Ifølge verdensmetalrapporterne omfatter nyere teknologiindustri inden for kulstofemissioner i stålindustrien følgende aspekter:
1.Reduceringhøjovnsproduktion, ved hjælp af skrot eller direkte reduktion jern EAF stålfremstilling.
2.Anvendelse af brint fra grøn elektricitet ved direkte reduktion af jernproduktion.
3.Elektrolytisk jernmalm baseret på hydrometallurgi.
4.Elektrolyse af smeltet oxid.
5.Europæisk ultra-lavt kuldioxid stålfremstilling(ULCOS)projekt (højovns topgasgenvinding, HISarna).
6.Osinggas til at producere kemiske produkter
7.Anvendelse af slagger i cementindustrien
1. Introduktion
Det Internationale Energiagentur foreslår en bæredygtig udviklingsplan (SDS) for at nå målene i Parisaftalen.For at nå denne plan har International Energy Agency foreslået, at stålindustrien årligt skal reducere kuldioxidemissionsintensiteten for råstål med 1,9% fra 2017 til 2030.
Kuldioxidemissionsintensiteten for råstål har været på en nedadgående trend siden 2009 (et fald på 1,8% i forhold til året før i 2017).For at reducere enhedens kuldioxidemissioner af stålprodukter skal stålindustrien imidlertid stadig arbejde hårdere og fortsætte med at udføre teknologisk innovation.
For nylig har der været adskillige nylige udviklinger i reduktionen af stålindustriens miljømæssige fodaftryk.Mange sådanne projekter, teknologier eller innovationer falder ind i følgende kategorier:
1)Brintreduktion af jernmalm.
2)Brug af grøn elektricitet.
3)Udnyttelse af biomasse.
4)Afslut behandlingsteknologi.
Denne artikel diskuterer de nuværende stålproduktionsprocesruter og deres CO2 -emissioner. Det gennemgår også eksisterende og udviklende lavemissionsteknologier (LET'er). Disse teknologier kan fundamentalt ændre stålindustrien.
1.1MainSteelProcessRoutes
Der er tre hovedprocesveje til stålproduktion:
1)Den integrerede rute vedtager højovn, grundlæggende oxygenomformer og koksovn (70% af BF-BOF-metoden).
2)Direkte reduceret jernproduktion (DRI), der anvendes til fremstilling af lysbueovne (DRI-EAF-metoden tegner sig for 5%).
3) Elektrisk lysbueovnsstålfremstilling med skrotstål (skrot-EAF-metoden tegner sig for 24%).
1.2RegionalDhenvisninger iIron ogSteelProduktionTteknologi
Forløberen for den moderne BF-BOF stålfremstillingsproces har eksisteret i flere hundrede år, men den elektriske lysbueovns stålfremstilling begyndte i begyndelsen af det 20. århundrede. I 1960'erne, på grund af tilgængeligheden af en stor mængde skrotstål, blev lysbueovnens stålfremstilling fremmet og anvendt.Begrænsningerne ved den tidlige EAF var manglen på elektricitet (især billig elektricitet) og skrotforsyning, og de kunne kun producere stålprodukter af lav kvalitet. I de sidste 50 år er lysbueovne løbende blevet forbedret, så næsten 80% af stålprodukterne kan fremstilles af lysbueovne. Lande med billig elektricitet og skrot eller naturgas til DRI-produktion producerer normalt store mængder stål ved lysbueovne. I 2018 blev 68% af råstålet i USA produceret ved processen med lysbueovnen, mens kun 12% i Kina. I Kina er tilstrækkelig levering af skrot og billig elektricitet stadig restriktive faktorer.
2 EmissionRuddannelseStrategi
2.1 ProcesRudSvalg:TradiologiskIintegreretSteelmaking, EAFSteelmaking,DdirekteRuddannelseIron
Ifølge Japan' s effektemissionskoefficient er udledningen af EAF-stålfremstillingsprocessen, især ved brug af skrot som råmateriale, betydeligt lavere end den traditionelle BF-BOF-proces.For at opnå en mere miljøvenlig stålfremstilling kan overgangen fra den globale stålindustri til EAF -processer reducere kuldioxidemissionerne betydeligt.Hvis BF-BOF-ruten tegner sig for 60 %, og lysbueovnsruten tegner sig for 40 % (ved hjælp af 100 % NG-DRI-råmateriale), kan kuldioxidemissionerne reduceres med ca. 20 % til 1,62 tCO2 / tHRC.
Kulstoffattig elektricitet og tilstrækkelig skrotforsyning er nødvendige betingelser for at EAF stålfremstilling kan erstatte traditionel BF-BOF stålfremstilling. Hertil kommer, at kun når der tilføjes DRI/HBI til lysbueovnsproduktionen, kan lysbueovnen blive en proces, der er egnet til fremstilling af alle stålkvaliteter. Tilgængeligheden og prisen på naturgas er en vigtig faktor, der begrænser produktionen af DRI/HBI.
I Kina, verden' s største stålproducent, er EAF stålfremstilling i øjeblikket begrænset på grund af begrænset strøm og billig DRI og skrotforsyning.Udskiftning af nogle omformere med lysbueovne kan være en trend i den globale stålindustri.
2.2 SprængningFurneIforbedring
Da den nuværende BF-BOF-rute tegner sig for 70% af stålproduktionen, er den kortsigtede strategi til at reducere stålets kulstofemissionsintensitet at gradvist ændre og forbedre den eksisterende højovnsrute og derved reducere kuldioxidemissioner pr. Ton stål.Forbedringer af BF-BOF-ruten omfatter teknologier, der udnytter elektricitet, såsom varm luftoverophedning, topgasrecirkulation, forbedringer i ovn- eller koksproces, naturgasindsprøjtning i højovnen for delvist at opveje efterspørgslen efter koks og brug af alternative brændstoffer såsom biomasse.
Brug af elektrisk teknologi i højovn kan reducere kuldioxidemissioner, forudsat at elektricitet kommer fra vedvarende strøm eller grønt nationalt net.Pålideligheden og vedligeholdelsen af plasmabrændere er blevet væsentligt forbedret, siden de blev introduceret i højovne i 1980'erne. Elektrisk energi bruges til at generere høj temperatur og høj hastighed plasmastrøm.
Tørkølning er en forbedring af den eksisterende koksteknologi ved hjælp af inaktiv gas til at genvinde varmen fra den rødglødende koks.Den genvundne varme genererer damp i kedlen, som bruges til andre formål som f.eks. Elproduktion. Tørkøling af koksfugtighed er lavt, hvilket sparer mængden af højovnskoks.
Mange højovnsforbedringsprojekter fokuserer på brugen af biochar til erstatning af metallurgisk kul / koks.Ligesom andre petrokemiske kulkilder frigiver biochar kuldioxid til atmosfæren, og det frigivne kuldioxid anses for at være balancen af kuldioxid, der absorberes under biomassevækst.Derfor anses biochar for at være drivhusgas (GHG) neutral.
Et af hovedproblemerne ved anvendelse af biomasse som kulstoferstatning i højovnen er, at den høje aktivitet af biochar fører til en betydelig reduktion i kokskvalitet.
2.3 Hydrogenbaseret stålfremstillingsprojekt
En langsigtet løsning for at reducere kuldioxidemissioner fra stål er at fremme teknologien til udskiftning af kulstof med brint som jernreduktionsmiddel.Hydrogen blev brugt i reaktionsprocessen til at generere vand og undgå produktion af kuldioxid.
Hydrogenreduktion har to måder:1) Brintindsprøjtning i højovnen kan reducere mængden af kul / koks, der kræves. 2) Ved EAF -stålfremstilling kan hydrogen bruges som erstatning for NG -DRI til fremstilling af H2 - DRI.
2.4 Smeltet reduktionsteknologi
Smeltet reduktion er en alternativ kulbaseret jernfremstillingsproces, der afhænger af kulgasning i smeltet jern.Smeltningsreduktionsprocessen omfatter to regioner: område før reduktion og smeltereduktion.Kul kommer ind i smeltereduktionszonen, hvor kul forgasses for at producere varme og varm gas rig på kulilte.Varme smelter jern i den smeltede reduktionszone, og varm gas transporteres til præ-reduktionszonen.Derefter for-reducerede den varme gas jernoxidet, før jernoxidet kom ind i den smeltede reduktionszone for endelig reduktion.Smeltreduktionsteknologi eliminerer koksprocesser og har en tendens til at undgå jernmalm -agglomerering, hvilket reducerer kuldioxidemissioner betydeligt.En ulempe ved de fleste smeltereduktionsprocesser er, at de har brug for en stor mængde ilt, og omkostningerne er høje.På nuværende tidspunkt produceres mindre end 1 % stål ved smeltningsreduktionsproces.
HISARNA og FINEX er de to mest almindelige teknologier til reduktion af smeltning.
HISARNA er en del af ULCOS -projektet, der sigter mod at reducere CO2 -emissioner med 50 procent under stålfremstilling.Siden 2007 har Tata Steel, Rio Tinto Group og ULCOS projektgruppe udviklet HISARNA -teknologi, som direkte kan producere jern med jernmalm og kul uden nogen forbehandling.
Sammenlignet med den traditionelle jernfremstillingsvej reduceres kuldioxidemissionerne med 20 %, og brugen af biomasse eller skrot i HISARNA -ovnen kan yderligere reducere kuldioxidemissionerne med 50 %.
3. Direkte kulstofundgåelsesmuligheder
I øjeblikket studerer to projekter på forsøgsfasen nye procesruter, der har potentiale til fuldstændigt at ændre stålindustrien og decarbonisere stålindustrien:moltenoxidelektrolyse (MOE) og jernmalmelektrolyseprojekter.Begge er grønne elektriske teknologier.
3.1 Elektrolyse af smeltet oxid
Virksomhed B udvikler en kulstoffri stålfremstillingsproces af jernmalm.
Denne proces er i lille pilotudviklingsniveau.
MOE -processen bruger jernmalm som råmateriale til selektivt at reducere jern ved inert anode og mere stabilt smeltet oxidelektrolytlag.
Det rfjernes normaltsrent jern fra den elektrolytiske celle, tilføjslegeringer, og bearbejd og støb derefter stålet i overensstemmelse med typisk nedstrøms stålfremstillingsudstyr.For at opretholde målets kemiske egenskaber og alkalinitet kombineres ganguesammensætningen i jernmalm med fluxen for at danne et smeltet oxidlag.
3.2 Jernmalm elektrolyseprojekt
Siderwin -processen er et nyt projekt i den europæiske stålindustri, ledet af ArcelorMittal, der anvender elektrolytiske celler til at producere metallisk jern.
Når jernmalm indføres i elektrolysatoren, og strømmen strømmer gennem elektroden, tiltrækkes jern til katoden, og ilt tiltrækkes til anoden.Projektet er finansieret af EU Horizon 2020 -planen og er i øjeblikket i pilotfasen. Et 3 m industrielt batteri er under opførelse for at teste forskellige jernkilder som fodermaterialer, herunder jern.
Produktionen af metallisk jern involverer tre hovedtrin:
1) Hæmatit reagerer med opløseligt jernholdigt jern for at danne magnetit: Fe2O3, HFeO2- → Fe3O4, OH-
2) Elektrisk kobling mellem magnetit og jern: Fe3O4 + Fe + 4OH- → HFeO2- 3) Elektrokrystallisering af jern under katodisk polarisering: 3HFeO2- + 3H2O + 6e- → 3Fe + 9OH-
4 Genbrug af spildgas
Kulstofopsamling, -lagring og -udnyttelse kan også spille en rolle i udviklingen mod lavemission af stålproduktion. Kulstofopsamlings-, lagrings- og udnyttelsesteknologier fanger kuldioxid fra spildgas og genbruger det som råvarer til produktion af forskellige kemiske produkter for at undgå brug af kul- eller naturgasråvarer. Kuldioxid opsamlet fra røggas fra stål kan bruges til at forbedre olieindvindingen af oliebrønde og kan også omdannes til produkter af højere værdi, såsom bioethanol, biomethanol eller polymer. Kuldioxid kan også opbevares i cement eller bruges som foder til algevækst. For helt at eliminere kuldioxidemissioner fra den nuværende jern- og stålindustri er der imidlertid behov for et stort antal cement eller alger, hvilket vil øge vanskeligheden ved disse teknologier.
Bioethanol fremstilles normalt ved gæring af sukker i biomasse, såsom majs eller sukkerrør. Det bruges som en erstatning for benzin. Bioethanol er bemærkelsesværdigt, fordi det er hentet fra vedvarende ressourcer. Sammenlignet med fossile brændstoffer er bioethanol mindre giftigt og producerer lidt mindre kuldioxidemissioner.
Metanol kan fremstilles ved højovnsgas eller koksovnsgas for at reducere kuldioxidemissioner ved at undgå brug af fossile brændstoffer. Syntetisk gas til methanolsyntese kan være en blanding af hydrogen, kuldioxid og kulilte. Forbindelser som N2 skal imidlertid fjernes fra gassen til methanolproduktion.
5 Konklusion
Stålindustrien investerer mange penge for at udvikle teknologier til at reducere sit CO2 -fodaftryk. Kortsigtede løsninger såsom gradvis forbedring af højovne eller overgang til EAF-stålfremstilling kan bidrage til at reducere CO2-emissioner pr. Enhed af stålproduktion. Hvis emissionerne af kuldioxid skal reduceres betydeligt, skal nye alternative processer imidlertid forbedres, f.eks. Brugen af brint som reduktionsmiddel eller grøn smeltet reduceringsteknologi til afkulning af jern- og stålindustrien (fig. 2). Derudover er statens støtte til grøn energi og udfasning af fossile brændstofindustrien afgørende for at fremme disse banebrydende teknologier som bæredygtige og omkostningseffektive alternativer til eksisterende processer.