挑战碳中和的MIDREX直接还原铁工艺 | 技术前沿
2023-05-18 11:58:02 点击：
随着工业技术的发展，化石燃料，尤其是煤炭的使用得到了不断的扩大。然而，为了防止全球变暖，钢铁行业需要尽快实现碳中和。作为实现碳中和的关键，直接还原过程备受期待。
CO2减排和还原铁在钢铁生产中的作用
1.1钢铁生产中的CO2排放和减排要求
如今的钢铁生产工艺依赖于化石燃料，所以钢铁行业是温室气体排放较大的行业之一。
所以，钢铁行业强烈要求减少CO2排放。国际能源署作为一个特定的目标，（IEA）可持续发展情景设定于2020年（SDS：SustainableDevelopmentScenario）。根据巴黎协定，2070年与全球能源利用相关的CO2排放为零，钢铁行业在2050年比2019年减排54%。；2070年需要减排90%。去年通过的COP26《格拉斯哥气候协议》明确提出，本世纪末将全球气温上升幅度控制在1.5℃以内的目标，要求钢铁行业的减排速度进一步加快。
1.2钢铁生产工艺概要
以铁矿石为主要原料的代表工艺是高炉。（BF）-转炉（BOF）法律，将块状铁矿石、焦炭和煤粉放入高炉中，还原熔融铁矿石，生产高碳铁水，在转炉中脱碳熔化成钢水。另一种以铁矿石为主要原料的工艺是直接还原（DR）-电炉（EAF）方法。直接在还原炉中使用天然气作为还原剂和热源，还原块化的铁矿石，然后将获得的固体还原铁放入电炉中熔化，从而生产钢水。这种方法不仅被用作天然气价格低廉、废钢发生有限的中东、近东等地区的炼铁方法，也被用作后面提到的废钢。―电炉法是主流地区，废钢中的铜等杂质元素(混合元素)已经成为影响钢材质量的问题。为了稀释这一点，供应的还原铁作为“清洁铁源”起着重要的作用(注:在直接还原法中，煤炭也可以作为还原剂使用)。
废钢为主要原料的工艺是废钢―电炉（EAF）法律。由于使用废钢，无需还原，用电炉熔化精炼废钢，生产钢水。
现在，大约70%的钢铁生产来自铁矿石(其中90%是高炉，10%是直接还原炉)，30%是废钢，30%是高炉。―转炉法占一半以上。
CO2排放量1.3各钢铁生产工艺
图2显示了各种钢铁生产工艺的CO2排放量。由于焦炭和煤被用作热源和还原剂，高炉-转炉法排放了大量的CO2，目前吨钢排放量约为2.2。t。如后所述，通过在高炉中使用还原铁，可减少需要的焦炭和煤炭的还原，从而减少CO2的排放。
直接还原（DR）―电炉法以天然气为还原剂，以电为熔化热源，因此，与以铁矿石为主要原料的高炉相比，―与转炉法相比，CO2的排放量减少了20%-40%。另外，如果没有CO2电力制氢，CO2的排放量会大大降低，而不是用氢气代替还原剂天然气。
由于废钢―电炉法不需要还原，所以CO2在现有工艺中排放量比较小。
未来钢铁产量预测与还原铁的作用
图3是在各机构预测的基础上，预测2050年粗钢产量。未来，随着经济的发展，预计全球粗钢产量将继续增加。其中，随着废钢产量的增加，虽然来自废钢的粗钢产量也会增加，但为了弥补粗钢产量的整体增加，来自铁矿石的粗钢产量将保持现状水平。因此，除了尽可能地利用废钢，如何减少来自铁矿石的钢铁生产中的CO2排放也是一个主要问题。
图4显示了IEA对不同生产方式的还原铁和生铁产量的预测。假设钢铁行业根据上述IEASDS，降低CO2排放量。预计2050年高炉生铁产量将逐步下降，而还原铁产量将从2019年的1亿吨增加到2050年的4亿吨。这表明，CO2可以通过直接还原天然气来立即减排，氢气和CCS也可以达到减排的目的。
2.MIDREX工艺的特点
2.1工艺概要
MIDREX法作为直接还原工艺的代表，在图5中展示了工艺流程。MIDREX法的主要组成部分有两个，一个是将铁矿石原料(球团或块矿)还原成还原铁的竖炉，另一个是制造竖炉还原所需的还原气体的改良炉(重整炉)。
该工艺的特点是利用炉顶煤气中的CO2，将天然气重组为氢(H2)和一氧化碳。（CO），制造还原气体(H2约55%、CO36%左右)。由于炉顶排气中使用富氢还原气体和CO2的有效利用，排放的CO2比使用焦炭的高炉法低20%-40%。此外，天然气中还可以添加一些氢气，甚至可以更换天然气，而无需对设备进行大的改造，从而大大减少CO2的排放。
2.2还原铁的用途和形式
MIDREX工艺竖炉生产的还原铁（DRI）包含常温还原铁（CDRI）、热还原铁（HDRI）和热压铁块（HBI），可以根据用途进行多种组合制造。
恢复后基本冷却到常温的CDRI，由于去除氧气产生的大部分气孔都是空的，具有长时间储存时接触空气会再次氧化的特性。因此，HBI在两个滚轮之间将高温还原铁压缩成块，这使得空隙率降低。因此，HBI具有良好的抗再氧化能力，不仅解决了长期储存和海上运输的问题，而且防止了处理过程中粉尘产生的利用率下降。由于HBI是对外销售的理想形式，在生产成本低、运输方便的地方形成了供应链，可以在市场上购买HBI。
另一方面，当DRI用于与直接还原厂相邻的电炉工厂时，在高温下直接在电炉中使用还原后600℃以上的DRI，可以减少大量的熔化能量，有助于提高电炉的生产率，减少CO2的排放。
2.3大型化
起初，MIDREX工艺开始在年产量15万吨(直径3.66m)的工厂进行商业化生产，之后一直致力于大规模生产。目前，年产量250万吨(直径7.65m)的工厂已投产。
2.4还原铁的产量和各工艺的份额
近几年来，还原铁产量急剧增加，2018年超过1亿吨，2020年由于疫情的影响，产量低于2019年，但仍达到1.044亿吨，连续三年产量超过1亿吨。如前所述，随着CO2减排的需要，预计未来还原铁产量将进一步快速增长。
直接还原方法有几种工艺，其中MIDREX方法约占全球还原铁产量的60%，占天然气基还原铁产量的80%，全球交付业绩超过90个。MIDREX方法不断扩大的原因之一是工艺简单稳定。通过在不同的反应器中还原铁矿石和气体，工艺控制非常容易。而且由于运行压力低，操作简单，很多工厂可以稳定运行，达到每年8000小时以上的工作时间。
采用MIDREX技术实现碳中和的路线
目前减排CO2的贡献量为3.1
2020年MIDREX工艺的还原铁产量为6263万吨。这一量的钢铁产品和使用高炉―相对于转炉法生产的CO2排放量，减排CO2的贡献量约为2932万吨，对减排CO2的贡献很大。
实现碳中和的路线3.2
下面的总结说明了通过MIDREX技术实现碳中和的路线。图5的横轴表示2050年碳中和的时间已经过去，纵轴表示从矿山到钢厂的活动和CO2的减排。
在全球碳中和活动中，以废钢为主要原料的CO2电炉化趋势正在扩大。然而，由于废钢产量有限，对还原铁的需求将大大扩大，作为废钢的替代或补充电炉原料。
另外，通过还原铁（HBI）通过安装高炉，可以降低高炉CO2排放量20%的技术也得到了证实。期待高炉扩大还原铁的使用，作为一种利用现有高炉实现即时减排CO2的方法。
在直接还原―在电炉法中，采用了SiO2、高品位铁矿石，如Al2O3，脉石成分较少。这是因为铁矿石中的脉石成分在电炉熔化时会形成炉渣，而在电炉中氧化精炼时，为了防止铁分被氧化损失到渣中，希望渣量少，也就是脉石量少。但高品位铁矿石供应有限，低档铁矿石目前采用高炉法，供应量丰富，可直接还原。―在电炉方法中，这是一个主要问题。对于这个话题，正在开发引入还原铁电熔器的解决方案，由还原铁制成生铁。这是在将脉石成分较多的还原铁放入电炉前，用还原铁电熔器熔化，去除脉石成分，同时减少铁在还原氛围中的损失，从而实现低档铁矿石的使用。
在使用天然气的MIDREX工厂中，如果可以使用低CO2排放的电力，可以制造氢气，用氢气部分代替天然气，可以实现氢气替代。此外，如果CO2可以储存，CO2也可以通过在MIDREX工厂安装和拆除CO2设备来分离和回收。
这样，以MIDREX技术为中心，不仅可以解决中短期问题，还可以从长远的角度描述未来无碳制铁的真实道路。面对钢铁生产技术中碳中和等重大问题，MIDREX技术的发展和应用的扩大将有所贡献。
