碳中和目標下的冶煉技術探索

2026-04-16 01:25:39

　　劉獻東

　　自20世紀50年代以來，替代傳統煉鐵工藝的直接還原（DR）和熔融還原（SR）技術路線一直處於研發狀態，截至目前全球共探索出73個直接還原技術路線和59個熔融還原工藝路線上的不同技術，但是隻有少數可以達到工業試驗或工業應用階段。

　　從熱化學和能源的角度上看，有“碳”“氫”“電能”3種不同維度的還原方式。

　　傳統的“碳基冶金”工藝（BF-BOF和SR）屬於“碳”維度的還原方式。伴隨著社會的發展，電能的使用程度不斷加深，冶金工藝也朝著“氫”和“電能”維度進化。在這兩種維度內包含直接還原工藝（DR），可將天然氣、氫氣，或者一氧化碳和氫氣的混合氣體等作為富氫還原性氣體，將金屬氧化物還原成金屬。

　　現代鋼鐵冶煉技術中，最常采用的是氫氣與一氧化碳的混合氣體。常規狀態下，采用焦炭作為還原劑，高爐爐氣中的氫氣含量可達到10%。采用COREX®、FINEX®等還原工藝時，氫氣含量最高可達30%。

　　直接還原技術以富氫氣體代替焦炭或煤等作為還原劑，可將高爐爐氣中的氫氣含量提高到60%~100%。目前主流的直接還原技術有基於豎爐的ENERGIRON®技術（氫氣含量可小於85%）和MIDREX®技術（氫氣含量可小於65%），以及基於流化床的FIOR/FINMET®技術和CIRCORED®技術（氫氣含量可高達100%）。但是，由於流化床工藝技術成本過高，當豎爐工藝商業化成熟後或將被淘汰。

　　將綠色氫基的直接還原技術作為氫冶金的主流技術路線已成為當前業內共識。基於碳中和的總體目標，與采用傳統高爐轉爐技術的噸鋼1.76噸碳排放量相比，采用綠色氫基直接還原技術的噸鋼碳排放量僅為0.15噸，減少85%以上的二氧化碳排放。

　　目前，共有3項正處於實驗室開發階段的潛在技術：電解冶金技術（Electrowinning）、熔融氧化物電解技術（MOE）、氫等離子體熔融還原技術（HPSR）。

　　一是電解冶金技術（Electrowinning）。

　　電解冶金技術（Electrowinning）是(shi)一(yi)項(xiang)基(ji)於(yu)鐵(tie)礦(kuang)石(shi)電(dian)解(jie)的(de)突(tu)破(po)性(xing)創(chuang)新(xin)技(ji)術(shu)。與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)鋼(gang)鐵(tie)製(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)相(xiang)比(bi)，它(ta)將(jiang)煉(lian)鋼(gang)與(yu)電(dian)化(hua)學(xue)工(gong)藝(yi)結(jie)合(he)在(zai)一(yi)起(qi)，可(ke)直(zhi)接(jie)從(cong)鐵(tie)礦(kuang)石(shi)中(zhong)分(fen)離(li)鐵(tie)和(he)氧(yang)。該(gai)技(ji)術(shu)使(shi)用(yong)的(de)堿(jian)性(xing)溶(rong)液(ye)在(zai)電(dian)流(liu)作(zuo)用(yong)下(xia)從(cong)惰(duo)性(xing)陽(yang)極(ji)流(liu)過(guo)，同(tong)時(shi)將(jiang)溶(rong)液(ye)中(zhong)的(de)鐵(tie)顆(ke)粒(li)沉(chen)積(ji)並(bing)還(hai)原(yuan)到(dao)陰(yin)極(ji)上(shang)。該(gai)技(ji)術(shu)具(ju)有(you)很(hen)高(gao)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)，可(ke)由(you)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)提(ti)供(gong)電(dian)能(neng)，從(cong)而(er)大(da)大(da)減(jian)少(shao)了(le)能(neng)源(yuan)消(xiao)耗(hao)及(ji)碳(tan)排(pai)放(fang)（可減少87%的碳排放、31%的直接能源消耗）。安賽樂米塔爾通過12年的開發，已經將該項目的技術成熟度（TRL，Technology Readiness Level），提升到了TRL4。目前，安米正和歐洲11個研究機構一起合作，目標是將此項技術的商業化成熟度提升到TRL6。

　　二是熔融氧化物電解技術（MOE）。

　　熔融氧化物電解（MOE）是熔融鹽電解的一種形式，該技術用於生產鋁、鎂、鋰、鈉和稀土等金屬。其還原劑為電子，原料為精礦或純氧化物，電解質為熔融氧化物，溫度高達2000℃，產品為鐵和氧氣。其商業化成熟度範圍為TRL1~TRL2。

　　熔融氧化物電解技術（MOE）可以在實驗室規模上製造金屬。Antoine allanore、Jim Yurko和Donald R. Sadoway於2012年成立了波士頓電冶金公司（現稱為波士頓金屬公司）。據2013年《自然》雜誌報道，波士頓金屬公司的Antoine Allanore、Lan Yin和Donald R. Sadoway證明了MOE技術可以通過使用合適的惰性陽極製造零碳排放的鋼鐵產品。該公司在美國能源部和國家科學基金會的資助下繼續創新，並將MOE技術拓展至鐵合金、鋼鐵和各種合金的製造。

　　三是氫等離子體熔融還原技術（HPSR）。

　　該項技術基於高溫下的氣體等離子體，分子氫被分解為原子氫或離子氫（H或H+），由於其具有比分子氫高得多的還原電位，可以將所有金屬氧化物還原為金屬。該項技術具有低排放、工藝流程簡單、渣量少等優點，但仍然存在對爐壁的輻射較大（無泡沫渣過程）、渣zha對dui耐nai火huo材cai料liao的de侵qin蝕shi性xing大da等deng主zhu要yao問wen題ti。因yin此ci，在zai氫qing等deng離li子zi體ti熔rong融rong還hai原yuan工gong藝yi的de開kai發fa過guo程cheng中zhong，下xia部bu容rong器qi的de耐nai火huo材cai料liao設she計ji是shi研yan究jiu該gai領ling域yu的de核he心xin技ji術shu之zhi一yi。此ci外wai，氫qing氣qi的de合he理li利li用yong也ye尤you為wei重zhong要yao。一yi方fang麵mian，由you於yu等deng離li子zi火huo焰yan輻fu射she產chan生sheng的de高gao熱re負fu荷he和heFeO高含量爐渣的化學侵蝕，氧化的耐火材料也會被未使用的氫還原；另一方麵，由於部分氫氣會伴隨水蒸氣溢出，氫氣未能被全部用於還原鐵礦石。

　　根據奧地利萊奧本礦業大學的RHI研究中心的研發結果，耐火材料將在奧鋼聯Donawitz工廠的HPSR反應器中通過K1-MET進行測試。此外，通過底部吹掃係統注入氣體而產生的泡沫渣可保護襯裏免受高熱衝擊。實驗室的反應器在放大到500千瓦~2兆瓦的功率水平時，可以評估電弧穩定性、電弧情況和氫氣等離子體條件下的傳熱。電解係統的設計將檢驗可再生能源製氫的最新技術水平，並存儲所產生的氫氣、回收廢氣中未使用的氫氣。

　　《中國冶金報》（2021年2月19日 02版二版）

來源：中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯：宋玉錚

下一篇：安米將建立鋼鐵業首個專用沼氣工廠

版權說明

【1】凡本網注明"來源：中國冶金報—中國鋼鐵新聞網"的所有作品，版權均屬於中國鋼鐵新聞網。媒體轉載、摘編本網所刊作品時，需經書麵授權。轉載時需注明來源於《中國冶金報—中國鋼鐵新聞網》及作者姓名。違反上述聲明者，本網將追究其相關法律責任。
【2】凡本網注明"來源：XXX（非中國鋼鐵新聞網）"的作品，均轉載自其它媒體，轉載目的在於傳遞更多信息，並不代表本網讚同其觀點，不構成投資建議。
【3】如果您對新聞發表評論，請遵守國家相關法律、法規，尊重網上道德，並承擔一切因您的行為而直接或間接引起的法律責任。
【4】如因作品內容、版權和其它問題需要同本網聯係的。電話：010—010-64411649