挑战碳中和的MIDREX直接还原铁工艺 | 技术前沿

随着工业技术的发展，化石燃料，尤其是煤炭的使用(yòng)得到了不断的扩大。然而，為(wèi)了防止全球变暖，钢铁行业需要尽快实现碳中和。作為(wèi)实现碳中和的关键，直接还原过程备受期待。
 

 

如今的钢铁生产工艺依赖于化石燃料，所以钢铁行业是温室气體(tǐ)排放较大的行业之一。

所以，钢铁行业强烈要求减少CO2排放。國(guó)际能(néng)源署作為(wèi)一个特定的目标，（IEA）可(kě)持续发展情景设定于2020年（SDS：SustainableDevelopmentScenario）。根据巴黎协定，2070年与全球能(néng)源利用(yòng)相关的CO2排放為(wèi)零，钢铁行业在2050年比2019年减排54%。；2070年需要减排90%。去年通过的COP26《格拉斯哥(gē)气候协议》明确提出，本世纪末将全球气温上升幅度控制在1.5℃以内的目标，要求钢铁行业的减排速度进一步加快。

 

1.2钢铁生产工艺概要

以铁矿石為(wèi)主要原料的代表工艺是高炉。（BF）-转炉（BOF）法律，将块状铁矿石、焦炭和煤粉放入高炉中，还原熔融铁矿石，生产高碳铁水，在转炉中脱碳熔化成钢水。另一种以铁矿石為(wèi)主要原料的工艺是直接还原（DR）-電(diàn)炉（EAF）方法。直接在还原炉中使用(yòng)天然气作為(wèi)还原剂和热源，还原块化的铁矿石，然后将获得的固體(tǐ)还原铁放入電(diàn)炉中熔化，从而生产钢水。这种方法不仅被用(yòng)作天然气价格低廉、废钢发生有(yǒu)限的中东、近东等地區(qū)的炼铁方法，也被用(yòng)作后面提到的废钢。―電(diàn)炉法是主流地區(qū)，废钢中的铜等杂质元素(混合元素)已经成為(wèi)影响钢材质量的问题。為(wèi)了稀释这一点，供应的还原铁作為(wèi)“清洁铁源”起着重要的作用(yòng)(注:在直接还原法中，煤炭也可(kě)以作為(wèi)还原剂使用(yòng))。

废钢為(wèi)主要原料的工艺是废钢―電(diàn)炉（EAF）法律。由于使用(yòng)废钢，无需还原，用(yòng)電(diàn)炉熔化精炼废钢，生产钢水。

 

现在，大约70%的钢铁生产来自铁矿石(其中90%是高炉，10%是直接还原炉)，30%是废钢，30%是高炉。―转炉法占一半以上。

 

CO2排放量1.3各钢铁生产工艺

图2显示了各种钢铁生产工艺的CO2排放量。由于焦炭和煤被用(yòng)作热源和还原剂，高炉-转炉法排放了大量的CO2，目前吨钢排放量约為(wèi)2.2。t。如后所述，通过在高炉中使用(yòng)还原铁，可(kě)减少需要的焦炭和煤炭的还原，从而减少CO2的排放。

 

 

未来钢铁产量预测与还原铁的作用(yòng)

 

图3是在各机构预测的基础上，预测2050年粗钢产量。未来，随着经济的发展，预计全球粗钢产量将继续增加。其中，随着废钢产量的增加，虽然来自废钢的粗钢产量也会增加，但為(wèi)了弥补粗钢产量的整體(tǐ)增加，来自铁矿石的粗钢产量将保持现状水平。因此，除了尽可(kě)能(néng)地利用(yòng)废钢，如何减少来自铁矿石的钢铁生产中的CO2排放也是一个主要问题。

 

 

 

2.1工艺概要

 

MIDREX法作為(wèi)直接还原工艺的代表，在图5中展示了工艺流程。MIDREX法的主要组成部分(fēn)有(yǒu)两个，一个是将铁矿石原料(球团或块矿)还原成还原铁的竖炉，另一个是制造竖炉还原所需的还原气體(tǐ)的改良炉(重整炉)。

 

该工艺的特点是利用(yòng)炉顶煤气中的CO2，将天然气重组為(wèi)氢(H2)和一氧化碳。（CO），制造还原气體(tǐ)(H2约55%、CO36%左右)。由于炉顶排气中使用(yòng)富氢还原气體(tǐ)和CO2的有(yǒu)效利用(yòng)，排放的CO2比使用(yòng)焦炭的高炉法低20%-40%。此外，天然气中还可(kě)以添加一些氢气，甚至可(kě)以更换天然气，而无需对设备进行大的改造，从而大大减少CO2的排放。

 

 

 

恢复后基本冷却到常温的CDRI，由于去除氧气产生的大部分(fēn)气孔都是空的，具有(yǒu)長(cháng)时间储存时接触空气会再次氧化的特性。因此，HBI在两个滚轮之间将高温还原铁压缩成块，这使得空隙率降低。因此，HBI具有(yǒu)良好的抗再氧化能(néng)力，不仅解决了長(cháng)期储存和海上运输的问题，而且防止了处理(lǐ)过程中粉尘产生的利用(yòng)率下降。由于HBI是对外销售的理(lǐ)想形式，在生产成本低、运输方便的地方形成了供应链，可(kě)以在市场上購(gòu)买HBI。

另一方面，当DRI用(yòng)于与直接还原厂相邻的電(diàn)炉工厂时，在高温下直接在電(diàn)炉中使用(yòng)还原后600℃以上的DRI，可(kě)以减少大量的熔化能(néng)量，有(yǒu)助于提高電(diàn)炉的生产率，减少CO2的排放。

 

2.3大型化

起初，MIDREX工艺开始在年产量15万吨(直径3.66m)的工厂进行商(shāng)业化生产，之后一直致力于大规模生产。目前，年产量250万吨(直径7.65m)的工厂已投产。

 

近几年来，还原铁产量急剧增加，2018年超过1亿吨，2020年由于疫情的影响，产量低于2019年，但仍达到1.044亿吨，连续三年产量超过1亿吨。如前所述，随着CO2减排的需要，预计未来还原铁产量将进一步快速增長(cháng)。

 

直接还原方法有(yǒu)几种工艺，其中MIDREX方法约占全球还原铁产量的60%，占天然气基还原铁产量的80%，全球交付业绩超过90个。MIDREX方法不断扩大的原因之一是工艺简单稳定。通过在不同的反应器中还原铁矿石和气體(tǐ)，工艺控制非常容易。而且由于运行压力低，操作简单，很(hěn)多(duō)工厂可(kě)以稳定运行，达到每年8000小(xiǎo)时以上的工作时间。

目前减排CO2的贡献量為(wèi)3.1

 

 

实现碳中和的路線(xiàn)3.2

 

 

 

另外，通过还原铁（HBI）通过安装高炉，可(kě)以降低高炉CO2排放量20%的技术也得到了证实。期待高炉扩大还原铁的使用(yòng)，作為(wèi)一种利用(yòng)现有(yǒu)高炉实现即时减排CO2的方法。

 

在直接还原―在電(diàn)炉法中，采用(yòng)了SiO2、高品位铁矿石，如Al2O3，脉石成分(fēn)较少。这是因為(wèi)铁矿石中的脉石成分(fēn)在電(diàn)炉熔化时会形成炉渣，而在電(diàn)炉中氧化精炼时，為(wèi)了防止铁分(fēn)被氧化损失到渣中，希望渣量少，也就是脉石量少。但高品位铁矿石供应有(yǒu)限，低档铁矿石目前采用(yòng)高炉法，供应量丰富，可(kě)直接还原。―在電(diàn)炉方法中，这是一个主要问题。对于这个话题，正在开发引入还原铁電(diàn)熔器的解决方案，由还原铁制成生铁。这是在将脉石成分(fēn)较多(duō)的还原铁放入電(diàn)炉前，用(yòng)还原铁電(diàn)熔器熔化，去除脉石成分(fēn)，同时减少铁在还原氛围中的损失，从而实现低档铁矿石的使用(yòng)。

在使用(yòng)天然气的MIDREX工厂中，如果可(kě)以使用(yòng)低CO2排放的電(diàn)力，可(kě)以制造氢气，用(yòng)氢气部分(fēn)代替天然气，可(kě)以实现氢气替代。此外，如果CO2可(kě)以储存，CO2也可(kě)以通过在MIDREX工厂安装和拆除CO2设备来分(fēn)离和回收。