日本大型鋼鐵企業(yè)低碳冶金技術(shù)的特點分析

劉清梅 張福明

(1.首鋼集團有限公司 技術(shù)研究院，北京 100043； 2.首鋼集團有限公司，北京 100041)

為了推進鋼鐵行業(yè)碳達峰、碳中和的目標，鋼鐵企業(yè)在持續(xù)進行低碳技術(shù)研究。多數(shù)鋼鐵企業(yè)將重點放在綠色低碳技術(shù)及其推廣應(yīng)用方面。日本鋼鐵行業(yè)在節(jié)能減排和資源利用方面的技術(shù)攻關(guān)啟動較早，從20世紀80年代中期開始，就采取了全面先進的污染控制和節(jié)能措施，積極推廣簡化工藝流程、改善能源結(jié)構(gòu)和提高能源轉(zhuǎn)換效率的節(jié)能技術(shù)。因此，研究日本鋼鐵企業(yè)低碳技術(shù)的特點，對我國鋼鐵企業(yè)綠色創(chuàng)新有借鑒作用[1- 3]。

2016年5月，日本修訂了《全球變暖對策推進法》，增補了全球變暖對策計劃的相關(guān)事項。2019年6月，日本通過了“巴黎協(xié)議下的長期戰(zhàn)略”作為發(fā)展戰(zhàn)略，提出到2050年將溫室氣體排放減少80%的目標[4]。在日本政府相關(guān)法律法規(guī)的指導(dǎo)下，日本鋼鐵企業(yè)提出了低碳創(chuàng)新技術(shù)的研究課題，既有對傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐流程的低碳研究，又有能源消耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化的低碳技術(shù)規(guī)劃，還有采用低碳電爐生產(chǎn)高端產(chǎn)品的創(chuàng)新探索。本文介紹了日本制鐵株式會社(簡稱日本制鐵)、日本JFE鋼鐵公司(簡稱JFE)和神戶制鋼等日本鋼鐵企業(yè)面臨的低碳減排挑戰(zhàn)及低碳氫冶金技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特點，對比分析了3種鋼鐵冶金技術(shù)的優(yōu)缺點，探討了鋼鐵企業(yè)低碳冶金技術(shù)的發(fā)展路徑。

1 日本鋼鐵企業(yè)面臨的低碳減排挑戰(zhàn)

1.1 CO2排放

2019年，日本工業(yè)CO2排放量約為10.287 8億t，其中鋼鐵行業(yè)排放量約為1.54億t，占日本工業(yè)CO2排放量的15%[5- 6]。日本大型鋼鐵企業(yè)基本采用高爐- 轉(zhuǎn)爐流程，基于全生命周期(life cycle assessment，LCA)統(tǒng)計的各工序CO2排放量如表1所示[7- 8]。從表1可知，大部分CO2排放來自高爐鐵礦石還原反應(yīng)，約占鋼鐵行業(yè)CO2排放量的70%。日本制鐵2020年度環(huán)境報告顯示，2019 年度企業(yè)粗鋼總產(chǎn)量為4 705萬t，CO2總排放量約為9 400萬t，噸鋼CO2排放量為1.998 t。為實現(xiàn)“碳中和”目標，CO2排放量必須大幅度下降，因此日本鋼鐵企業(yè)提出了以氫還原鐵礦石的高爐CO2減排技術(shù)。

表1 日本鋼鐵企業(yè)高爐- 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)流程主要工序的CO2排放量Table 1 CO2 emissions of the main processes of blast furnace- converter production process in Japanese iron and steel enterprises tCO2/t粗鋼

日本鋼鐵聯(lián)盟計劃，日本鋼鐵工業(yè)2030年CO2排放量要比2013年下降約30%，折合排放量減少約5 790萬t。為實現(xiàn)該目標，日本鋼鐵企業(yè)正在推進節(jié)能技術(shù)、廢塑料回用技術(shù)、氫基冶金技術(shù)等的研發(fā)[9- 10]。

1.2 面臨的低碳減排挑戰(zhàn)

1.2.1 傳統(tǒng)高爐冶金與氫冶金的差異

氫冶金是在鐵礦石的還原冶煉過程中引入氫氣作為還原劑和燃料，分為富氫冶金和純氫冶金，全氫直接還原符合短流程需求，是鋼鐵行業(yè)發(fā)展的重要路徑[11]。然而，與傳統(tǒng)的高爐生產(chǎn)相比，氫冶金以氫氣作反應(yīng)媒介，送風過程需吹入大量加熱的氫氣，增加了冶金過程的操作難度。而傳統(tǒng)高爐可通過熱風爐傳熱的方式吹入空氣，送風操作簡單、穩(wěn)定并節(jié)能。

1.2.2 低碳電爐生產(chǎn)高等級鋼產(chǎn)品

相比于傳統(tǒng)高爐- 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，電爐生產(chǎn)是利用廢鋼并通過電弧加熱熔化進行冶煉和去除有害元素的模式，得到符合二次精煉要求的鋼液，CO2排放量為0.6～0.8 t/t鋼，約為高爐- 轉(zhuǎn)爐煉鋼的1/3。采用高爐鐵水、加工廢鋼和社會廢鋼3種原料冶煉的鋼液雜質(zhì)含量和相對應(yīng)的鋼鐵產(chǎn)品如圖1所示(圖中，①為汽車外板，②為建材薄板，③為特殊鋼棒材，④為鋼筋線棒材)。從圖1可知，電爐冶煉工藝主要用于生產(chǎn)鋼筋、特殊鋼線材、棒材及建筑用薄板等，汽車外板等高端產(chǎn)品基本采用高爐鐵水冶煉生產(chǎn)[12- 13]。由于廢鋼含Cu、Pb、Zn等多種雜質(zhì)元素，降低高等級鋼產(chǎn)品的質(zhì)量，目前還沒有能有效去除電爐冶煉鋼液中雜質(zhì)元素的技術(shù)。

圖1 鋼液中雜質(zhì)元素的質(zhì)量分數(shù)與煉鋼用原材料之間的關(guān)系Fig.1 Relation of impurity element content in molten steel to raw materials used in steel making

1.2.3 推進COURSE50低碳項目

2008年，日本3家鋼鐵企業(yè)聯(lián)合推進環(huán)境和諧型煉鐵COURSE50(CO2ultimate reduction in steel making process by innovative technology)項目，并確定該項目的年進度，如表2所示。傳統(tǒng)高爐與COURSE50試驗高爐的減碳對比如圖2所示。COURSE50工藝的實質(zhì)仍是高爐煉鐵，采用焦炭作高爐料柱的骨架，其特征是頂氣脫碳并循環(huán)，風口或爐身噴吹氫氣[14]。

表2 日本COURSE50項目的進度Table 2 Progress of the COURSE50 project in Japan

圖2 傳統(tǒng)高爐與COURSE50試驗高爐的減碳對比Fig.2 Carbon reduction comparison of traditional blast furnace and COURSE50 test blast furnace

2015年9月，日本制鐵的君津廠建造了12 m3高爐用于中試，在試驗高爐安裝風口向高爐噴吹富含H2的焦爐煤氣，還進行了實際高爐尺寸的仿真還原計算，以推動高爐氫還原的工業(yè)化生產(chǎn)[15]。采用H2還原鐵礦石可減少10%的高爐CO2排放量，從高爐排放氣體中分離和回收CO2，減少20%高爐CO2排放量[16]。由于焦爐煤氣中含有一定量的CH4和CO，因此其減碳效果不如噴吹純H2好。

2 日本低碳冶金技術(shù)的現(xiàn)狀和技術(shù)特點

2.1 低碳冶金項目

2020年，日本制鐵、JFE和神戶制鋼聯(lián)合制定了低碳氫冶金技術(shù)研發(fā)項目，提出了相應(yīng)的技術(shù)主題和目標，如表3所示。低碳氫冶金技術(shù)有兩類:一是傳統(tǒng)高爐的氫還原技術(shù)，主要包括鋼鐵廠內(nèi)部氫氣高爐噴吹還原技術(shù),以及利用外部H2和高爐煤氣中的還原劑進行高爐氫還原技術(shù)；二是低品位鐵礦石氫直接還原技術(shù)，主要包括直接還原爐的氫還原技術(shù)和直接還原鐵加電爐煉鋼技術(shù)。

表3 日本鋼鐵企業(yè)低碳氫冶金技術(shù)的主題和目標Table 3 Themes and goals of low- carbon hydrogen metallurgy technologies of Japanese iron and steel enterprises

2.2 低碳冶金的主要技術(shù)特點

2.2.1 高爐混合噴氫還原技術(shù)

日本制鐵高爐-碳捕集與封存(carbon capture and storage,CCS)技術(shù)路線如圖3所示，鋼廠焦爐煤氣中的H2回收后吹入高爐，這個過程可減排高爐CO2約10%。采用物理吸附法和低溫余熱有效再利用技術(shù)將高爐排放的CO2分離回收，這個過程可減排高爐CO2約20%。日本制鐵的君津廠2號高爐引進了常溫H2噴吹設(shè)備，預(yù)計于2025年下半年進行現(xiàn)場調(diào)試。

圖3 日本制鐵的高爐- CCS技術(shù)路線圖Fig.3 Technical route map of blast furnace- CCS of Nippon Steel

另一項目是研發(fā)COURSE50新型碳回收高爐，噴吹外部氫氣和高爐煤氣中的還原劑。JFE東日本制鐵廠正在建設(shè)小型碳循環(huán)150 m3試驗高爐，預(yù)計于2025年進行調(diào)試。東日本制鐵廠小型碳循環(huán)試驗高爐的技術(shù)路線如圖4所示，特點是將高爐產(chǎn)生的CO2轉(zhuǎn)化為甲烷替代煉鐵過程的部分焦炭[17]。

圖4 日本JFE小型碳循環(huán)試驗高爐的技術(shù)路線Fig.4 Technical route of Japan’s JFE small carbon cycle test blast furnace

2.2.2 全氫直接還原低品位鐵礦石技術(shù)

2.2.2.1 直接還原爐的氫還原技術(shù)

到2030年，日本制鐵和JFE將設(shè)計建設(shè)生產(chǎn)規(guī)模約為傳統(tǒng)高爐1/5的中型直接還原爐，用于研究氫氣直接還原低品位鐵礦石。與傳統(tǒng)高爐相比，新還原爐預(yù)計可減少CO2排放量50%以上。目前，日本制鐵波崎研究開發(fā)中心正在建設(shè)1 t/h的小規(guī)模試驗豎爐，JFE東日本制鐵所千葉地區(qū)正在建設(shè)小型臺架試驗爐，計劃于2024年進行直接氫還原冶金的試驗驗證。

2.2.2.2 直接還原鐵加電爐煉鋼技術(shù)

對于低品位鐵礦石，日本制鐵提出了直接還原鐵全氫冶金大型電爐煉鋼的技術(shù)路線，其生產(chǎn)流程如圖5所示。通過直接氫冶金還原爐消耗低品位鐵礦石，直接還原鐵后利用大型電爐冶煉，鋼液可作為汽車外板等高等級鋼材的原料。該工藝路線增加了低品位鐵礦石的應(yīng)用比例，電爐主要熔化直接還原鐵，設(shè)計工業(yè)用電爐的容量為300 t。

圖5 日本制鐵全氫冶煉大型電爐的生產(chǎn)流程示意圖Fig.5 Schematic diagram of production process of large- scale electric furnace for all- hydrogen smelting in Nippon Steel

目前，日本制鐵波崎研究開發(fā)中心正在建設(shè)10 t小型試驗電爐，擬于2024年試驗，用于高速溶解還原鐵和提高精煉效率。JFE千葉地區(qū)東日本廠建造了10 t試驗電爐，主要用于還原鐵預(yù)熱和爐內(nèi)加熱。神戶制鋼高砂制作所從2022年開始進行20 t商用爐改造，主要用于熔化還原鐵[18]。

3 低碳冶金工藝流程

3.1 流程低碳技術(shù)

傳統(tǒng)高爐、電爐冶煉和直接還原爐是主要的鋼鐵生產(chǎn)工藝，3種冶煉工藝的優(yōu)缺點如表4所示。傳統(tǒng)高爐具有生產(chǎn)率高、設(shè)備成熟、可利用低品位礦生產(chǎn)高等級鋼材等優(yōu)點，但難以滿足碳中和要求；電爐冶煉的CO2排放量少，缺點是廢鋼原料殘存雜質(zhì)對高等級鋼冶煉的影響大；直接還原爐的CO2排放量較少，可以采用全氫冶金實現(xiàn)碳中和，缺點是利用低品位鐵礦石難度較大，氫還原過程中爐溫低且無解決方法，并且整套設(shè)備投資額高。

表4 不同流程低碳冶金的優(yōu)缺點Table 4 Advantages and disadvantages of low- carbon metallurgy in the different processes

3.2 發(fā)展低碳冶金的技術(shù)路線

目前，高爐- 轉(zhuǎn)爐是最成熟的鋼鐵生產(chǎn)流程。2021年，全球70.8%的粗鋼采用高爐- 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，產(chǎn)品包括熱軋板卷、冷軋板卷、中厚板、特厚板和鋼管等。根據(jù)世界鋼鐵動力的預(yù)測，高爐- 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的粗鋼產(chǎn)量將從2019年的13.55億t減少到2050年的11.24億t，降幅約為17.05%；同時，電爐鋼產(chǎn)量將從2019年的5.18億t增加到2050年的7.63億t，增幅為32.11%。據(jù)預(yù)測，到2050年，全球高爐- 轉(zhuǎn)爐鋼占比約為59.56%，在高爐- 轉(zhuǎn)爐工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上改造的節(jié)能技術(shù)仍是鋼鐵企業(yè)需要關(guān)注的重要課題，其中包括鋼鐵廠氫氣高爐噴吹還原技術(shù)、高爐高比例球團礦冶金技術(shù)、高爐高風溫富氧噴煤技術(shù)、轉(zhuǎn)爐高廢鋼比冶金技術(shù)、高效余熱余能回收等，預(yù)計能減少10%～30%的CO2排放量[19- 22]。

從日本鋼鐵企業(yè)低碳氫冶金技術(shù)的發(fā)展特點可知，解決鋼鐵生產(chǎn)碳中和的前提條件是用氫氣作為燃料和還原劑。目前，氫氣的使用尚存在三方面問題：一是電力生產(chǎn)會產(chǎn)生CO2；二是電解制氫成本太高；三是氫氣的體積密度低導(dǎo)致的運輸、儲存及安全問題。“零碳”技術(shù)包括零碳電力技術(shù)，以零碳電力技術(shù)- 新能源發(fā)電技術(shù)為起點實現(xiàn)對化石能源的大量替代，從源頭“減碳”和綠電供應(yīng)充分的“零碳”冶金才可能實現(xiàn)，即實現(xiàn)綠電電解制氫→全氫直接還原→電爐煉鋼。在當前的技術(shù)條件下，“綠氫”的大量制備和應(yīng)用仍處于研究探索階段，規(guī)模化、商業(yè)化應(yīng)用還有待時日[23]。

4 結(jié)束語

當前鋼鐵行業(yè)面臨嚴峻的降碳壓力，需積極推進綠色低碳技術(shù)的攻關(guān)和推廣應(yīng)用。日本大型鋼鐵企業(yè)主要采用高爐- 轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)，對鋼鐵流程的低碳節(jié)能技術(shù)關(guān)注較早。2008年，日本開始進行以COURESE50項目為代表的低碳技術(shù)研究，但是該項目本質(zhì)上還是高爐冶煉工藝，設(shè)定減排效果不超過30%。

為了進一步改進低碳減排效果，日本3家大型鋼鐵企業(yè)于2020年制定了日本低碳氫冶金技術(shù)研發(fā)項目，采用“傳統(tǒng)高爐的氫還原技術(shù)”與“直接還原低品位鐵礦石的氫還原技術(shù)”相結(jié)合的發(fā)展方向，最大限度地推進氫能源在高爐工序的應(yīng)用。

隨著鋼鐵減量化發(fā)展和流程結(jié)構(gòu)的調(diào)整，低碳減排技術(shù)創(chuàng)新顯示出了不確定性。傳統(tǒng)高爐- 轉(zhuǎn)爐是最成熟的鋼鐵生產(chǎn)流程，預(yù)計到2050年生產(chǎn)量約占全球粗鋼產(chǎn)量的59.5%，依托高爐- 轉(zhuǎn)爐工藝技術(shù)改造的節(jié)能減排是鋼鐵企業(yè)需要關(guān)注的重要課題。

采用氫氣作為鋼鐵生產(chǎn)的燃料和還原劑是實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)“碳中和”目標的技術(shù)措施。當前，開發(fā)從綠電電解制氫到全氫直接還原和電爐煉鋼的鋼鐵生產(chǎn)模式主要是研究“綠氫”的制備和應(yīng)用，該項研究還處于探索階段，間接影響氫冶金工藝在鋼鐵企業(yè)的研發(fā)和應(yīng)用。