截至目前，鋼鐵行業已經在脫碳領域取得了重大進展，這是因為該行業已將投資從傳統的高爐-轉爐長流程煉鋼工藝轉向目前首選的電弧爐短流程煉鋼工藝，由此達到顯著脫碳，工廠變得更緊湊、更清潔、能耗更低。雖然電弧爐設施主要使用廢鋼進行煉鋼，但還必須在爐內添加額外的鐵元素，如直接還原鐵（DRI）、海綿鐵或熱壓塊鐵（HBI）。在電弧爐生產中，作為廢鋼的替代原材料，DRI是通過使用CO或H?或兩者的混合物還原鐵礦石制備而成。從傳統意義上講，DRI是用合成氣生產的，這種合成氣由天然氣生成，主要由CO和H2的混(hun)合物組(zu)成。DRI也可以由(you)純(chun)(chun)氫(qing)制備(bei)，純(chun)(chun)氫(qing)不僅是一(yi)種比CO更(geng)強的還原劑(ji)，還提(ti)供(gong)了更(geng)好的還原反(fan)應動力學。業界(jie)普遍(bian)認為(wei)，使用純(chun)(chun)氫(qing)生產DRI，可以提(ti)高(gao)產量。
減碳環(huan)保業績顯著
21世紀的煉鋼工藝正在贏得環保戰的勝利。電弧爐煉鋼為CO2減排奠定了良好基礎，目前在建鋼廠項目大部分都是電弧爐煉鋼廠，與此同時，高爐或轉爐新產能方面的投資寥寥無幾，不僅如此，這些設備逐步配備清潔技術。隨著鋼鐵行業從高爐和轉爐逐步向電弧爐的演變，煉鋼工藝的碳排放量正從2.25噸CO2/噸粗鋼降低到1.5噸CO2/噸粗鋼以下(xia)，降幅(fu)達(da)30%。
一直以來，鋼鐵行業使用煤和焦炭作為燃料來進行加熱，以CO為還原氣體，作為鋼鐵生產中的強化補充劑，在煉鋼工藝中，每消耗1個碳原子，就會產生1 個CO2分子，因此，1噸煤或焦炭幾乎產生4噸CO2。伴隨著生產技術的發展，從高爐-轉爐到電弧爐，從2011年到2020年的十年間，每生產1噸粗鋼，平均排放約1.85噸CO2。
業界的這種脫碳努力已經持續了一段時間，在許多實際應用中，煤燃料已逐漸被天然氣和電力所取代。綠色煉鋼的下一步是在混合氣中引入H2。可以預見的是，鋼鐵行業很快將使用H2進行電弧爐煉鋼，這將使電弧爐進一步減少碳排放成為可能。氫基電弧爐煉鋼噸鋼CO2排放量幾乎為零。
在配套基礎設施的支持下發展H2煉鋼工藝
因此，從長遠來看，綠色煉鋼工藝勢必將采用H2這一重要物質，這是因為H2不僅可以產生綠色電力，還可以取代焦炭和煤炭等燃料。氫基煉鋼可以顯著降低碳排放。高爐-轉爐轉變為電弧爐后的碳排放量可減少約30%，而與傳統的高爐-轉爐煉鋼工藝相比，氫基煉鋼可以減少約90%的CO2排放。不過，要想達到這一水平，鋼鐵制造商還需要以低成本大量生產綠氫。這就需要足夠的綠色電力來制造H2，然后使用綠氫直接還(huan)原鐵礦石從而(er)制備DRI，同時需要綠氫作(zuo)為燃(ran)料促進無(wu)碳(tan)DRI和廢鋼在電弧爐中(zhong)熔融。
不過，目(mu)(mu)前配套的(de)(de)基礎設施還(huan)沒(mei)有(you)(you)完全到位(wei)，仍在推進中。以(yi)瑞(rui)典HYBRIT項(xiang)目(mu)(mu)為(wei)例來講，該項(xiang)目(mu)(mu)分多階段啟(qi)動，目(mu)(mu)前已經啟(qi)動了(le)綠(lv)色鋼(gang)鐵生產的(de)(de)中試工廠。2021年8月中旬，HYBRIT項(xiang)目(mu)(mu)正(zheng)式向(xiang)沃爾沃汽車(che)發運了(le)第(di)一批商品級綠(lv)色鋼(gang)材，主要用于汽車(che)制造。值得關注的(de)(de)是，德國(guo)梅賽德斯(si)-奔馳汽車(che)也有(you)(you)意(yi)成為(wei)HYBRIT項(xiang)目(mu)(mu)的(de)(de)第(di)二家(jia)汽車(che)制造商客戶，隨著該項(xiang)目(mu)(mu)的(de)(de)不斷(duan)推進，會有(you)(you)更多客戶選擇綠(lv)色鋼(gang)材。
以可行的價格獲得H2
H2既能提(ti)供熱能，又能取代煤炭和天然(ran)氣，只(zhi)產生(sheng)(sheng)少量的(de)(de)水蒸氣，而不產生(sheng)(sheng)破壞氣候(hou)的(de)(de)CO?。使用H?代替(ti)焦(jiao)炭和煤炭煉(lian)(lian)鋼的(de)(de)好處是(shi)(shi)眾(zhong)所周知(zhi)的(de)(de)，但(dan)在制(zhi)(zhi)備H?方(fang)面還(huan)有一(yi)些阻礙，從而對(dui)煉(lian)(lian)鋼工(gong)藝(yi)產生(sheng)(sheng)一(yi)定影響。目前最(zui)大的(de)(de)挑戰就是(shi)(shi)：制(zhi)(zhi)備足夠的(de)(de)H?，以一(yi)種環保的(de)(de)方(fang)式制(zhi)(zhi)備H?，利用可再生(sheng)(sheng)能源制(zhi)(zhi)備H?，根據鋼材的(de)(de)市場(chang)價格(ge)制(zhi)(zhi)備H?，吸引客戶投(tou)資綠色H?、采購綠色鋼材。目前可以預見的(de)(de)目標是(shi)(shi)，力(li)爭到(dao)2025年(nian)實(shi)現1.5美元/kg的(de)(de)H?價格(ge)。這一(yi)價格(ge)目標將使氫基煉(lian)(lian)鋼工(gong)藝(yi)匹敵傳統(tong)的(de)(de)化石(shi)燃料煉(lian)(lian)鋼。
水的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)解是靠電(dian)(dian)(dian)力(li)進(jin)行的(de)(de)(de)(de)，到目(mu)前(qian)為止，電(dian)(dian)(dian)力(li)是作為大規模電(dian)(dian)(dian)解水制氫成本(ben)(ben)的(de)(de)(de)(de)最(zui)重要(yao)決定因(yin)素(su)，此外，降(jiang)低電(dian)(dian)(dian)解槽(cao)資本(ben)(ben)支出的(de)(de)(de)(de)投資也很重要(yao)，特別是減少(shao)堿性電(dian)(dian)(dian)解槽(cao)和質子交(jiao)換膜（PEM）電(dian)(dian)(dian)解槽(cao)的(de)(de)(de)(de)資本(ben)(ben)支出。目(mu)前(qian)，PEM尚處于技術(shu)生命周期(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)初期(qi)(qi)階段，還在圍繞材料優(you)化(hua)、更有效(xiao)地使用鉑族貴金屬催化(hua)劑和先進(jin)的(de)(de)(de)(de)部件設計(ji)進(jin)行技術(shu)創(chuang)新。
目(mu)前，挪(nuo)威氫能(neng)技(ji)術(shu)(shu)公(gong)(gong)司(si)Nel正在(zai)挪(nuo)威建(jian)(jian)造堿性電解(jie)(jie)槽，在(zai)美國(guo)建(jian)(jian)造PEM電解(jie)(jie)槽。在(zai)挪(nuo)威，該(gai)公(gong)(gong)司(si)正在(zai)大(da)幅擴大(da)產能(neng)，待一(yi)(yi)座(zuo)電解(jie)(jie)槽容(rong)量(liang)40兆瓦(wa)的(de)(de)新(xin)(xin)工廠建(jian)(jian)成(cheng)之后，將(jiang)很快(kuai)擴大(da)到(dao)500兆瓦(wa)，然后隨著后續的(de)(de)擴建(jian)(jian)，最終將(jiang)達到(dao)2000兆瓦(wa)。在(zai)美國(guo)，該(gai)公(gong)(gong)司(si)正在(zai)將(jiang)其PEM系統的(de)(de)電解(jie)(jie)槽容(rong)量(liang)擴大(da)到(dao)50兆瓦(wa)，并計劃隨著需求的(de)(de)增(zeng)加而進行擴產。毋庸置疑，堿電解(jie)(jie)是一(yi)(yi)項更成(cheng)熟的(de)(de)技(ji)術(shu)(shu)，大(da)多數技(ji)術(shu)(shu)創新(xin)(xin)都已經被消化吸(xi)收。盡管如此，堿電解(jie)(jie)法主要在(zai)大(da)宗采(cai)購和設(she)備簡化方面降低了成(cheng)本(ben)。相比之下，電解(jie)(jie)槽容(rong)量(liang)技(ji)術(shu)(shu)較(jiao)新(xin)(xin)，有很大(da)的(de)(de)技(ji)術(shu)(shu)創新(xin)(xin)空(kong)間(jian)。
電解(jie)槽制造商經常將資本(ben)(ben)成本(ben)(ben)分析與傳統的(de)(de)(de)蒸汽甲(jia)烷重整(zheng)進行比較，以評估擴大實施的(de)(de)(de)時機。為了讓(rang)這一(yi)生產過程更具競爭(zheng)力，電解(jie)水的(de)(de)(de)資本(ben)(ben)成本(ben)(ben)應為500美元(yuan)(yuan)/千瓦(wa)，預期(qi)目標(biao)以300美元(yuan)(yuan)/千瓦(wa)為最佳。Nel公司表示，技(ji)術(shu)創新將壓低(di)PEM電解(jie)的(de)(de)(de)資本(ben)(ben)支(zhi)出。
NEL將(jiang)電(dian)解(jie)槽(cao)電(dian)池組(zu)的(de)(de)(de)(de)尺寸和容量擴大(da)了20倍，從而提高(gao)了單電(dian)池組(zu)的(de)(de)(de)(de)能量容量，實(shi)現(xian)可(ke)靠(kao)高(gao)效制(zhi)氫。該公司還在致(zhi)力于減(jian)少其(qi)PEM電(dian)解(jie)設備(bei)的(de)(de)(de)(de)資本支(zhi)出，將(jiang)手(shou)工制(zhi)造的(de)(de)(de)(de)、含有鉑族金屬的(de)(de)(de)(de)膜(mo)電(dian)極組(zu)件逐步替(ti)換為(wei)批(pi)量生產的(de)(de)(de)(de)、滾動式(shi)制(zhi)造的(de)(de)(de)(de)膜(mo)電(dian)極組(zu)件。
運營方面的充分考慮將推動成本并創造機會。目前鋼鐵行業正在努力了解工廠在間歇運行期間的資本支出和運營成本，這是因為可再生能源是間歇性的。另外一個不可回避的問題是，H2儲存何時會變得更具成本效益？車用燃料、化工中間體、天然氣管道等替代性H2輸出端(duan)將(jiang)發揮什么作(zuo)用？有一件事是肯定的，隨著未來(lai)幾(ji)年的發展，這些問題將(jiang)得到妥善解決。當鋼鐵行業做好充足準備時，為了擴(kuo)大H?發電(dian)規模，資本支出和運營支出都將(jiang)降至最(zui)低，并與電(dian)力供應系統(tong)緊密(mi)集成，以期實現最(zui)低成本。
可以觀察到(dao)，陽(yang)極(ji)(ji)(ji)極(ji)(ji)(ji)化(hua)時，從鐵水-碳(tan)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)釋放(fang)出了氣(qi)體(ti)，如圖(tu)1（b）所示(shi)。在恒流(liu)模式下，跟蹤廢氣(qi)成分隨時間(jian)的變化(hua)（圖(tu)1（c）），在極(ji)(ji)(ji)化(hua)開始時檢測到(dao)CO釋放(fang)。定期降低電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)流(liu)，觀察其(qi)對氣(qi)體(ti)釋放(fang)的影響。CO濃度(du)隨電(dian)(dian)(dian)流(liu)密度(du)反復變化(hua)，在電(dian)(dian)(dian)流(liu)停(ting)止后(hou)恢復到(dao)基(ji)值(zhi)水平(ping)，有(you)力證明(ming)了電(dian)(dian)(dian)化(hua)學脫(tuo)碳(tan)效(xiao)果。此外(wai)，在設(she)置中未使用任何石(shi)墨(mo)或碳(tan)，爐中唯(wei)一(yi)的碳(tan)源為工作電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)。
對工作電(dian)極(ji)（圖1（d））進行檢(jian)索(suo)和燃燒分析，證(zheng)實發生了(le)脫碳。電(dian)解精(jing)煉(lian)后，中(zhong)(zhong)間(jian)合金(jin)中(zhong)(zhong)的碳濃度(du)從3.78wt.%降(jiang)低到0.84wt.%，電(dian)流效率高達76%。精(jing)煉(lian)后鐵(tie)水(shui)中(zhong)(zhong)的總氧含量僅為0.0054wt.%，表(biao)明鋼清潔(jie)度(du)很高，并突出了(le)氧化(hua)物(wu)直(zhi)接排放(fang)到碳上，未(wei)進入鐵(tie)浴(yu)。爐渣中(zhong)(zhong)氧化(hua)鐵(tie)含量增加的少，估計會造成(cheng)5%-8%的損(sun)失。我們假(jia)設氧化(hua)物(wu)離子(zi)直(zhi)接在(zai)碳原子(zi)上放(fang)電(dian)。
在電(dian)解精煉(lian)過程中，對電(dian)極起(qi)陰(yin)極作用(yong)。在對電(dian)極處回(hui)收(shou)副產品——金屬(shu)硅(gui)，在煉(lian)鋼廠中使用(yong)。將爐渣(zha)設計為含有二(er)氧化硅(gui)和其他更負(fu)電(dian)的(de)金屬(shu)氧化物，促進硅(gui)的(de)回(hui)收(shou)。檢索電(dian)極表征(zheng)，證(zheng)實金屬(shu)硅(gui)沉積，與鉬(mu)基(ji)材形成(cheng)合(he)金（圖1（e））。可(ke)能因為使用(yong)了低電(dian)流(liu)密度和高純度氧化物，陰(yin)極相應電(dian)流(liu)效(xiao)率接(jie)近90%。
考(kao)慮到已(yi)經(jing)確認了除碳、CO氣(qi)體的產生和金(jin)屬硅的沉(chen)積，提出如(ru)下的整體電(dian)池反(fan)應(ying)：
[C]+1/2(SiO2)=CO(g)+1/2Si(l) （1）
式（1）中的(de)[ ]和(he)（ ）分別(bie)表(biao)示金屬相和(he)渣(zha)相中的(de)成分。在鐵(tie)水和(he)爐(lu)渣(zha)之間(jian)施加電(dian)動(dong)勢，可利用電(dian)能實現鐵(tie)水脫碳(tan)。該工藝為直接氧化脫碳(tan)，可通過(guo)優化電(dian)流(liu)或電(dian)位(wei)調制，進(jin)一步(bu)提高效率。
電解精煉基礎測(ce)試
經概(gai)念驗證和電(dian)(dian)化(hua)學(xue)的(de)(de)試驗結果，探索了電(dian)(dian)解(jie)(jie)精(jing)煉(lian)的(de)(de)可能性，對(dui)該技(ji)術進行基礎測試。用(yong)較低(di)(di)電(dian)(dian)流(liu)密(mi)度(du)(du)，電(dian)(dian)解(jie)(jie)精(jing)煉(lian)逐漸稀釋的(de)(de)合金(jin)。如(ru)圖4（a）所示，碳(tan)濃度(du)(du)隨著脫(tuo)碳(tan)電(dian)(dian)流(liu)效率的(de)(de)降(jiang)低(di)(di)而降(jiang)低(di)(di)。但電(dian)(dian)流(liu)效率永(yong)遠(yuan)不會達(da)到零，在任何碳(tan)濃度(du)(du)下均可進行熔融電(dian)(dian)解(jie)(jie)精(jing)煉(lian)。對(dui)含碳(tan)量(liang)僅為0.005wt.%的(de)(de)鐵水進行電(dian)(dian)解(jie)(jie)精(jing)煉(lian)脫(tuo)碳(tan)，脫(tuo)碳(tan)后的(de)(de)碳(tan)含量(liang)低(di)(di)于0.001wt.%，引入電(dian)(dian)解(jie)(jie)精(jing)煉(lian)工藝制造超低(di)(di)碳(tan)鋼。盡管此處的(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)效率僅為1%-2%，但由(you)于電(dian)(dian)池電(dian)(dian)流(liu)低(di)(di)，充電(dian)(dian)和能量(liang)損失幅度(du)(du)很(hen)小。通過優(you)化(hua)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)流(liu)或電(dian)(dian)勢(shi)，提高電(dian)(dian)流(liu)效率。
密切監測爐渣中的總鐵含量，該含量保持在低水平，略增加到接近熱動態平衡的值。因為交換的電子數量未知，沒有量化鐵氧化引起的電流效率的損失。在試驗中檢測到熔渣中的FeO和Fe2O3，它們根(gen)據熔渣中的局(ju)部電位梯度達(da)到(dao)復(fu)雜的平衡(heng)。考慮每單位電荷(he)損失(shi)的鐵量，鐵損失(shi)量往往在低(di)碳水(shui)平時增加（圖4（b））。雖然低(di)碳水(shui)平下的鐵損失(shi)似乎很(hen)高，但實際上，由于電池(chi)電流(liu)很(hen)小(xiao)，損失(shi)量很(hen)小(xiao)。
為減少鐵(tie)(tie)(tie)損，改變(bian)電池的(de)(de)極(ji)性，研究(jiu)精煉后爐(lu)渣(zha)的(de)(de)電化學(xue)回(hui)收(shou)率。將鐵(tie)(tie)(tie)水作為陰極(ji)，鐵(tie)(tie)(tie)從爐(lu)渣(zha)中(zhong)(zhong)沉(chen)積出來，在(zai)爐(lu)渣(zha)中(zhong)(zhong)的(de)(de)濃度顯著降低。因(yin)此，可(ke)從爐(lu)渣(zha)中(zhong)(zhong)回(hui)收(shou)損失的(de)(de)鐵(tie)(tie)(tie)，提高工藝回(hui)收(shou)率。因(yin)為不銹鋼制造技術(shu)，即氬氧脫碳，需在(zai)精煉后使用昂(ang)貴的(de)(de)硅鐵(tie)(tie)(tie)還原(yuan)。而(er)通過電化學(xue)回(hui)收(shou)，可(ke)節省熔劑，降成本(ben)的(de)(de)潛力很(hen)大。
為(wei)(wei)評估鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)清潔(jie)度，測量(liang)鐵(tie)水(shui)(shui)(shui)中總氧量(liang)，即鐵(tie)水(shui)(shui)(shui)中溶解(jie)的(de)(de)(de)(de)氧與夾雜物中氧的(de)(de)(de)(de)總和。盡管碳(tan)含量(liang)低(di)，但電解(jie)精煉后(hou)鐵(tie)水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)總氧含量(liang)非常低(di)，可(ke)能接(jie)近溶解(jie)氧，表(biao)(biao)明鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)清潔(jie)度很(hen)高。低(di)氧水(shui)(shui)(shui)平(ping)低(di)于(yu)碳(tan)的(de)(de)(de)(de)平(ping)衡溶解(jie)度極限(xian)，進一步證明氧化(hua)物離(li)子直接(jie)釋放在界(jie)面(mian)處的(de)(de)(de)(de)碳(tan)表(biao)(biao)面(mian)，而不是進入鐵(tie)水(shui)(shui)(shui)中，這與增(zeng)加鋼(gang)氧化(hua)的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)統脫碳(tan)工藝(yi)形成鮮明對比。總氧量(liang)隨爐(lu)渣中鐵(tie)總量(liang)變化(hua)，因為(wei)(wei)兩者之間的(de)(de)(de)(de)熱力學關系(xi)，是可(ke)以(yi)預期的(de)(de)(de)(de)。
為(wei)了解能量(liang)需求，使用(yong)平均(jun)電(dian)池電(dian)位和(he)電(dian)流(liu)效(xiao)率(lv)確定能量(liang)消耗(hao)。單位能耗(hao)大(da)多保持在(zai)(zai)10-20kWh/kg碳左右，理論能耗(hao)范圍為(wei)2-8kWh/kg碳。總(zong)體而言，電(dian)解精煉(lian)的(de)能耗(hao)較低，產品碳含(han)量(liang)低，附加值高。為(wei)了探索電(dian)解精煉(lian)工(gong)藝對(dui)工(gong)業用(yong)途的(de)重要性，對(dui)電(dian)解精煉(lian)電(dian)池成(cheng)本進行分(fen)析。雖然結果很難(nan)準確，但結果說明，電(dian)解精煉(lian)工(gong)藝在(zai)(zai)高價值低碳范圍內具有競爭優勢，值得(de)大(da)范圍試驗(yan)推(tui)廣(guang)。
本文闡述了利用(yong)電(dian)解精煉工藝使鐵水脫碳的(de)理念。在(zai)鐵水陽(yang)極極化時(shi)，來自熔渣電(dian)解質(zhi)的(de)氧化物離(li)子，經(jing)一(yi)系列(lie)單電(dian)子轉移步驟，直接釋(shi)放到碳上，氣態CO解吸。陽(yang)極釋(shi)放出CO，冶(ye)金級(ji)硅在(zai)陰極被回收(shou)，在(zai)鋼鐵廠中使用(yong)。
電解精煉工藝適用(yong)于任何(he)含碳(tan)量的(de)鐵(tie)水(shui)，可生產超低(di)碳(tan)鋼，具有諸多(duo)優點，如能耗(hao)低(di)、不需(xu)(xu)添加熔劑、自混合、自爐渣回收金屬。該工藝除滿(man)足當前優質(zhi)鋼需(xu)(xu)求之外(wai)，還(huan)通(tong)過(guo)簡單的(de)工藝控制和(he)降低(di)氣體、脫氧劑和(he)耐火原料的(de)消耗(hao)量來節約成本。
電(dian)解精(jing)煉(lian)工藝(yi)(yi)除了作為獨立(li)工藝(yi)(yi)運行，可(ke)與(yu)現有(you)技(ji)術結合使用，加強精(jing)煉(lian)。可(ke)以(yi)設想電(dian)解精(jing)煉(lian)工藝(yi)(yi)在小(xiao)型鋼廠的(de)電(dian)弧(hu)爐中應用，以(yi)現有(you)電(dian)氣基礎設施，生產高價值鋼材產品。電(dian)解精(jing)煉(lian)通過提高再生鋼質量，有(you)利于形成(cheng)原(yuan)料循環的(de)閉環，減(jian)少資(zi)源消耗，減(jian)少煉(lian)鋼過程中的(de)碳排(pai)放。
來源：世界金屬導報 2022-04-27 22:04