挑戰碳中和的MIDREX直接還原鐵工藝 | 技術前沿

發布時間：2023/5/18 11:48:31

隨著工業技術的發展，化石燃料，尤其是煤炭的使用得到了不斷的擴大。然而，為了防止全球變暖，鋼鐵行業需要盡快實現碳中和。作為實現碳中和的關鍵，直接還原過程備受期待。

CO2減排和還原鐵在鋼鐵生產中的作用

1.1鋼鐵生產中的CO2排放和減排要求

如今的鋼鐵生產工藝依賴于化石燃料，所以鋼鐵行業是溫室氣體排放較大的行業之一。

所以，鋼鐵行業強烈要求減少CO2排放。國際能源署作為一個特定的目標，（IEA）可持續發展情景設定于2020年（SDS：SustainableDevelopmentScenario）。根據巴黎協定，2070年與全球能源利用相關的CO2排放為零，鋼鐵行業在2050年比2019年減排54%。；2070年需要減排90%。去年通過的COP26《格拉斯哥氣候協議》明確提出，本世紀末將全球氣溫上升幅度控制在1.5℃以內的目標，要求鋼鐵行業的減排速度進一步加快。

1.2鋼鐵生產工藝概要

以鐵礦石為主要原料的代表工藝是高爐。（BF）-轉爐（BOF）法律，將塊狀鐵礦石、焦炭和煤粉放入高爐中，還原熔融鐵礦石，生產高碳鐵水，在轉爐中脫碳熔化成鋼水。另一種以鐵礦石為主要原料的工藝是直接還原（DR）-電爐（EAF）方法。直接在還原爐中使用天然氣作為還原劑和熱源，還原塊化的鐵礦石，然后將獲得的固體還原鐵放入電爐中熔化，從而生產鋼水。這種方法不僅被用作天然氣價格低廉、廢鋼發生有限的中東、近東等地區的煉鐵方法，也被用作后面提到的廢鋼。―電爐法是主流地區，廢鋼中的銅等雜質元素(混合元素)已經成為影響鋼材質量的問題。為了稀釋這一點，供應的還原鐵作為“清潔鐵源”起著重要的作用(注:在直接還原法中，煤炭也可以作為還原劑使用)。

廢鋼為主要原料的工藝是廢鋼―電爐（EAF）法律。由于使用廢鋼，無需還原，用電爐熔化精煉廢鋼，生產鋼水。

現在，大約70%的鋼鐵生產來自鐵礦石(其中90%是高爐，10%是直接還原爐)，30%是廢鋼，30%是高爐。―轉爐法占一半以上。

CO2排放量1.3各鋼鐵生產工藝

圖2顯示了各種鋼鐵生產工藝的CO2排放量。由于焦炭和煤被用作熱源和還原劑，高爐-轉爐法排放了大量的CO2，目前噸鋼排放量約為2.2。t。如后所述，通過在高爐中使用還原鐵，可減少需要的焦炭和煤炭的還原，從而減少CO2的排放。

直接還原（DR）―電爐法以天然氣為還原劑，以電為熔化熱源，因此，與以鐵礦石為主要原料的高爐相比，―與轉爐法相比，CO2的排放量減少了20%-40%。另外，如果沒有CO2電力制氫，CO2的排放量會大大降低，而不是用氫氣代替還原劑天然氣。

由于廢鋼―電爐法不需要還原，所以CO2在現有工藝中排放量比較小。

未來鋼鐵產量預測與還原鐵的作用

圖3是在各機構預測的基礎上，預測2050年粗鋼產量。未來，隨著經濟的發展，預計全球粗鋼產量將繼續增加。其中，隨著廢鋼產量的增加，雖然來自廢鋼的粗鋼產量也會增加，但為了彌補粗鋼產量的整體增加，來自鐵礦石的粗鋼產量將保持現狀水平。因此，除了盡可能地利用廢鋼，如何減少來自鐵礦石的鋼鐵生產中的CO2排放也是一個主要問題。

圖4顯示了IEA對不同生產方式的還原鐵和生鐵產量的預測。假設鋼鐵行業根據上述IEASDS，降低CO2排放量。預計2050年高爐生鐵產量將逐步下降，而還原鐵產量將從2019年的1億噸增加到2050年的4億噸。這表明，CO2可以通過直接還原天然氣來立即減排，氫氣和CCS也可以達到減排的目的。

2.MIDREX工藝的特點

2.1工藝概要

MIDREX法作為直接還原工藝的代表，在圖5中展示了工藝流程。MIDREX法的主要組成部分有兩個，一個是將鐵礦石原料(球團或塊礦)還原成還原鐵的豎爐，另一個是制造豎爐還原所需的還原氣體的改良爐(重整爐)。

該工藝的特點是利用爐頂煤氣中的CO2，將天然氣重組為氫(H2)和一氧化碳。（CO），制造還原氣體(H2約55%、CO36%左右)。由于爐頂排氣中使用富氫還原氣體和CO2的有效利用，排放的CO2比使用焦炭的高爐法低20%-40%。此外，天然氣中還可以添加一些氫氣，甚至可以100%更換天然氣，而無需對設備進行大的改造，從而大大減少CO2的排放。

2.2還原鐵的用途和形式

MIDREX工藝豎爐生產的還原鐵（DRI）包含常溫還原鐵（CDRI）、熱還原鐵（HDRI）和熱壓鐵塊（HBI），可以根據用途進行多種組合制造。

恢復后基本冷卻到常溫的CDRI，由于去除氧氣產生的大部分氣孔都是空的，具有長時間儲存時接觸空氣會再次氧化的特性。因此，HBI在兩個滾輪之間將高溫還原鐵壓縮成塊，這使得空隙率降低。因此，HBI具有良好的抗再氧化能力，不僅解決了長期儲存和海上運輸的問題，而且防止了處理過程中粉塵產生的利用率下降。由于HBI是對外銷售的理想形式，在生產成本低、運輸方便的地方形成了供應鏈，可以在市場上購買HBI。

另一方面，當DRI用于與直接還原廠相鄰的電爐工廠時，在高溫下直接在電爐中使用還原后600℃以上的DRI，可以減少大量的熔化能量，有助于提高電爐的生產率，減少CO2的排放。

2.3大型化

起初，MIDREX工藝開始在年產量15萬噸(直徑3.66m)的工廠進行商業化生產，之后一直致力于大規模生產。目前，年產量250萬噸(直徑7.65m)的工廠已投產。

2.4還原鐵的產量和各工藝的份額

近幾年來，還原鐵產量急劇增加，2018年超過1億噸，2020年由于疫情的影響，產量低于2019年，但仍達到1.044億噸，連續三年產量超過1億噸。如前所述，隨著CO2減排的需要，預計未來還原鐵產量將進一步快速增長。

直接還原方法有幾種工藝，其中MIDREX方法約占全球還原鐵產量的60%，占天然氣基還原鐵產量的80%，全球交付業績超過90個。MIDREX方法不斷擴大的原因之一是工藝簡單穩定。通過在不同的反應器中還原鐵礦石和氣體，工藝控制非常容易。而且由于運行壓力低，操作簡單，很多工廠可以穩定運行，達到每年8000小時以上的工作時間。

采用MIDREX技術實現碳中和的路線

目前減排CO2的貢獻量為3.1

2020年MIDREX工藝的還原鐵產量為6263萬噸。這一量的鋼鐵產品和使用高爐―相對于轉爐法生產的CO2排放量，減排CO2的貢獻量約為2932萬噸，對減排CO2的貢獻很大。

實現碳中和的路線3.2

下面的總結說明了通過MIDREX技術實現碳中和的路線。圖5的橫軸表示2050年碳中和的時間已經過去，縱軸表示從礦山到鋼廠的活動和CO2的減排。

在全球碳中和活動中，以廢鋼為主要原料的CO2電爐化趨勢正在擴大。然而，由于廢鋼產量有限，對還原鐵的需求將大大擴大，作為廢鋼的替代或補充電爐原料。

另外，通過還原鐵（HBI）通過安裝高爐，可以降低高爐CO2排放量20%的技術也得到了證實。期待高爐擴大還原鐵的使用，作為一種利用現有高爐實現即時減排CO2的方法。

在直接還原―在電爐法中，采用了SiO2、高品位鐵礦石，如Al2O3，脈石成分較少。這是因為鐵礦石中的脈石成分在電爐熔化時會形成爐渣，而在電爐中氧化精煉時，為了防止鐵分被氧化損失到渣中，希望渣量少，也就是脈石量少。但高品位鐵礦石供應有限，低檔鐵礦石目前采用高爐法，供應量豐富，可直接還原。―在電爐方法中，這是一個主要問題。對于這個話題，正在開發引入還原鐵電熔器的解決方案，由還原鐵制成生鐵。這是在將脈石成分較多的還原鐵放入電爐前，用還原鐵電熔器熔化，去除脈石成分，同時減少鐵在還原氛圍中的損失，從而實現低檔鐵礦石的使用。

在使用天然氣的MIDREX工廠中，如果可以使用低CO2排放的電力，可以制造氫氣，用氫氣部分代替天然氣，可以實現氫氣替代。此外，如果CO2可以儲存，CO2也可以通過在MIDREX工廠安裝和拆除CO2設備來分離和回收。

這樣，以MIDREX技術為中心，不僅可以解決中短期問題，還可以從長遠的角度描述未來無碳制鐵的真實道路。面對鋼鐵生產技術中碳中和等重大問題，MIDREX技術的發展和應用的擴大將有所貢獻。