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超低二氧化碳煉鋼 - ULCOS 

二十五年來(lái)，世界各地的鋼鐵行業(yè)已經(jīng)將氣候變化確定為一項(xiàng)主要的環(huán)境挑戰(zhàn)。早在2007年政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）得出結(jié)論之前，主要的鋼鐵生產(chǎn)商就認(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（CO2）排放。

因此，鋼鐵業(yè)在改善能源消耗和減少溫室氣體（GHG）排放方面一直非常積極主動(dòng)。

與世界鋼鐵業(yè)最相關(guān)的溫室氣體是二氧化碳（CO2）。根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會(huì)（WSA），平均每生產(chǎn)一噸鋼就會(huì)排放1.8噸二氧化碳?xì)怏w。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)，2010年鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放量約占世界總排放量的6.7％。

現(xiàn)在，每噸粗鋼的二氧化碳排放量降低了約50%，這使得鋼鐵行業(yè)的氣候影響大大降低。現(xiàn)在，高品質(zhì)的鋼鐵廠都是在接近目前鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)所規(guī)定的熱力學(xué)極限的情況下運(yùn)作。這反過(guò)來(lái)意味著，鋼鐵生產(chǎn)商在進(jìn)一步提高能源效率方面受到限制。由于大多數(shù)主要的能源節(jié)約已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，使用目前的技術(shù)不可能再大量減少二氧化碳排放。

進(jìn)一步減少溫室氣體的排放意味著引進(jìn)突破性技術(shù)。將二氧化碳排放減少到后京都政策所要求的水平需要 "打破常規(guī) "的思維，因?yàn)樗岢隽司唧w的挑戰(zhàn)。沒(méi)有現(xiàn)成的簡(jiǎn)單工藝可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。必須想象鋼鐵生產(chǎn)方式的深層范式轉(zhuǎn)變，并設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)相應(yīng)的突破性技術(shù)。政府和國(guó)際機(jī)構(gòu)所要求的那種減少，需要發(fā)明和實(shí)施徹底的新生產(chǎn)技術(shù)。

這就是ULCOS（超低二氧化碳煉鋼）計(jì)劃創(chuàng)建的背景，該計(jì)劃是2004年作為京都議定書(shū)的成果而發(fā)起的歐洲合作研究和開(kāi)發(fā)倡議。ULCOS尋求進(jìn)一步大幅減少鋼鐵生產(chǎn)中二氧化碳排放量的方法。該計(jì)劃的主要目標(biāo)是尋找突破性的工藝路線，這些工藝路線在未來(lái)得到充分發(fā)展后，可以證明在以鐵礦石為原料的鋼鐵生產(chǎn)中大幅減少二氧化碳排放量的潛力。該計(jì)劃的目標(biāo)是與今天的生產(chǎn)技術(shù)相比，至少減少50%的二氧化碳排放。實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)需要鋼鐵生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變，這將改變世界各地鋼鐵廠目前的運(yùn)作方式。ULCOS是全球鋼鐵行業(yè)計(jì)劃的一部分，旨在確定有可能大幅減少二氧化碳的煉鋼技術(shù)。在該計(jì)劃下，人們正試圖找到一個(gè)以最可持續(xù)的方式制造鋼鐵的答案。

ULCOS計(jì)劃的成員是一個(gè)由來(lái)自15個(gè)歐洲國(guó)家的48家歐洲公司和組織組成的聯(lián)合體，包括所有主要的歐盟（EU）鋼鐵公司、能源和工程合作伙伴、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)。它還得到了歐盟委員會(huì)的支持。ULCOS是一個(gè)歐洲項(xiàng)目，但它是全世界鋼鐵行業(yè)中專業(yè)的努力，積極尋求解決全球變暖的威脅。該聯(lián)盟的專業(yè)知識(shí)包括從煉鋼到生物質(zhì)生產(chǎn)和二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存，并包括工藝工程、能源經(jīng)濟(jì)學(xué)和氣候變化的前瞻性研究。

今天，ULCOS是全球鋼鐵行業(yè)內(nèi)專業(yè)的倡議，積極尋找解決全球變暖威脅的辦法。在7500萬(wàn)歐元的預(yù)算中，ULCOS的合作伙伴出資60%。歐盟委員會(huì)通過(guò)其RTD（研究和技術(shù)發(fā)展）框架計(jì)劃和RFCS（煤鋼研究基金）計(jì)劃提供其余40%的資金。兩者都是為了促進(jìn)歐洲內(nèi)部的工業(yè)研究和技術(shù)發(fā)展而設(shè)立的。

目前的鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)是基于主要是碳的煤炭，基于碳和氫的混合天然氣，以及基于廢料的電弧爐。為了確定二氧化碳清潔工藝路線，三個(gè)主要的解決方案可能的路徑是：（i）從煤炭轉(zhuǎn)變，稱為脫碳，在氫氣還原或電解鐵礦石等工藝中，碳將被氫氣或電力替換，（ii）引入CCS（碳捕獲和儲(chǔ)存）和礦物碳化技術(shù)，以及（iii）使用可持續(xù)生物質(zhì)。

ULCOS是一個(gè)精心設(shè)置的大型計(jì)劃，以應(yīng)對(duì)鋼鐵行業(yè)和整個(gè)社會(huì)所面臨的長(zhǎng)期和復(fù)雜的挑戰(zhàn)。ULCOS計(jì)劃有四個(gè)步驟，即（i）建立工藝概念，（ii）大規(guī)模示范，（iii）第一個(gè)商業(yè)工廠的大規(guī)模實(shí)驗(yàn)。(iv) 在歐洲和世界范圍內(nèi)部署該技術(shù)。ULCOS是一項(xiàng)研究計(jì)劃，目前已轉(zhuǎn)變成一項(xiàng)示范計(jì)劃。

自2004年啟動(dòng)以來(lái)，ULCOS計(jì)劃已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。在其研究計(jì)劃的最初階段，一項(xiàng)持續(xù)四到五年的初步可行性研究調(diào)查了80多項(xiàng)技術(shù)/概念路線，使用建模和實(shí)驗(yàn)室方法評(píng)估它們?cè)诙趸寂欧拧⒛茉聪?、煉鋼的運(yùn)營(yíng)成本和可持續(xù)性方面的潛力。幾個(gè)概念已被平行調(diào)查。在所有這些概念中，以下大多數(shù)工藝路線系列已在ULCOS計(jì)劃中被選中，以進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)查，并最終擴(kuò)大到可以進(jìn)行商業(yè)實(shí)施的規(guī)模。

高爐（BF）的一個(gè)變體，其中高爐的頂部氣體經(jīng)過(guò)二氧化碳捕集，剩余的還原氣體被重新注入反應(yīng)器底部，而且是用純氧而不是熱風(fēng)（空氣）操作。這個(gè)過(guò)程被稱為頂部氣體循環(huán)高爐（TGR-BF）。富含二氧化碳的氣流被送入存儲(chǔ)（CCS技術(shù)）。

一種被稱為HIsarna工藝的熔煉還原工藝。該工藝以熱旋風(fēng)爐和熔池的結(jié)合為基礎(chǔ)，包含了HIsmelt工藝的一些技術(shù)特征。該工藝還使用純氧，產(chǎn)生的廢氣幾乎可用于儲(chǔ)存（CCS技術(shù)）。

一種直接還原（DR）工藝，被稱為ULCORED。該工藝在豎爐中生產(chǎn)DRI（直接還原鐵），可以使用天然氣或煤氣化產(chǎn)生的氣體。豎爐的廢氣在捕獲二氧化碳后被回收到工藝中，二氧化碳以濃縮流的形式離開(kāi)DR工廠并被儲(chǔ)存（CCS技術(shù)）。

兩種電解工藝的變體被稱為ULCOWIN和ULCOLYSIS。ULCOWIN在略高于100攝氏度的水堿性溶液中操作，其中有小粒的礦石（電泳工藝）。ULCOLYSIS在煉鋼溫度下操作，其熔鹽電解質(zhì)由礦渣制成（熱電解）。

還有兩個(gè)可供選擇的方案。第一種是使用氫氣進(jìn)行直接還原，如果有的話，不會(huì)產(chǎn)生任何碳排放。第二種是基于使用可持續(xù)的生物質(zhì)，第一種是由熱帶國(guó)家種植的桉樹(shù)可持續(xù)種植園生產(chǎn)的木炭。

在新的超低碳技術(shù)中，CCS和礦物碳化的使用也得到了評(píng)估。CCS從一開(kāi)始就被認(rèn)為是一個(gè)強(qiáng)有力的解決方案。關(guān)于礦物碳化，已經(jīng)確定它只能帶來(lái)適度的，盡管是重要的總體減排量。

圖1顯示了ULCOS計(jì)劃下正在研究和開(kāi)發(fā)的工藝。

圖1 在ULCOS計(jì)劃下正在研究和開(kāi)發(fā)的工藝

ULCOS現(xiàn)在已經(jīng)選擇了四個(gè)工藝概念--這些概念已經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試--與目前的最佳實(shí)踐相比，可以將二氧化碳排放量減少一半以上。這些概念現(xiàn)在正在ULCOS項(xiàng)目的第二階段中的工作鋼廠中實(shí)施。ULCOS項(xiàng)目第二階段的成果有可能在大約15至20年后推廣到生產(chǎn)工廠。所選擇的工藝概念是：（i）重新設(shè)計(jì)高爐，將CCS納入工藝的核心；（ii）具有CCS能力的冶煉還原；（iii）大量使用天然氣，采用比現(xiàn)在更清潔的二氧化碳技術(shù)；（iv）氫氣煉鋼和電解鐵礦石。

在短期內(nèi)，TGR-BF似乎是最有希望的解決方案，因?yàn)楝F(xiàn)有的BF可以被改造成新技術(shù)。這可以使轉(zhuǎn)向突破性技術(shù)所需的大量資本支出得到一定的控制。此外，該工藝的原理可以節(jié)省能源，因?yàn)槎趸嫉牟东@和凈化氣體的回收替換了高溫化學(xué)平衡（布杜瓦反應(yīng)），并且在BF內(nèi)使用焦炭和煤的效率比傳統(tǒng)操作要高。這在一定程度上平衡了捕獲和儲(chǔ)存所產(chǎn)生的額外成本。應(yīng)用于TGR-BF的正確概念是過(guò)程中的二氧化碳捕集，以及氧氣操作。 氧氣部分類似于純氧燃料操作，但并不完全相同。循環(huán)部分是原創(chuàng)的，是獲得一些能源節(jié)約和相應(yīng)削減運(yùn)行成本的關(guān)鍵原因。這個(gè)概念已經(jīng)在瑞典呂勒奧的一座大型實(shí)驗(yàn)室高爐上進(jìn)行了測(cè)試，成果是積極的。

在有天然氣的地方，ULCORED工藝路線是一個(gè)有吸引力的選擇。應(yīng)用于ULCORED工藝的概念類似于TGR-BF的概念，它還包括使用純氧和爐頂氣體的過(guò)程中回收，此外還有其他一些特點(diǎn)，如回收循環(huán)中的一系列轉(zhuǎn)變反應(yīng)器。為了驗(yàn)證這一概念，ULCOS的合作伙伴L(zhǎng)KAB計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)在呂勒奧建立一個(gè)每小時(shí)一噸的試點(diǎn)。

正在開(kāi)發(fā)的HIsarna工藝將在未來(lái)幾年內(nèi)成為綠地鋼廠的一個(gè)可用選擇。HIsarna工藝與TGR-BF和ULCORED工藝略有不同，因?yàn)樗簧婕皻怏w的回收循環(huán)。冶煉廠的氣體在旋流器一級(jí)被氧化，在那里進(jìn)行一些還原，同時(shí)進(jìn)行燃燒以預(yù)熱和熔化礦石。 氣體對(duì)鐵流有一個(gè)逆流，在這個(gè)逆流中，其化學(xué)能量被完全耗盡。一個(gè)8噸/小時(shí)的試驗(yàn)工廠已經(jīng)建立起來(lái)，并在ULCOS項(xiàng)目過(guò)程中進(jìn)行了測(cè)試。該試驗(yàn)工廠于2011年4月啟動(dòng)。在第一次活動(dòng)中，該工廠從2011年4月18日至6月11日運(yùn)行。共啟動(dòng)了四次。第一次啟動(dòng)沒(méi)有成功。其他三次啟動(dòng)都很成功。實(shí)現(xiàn)的注入率為產(chǎn)能的60%。現(xiàn)有的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，該工藝的運(yùn)行符合預(yù)期，但還需要更多的運(yùn)行時(shí)間來(lái)確認(rèn)這點(diǎn)。操作小時(shí)數(shù)低于預(yù)期。第二次活動(dòng)已于2012年10月16日開(kāi)始。它一直持續(xù)到2012年11月底。

電解過(guò)程是在ULCOS計(jì)劃內(nèi)從零開(kāi)始開(kāi)發(fā)的，因此，仍在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下運(yùn)行。盡管它們擁有零排放的承諾，但如果能夠獲得綠色電力，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。該工藝將取決于二氧化碳的清潔電力來(lái)源，如水力或核能。ULCOLYSIS是熔融氧化物電解法。熔融氧化物電解的工作原理是將電流通過(guò)裝有氧化鐵的熔融爐渣。氧化鐵會(huì)分解成液態(tài)鐵和氧氣。不產(chǎn)生二氧化碳。使用二氧化碳清潔電力來(lái)源，可以進(jìn)一步減少工藝排放。

在氫氣煉鋼中，鐵在高溫（高于1300攝氏度）下從鐵礦石中還原，反應(yīng)時(shí)間非常短。沒(méi)有二氧化碳排放，但生產(chǎn)氫氣需要大量的二氧化碳清潔電力。這個(gè)過(guò)程也可以用低二氧化碳燃料如天然氣來(lái)操作。

氫氣煉鋼在很大程度上取決于綠色氫氣的供應(yīng)，而使用遠(yuǎn)離種植國(guó)的木炭則需要建立復(fù)雜的物流，包括跨越幾個(gè)大陸的重型基礎(chǔ)設(shè)施。

ULCOS是鋼鐵行業(yè)的一個(gè)長(zhǎng)期倡議。它充滿了承諾，但也有風(fēng)險(xiǎn)和陷阱，這種情況可能與其他行業(yè)正在經(jīng)歷的情況相似。風(fēng)險(xiǎn)與問(wèn)題的復(fù)雜性有關(guān)，它要求在非常短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)和實(shí)施突破性技術(shù)。要使該計(jì)劃成為鋼鐵行業(yè)的一項(xiàng)成功舉措并實(shí)現(xiàn)大部分目標(biāo)，需要耐心、支持、真誠(chéng)和持續(xù)的決心。