧化碳的减排达到每吨粗钢20-30公斤。因此，干熄焦法和TRT技术对二氧化碳的减排潜力达到2%-3%。在2006年，传统的工艺的高炉和碱性氧气转炉占世界整个钢铁企业的65%之多，与之相比电弧炉占32%，而平炉工艺少于3%5。特别是，2006

8、年中国422.7万吨的钢材的87%是碱性氧气转炉生产的，而 13%是电炉生产的。一个典型的钢铁厂采用传统的高炉或碱性氧气转炉工艺路线，每个单元产生的二氧化碳的百分比见图16 。图1 在钢铁生产中传统高炉和氧气碱性转炉产生的二氧化碳的排放量 从图中可以清楚的看到高炉的工艺过程是全厂产生二氧化碳的主要来源（约69%）。高炉排放的二氧化碳主要由于高炉使用的还原剂（焦炭，煤等）。然而，自从1975年至今的过去的30多年以来，许多的发达国家如德国每吨铁水所需的还原剂几乎没变大约为500-550公斤。由于高炉是逆流的反应器，这两个最现代化的设备和运作模式的应用已经降低了所需的能量和能量损失，为进一步减少还

9、原剂使用和二氧化碳的排放量的潜力是非常有限的。因此，传统的高炉和碱性氧气转炉的钢铁生产技术发展到这样的地步，以至于通过改善工艺来节省大量能源是不可能的7工艺过程是全厂产生二氧化碳的主要来源（约占69%）。高炉排放的二氧化碳主要由于高炉使用的还原剂（焦炭，煤等）。然而，自从1975年至今的过去的30多年以来，许多的发达国家如德国每吨铁水所需的还原剂几乎没变大约为500-550公斤。由于高炉是逆流的反应器，这两个最现代化的设备和运作模式的应用已经降低了所需的能量和能量损失，为进一步减少还原剂使用和二氧化碳的排放量的潜力是非常有限的。因此，传统的高炉和碱性氧气转炉的钢铁生产技术发展到这样的地步，以至

10、于通过改善工艺来节省大量能源是不可能的7。2. 二氧化碳捕获和储存技术如图1所示，对于一个按照高炉和碱性氧气转炉传统工艺路线生产的钢铁厂来说，高炉工艺是排放二氧化碳的主要贡献者。高炉煤气通常包括20%的二氧化碳，23%的一氧化碳，3%氢气，54%氮气。如果从高炉排放的二氧化碳通过隔离如贫油和气藏，深含水层或者深海被捕获和储存在水库中，那么从钢铁厂排放的二氧化碳将大量的减少。由于担心全球温室效应和气候变化，CCS技术在最近的十年引起了人么更大的兴趣并且应用在石油工业的二氧化碳能提高原油的开采率8-9。 二氧化碳捕获技术已经被证明和应用于天然气和氢气的净化。天然气和石油领域已经配备了该技术用于去除

11、二氧化碳，无论是对存在于原有气体中的二氧化碳的分离还是注入分离出来的二氧化碳增加原油的开采率，目的都是为了增加该领域的表现。这有三种技术在市场上占主导地位：液体化学吸附，物理吸附，固体吸附三个工艺。液体化学吸附过程使用甲乙醇胺或其他的醇胺从进料流中去除二氧化碳。天然气中的二氧化碳被吸收塔中大约40-65的醇胺吸收，然后重新生成的醇胺温度达到100-120。尽管这个过程很完善，由于甲乙醇胺.污染物和昂贵的操作成本以及大量的能能量在溶剂中再生，因此该过程有一些和腐蚀相关的问题。化学吸附也被用于吸收发电厂的烟气中的二氧化碳已有几十年了。对于钢铁行业二氧化碳排放的控制，美国钢铁协会和韩国已经测试了使用

12、化学吸附工艺来吸收高炉煤气中的二氧化碳。物理吸附过程采用乙二醇或其他的有机溶剂，它们与二氧化碳或者其他的酸性气体相互作用没有与醇胺作用强烈并且反应再生的能量也较醇胺少。固体吸附过程用于去除天然气中的二氧化碳10，或者去除氢气流中的污染物，这些都是基于吸附材料对于不同的气体的选择性吸收。在工业的过程中变压吸附是最著名的气体分离方法11。最常见的吸附剂是沸石，氧化铝，硅胶和活性炭12，变压吸附是如今用于氢的提纯的主要技术。在捕捉后，二氧化碳需要在池中无限期押藏，它不会重新进入大气层。尽管二氧化碳捕捉技术已被突破，但其储存或封存技术仍在发展。下面这些水库必须确认要与二氧化碳隔绝：枯竭的油气藏，深层海

13、洋，深蓄水池。石油和天然气藏通常是被坚不可摧的岩石覆盖，以至于使沉积的二氧化碳不能重新进入大气层。向半枯竭的油藏注入二氧化碳是提高原油开采率行之有效的技术。在世界（主要是在美国和北海），有70多处石油开采使用该技术8，据估计，与每年7亿吨的全球碳的排放量相比，全球已探明的石油和天然气潜在的存储量约为140亿吨碳。因此，在枯竭和半枯竭的油气藏封存二氧化碳在有限的范围内减缓全球变暖起一定作用。由于它更大的二氧化碳的储存量，在一个深海封存二氧化碳可以是一个更有前途的解决方案。在下面大约1000米深处，海洋层关于二氧化碳的含量还不饱和，在数百道数千年的翻覆中它们一直都很稳定。据估计，深层海洋碳的储存量

14、约为1019碳8。对于在深海封存二氧化碳的主要问题是成本。在大陆铺设深度达到1000米的大直径管棚是很昂贵的，大约每公里耗资1-2百万美元。由于通常含有多孔的钙和镁浸泡在盐水中，所以在深部的含水层封存也被称作矿物封存。它涉及到二氧化碳与这些矿物质反应形成的稳定的碳酸盐地质13-14。在1998年由美国能源部主办，一个由国家能源技术实验室，奥尔巴尼研究中心，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和亚利桑那州立大学的研究人员组成的团队已经开始调查和改进碳化过程15。通过矿物学固定储存二氧化碳的研究已经并还继续在包括中国在内的许多国家进行着9。在1998年，中国在渤海湾彭地最大的辽河油田开始了它的第一个为了提高

15、石油开采率而进行的二氧化碳封存项目16。3. 纯氧高炉炉顶煤气回收与CCS的技术相结合 由于它接近能源效率方面的物理极限，所以现代高炉操作非常接近其理论极限，尽管略有改善，可透过增加循环利用（如增加废钢利用），节约能源从煤转向天然气。上面所讨论的CCS的技术似乎能够减少二氧化碳的排放，但是据估计CCS尾管技术对二氧化碳的主要排放者（例如，高炉）只能降低25%-30%的二氧化碳的排放量，由于CCS本身非常高的能量消耗过程。为了满足现代高炉操作的二氧化碳减排问题，UL认证职业导向（超低二氧化碳炼钢），一个为期五年的欧洲项目RFC和6FP再2003年开始制定的突破性技术，该技术能够通过改变两个或两个

16、以上的因素能大幅度削减从钢铁厂排放的二氧化碳的量。该项目的大约3000万美元的经费由欧盟研究计划提供，包括煤钢研究基金。该项目组由48位勤奋和富有天赋的合作伙伴组成（钢铁制造商，在钢材供应链上的公司，研究实验室，大学）。在这个项目的突破建议路线包括1）高炉（煤炭）在过程的二氧化碳捕获，2）在熔融还原过程二氧化碳（煤炭）捕获，3）直接还原（天然气），在进程捕获和4）使用碳中性和可持续的生物量。在2008年2月27，欧洲钢铁技术平台（埃斯特普）已在布鲁塞尔宣布，推出一系列的ULCOS研究计划的第二阶段。ULCOS- II将设立一个工业规模的几个较大规模的试点，以测试最有前途的中长期技术。除非低碳电

17、力是大量使用，所有的突破路线将需要与碳捕获和储存耦合。ULCOS- II将需要投资大量水平在第一个工业规模的示范区，据估计这项投资需3亿美元。进行评估以工业规模的第一技术是将将纯氧高炉炉顶煤气回收（TGRBF）与CCS技术相结合，如图2所示18。图2 高炉煤气回收和二氧化碳捕捉储存技术结合过程 通过使用纯氧代替空气和回收无二氧化碳的高炉煤气，TGRBF- CCS的可以减少30的碳输入。对于CCS过程净减少的二氧化碳（同时考虑到了CCS的操作过程额外的能量消耗）将在20-30的水平。因此，可以通过TGRBF- CCS技术总体上可能获得减少50-60的二氧化碳排放量。基于各种方案的TGRBF-CC

18、S过程二氧化碳的排放量与传统的高炉相比18表明二氧化碳的减排量TGRBF单独为5%-10%，BF-CCS为25%-30%，TGRBF-CCS为50%-60%，与超过80%的TGRBF CCS的木炭（一个碳中性的燃料）相比。然而，有一些关于令人兴奋的TGRBF- CCS技术的冶金难题，包括如何优化喷煤风口的氧气，以及如何获得有效的气体分布在高炉炉缸。4. 新的钢铁生产工艺及其减排二氧化碳的潜力4.1直接还原过程 高炉过程仍是主要的钢铁生产工艺，生产超过世界总量的92总铁量。然而，高炉过程的固有缺点包括1）依赖高品质的冶金级焦炭和氧化铁的原料（球团矿，烧结矿，块矿）；2）只有在大容量时经济可行；3

19、）对焦炉和烧结厂环境的限制（二氧化碳和二氧化硫排放量）；4）辅助设备的要求（例如，原料处理和制备系统，烧结厂，以严格的环境控制系统焦炉，球团硬化窑辅助工厂）；5）高资本和业务强度等19。这些缺点导致了替代发展的进程，如炼铁小高炉的过程中，熔融还原过程，直接还原过程。直接还原过程包括在低于纯铁（1535C）熔融温度下减少固体状态铁氧化物，利用一氧化碳、氢气、甲烷或者含碳物质作为减少渗碳剂，为了生产具有多孔结构的直接还原铁（DRI）的（通常称为海绵铁）。在全球，直接还原的能力通过现有的天然气基础或以煤炭为基础的技术在增加，以支持新的高品质钢材产品生产的电炉炼钢的扩建。相对于高炉的过程中，另一个推动

20、直接/熔融还原工艺发展的重要的推动力量是直接/熔融还原过程更环保：他们并不需要高品质的冶金级焦炭和氧化铁的原料（球团矿，烧结矿，块矿），但使用铁矿粉和煤粉直接接触，从而避免集聚和焦化的步骤并且有降低20%的二氧化碳的潜力（见图1）。在过去的5到10年，通过直接还原生产铁迅速的增加20。与2005年的数字56.1万吨相比，2006年世界直接还原铁产量增加到59.8万吨，同比增长了7。直接还原铁生产在世界主要分布在委内瑞拉，伊朗，沙特阿拉伯，墨西哥，南非，埃及，阿根廷，卡塔尔，加拿大等国家。 根据使用还原剂来源不同直接还原过程可分为两大类21-22：天然气基直接还原工艺和煤基直接还原工艺。现如今，

21、直接还原铁生产工艺的主要是天然气基直接还原工艺，如Midrex和HYL使用竖炉和流化床Finmet。一个有趣的发展是两个阶段的氢为基础的Circored工艺采用循环流化床系统，以减少铁矿粉23。该工艺通过蒸汽重整和CO变换反应从天然气生产纯氢气，其中的副产品高浓度二氧化碳可以很容易被封存处理。Midrex还原过程使用天然气和竖炉生产出37.5万吨铁，占世界总直接还原铁的60%。与高炉相比，该Midrex工艺中每吨铁水要消耗12GJ的能量。Hyl过程生产11万吨，或占全球18%。在使用天然气和流化床生产的Finmet过程产铁量占2%，或1.3万吨。余下的20，即11.8万吨，是在不同的煤基回转窑

22、/炉工艺中生产的。在那些天然气或氢廉价存在的区域，气基直接还原铁通过接下来的电炉熔炼能够生产出在成本上具有竞争力的优质钢材。对天然气的竖炉工艺的限制之一是他们要么需要高品位的块矿或者颗粒状的矿是作为他们所需的单位原料铁，然而由于这种原料供应有限，因此原料的成本在不断地攀升。优良矿石的低成本使得流化床工艺更有吸引力。然而，在那些不能获得廉价的天然气的地区煤基还原铁工艺将具有优势。一些煤与铁的直接反应过程是在回转窑中进行的，例如SL/RN工艺（德国鲁奇有限公司的煤基直接还原技术），这种工艺自从20世纪60年代至今经过了不同的发展阶段。两个商业煤基Fastmet单位经营的转底炉已在神户制钢与新日铁，

23、日本都安装，用以生产85%的还原铁球团矿24。4.2熔融还原工艺熔融还原过程包括在纯铁的熔融温度以上（1535）在液态的金属浴中还原铁氧化物和气化含碳材料（通常是煤）。熔融还原过程不同于传统的高炉工艺路线在于非炼焦煤可以直接用于还原和熔炼过程，消除了对焦化厂的需要，从而大大降低原材料成本和环境污染。同时也为烧结厂分配了所需的块矿和球团矿。典型的熔融还原工艺有：Corex，Finex和HIsmelt。由西门子奥钢联公司开发的Corex技术在熔融还原过程从铁矿石和煤炭中生产铁水被证明在成本效益和环境方面都是友好的25。COREX工艺将铁熔化/煤气化炉和预还原竖炉结合为了生产出液态产品，这和高炉铁水

24、生产是十分相似的。从预还原竖炉产生的煤、氧和预还原铁加入到融化/气化炉中用以铁的融化和煤的气化，产生的二氧化碳和氢气的废气被加入到预还原竖炉中，在预还原竖炉中块矿和烧结矿减少到90%以上。尽管Corex有相对较高的成本，它是至今唯一的冶炼过程中要以商业规模经营。宝钢浦东钢铁有限公司（简称浦东钢铁）在上海附近罗泾开了一家迄今世界上最大的CorexC-3000工厂，每年的额定生产总量为1.5万吨铁水。Finex是使用非焦煤作为能源和还原剂基于还原和熔炼非烧结铁的新的熔炼还原过程。由西门子奥钢联和韩国浦项钢铁生产商及其研究院工业科学与技术（里斯特）开发的Finex工艺已经在浦项制铁中运营。由力拓公司

25、开发的另一个现代的熔融还原工艺是HIsmelt。该HIsmelt工艺的核心包括了立式水冷熔融还原船（休闲车）。这种冶炼厂包含一个以上的铁液渣层浴。进料包括通过水冷式侧枪把通量加入到这种金属浴中。在冶炼厂，通过粉煤手段在铁水中注入的铁氧化物减少，也可以通过并排长矛注入。从上面吹入的热富氧空气创造了一个高湍流混合区，这能够使热量从渣铁层向铁水浴中传递。如果与直接还原作为前端进程的因素相结合，HIsmelt熔融还原容器将提高生产能力26。在循环流化床反应器，铁氧化物减少到约75的金属化程度。预还原铁矿石然后不断地排入到一个分离器中为了控制产出产品的铁碳比。最后该产品直接送入到HIsmelt熔融还原容

26、器。每吨粗钢组合工艺（Circofer预先还原和HIsmelt熔融还原）二氧化碳的排放量为1800公斤，与通过传统的高炉IBOF路线生产每吨粗钢排放的二氧化碳2227公斤相比，减少了18%。通过添加第二阶段流化床反应器，为了最终削减步骤，以煤为基础的Circofer过程也可以用于生产金属化高DRI/HBI直接用于电弧炼钢炉6。尽管以煤炭为基础的新的钢铁制造技术很明显有减排二氧化碳和低能耗的优点，但是他们也有着一些共同的技术挑战，即导致煤中的硫含量较高。此外，在浴冶炼渣中的FeO含量比高炉中高，这也将促使更多的硫从从渣中进入到金属相中。当使用浴金属冶炼生产出优质钢材时，铁水高效脱硫所需要的26。

27、5. 总结 钢铁冶炼行业是能耗最高的产业之一，能源消耗占世界的5%，温室气体的排放量占世界的3%-4%。提高能源效率可作为钢铁行业减少温室气体排放的短期办法。然而，对钢铁企业来讲，为了大量减少二氧化碳的排放量的长期方法是通过开发和利用二氧化碳的突破技术和增加利用可再生资源。二氧化碳，突破性技术包括：二氧化碳捕获和储存（CCS）技术及其与纯氧高炉炉顶煤气回收（TGRBF）的组合。新的钢铁制造工艺（直接和熔融还原工艺）不需要集聚的步骤及炼焦业（因此它也消除了与二氧化碳排放相关的这两个步骤）。笔者要感谢宝钢研究院有限公司研究与发展中心宝山钢铁股份有限公司）的李宣威先生给予本文的许多方面有益和有见地的

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