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綠色煉鋼

自工業(yè)革命以來(lái)，地球的年平均溫度正在上升。這主要是由于化石燃料的燃燒增加了大氣中的二氧化碳（CO2）排放。在工業(yè)革命之前，大氣中的280 ppm（0.028 %）由二氧化碳組成，而在2019年初，這個(gè)數(shù)字已經(jīng)增加到大約413 ppm（0.0413 %）。圖1顯示了過(guò)去80萬(wàn)年中全球年溫度的上升和地球上二氧化碳的濃度。大氣中的二氧化碳數(shù)據(jù)是由美國(guó)國(guó)家海洋大氣管理局（NOAA）提供的。由于沒有直接的測(cè)量，相應(yīng)的信息是通過(guò)歐洲南極洲冰芯項(xiàng)目（EPICA）從冰芯中獲得的。

圖1 全球變暖的發(fā)生

全球變暖，實(shí)際上是 "好東西太多了 "的成果。如果沒有大氣層，地球的表面將幾乎被凍結(jié)。當(dāng)太陽(yáng)光進(jìn)入大氣層時(shí)，它被海洋和大陸吸收，從而變暖。然后大部分的熱量以富含能量的紅外光的形式向太空輻射回來(lái)。這就是 "溫室氣體 "發(fā)揮作用的地方。這些氣體主要由水蒸氣、二氧化碳和甲烷組成，與紅外光相互作用，使其在進(jìn)入太空時(shí)不會(huì)離開大氣。因此，"好事 "發(fā)生了，大氣層保留了熱量。只是，過(guò)多的變暖效應(yīng)有負(fù)面的影響，使大氣層過(guò)于溫暖。

在促進(jìn)清潔能源轉(zhuǎn)型的同時(shí)，鋼鐵也是目前世界面臨的實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)挑戰(zhàn)的一個(gè)重要因素。由于大量依賴煤炭和焦炭作為燃料和還原劑，該行業(yè)每年的直接二氧化碳排放量約為2.6千兆噸，或約占工業(yè)二氧化碳排放量的四分之一。此外，還有11億噸二氧化碳的排放是由于使用其廢氣和其他燃料來(lái)發(fā)電和進(jìn)口熱能所造成的。

目前初級(jí)鋼鐵生產(chǎn)對(duì)煤炭的高度依賴，長(zhǎng)期的資本資產(chǎn)，以及該部門對(duì)國(guó)際貿(mào)易和競(jìng)爭(zhēng)力的影響，使得向二氧化碳近零排放的過(guò)渡具有挑戰(zhàn)性。正是由于這些原因，該部門有時(shí)被稱為 "難以消減 "的部門之一。

滿足鋼鐵產(chǎn)品的需求給鋼鐵部門帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)樗诒３指?jìng)爭(zhēng)力的同時(shí)，謀求一條更可持續(xù)的道路。因此，鋼鐵生產(chǎn)商在減少能源消耗和溫室氣體排放、開發(fā)更多的可持續(xù)產(chǎn)品以及通過(guò)創(chuàng)新、低碳技術(shù)部署和資源效率提高其競(jìng)爭(zhēng)力方面負(fù)有重大責(zé)任。

最近的研究估計(jì)，全球鋼鐵業(yè)可以發(fā)現(xiàn)，如果鋼鐵組織不能減少對(duì)環(huán)境的影響，其潛在價(jià)值的14%左右就會(huì)受到威脅。因此，去碳化將是保持經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力和保留行業(yè)經(jīng)營(yíng)許可的首要任務(wù)。此外，10年到15年的漫長(zhǎng)投資周期，數(shù)十億的融資需求，以及有限的供應(yīng)商能力，使得這個(gè)問(wèn)題更加相關(guān)，并鎖定了解決去碳化挑戰(zhàn)的重要準(zhǔn)備時(shí)間。

鋼鐵行業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，需要長(zhǎng)期的解決方案來(lái)解決鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳排放。因此，鋼鐵業(yè)在改善能源消耗和減少二氧化碳排放方面一直非常積極主動(dòng)。自1975年以來(lái)，在大多數(shù)頂級(jí)鋼鐵生產(chǎn)國(guó)，能源效率的提高已經(jīng)使生產(chǎn)一噸粗鋼所需的能源減少了約50%。通過(guò)專業(yè)限度地利用最先進(jìn)的技術(shù)，正在進(jìn)一步提高能源效率。

圖1顯示，自工業(yè)革命以來(lái)，大氣中的二氧化碳含量已經(jīng)從280ppm上升到413ppm。碳測(cè)定顯示，這種增加與化石燃料（煤、石油和天然氣）的燃燒有關(guān)。雖然1攝氏度似乎并不高，但人們相信，任何進(jìn)一步的增加都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，如海冰的消失，冰川的消退，導(dǎo)致海平面的上升，目前的測(cè)量成果是平均每年3.3毫米。為了避免氣候機(jī)會(huì)的不良影響，全球變暖需要保持在2攝氏度以下。

就全球化石和工業(yè)排放總量而言，鋼鐵行業(yè)是專業(yè)的單一部門，占溫室氣體（GHG）排放量的7%至9%。它是專業(yè)的工業(yè)排放源，目前約占全球最終能源需求的8%。因此，它是各國(guó)政府的首要關(guān)注點(diǎn)。另一方面，鋼鐵對(duì)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要，因此，全球?qū)︿撹F的需求預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)，以滿足不斷增長(zhǎng)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)福利需求。它也是清潔能源轉(zhuǎn)型的一個(gè)關(guān)鍵投入。發(fā)電和用電部分取決于鋼鐵及其合金的鐵磁性能。鋼是風(fēng)力渦輪機(jī)、輸電和配電基礎(chǔ)設(shè)施、水力發(fā)電和核電站以及其他關(guān)鍵能源部門資產(chǎn)的關(guān)鍵投入材料。

綠色煉鋼包括使用那些能減少二氧化碳排放的工藝。歐盟、美國(guó)、加拿大、bar西、日本、韓國(guó)、澳大利亞和中國(guó)都在進(jìn)行綠色煉鋼工藝的開發(fā)工作。對(duì)于綠色煉鋼技術(shù)的發(fā)展，正在探索五個(gè)關(guān)鍵方向。這些方向是：（1）涉及煤炭使用的技術(shù)，（2）涉及氫氣使用的技術(shù)，（3）涉及電子的技術(shù)，（4）涉及生物質(zhì)使用的技術(shù)，以及（5）涉及碳捕獲、使用和/或儲(chǔ)存（CCUS）的技術(shù)。圖2顯示了從以礦石為基礎(chǔ)的鋼鐵生產(chǎn)路線中減少二氧化碳排放的突破性技術(shù)的路徑。

圖2 綠色煉鋼的突破性技術(shù)之路

在歐盟，突破性技術(shù)正在ULCOS（超低二氧化碳煉鋼）計(jì)劃下開發(fā)。在該計(jì)劃下，正在進(jìn)行以下開發(fā)工作：（i）帶有二氧化碳捕獲、使用和/或儲(chǔ)存（CCUS）的 "頂部氣體循環(huán)高爐"（TGR-BF）；（ii）帶有CCUS的HIsarna工藝，涉及熔煉還原；（iii）帶有CCUS的ULCORED，涉及一個(gè)新的直接還原（DR）概念；以及（iv）電解。除此以外，ULCOS還在研究利用可持續(xù)生物質(zhì)中的碳以及基于氫氣的煉鋼。

在美國(guó)，美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)（AISI）和美國(guó)能源部（DOE）以及工業(yè)技術(shù)辦公室之間的 "公私合營(yíng) "正在進(jìn)行開發(fā)工作。有兩個(gè)項(xiàng)目代表了重要的步驟。這些項(xiàng)目是（i）氧化鐵精礦的懸浮氫氣還原，以及（ii）熔融氧化物電解（MOE）。從近期來(lái)看，AISI成員正在進(jìn)行 "配對(duì)直膛爐 "的開發(fā)工作，這是一種煤基DRI和熔融金屬工藝，用于長(zhǎng)期替代高爐和焦?fàn)t。

在日本，開發(fā)工作是在COURSE50計(jì)劃下進(jìn)行的，涉及六個(gè)鋼鐵和工程組織、日本鋼鐵聯(lián)合會(huì)和新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織。 該計(jì)劃的研究和開發(fā)目標(biāo)是：（1）用其他還原劑（氫氣）減少高爐鐵礦石還原過(guò)程中的二氧化碳排放；（2）改造焦?fàn)t煤氣，旨在通過(guò)利用廢熱提高氫氣含量；（3）用氫氣還原的高強(qiáng)度和高反應(yīng)性焦炭。開發(fā)工作也正在進(jìn)行，以從高爐煤氣中捕獲二氧化碳，包括（i）化學(xué)和物理吸收來(lái)捕獲、分離和回收二氧化碳，以及（ii）利用鋼鐵廠的廢熱來(lái)減少捕獲、分離和回收的能源需求。

在韓國(guó)，開發(fā)工作由POSCO、RIST、POSLAB和POSTECH參與進(jìn)行。已經(jīng)確定了三條有希望的二氧化碳突破性解決方案的路線。它們是：(i)碳精煉鋼，包括碳精煉FINEX工藝，以及熱燒結(jié)礦的預(yù)還原和熱回收；(ii)通過(guò)使用氨水吸收二氧化碳，以及在海洋氣田中封存二氧化碳，實(shí)現(xiàn)煉鋼的碳捕獲和封存；以及(iii)通過(guò)使用富氫合成氣在FINEX工藝中還原鐵礦石，以及富氫高爐工藝實(shí)現(xiàn)氫氣煉鋼。

減少或避免煉鋼過(guò)程中的碳排放的新興技術(shù)可以分為兩個(gè)不同的類別，即（i）碳捕獲、使用和/或儲(chǔ)存（CCUS），以及（ii）鐵礦石的替代性還原。CCUS采用了不同的方法來(lái)捕獲二氧化碳排放。它或者儲(chǔ)存它們（例如，在地質(zhì)構(gòu)造中，如耗盡的海底氣藏），或者處理排放物以繼續(xù)利用。單獨(dú)的CCUS不能實(shí)現(xiàn)碳中和。但是，如果煉鋼過(guò)程中使用的化石燃料被生物質(zhì)替換，它可以導(dǎo)致二氧化碳的負(fù)平衡。

第二類潛在技術(shù)涉及用鐵礦石的替代還原劑替代焦炭或天然氣。這些包括氫氣和直流電。這些技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，理論上它們可以使鋼鐵生產(chǎn)完全綠色。然而，與CCUS相比，它們中的大多數(shù)可能需要更多的時(shí)間和資金來(lái)建立。

下面將討論最有前途的新CCUS和替代還原技術(shù)以及基于氫氣的直接還原技術(shù)。

含有CCUS的技術(shù)

在這些技術(shù)中，在操作過(guò)程中排放的二氧化碳被從其他氣體中分離出來(lái)并被捕獲。然后，捕獲的二氧化碳通過(guò)管道運(yùn)輸或運(yùn)到陸上或海上的儲(chǔ)存地點(diǎn)，或者使用。CCUS的過(guò)程包括燃燒后/燃燒前捕獲、壓縮、運(yùn)輸和儲(chǔ)存/使用。圖3顯示了簡(jiǎn)化高爐-基本氧氣爐（BF-BOF）煉鋼路線的CCUS方案。

圖3 簡(jiǎn)化BF-BOF路線的CCUS方案

主要的優(yōu)點(diǎn)是CCUS系統(tǒng)可以很輕松地集成到現(xiàn)有的傳統(tǒng)棕色現(xiàn)場(chǎng)工廠中。而且，由于該技術(shù)不是專門針對(duì)煉鋼的，其他行業(yè)也可以分享開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施成本。此外，未來(lái)的運(yùn)營(yíng)成本基本上可以預(yù)測(cè)。

主要的缺點(diǎn)是CCUS并不是完全的碳中和，因?yàn)閮H僅是碳捕獲過(guò)程就只能捕獲大約90%的二氧化碳。此外，還有一些其他挑戰(zhàn)。公眾對(duì)碳存儲(chǔ)的接受程度還不確定，這使先行者處于不好的地位。此外，目前，除了小規(guī)模的陸上儲(chǔ)存地點(diǎn)之外，海洋是唯一合適的大型儲(chǔ)存地點(diǎn)，這就需要大量的運(yùn)輸工作。此外，排放物的利用也是為了確保在后期沒有碳排放，以實(shí)現(xiàn)碳中和的過(guò)程。另外，CCUS設(shè)備增加了維護(hù)負(fù)擔(dān)和停工時(shí)間，對(duì)運(yùn)營(yíng)成本有很大影響。

有一些試點(diǎn)項(xiàng)目已經(jīng)開始處理二氧化碳等排放物，以制造合成燃料。但目前這還不是碳中和，因?yàn)槎趸际窃诤笃谂欧诺摹?/p>

基于生物質(zhì)的煉鐵與CCUS

這些技術(shù)的基本理念是，碳中性生物質(zhì)在預(yù)處理中部分替換化石燃料，或作為鐵礦石還原劑。例子是用原始生物質(zhì)（原始海藻、草、木材等）制成的富碳 "焦炭 "來(lái)生產(chǎn)替代焦炭，或?qū)⒄託庾⑷胴Q爐以代替天然氣?；谶@些技術(shù)的工藝包括熱解和水熱碳化。CCUS系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理任何剩余的碳排放。

單純的生物質(zhì)可以減少40%到60%的二氧化碳排放，與CCUS結(jié)合使用可以實(shí)現(xiàn)碳中性煉鋼。從短期來(lái)看，生物質(zhì)可以立即部分替代化石燃料，使現(xiàn)有工廠的減排工作迅速取得成效。排放的二氧化碳也可以利用CCUS進(jìn)行回收，生產(chǎn)新的生物質(zhì)。

然而，生物質(zhì)的種植是困難的。在環(huán)境方面，它可能導(dǎo)致森林砍伐、污染和生物多樣性的減少，在社會(huì)方面，它影響到糧食價(jià)格和農(nóng)業(yè)用地的使用。因此，政治和社會(huì)接受的風(fēng)險(xiǎn)很高。此外，生物質(zhì)的熱值比化石燃料低，限制了它在大型高爐中的使用或?qū)е滦式档?。此外，由于其高水含量，它也可能太重而無(wú)法用于大型高爐。

瑞典研究小組SWEREA在位于Lulea的SSAB鋼鐵廠進(jìn)行的一項(xiàng)關(guān)于使用生物質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，使用生物質(zhì)煉鐵可以減少28%的二氧化碳排放。

基于氫氣的直接還原鐵豎爐

在這個(gè)過(guò)程中，氫氣代替了碳還原劑（如重整天然氣），用于將鐵礦石顆粒還原成 "直接還原鐵"（DRI或海綿鐵）。該反應(yīng)在豎爐中進(jìn)行。然后，生產(chǎn)的DRI被送入電弧爐，通過(guò)添加碳，通過(guò)進(jìn)一步加工變成鋼。DRI也可以以 "熱壓塊鐵"（HBI）的形式被送入高爐。這大大增加了高爐的效率，減少了焦炭的消耗。最常見的類似工藝技術(shù)是Midrex和Energiron工藝。

在氫基還原法中，鐵礦石通過(guò)氣固反應(yīng)被還原，類似于DRI的生產(chǎn)途徑。唯一不同的因素是，還原劑是純氫氣，而不是一氧化碳?xì)怏w、合成氣或焦炭。氫氣對(duì)鐵礦石的還原分兩到三個(gè)階段進(jìn)行。對(duì)于溫度高于570攝氏度的礦石，赤鐵礦（Fe2O3）首先轉(zhuǎn)化為磁鐵礦（Fe3O4），然后轉(zhuǎn)化為沃斯提（FexO），最后轉(zhuǎn)化為金屬鐵，而在溫度低于570攝氏度時(shí)，磁鐵礦直接轉(zhuǎn)化為鐵，因?yàn)槲炙固嵩跓崃W(xué)上不穩(wěn)定。

氫氣還原鐵礦石所涉及的還原反應(yīng)由以下公式表示：（i）3 Fe2O3 + H2 = 2 Fe3O4 + H2O，（ii）x Fe3O4 + （4x-3）H2 = 3 FexO + （4x-3）H2O，以及（iii）FexO + H2 = x Fe + H2O，其中x等于0.95。正如這些反應(yīng)所表明的，用氫氣還原鐵礦會(huì)釋放出無(wú)害的水蒸氣（H2O），而不是溫室氣體CO2。用氫氣還原赤鐵礦的總體反應(yīng)是Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O，這是一個(gè)內(nèi)熱反應(yīng)，反應(yīng)熱delta H在298攝氏度時(shí)=95.8 kJ/mol，這對(duì)該過(guò)程的能量平衡來(lái)說(shuō)是負(fù)面的，需要用注入的還原氣體/氣體混合物增加能量。開發(fā)生產(chǎn)線的重點(diǎn)是基于還原溫度、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、球團(tuán)組成以及還原氣體預(yù)熱技術(shù)的優(yōu)化。

用于還原赤鐵礦（Fe2O3）的氫氣的化學(xué)計(jì)量消耗量為每噸鐵54公斤。因此，一個(gè)年產(chǎn)100萬(wàn)噸的鋼鐵廠需要一個(gè)在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力（STP）下氫氣能力高達(dá)70000立方米/小時(shí)的氫氣工廠。以氫氣作為還原氣體，與以氫氣-一氧化碳混合物作為還原氣體的反應(yīng)器相比，預(yù)測(cè)反應(yīng)器的行為變化是很重要的。有幾個(gè)因素會(huì)以不同的方式相互影響，如動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱和氣體輸送。

如果綠色電力完全用于該工藝，該工藝使整個(gè)初級(jí)煉鋼路線實(shí)現(xiàn)了碳中性和無(wú)化石燃料。該工藝的其他優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)靈活性高。該工藝易于啟動(dòng)和停止，而且該技術(shù)使用較小單元的能力使其具有更大的擴(kuò)展性。此外，將DRI作為HBI送入高爐-基本氧氣爐煉鋼系統(tǒng)的能力意味著在豎爐/EAF生產(chǎn)放量的同時(shí)，可以使用現(xiàn)有的傳統(tǒng)褐土廠。

該工藝仍然需要鐵礦石球團(tuán)，而生產(chǎn)鐵礦石球團(tuán)會(huì)造成大量排放，這取決于球團(tuán)廠的熱源。提供必要數(shù)量的氫氣也是一個(gè)問(wèn)題，需要開發(fā)高效的大規(guī)模電解器。此外，由于該工藝依賴于大量廉價(jià)的綠色能源，如果鋼鐵生產(chǎn)國(guó)不能大幅提高自己的綠色能源生產(chǎn)，就要進(jìn)口氫氣或預(yù)加工鐵，從而損害其價(jià)值鏈。未來(lái)的運(yùn)營(yíng)成本也存在不確定性，這與氫氣和電力的價(jià)格有關(guān)。 圖4顯示了用于直接還原鐵的氫氣豎爐。

圖4 用于直接還原鐵的氫氣豎爐

HYBRIT工藝使用以氫氣為基礎(chǔ)的豎爐來(lái)生產(chǎn)DRI。HYBRIT是 "HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology "的縮寫。2016年4月4日，三家瑞典公司--SSAB、LKAB和Vattenfall AB啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，旨在調(diào)查以無(wú)二氧化碳排放的電力為主要能源的H2基DRI生產(chǎn)過(guò)程的可行性。一家合資公司HYBRIT Development AB成立了，三家公司都是業(yè)主。這使我們能夠充分獲得整個(gè)價(jià)值鏈的頂級(jí)能力，從能源生產(chǎn)、采礦、礦石選礦和球團(tuán)生產(chǎn)、直接還原、熔化和粗鋼生產(chǎn)。2017年對(duì)基于H2的直接還原進(jìn)行了預(yù)可行性研究。該研究認(rèn)為，擬議的工藝路線在技術(shù)上是可行的，而且考慮到二氧化碳排放和電力成本的未來(lái)趨勢(shì)，它對(duì)瑞典/芬蘭北部的條件也有經(jīng)濟(jì)吸引力。

HYBRIT工藝用氫氣代替煤直接還原鐵，與電弧爐相結(jié)合。該工藝幾乎完全不使用化石燃料，并大大減少了溫室氣體的排放。該工藝是使用氫氣直接還原/電弧爐設(shè)置的幾項(xiàng)舉措之一，將利用氫氣直接還原鐵礦石與電弧爐相結(jié)合，進(jìn)一步加工成鋼。氫氣直接還原工藝的產(chǎn)品是DRI或海綿鐵，它被送入電弧爐，與適當(dāng)比例的廢鋼混合，并進(jìn)一步加工成鋼。

HYBRIT生產(chǎn)過(guò)程的原理流程圖見圖5。該工藝的主要特點(diǎn)是：（i）在球團(tuán)生產(chǎn)中使用非化石燃料；（ii）使用無(wú)化石的電力通過(guò)電解生產(chǎn)氫氣；（iii）將氫氣儲(chǔ)存在一個(gè)特別設(shè)計(jì)的設(shè)備中，作為電網(wǎng)的緩沖；（iv）使用豎爐進(jìn)行鐵礦石還原。(v) 使用定制的顆粒作為鐵礦石原料，(vi) 還原氣體/氣體混合物在注入豎爐之前被預(yù)熱，(vii) 產(chǎn)品可以是不含碳的DRI或HBI，也可以是滲碳的，(viii) DRI/HBI與回收的廢料一起在電弧爐中融化。

圖5 HYBRIT生產(chǎn)過(guò)程的原理流程圖

使用無(wú)化石電力電解水產(chǎn)生的氫氣在豎爐中還原鐵礦石顆粒是HYBRIT計(jì)劃的主要選擇。根據(jù)這一倡議，從礦山到成品鋼的無(wú)化石價(jià)值鏈的轉(zhuǎn)換包括很多有待開發(fā)的問(wèn)題，其中也考慮到了當(dāng)?shù)氐氖袌?chǎng)和地理?xiàng)l件。瑞典有一個(gè)獨(dú)特的情況，該國(guó)北部地區(qū)電力產(chǎn)能過(guò)剩，靠近鐵礦，有良好的生物質(zhì)和鋼鐵廠的通道，以及工業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)之間的強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)。

HYBRIT工藝屬于一個(gè)大大接近商業(yè)部署的技術(shù)概念類別。它的基礎(chǔ)是使用氫氣作為還原劑，通過(guò)基于可再生電力的電解生產(chǎn)氫氣。從環(huán)境的角度來(lái)看，其最重要的優(yōu)勢(shì)是該工藝的廢氣是水（H2O）而不是二氧化碳，從而減少了溫室氣體的排放。與傳統(tǒng)的DRI煉鋼一樣，使用氫基DRI路線生產(chǎn)的鐵可以使用市面上的電弧爐技術(shù)進(jìn)一步加工成鋼。如果電力和氫氣是利用可再生資源生產(chǎn)的，如光伏（PV）太陽(yáng)能/風(fēng)能/水能電解、光化學(xué)制氫或太陽(yáng)能-熱能水分離，那么氫氣生產(chǎn)和電弧爐煉鋼步驟就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)碳。

基于氫氣的流化床工藝用于直接還原鐵

與豎爐版本一樣，該技術(shù)使用氫氣來(lái)還原鐵礦石并生產(chǎn)直接還原鐵，以進(jìn)入電弧爐。不同之處在于，還原是在流化床中進(jìn)行的，而不是在爐子中進(jìn)行的，并且使用精細(xì)加工的鐵礦粉/精礦而不是球團(tuán)。流化床是反應(yīng)室，可以不間斷地將固體原料與氣體混合，產(chǎn)生固體。類似的工藝有FINEX和Circored。

使用細(xì)粉而不是鐵球的優(yōu)點(diǎn)是不需要造粒，從而減少了成本和該過(guò)程中的高二氧化碳排放。此外，流化床反應(yīng)器比豎爐有更少的內(nèi)部粘連問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)更高的金屬化（約90％至95％）。

該工藝在氫氣供應(yīng)、電解器和運(yùn)行成本方面與豎爐法有相同的問(wèn)題。電力供應(yīng)也將是100%的綠色，以實(shí)現(xiàn)碳中和。此外，流化床反應(yīng)器在煉鋼中的應(yīng)用不如豎爐發(fā)達(dá)，因此需要更多的投資。圖6顯示了直接還原鐵的氫氣基流化床工藝。

圖6 基于氫氣的流化床直接還原鐵工藝

以氫氣為基礎(chǔ)的精礦還原（簡(jiǎn)稱HYFOR）是世界上第一個(gè)從選礦中直接還原鐵精礦的工藝，不需要對(duì)材料進(jìn)行任何預(yù)處理，如燒結(jié)或造粒。這減少了資本支出和運(yùn)營(yíng)支出的成本。該工藝能夠處理各種各樣的礦石，例如赤鐵礦和磁鐵礦。

HYFOR工藝是由Primetals技術(shù)公司開發(fā)的。這項(xiàng)新技術(shù)可以應(yīng)用于所有類型的選礦礦石。它對(duì)100％的原料的顆粒尺寸小于0.15毫米，同時(shí)允許專業(yè)顆粒尺寸為0.5毫米。由于顆粒表面大，該工藝在低溫和低壓下實(shí)現(xiàn)了高還原率。

作為主要的還原劑，新工藝使用氫氣。氫氣可以來(lái)自可再生能源，或者來(lái)自其他氣體來(lái)源的富氫氣體，如天然氣熱解或傳統(tǒng)蒸汽轉(zhuǎn)化器。作為另一種選擇，HYFOR可以在富含氫氣的廢氣中運(yùn)行。 根據(jù)氫氣的來(lái)源，這將導(dǎo)致所產(chǎn)生的DRI的二氧化碳排放量低，甚至為零。

一個(gè)用于測(cè)試的試點(diǎn)工廠已于2021年4月在奧地利奧鋼聯(lián)Stahl Donawitz投產(chǎn)。該工廠采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊的額定產(chǎn)能為每年25萬(wàn)噸，使其適用于所有規(guī)模的鋼鐵廠。試驗(yàn)工廠的目的是為這一突破性工藝提供實(shí)際證據(jù)，并作為一個(gè)測(cè)試設(shè)施，收集足夠的數(shù)據(jù)，以便在以后建立一個(gè)工業(yè)規(guī)模的工廠。

第一次測(cè)試已在2021年4月和2021年5月成功執(zhí)行。一次試驗(yàn)的規(guī)模在處理800公斤鐵礦石的范圍內(nèi)。HYFOR試驗(yàn)工廠將在多個(gè)活動(dòng)中運(yùn)行至少2年，以測(cè)試各種礦石類型，并為下一步的擴(kuò)大規(guī)模評(píng)估最佳工藝參數(shù)。假設(shè)運(yùn)行順利，將增加一個(gè)熱壓塊設(shè)備，以驗(yàn)證熱壓塊步驟以及HYFOR技術(shù)所期望的HBI質(zhì)量。

HYFOR工藝大大減少了二氧化碳的排放，并幫助生產(chǎn)商有效地應(yīng)對(duì)鐵礦石質(zhì)量下降的挑戰(zhàn)，這種挑戰(zhàn)最近變得更加嚴(yán)重，導(dǎo)致對(duì)礦石選礦的需求增加。高爐和直接還原廠對(duì)鐵礦石顆粒的需求不斷增加，導(dǎo)致鐵礦石價(jià)格上漲，特別是顆粒的溢價(jià)。有了HYFOR工藝，就有可能直接使用球團(tuán)礦，并從全球不斷上升的超細(xì)粉供應(yīng)中獲益。

位于奧鋼聯(lián)多納維茨的HYFOR試驗(yàn)工廠由三部分組成，即(i)預(yù)熱-氧化設(shè)備，(ii)氣體處理設(shè)備，以及(iii)核心部分，即全新的、獨(dú)特的還原設(shè)備。在預(yù)熱-氧化設(shè)備中，精礦被加熱到大約900攝氏度，并被送入還原設(shè)備。還原氣體是100%的氫氣，由位于工廠邊界外的氣體供應(yīng)商提供。從廢氣中獲取熱量的余熱回收系統(tǒng)確保了能源的最佳利用，而干式除塵系統(tǒng)則負(fù)責(zé)處理過(guò)程中的粉塵排放。熱直接還原鐵（HDRI）在離開還原設(shè)備時(shí)的溫度約為600攝氏度，然后被冷卻并從HYFOR試驗(yàn)工廠排出。

在600攝氏度左右的溫度下離開還原設(shè)備的熱直接還原鐵，隨后可以直接運(yùn)輸并送入電弧爐，或用于生產(chǎn)熱壓塊鐵。熱壓塊鐵是用來(lái)供應(yīng)給市場(chǎng)的。下一步將是增加一個(gè)熱壓塊測(cè)試設(shè)施，以測(cè)試熱壓塊鐵的特性。

HYFOR試驗(yàn)工廠的目的是驗(yàn)證這一突破性工藝，并作為一個(gè)測(cè)試設(shè)施，為將工廠規(guī)模擴(kuò)大到工業(yè)規(guī)模的原型工廠提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，作為下一個(gè)發(fā)展步驟。

懸浮式煉鐵

懸浮式煉鐵也被稱為 "閃光煉鐵技術(shù)"。該工藝首先對(duì)低品位鐵礦石進(jìn)行超細(xì)研磨，生產(chǎn)鐵精礦。鐵礦石要被磨成直徑小于100微米的顆粒。然后，超細(xì)粉在高溫 "閃電 "反應(yīng)器中使用氫氣進(jìn)行還原，只需幾秒鐘，一旦加入碳，就直接產(chǎn)生鐵。鐵精礦也可以在加入閃光反應(yīng)器之前，在一個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)器中以較低的溫度進(jìn)行預(yù)還原。圖7顯示了懸浮式煉鐵的原理。

圖7 懸浮式煉鐵

在美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)的資助下，美國(guó)的一些組織和機(jī)構(gòu)正在開發(fā)閃蒸煉鐵的轉(zhuǎn)型技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)是在閃蒸還原過(guò)程中直接氣態(tài)還原氧化鐵精礦。與目前基于BF的平均操作相比，該技術(shù)有可能將能源消耗降低32%至57%，將二氧化碳排放降低61%至96%。該技術(shù)適用于將鐵精礦（小于100微米）轉(zhuǎn)化為鋼的工業(yè)操作，無(wú)需進(jìn)一步處理。

這項(xiàng)技術(shù)在生產(chǎn)鐵的同時(shí)，繞過(guò)了造?；驘Y(jié)以及煉焦的步驟。此外，由于精礦的細(xì)小顆粒在1150攝氏度至1350攝氏度的溫度下被快速還原，因此，該工藝所需的停留時(shí)間為幾秒鐘，而不是球團(tuán)甚至鐵礦粉所需的幾分鐘或幾小時(shí)。在1,200攝氏度至1,500攝氏度的條件下，90%至99%的還原率在2秒至7秒內(nèi)完成。以H2作為還原氣體的工藝的能量需求為5.7GJ（1,360麥卡）/噸鐵液。

在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)將鐵礦石直接還原成鋼，就不需要煉鐵和燒結(jié)或造粒。它具有相當(dāng)大的成本和排放優(yōu)勢(shì)。由于高溫和快速反應(yīng)時(shí)間確保了較少的雜質(zhì)，它還能生產(chǎn)出 "更清潔 "的鋼。

用H2作為還原氣體，每噸液態(tài)鐵的二氧化碳排放量為0.04噸。這些排放量是BF煉鐵路線排放量的2.5％。閃蒸鐵工藝是在足夠高的溫度下進(jìn)行的，因此單個(gè)顆粒有足夠的能量來(lái)關(guān)閉除氧產(chǎn)生的孔隙。因此，單個(gè)顆粒遠(yuǎn)不容易因快速氧化而著火。猶他大學(xué)對(duì)粉末的小樣本進(jìn)行了研究，并確定它們不具有發(fā)火性。

該工藝將被應(yīng)用于鐵的生產(chǎn)，作為煉鋼工藝的原料或不間斷直接煉鋼工藝的一部分。根據(jù)該項(xiàng)目前一階段獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，猶他大學(xué)目前正在進(jìn)行放大開發(fā)工作。在實(shí)驗(yàn)室閃速爐中的測(cè)試導(dǎo)致了在大多數(shù)操作條件下動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，以及一個(gè)更先進(jìn)的臺(tái)式反應(yīng)器的完整設(shè)計(jì)。為了開發(fā)一種工業(yè)上可行的閃蒸鐵技術(shù)，計(jì)劃進(jìn)行一次全面的臺(tái)架試驗(yàn)。該項(xiàng)目這一階段的成果預(yù)計(jì)將是確定工藝的可擴(kuò)展性，實(shí)質(zhì)性的工藝模擬成果，以及導(dǎo)致設(shè)計(jì)和建造工業(yè)試驗(yàn)工廠的基本工程數(shù)據(jù)。圖8給出了閃速煉鐵技術(shù)的流程圖。

圖8 閃蒸煉鐵技術(shù)的流程圖

等離子體直接煉鋼

在等離子體直接煉鋼工藝中，鐵礦石（原礦或細(xì)粉或球團(tuán)形式）在等離子體煉鋼反應(yīng)器中使用氫氣等離子體進(jìn)行還原。同時(shí)，碳被添加到反應(yīng)器中以生產(chǎn)鋼。氫氣等離子體是經(jīng)過(guò)加熱或帶電的氫氣，將其分離或電離成其組成顆粒。該工藝可以使用熱等離子體（通過(guò)直接加熱氫氣產(chǎn)生）或非熱等離子體（通過(guò)將直流電或微波穿過(guò)氫氣產(chǎn)生）。

該工藝避免了對(duì)鐵礦石進(jìn)行預(yù)處理的需要，并允許降低反應(yīng)器溫度。它也是高度集成的，一些方法（例如，氫氣等離子體熔煉還原）只需要一個(gè)步驟。這使得它在商業(yè)上具有吸引力。該技術(shù)有可能大大減少成本。它還提供更高的產(chǎn)品質(zhì)量和更好的生產(chǎn)靈活性。

該技術(shù)處于非常早期的開發(fā)階段，最佳工藝和完整的反應(yīng)器設(shè)計(jì)尚待開發(fā)。其商業(yè)可行性也仍有待證明。作為其可持續(xù)鋼鐵（SuSteel）項(xiàng)目的一部分，奧地利鋼鐵制造商奧鋼聯(lián)已經(jīng)在其Donawitz工廠建立了一個(gè)小型試驗(yàn)性氫氣等離子體還原反應(yīng)器。等離子體直接煉鋼的過(guò)程如圖9所示。

圖9 等離子體直接煉鋼工藝

 電解工藝

有兩種類型的電解工藝。它們是：(i) 電解，和(ii) 電鑄。這兩種工藝的變體在ULCOS計(jì)劃中被稱為ULCOWIN和ULCOLYSIS。ULCOWIN工藝在略高于100攝氏度的水堿溶液中運(yùn)行，溶液中充滿了小顆粒的礦石。在這個(gè)過(guò)程中，鐵礦石被磨成超細(xì)精礦，浸出，然后在電解槽中以大約110攝氏度的溫度進(jìn)行還原。所產(chǎn)生的鐵板被送入電弧爐，變成鋼。ULCOLYSIS在煉鋼溫度（約1550攝氏度）下運(yùn)行，其熔鹽電解質(zhì)由爐渣制成（熱電解）。這個(gè)過(guò)程使用電力作為還原劑將鐵礦石轉(zhuǎn)化為液體鋼。圖10顯示了鋼鐵生產(chǎn)的電解過(guò)程。

圖10 用于鋼鐵生產(chǎn)的電解工藝

電解工藝是在ULCOS計(jì)劃內(nèi)從零開始開發(fā)的，因此，目前仍在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下運(yùn)行。盡管它擁有零排放的承諾，但如果能獲得綠色電力，需要時(shí)間將其擴(kuò)大到商業(yè)規(guī)模（10到20年）。ULCOWIN工藝包括鐵礦石的堿性電解。電解通常用于生產(chǎn)鋼鐵以外的金屬，需要大量的電力。該工藝要依靠二氧化碳清潔的電力來(lái)源，如可再生能源、水力發(fā)電或核能。ULCOLYSIS是熔融氧化物電解。熔融氧化物電解的工作原理是將電流通過(guò)裝有氧化鐵的熔融礦渣。氧化鐵會(huì)分解成液態(tài)鐵和氧氣。不產(chǎn)生二氧化碳。通過(guò)二氧化碳清潔電力來(lái)源，工藝排放進(jìn)一步減少。

由于電解工藝跳過(guò)了其他生產(chǎn)路線所需的上游階段，如生產(chǎn)焦炭或H2作為還原劑，這些工藝有可能成為最節(jié)能的煉鋼技術(shù)，特別是電解。它們還有望大大降低資本支出，因?yàn)榫碗娊舛?，只需要非常少的設(shè)備。與氫氣直接還原工藝相比，該工藝也是相對(duì)不靈活的，因?yàn)樗荒茌p易停止。