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力學。業界普遍認為，使用純氫生產DRI，可以提高產量。
減碳環保業績顯著
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，降幅達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原鐵礦石從而制備DRI，同時需要綠氫作為燃料促進無碳DRI和廢鋼在電弧爐中熔融。
不過，目前配套的基礎設施還沒有完全到位，仍在推進中。以瑞典HYBRIT項目為例來講，該項目分多階段啟動，目前已經啟動了綠色鋼鐵生產的中試工廠。2021年8月中旬，HYBRIT項目正式向沃爾沃汽車發運了第一批商品級綠色鋼材，主要用于汽車制造。值得關注的是，德國梅賽德斯-奔馳汽車也有意成為HYBRIT項目的第二家汽車制造商客戶，隨著該項目的不斷推進，會有更多客戶選擇綠色鋼材。
以可行的價格獲得H2
H2既能提供熱能，又能取代煤炭和天然氣，只產生少量的水蒸氣，而不產生破壞氣候的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，從而對煉鋼工藝產生一定影響。目前最大的挑戰就是：制備足夠的H?，以一種環保的方式制備H?，利用可再生能源制備H?，根據鋼材的市場價格制備H?，吸引客戶投資綠色H?、采購綠色鋼材。目前可以預見的目標是，力爭到2025年實現1.5美元/kg的H?價格。這一價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子交換膜（PEM）電解槽的資本支出。目前，PEM尚處于技術生命周期的初期階段，還在圍繞材料優化、更有效地使用鉑族貴金屬催化劑和先進的部件設計進行技術創新。
目前，挪威氫能技術公司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能，待一座電解槽容量40兆瓦的新工廠建成之后，將很快擴大到500兆瓦，然后隨著后續的擴建，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，并計劃隨著需求的增加而進行擴產。毋庸置疑，堿電解是一項更成熟的技術，大多數技術創新都已經被消化吸收。盡管如此，堿電解法主要在大宗采購和設備簡化方面降低了成本。相比之下，電解槽容量技術較新，有很大的技術創新空間。
電解槽制造商經常將資本成本分析與傳統的蒸汽甲烷重整進行比較，以評估擴大實施的時機。為了讓這一生產過程更具競爭力，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，技術創新將壓低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的、滾動式制造的膜電極組件。
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輸出端將發揮什么作用？有一件事是肯定的，隨著未來幾年的發展，這些問題將得到妥善解決。當鋼鐵行業做好充足準備時，為了擴大H?發電規模，資本支出和運營支出都將降至最低，并與電力供應系統緊密集成，以期實現最低成本。
可以觀察到，陽極極化時，從鐵水-碳電極釋放出了氣體，如圖1（b）所示。在恒流模式下，跟蹤廢氣成分隨時間的變化（圖1（c）），在極化開始時檢測到CO釋放。定期降低電池電流，觀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））進行檢索和燃燒分析，證實發生了脫碳。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僅為0.0054wt.%，表明鋼清潔度很高，并突出了氧化物直接排放到碳上，未進入鐵浴。爐渣中氧化鐵含量增加的少，估計會造成5%-8%的損失。我們假設氧化物離子直接在碳原子上放電。
在電解精煉過程中，對電極起陰極作用。在對電極處回收副產品——金屬硅，在煉鋼廠中使用。將爐渣設計為含有二氧化硅和其他更負電的金屬氧化物，促進硅的回收。檢索電極表征，證實金屬硅沉積，與鉬基材形成合金（圖1（e））。可能因為使用了低電流密度和高純度氧化物，陰極相應電流效率接近90%。
考慮到已經確認了除碳、CO氣體的產生和金屬硅的沉積，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勢，可利用電能實現鐵水脫碳。該工藝為直接氧化脫碳，可通過優化電流或電位調制，進一步提高效率。
電解精煉基礎測試
經概念驗證和電化學的試驗結果，探索了電解精煉的可能性，對該技術進行基礎測試。用較低電流密度，電解精煉逐漸稀釋的合金。如圖4（a）所示，碳濃度隨著脫碳電流效率的降低而降低。但電流效率永遠不會達到零，在任何碳濃度下均可進行熔融電解精煉。對含碳量僅為0.005wt.%的鐵水進行電解精煉脫碳，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。通過優化電池電流或電勢，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，它們根據熔渣中的局部電位梯度達到復雜的平衡。考慮每單位電荷損失的鐵量，鐵損失量往往在低碳水平時增加（圖4（b））。雖然低碳水平下的鐵損失似乎很高，但實際上，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回收率。將鐵水作為陰極，鐵從爐渣中沉積出來，在爐渣中的濃度顯著降低。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，即氬氧脫碳，需在精煉后使用昂貴的硅鐵還原。而通過電化學回收，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，而不是進入鐵水中，這與增加鋼氧化的傳統脫碳工藝形成鮮明對比。總氧量隨爐渣中鐵總量變化，因為兩者之間的熱力學關系，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。總體而言，電解精煉的能耗較低，產品碳含量低，附加值高。為了探索電解精煉工藝對工業用途的重要性，對電解精煉電池成本進行分析。雖然結果很難準確，但結果說明，電解精煉工藝在高價值低碳范圍內具有競爭優勢，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。在鐵水陽極極化時，來自熔渣電解質的氧化物離子，經一系列單電子轉移步驟，直接釋放到碳上，氣態CO解吸。陽極釋放出CO，冶金級硅在陰極被回收，在鋼鐵廠中使用。
電解精煉工藝適用于任何含碳量的鐵水，可生產超低碳鋼，具有諸多優點，如能耗低、不需添加熔劑、自混合、自爐渣回收金屬。該工藝除滿足當前優質鋼需求之外，還通過簡單的工藝控制和降低氣體、脫氧劑和耐火原料的消耗量來節約成本。
電解精煉工藝除了作為獨立工藝運行，可與現有技術結合使用，加強精煉。可以設想電解精煉工藝在小型鋼廠的電弧爐中應用，以現有電氣基礎設施，生產高價值鋼材產品。電解精煉通過提高再生鋼質量，有利于形成原料循環的閉環，減少資源消耗，減少煉鋼過程中的碳排放。
來源：世界金屬導報 2022-04-27 22:04