截至目前，鋼鐵行業(yè)已經(jīng)在脫碳領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，這是因為該行業(yè)已將投資從傳統的高爐-轉爐長(cháng)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(zhù)脫碳，工廠(chǎng)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(jìn)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(chǎn)中，作為廢鋼的替代原材料，DRI是通過(guò)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(chǎn)的，這種合成氣由天然氣生成，主要由CO和H2的混合物組成。DRI也可以由純氫制備，純氫不僅是一種比CO更強的還原劑，還提供了更好的還原反應動(dòng)力學(xué)。業(yè)界普遍認為，使用純氫生產(chǎn)DRI，可以提高產(chǎn)量。
減碳環(huán)保業(yè)績(jì)顯著(zhù)
21世紀的煉鋼工藝正在贏(yíng)得環(huán)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(chǎng)項目大部分都是電弧爐煉鋼廠(chǎng)，與此同時(shí)，高爐或轉爐新產(chǎn)能方面的投資寥寥無(wú)幾，不僅如此，這些設備逐步配備清潔技術(shù)。隨著(zhù)鋼鐵行業(yè)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，降幅達30%。
一直以來(lái)，鋼鐵行業(yè)使用煤和焦炭作為燃料來(lái)進(jìn)行加熱，以CO為還原氣體，作為鋼鐵生產(chǎn)中的強化補充劑，在煉鋼工藝中，每消耗1個(gè)碳原子，就會(huì )產(chǎn)生1 個(gè)CO2分子，因此，1噸煤或焦炭幾乎產(chǎn)生4噸CO2。伴隨著(zhù)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，從高爐-轉爐到電弧爐，從2011年到2020年的十年間，每生產(chǎn)1噸粗鋼，平均排放約1.85噸CO2。
業(yè)界的這種脫碳努力已經(jīng)持續了一段時(shí)間，在許多實(shí)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?？梢灶A見(jiàn)的是，鋼鐵行業(yè)很快將使用H2進(jìn)行電弧爐煉鋼，這將使電弧爐進(jìn)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(fā)展H2煉鋼工藝
因此，從長(cháng)遠來(lái)看，綠色煉鋼工藝勢必將采用H2這一重要物質(zhì)，這是因為H2不僅可以產(chǎn)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(zhù)降低碳排放。高爐-轉爐轉變?yōu)殡娀t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(guò)，要想達到這一水平，鋼鐵制造商還需要以低成本大量生產(chǎn)綠氫。這就需要足夠的綠色電力來(lái)制造H2，然后使用綠氫直接還原鐵礦石從而制備DRI，同時(shí)需要綠氫作為燃料促進(jìn)無(wú)碳DRI和廢鋼在電弧爐中熔融。
不過(guò)，目前配套的基礎設施還沒(méi)有完全到位，仍在推進(jìn)中。以瑞典HYBRIT項目為例來(lái)講，該項目分多階段啟動(dòng)，目前已經(jīng)啟動(dòng)了綠色鋼鐵生產(chǎn)的中試工廠(chǎng)。2021年8月中旬，HYBRIT項目正式向沃爾沃汽車(chē)發(fā)運了第一批商品級綠色鋼材，主要用于汽車(chē)制造。值得關(guān)注的是，德國梅賽德斯-奔馳汽車(chē)也有意成為HYBRIT項目的第二家汽車(chē)制造商客戶(hù)，隨著(zhù)該項目的不斷推進(jìn)，會(huì )有更多客戶(hù)選擇綠色鋼材。
以可行的價(jià)格獲得H2
H2既能提供熱能，又能取代煤炭和天然氣，只產(chǎn)生少量的水蒸氣，而不產(chǎn)生破壞氣候的CO?。使用H?代替焦炭和煤炭煉鋼的好處是眾所周知的，但在制備H?方面還有一些阻礙，從而對煉鋼工藝產(chǎn)生一定影響。目前最大的挑戰就是：制備足夠的H?，以一種環(huán)保的方式制備H?，利用可再生能源制備H?，根據鋼材的市場(chǎng)價(jià)格制備H?，吸引客戶(hù)投資綠色H?、采購綠色鋼材。目前可以預見(jiàn)的目標是，力爭到2025年實(shí)現1.5美元/kg的H?價(jià)格。這一價(jià)格目標將使氫基煉鋼工藝匹敵傳統的化石燃料煉鋼。
水的電解是靠電力進(jìn)行的，到目前為止，電力是作為大規模電解水制氫成本的最重要決定因素，此外，降低電解槽資本支出的投資也很重要，特別是減少堿性電解槽和質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽的資本支出。目前，PEM尚處于技術(shù)生命周期的初期階段，還在圍繞材料優(yōu)化、更有效地使用鉑族貴金屬催化劑和先進(jìn)的部件設計進(jìn)行技術(shù)創(chuàng )新。
目前，挪威氫能技術(shù)公司Nel正在挪威建造堿性電解槽，在美國建造PEM電解槽。在挪威，該公司正在大幅擴大產(chǎn)能，待一座電解槽容量40兆瓦的新工廠(chǎng)建成之后，將很快擴大到500兆瓦，然后隨著(zhù)后續的擴建，最終將達到2000兆瓦。在美國，該公司正在將其PEM系統的電解槽容量擴大到50兆瓦，并計劃隨著(zhù)需求的增加而進(jìn)行擴產(chǎn)。毋庸置疑，堿電解是一項更成熟的技術(shù)，大多數技術(shù)創(chuàng )新都已經(jīng)被消化吸收。盡管如此，堿電解法主要在大宗采購和設備簡(jiǎn)化方面降低了成本。相比之下，電解槽容量技術(shù)較新，有很大的技術(shù)創(chuàng )新空間。
電解槽制造商經(jīng)常將資本成本分析與傳統的蒸汽甲烷重整進(jìn)行比較，以評估擴大實(shí)施的時(shí)機。為了讓這一生產(chǎn)過(guò)程更具競爭力，電解水的資本成本應為500美元/千瓦，預期目標以300美元/千瓦為最佳。Nel公司表示，技術(shù)創(chuàng )新將壓低PEM電解的資本支出。
NEL將電解槽電池組的尺寸和容量擴大了20倍，從而提高了單電池組的能量容量，實(shí)現可靠高效制氫。該公司還在致力于減少其PEM電解設備的資本支出，將手工制造的、含有鉑族金屬的膜電極組件逐步替換為批量生產(chǎn)的、滾動(dòng)式制造的膜電極組件。
運營(yíng)方面的充分考慮將推動(dòng)成本并創(chuàng )造機會(huì )。目前鋼鐵行業(yè)正在努力了解工廠(chǎng)在間歇運行期間的資本支出和運營(yíng)成本，這是因為可再生能源是間歇性的。另外一個(gè)不可回避的問(wèn)題是，H2儲存何時(shí)會(huì )變得更具成本效益？車(chē)用燃料、化工中間體、天然氣管道等替代性H2輸出端將發(fā)揮什么作用？有一件事是肯定的，隨著(zhù)未來(lái)幾年的發(fā)展，這些問(wèn)題將得到妥善解決。當鋼鐵行業(yè)做好充足準備時(shí)，為了擴大H?發(fā)電規模，資本支出和運營(yíng)支出都將降至最低，并與電力供應系統緊密集成，以期實(shí)現最低成本。
可以觀(guān)察到，陽(yáng)極極化時(shí)，從鐵水-碳電極釋放出了氣體，如圖1（b）所示。在恒流模式下，跟蹤廢氣成分隨時(shí)間的變化（圖1（c）），在極化開(kāi)始時(shí)檢測到CO釋放。定期降低電池電流，觀(guān)察其對氣體釋放的影響。CO濃度隨電流密度反復變化，在電流停止后恢復到基值水平，有力證明了電化學(xué)脫碳效果。此外，在設置中未使用任何石墨或碳，爐中唯一的碳源為工作電極。
對工作電極（圖1（d））進(jìn)行檢索和燃燒分析，證實(shí)發(fā)生了脫碳。電解精煉后，中間合金中的碳濃度從3.78wt.%降低到0.84wt.%，電流效率高達76%。精煉后鐵水中的總氧含量?jì)H為0.0054wt.%，表明鋼清潔度很高，并突出了氧化物直接排放到碳上，未進(jìn)入鐵浴。爐渣中氧化鐵含量增加的少，估計會(huì )造成5%-8%的損失。我們假設氧化物離子直接在碳原子上放電。
在電解精煉過(guò)程中，對電極起陰極作用。在對電極處回收副產(chǎn)品——金屬硅，在煉鋼廠(chǎng)中使用。將爐渣設計為含有二氧化硅和其他更負電的金屬氧化物，促進(jìn)硅的回收。檢索電極表征，證實(shí)金屬硅沉積，與鉬基材形成合金（圖1（e））?？赡芤驗槭褂昧说碗娏髅芏群透呒兌妊趸?，陰極相應電流效率接近90%。
考慮到已經(jīng)確認了除碳、CO氣體的產(chǎn)生和金屬硅的沉積，提出如下的整體電池反應：
[C]+1/2(SiO2)=CO(g)+1/2Si(l) （1）
式（1）中的[ ]和（ ）分別表示金屬相和渣相中的成分。在鐵水和爐渣之間施加電動(dòng)勢，可利用電能實(shí)現鐵水脫碳。該工藝為直接氧化脫碳，可通過(guò)優(yōu)化電流或電位調制，進(jìn)一步提高效率。
電解精煉基礎測試
經(jīng)概念驗證和電化學(xué)的試驗結果，探索了電解精煉的可能性，對該技術(shù)進(jìn)行基礎測試。用較低電流密度，電解精煉逐漸稀釋的合金。如圖4（a）所示，碳濃度隨著(zhù)脫碳電流效率的降低而降低。但電流效率永遠不會(huì )達到零，在任何碳濃度下均可進(jìn)行熔融電解精煉。對含碳量?jì)H為0.005wt.%的鐵水進(jìn)行電解精煉脫碳，脫碳后的碳含量低于0.001wt.%，引入電解精煉工藝制造超低碳鋼。盡管此處的電流效率僅為1%-2%，但由于電池電流低，充電和能量損失幅度很小。通過(guò)優(yōu)化電池電流或電勢，提高電流效率。
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(dòng)態(tài)平衡的值。因為交換的電子數量未知，沒(méi)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，它們根據熔渣中的局部電位梯度達到復雜的平衡?？紤]每單位電荷損失的鐵量，鐵損失量往往在低碳水平時(shí)增加（圖4（b））。雖然低碳水平下的鐵損失似乎很高，但實(shí)際上，由于電池電流很小，損失量很小。
為減少鐵損，改變電池的極性，研究精煉后爐渣的電化學(xué)回收率。將鐵水作為陰極，鐵從爐渣中沉積出來(lái)，在爐渣中的濃度顯著(zhù)降低。因此，可從爐渣中回收損失的鐵，提高工藝回收率。因為不銹鋼制造技術(shù)，即氬氧脫碳，需在精煉后使用昂貴的硅鐵還原。而通過(guò)電化學(xué)回收，可節省熔劑，降成本的潛力很大。
為評估鋼的清潔度，測量鐵水中總氧量，即鐵水中溶解的氧與夾雜物中氧的總和。盡管碳含量低，但電解精煉后鐵水的總氧含量非常低，可能接近溶解氧，表明鋼的清潔度很高。低氧水平低于碳的平衡溶解度極限，進(jìn)一步證明氧化物離子直接釋放在界面處的碳表面，而不是進(jìn)入鐵水中，這與增加鋼氧化的傳統脫碳工藝形成鮮明對比?？傃趿侩S爐渣中鐵總量變化，因為兩者之間的熱力學(xué)關(guān)系，是可以預期的。
為了解能量需求，使用平均電池電位和電流效率確定能量消耗。單位能耗大多保持在10-20kWh/kg碳左右，理論能耗范圍為2-8kWh/kg碳?？傮w而言，電解精煉的能耗較低，產(chǎn)品碳含量低，附加值高。為了探索電解精煉工藝對工業(yè)用途的重要性，對電解精煉電池成本進(jìn)行分析。雖然結果很難準確，但結果說(shuō)明，電解精煉工藝在高價(jià)值低碳范圍內具有競爭優(yōu)勢，值得大范圍試驗推廣。
本文闡述了利用電解精煉工藝使鐵水脫碳的理念。在鐵水陽(yáng)極極化時(shí)，來(lái)自熔渣電解質(zhì)的氧化物離子，經(jīng)一系列單電子轉移步驟，直接釋放到碳上，氣態(tài)CO解吸。陽(yáng)極釋放出CO，冶金級硅在陰極被回收，在鋼鐵廠(chǎng)中使用。
電解精煉工藝適用于任何含碳量的鐵水，可生產(chǎn)超低碳鋼，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如能耗低、不需添加熔劑、自混合、自爐渣回收金屬。該工藝除滿(mǎn)足當前優(yōu)質(zhì)鋼需求之外，還通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝控制和降低氣體、脫氧劑和耐火原料的消耗量來(lái)節約成本。
電解精煉工藝除了作為獨立工藝運行，可與現有技術(shù)結合使用，加強精煉?？梢栽O想電解精煉工藝在小型鋼廠(chǎng)的電弧爐中應用，以現有電氣基礎設施，生產(chǎn)高價(jià)值鋼材產(chǎn)品。電解精煉通過(guò)提高再生鋼質(zhì)量，有利于形成原料循環(huán)的閉環(huán)，減少資源消耗，減少煉鋼過(guò)程中的碳排放。
來(lái)源：世界金屬導報 2022-04-27 22:04