论文《促进低碳经济的战略转型：中国碳捕获和存储技术蓝图》的钢铁行业部分

3.2. 钢铁

在钢铁行业，传统的冶铁基于高炉技术，这项技术将来也会继续成为冶铁的主要技术。该技术的主要劣势在于冶铁过程需要昂贵的焦炭作为还原剂，会产生严重污染。在冶铁技术上已经做出了相当大努力开发新的替代技术。如图11所示，有两种替代选择，分别是直接还原（DR）和熔融还原（SR）技术(Chu and Zhao, 2008)。

图11：冶铁：发展趋势








如图12所示，当前的钢铁生产使用如下两种途径：





图12：BF-BOF以及DR-EAF示意图













直接还原——电弧炉（DR-EAF）方法：这种方法避免使用昂贵的焦炭并且减少资本和运营成本，也减少对环境的影响，是替代传统的BF-BOF技术的一种方法。它从固态的铁中消除氧，产生固态海绵铁（DRI）。作为高品质铁屑的替代，DRI主要用来作为电弧炉（EAF）炼钢的原材料(WSA, 2008a; AISI, 2008)。

高炉-转炉是目前中国炼钢最常用的方法，2006年产量为中国钢铁的87%。剩下的产量采用EAF方法，这一产量现在已经开始稳定增长(WSA, 2008b)。

熔融还原：不使用焦炭产生铁水，是高炉生铁生产的另外一种方法。一些熔融还原工艺还在开发之中，只有在一种名为Corex的工艺目前投入商业使用。图13列出了一些Corex工艺的图解特征。

图13：COREX工艺示意图








Corex工艺采用两种装置：在第一个装置中铁矿石被加热然后被气化还原并从第二个装置中退出，这是一个供应煤炭和氧气的冶炼气化炉。部分还原的矿石在在第二个装置被溶解，产生液态铁。SR工艺产生类似生铁的物质，需要在一个单独的反应堆中进行完善进行钢提取。

还原的气体主要包括：CO, H2 and CO2。在离开熔气化炉后，将热气体同冷气相混合进行温度调节，然后再热旋风中进行清洁，最后输送到竖炉中作为还原气体。气体离开竖炉后，仍然具有相对较高的热能价值，如果有机会的话可以作为气能输出。

在中国，过去几年的科技进步已经可以在冶钢过程中减少大量的碳排放。这些进步包括：

•加强冶钢过程中的效率；

•关闭小型低效工厂；

•部署电炉。

中期改进应该集中在提高废钢回收以及部署有效技术上。长期重大改进应该集中在CCS等突破性技术上。“突破性”技术指导致冶钢方式发生重大改变的根本性的新工艺。由于以下原因导致很难从当前的钢铁工厂实施碳捕获(Borlée, 2007; Zhang and Bi, 2005)：

•如今的钢铁厂都是大量子工厂的联合企业（比如：焦化厂、球团厂、铁厂、钢厂以及轧钢厂），它们每个都有独立的燃烧系统和堆栈；

•从主要排放物（电炉）只能获取30%的二氧化碳排放物，而且会付出很高的将减排成本。

•现代冶钢技术已经优化了能源使用并且具备很高的能源和碳效率。

鉴于上述原因，本文通过整合目前中国的研究和实践提出了三种突破性的思路：

•基于氧高炉的多联产（P-OBF）；

•基于直接还原的多联产（P-DR）

•基于熔融还原的多联产（P-SR）

这些突破性技术都可能是钢铁行业的关键性CCS实现技术。

3.2.1. P-OBF

这种方法将先进的冶钢技术同发电技术相结合，采用级联方式获取更高的能源效率。详情查看图14。




图14：P-OBF示意图





这一概念的关键技术就是氧气高炉。这种炼铁高炉是非常高效的气化炉，因为它能产生高效的高炉炉顶气。传统高炉的炉顶气由于空气爆破引起的高氮含量造成热值较低。通过采用氧气泵。冶钢效率和炉顶气热能都大幅增加。这使得氧气高炉能产生大量有中热值的洁净煤气，可以用来作为IGCC的燃气。

在中国，清华大学和钢铁研究所中心已经就这一概念的变化进行了研究，即近年来所谓的“氧气高炉以及联合循环（OBF-CC）”研究(Yin et al., 2003; Li et al., 2004)。结果表明OBF-CC具有很多潜在优势：

1.由于氧气高炉可以同时服务于钢铁生产商和天然气生产商，总投资减少。

2.氧气高炉的炉顶气产生的硫很少，所以不需要使用脱硫设备。

3.由于采用级联方式利用能源，能源效率大幅增加。相比较传统的单一工厂在同样产量下氧气高炉燃料消耗减少了34%。

4.钢铁制造厂也是重要的电力消费者，因此，可以直接将大量电力用到这些设施上。

近年来，一些高炉气能联合循环电厂已经在中国的钢铁集团投入运营，为P-OBF技术的发展提供了宝贵的见解。

3.2.2. P-DR

直接还原可以使用天然气作为还原剂和能源来进行生产。但是，低成本的天然气只限于中国。因此，开发经济型的煤炭利用方法会有很大吸引力。

P-DR的概念是基于有效利用作为能源的煤碳提出来的。通过将IGCC热电联合工艺同DR工艺相结合，用一个气化炉来生产合成气。图15描述了这一概念。




图15：P-DR示意图








在中国，对基于煤气化的DR产生兴趣大约在10多年前。1998年，宝钢和鲁南化学工业公司联合开发了世界上第一项DR技术，名为BL-DR技术，其中德士古气化炉中的合成气被用来在井中进行直接还原。到目前为止，一个试点项目已经建立起来并且获得了成功（Li et al., 1999; Lu et al., 2007）。这为P-DR的发展提供了有用的经验。

3.2.3. P-SR

这种概念，如图16描述的，整合了世界一流的钢铁技术，使用SR熔炉而不是传统的高炉。SR工艺生产出来的气体用来作为IGCC热电厂的主要燃料。




图16：P-SR示意图





在中国，清华大学的研究开展了对这个概念的深入研究（Zhang, 2006）。该研究证明了P-SR概念的可行性，并声称P-SR为资源、能源以及环境一体化的可持续发展提供了新的理念。

2007年，宝钢启动了世界上最大的熔融还原炼铁设施，并且计划在2010年中期启动第二个熔融还原炼铁项目。这是中国第一次实施熔融还原技术。在该工程中，熔融还原的尾气可以用来向钢厂和地方电网提供160兆瓦的联合循环发电。

谢谢，楼主