摘要：对于钢铁行业的脱碳而言，碳捕获、利用与封存（CCUS）技术是一种可行方案，它有助于处理传统高炉运行过程中产生的残余排放。此外，还可以用直接还原（DR）装置取代高炉-转炉装备中的炼铁高炉。
世界金属导报
对于钢铁行业的脱碳而言，碳捕获、利用与封存（CCUS）技术是一种可行方案，它有助于处理传统高炉运行过程中产生的残余排放。此外，还可以用直接还原（DR）装置取代高炉-转炉装备中的炼铁高炉。
直接还原工艺以天然气为原料，与高炉-转炉工艺路线相比，可减少约50%的二氧化碳排放。同时，该工艺也有助于从天然气逐步过渡到氢气，推动钢铁行业进一步脱碳。
传统炼钢工艺路线
当前钢铁生产主要有三种传统工艺路线：1）高炉-转炉；2）废钢-电弧炉（EAF）；3）基于天然气的直接还原铁（DRI）+电弧炉。
尽管从循环经济和最低二氧化碳排放（取决于电力的碳强度）的角度来看，废钢-电弧炉工艺是最有效的方法，但由于回收废钢中微量元素的富集，其生产高等级钢材的能力受到一定限制。
直接还原铁作为电弧炉生产优质钢材的原料，主要依靠天然气和/或氢气作为还原铁矿石的能源。这是目前取代高炉-转炉工艺实现脱碳的技术途径。由于铁矿石中脉石的成分和含量会影响电弧炉运行和经济效益，因此，直接还原铁的生产需使用优质铁矿石。
对高炉-转炉装置进行脱碳改造的一种替代和过渡方式是，用基于气体的直接还原工厂和电弧炉取代炼铁高炉系统，同时保持转炉下游的炼钢设施继续运行。在这个系统中，直接还原工厂使用天然气、氢气和低品位铁精矿球团，生产热直接还原铁（HDRI）。热直接还原铁被送入电炉，生产出含有特定碳含量的铁水，作为现有转炉的原料。为满足综合钢铁制造商的脱碳需求，特诺恩公司推出了iBLUE®方案，该方案包括回收废气中的能量，并将其作为燃料在直接还原工厂中使用。
直接还原铁工艺配置
直接还原铁-电弧炉（DRI-EAF）和直接还原铁-熔分炉-转炉（DRI-Melter-BOF）这两种配置，能够生产多种质量等级的钢材。直接还原工厂以天然气（和/或氢气）作为还原和燃料的主要能源，天然气通过烃类重整转化为氢气和一氧化碳，用于还原铁矿石，最终的副产品为二氧化碳和水。与高炉-转炉工艺相比，该工艺的二氧化碳排放量减少约50%甚至更多。
用天然气直接还原铁矿石主要有两种方法：
方法1以ENERGIRON工艺为代表，该工艺无论使用何种还原气体来源，核心配置都相同，且在较高压力下运行。这项由特诺恩（Tenova）和达涅利（Danieli）联合开发的创新技术，包含一个高效且具选择性的二氧化碳去除系统，这是该工艺的固有组成部分。它配备了一个工艺气体加热器（PGH），将还原气体温度提升至所需水平，必要时还可注入氧气。该二氧化碳去除系统能够捕获约60%的总排放量，同时使未反应的氢气和一氧化碳循环回到还原竖炉。尾气仅用于系统内的惰性气体吹扫和压力控制。该工厂只需调整运行模式，就能使用天然气和氢气的任意组合进行运行。
方法2是专为100%使用天然气而设计的优化配置。它包含天然气重整器、一个热回收系统（通过该重整器对炉顶煤气进行部分循环），以及将尾气用作燃料，其主要功能是通过烟道气对工艺过程进行非选择性的除碳。然而，该方法本身缺乏高效去除二氧化碳的能力。对于其他还原气体，需针对每种具体情况采用不同的配置方案。
ENERGIRON技术
在选择直接还原铁生产方法时，应考虑以下两种情况：1）直接还原工厂在一段时间内将100%使用天然气，或混入一定比例的氢气，最终目标是在可预见的未来完全使用氢气。2）直接还原工厂从一开始就完全使用100%氢气。
在第一种情形下，ENERGIRON方案在减少二氧化碳排放、能源优化、天然气/氢气使用以及操作灵活性方面展现出独特优势。
采用ENERGIRON工艺的工厂具备独特的灵活性，能够使用相同的工艺流程和设备，以任意还原气体组合进行生产。采用ENERGIRON技术的直接还原工厂体现了这种灵活性，比如瑞典的Hybrit工厂，它以100%的氢气作为生产气体，还有中国的宝钢湛江工厂，使用天然气、焦炉煤气和氢气进行生产。直接还原工厂可以通过调整工艺参数，并根据操作模式绕过某些设备来处理从天然气（及其他气体）与氢气的任意混合比例，直至100%氢气的情况。
当使用天然气与氢气的混合气体时，该工厂不仅能灵活应对氢气供应的变化，还具备在100%天然气、100%氢气或两者间任意比例之间随时切换的能力。基于预测性工艺算法，只需在短时间内调整运行条件，就能实现这一点，且不会影响工厂产能和直接还原铁（DRI）的质量。直接还原铁中的碳含量会根据氢气的使用比例而有所不同。
ENERGIRON直接还原方案在工艺配置中已内置了二氧化碳去除系统，无需额外能源（从而避免了潜在的额外二氧化碳排放）。倘若CCUS技术可用，即便不使用氢气为原料，该工艺也能使直接还原工厂的二氧化碳排放量减少约60%。这相当于使用通过蒸汽甲烷重整并结合碳捕集与封存技术从天然气中制取的低碳氢气，即蓝氢。
在不采用CCUS技术、还原气体为天然气加上55%氢气（按能量占比）的情况，与采用CCUS技术、还原气为100%天然气这两种情形下，直接还原（DR）工厂的二氧化碳排放量近乎相同。值得注意的是，采用CCUS技术、还原气为天然气加上30%氢气的情景，相较于不采用CCUS技术、还原气为天然气加上55%氢气的情景，二氧化碳排放量更低。此外，可以看到，当氢气占比超过70%时，便不再需要去除二氧化碳，该环节可以绕过。这就提供了灵活性，根据CCUS方案的具体成本，以及低碳氢气的使用情况，来实现大幅减排并节省相关成本。
在第二种情形下，假设直接还原工厂仅使用100%的氢气运行，ENERGIRON方案可通过省略二氧化碳吸收系统、氧气注入装置和加湿器，因为只有在使用高比例天然气时，才需要加湿器来控制直接还原铁中的碳含量。
在此背景下，虽然其他系统通过用加热器替代天然气重整器来采用相同的工艺配置，但ENERGIRON系统具有显著优势：
◆由于运行压力高（炉顶煤气压力为6-8bara），对于高产能工厂而言，还原竖炉直径较小，在处理高比例氢气时具有更大的灵活性。对于较低的气体分子量/密度，气体流速和分布可通过体积流量和运行压力进行调节，可针对所需的压降（ΔP）进行优化，从而增强氢气循环。相比之下，对于相同产能的低压方案，竖炉直径更大，需要更高的氢气流速来抵消较低的ΔP并维持适当的气体分布。
◆关于操作压力，将炉顶煤气中未反应的氢气循环回到还原竖炉，在相同的压降下，压缩机吸气压力更高，从而降低了功耗。相比之下，在相同流量和ΔP的情况下，100%使用氢气的低压方案中，循环气体压缩机的功耗约为ENERGIRON压缩机的四倍，此外，在直径更大的竖炉中还需要更高的体积流量。
◆上述优势提升了ENERGIRON工艺的能源优化水平，能耗仅为8.3GJ/tDRI（含燃料），工艺能耗仅约为6.6GJ/tDRI，工厂电力需求仅为35kWh/tDRI。根据电网/可再生电力以及氢气的碳排放强度和成本，可采用电加热工艺气体加热器（PGH）替代直接燃烧式加热器。
结论
ENERGIRON直接还原工厂对选择性二氧化碳捕集进行商业利用的主要优势如下：
1）ENERGIRON工艺具备灵活性，既可以考虑将CCUS作为过渡方案，也可以将使用天然气与氢气相结合。
2）对于在还原回路中捕集并可直接用于CCUS的二氧化碳，无需额外的能源需求或资本支出，目前几座正在运行的ENERGIRON直接还原工厂就是如此。
3）根据国际能源署（IEA）发布的《全球氢能回顾2023》报告，即便考虑二氧化碳封存成本（约80美元/吨）或利用成本（约60美元/吨），分别相当于约0.80美元/kg氢气和0.55美元/kg氢气，这些成本仍低于通过蒸汽甲烷重整（SMR）结合CCS生产的氢气成本，且显著低于水电解制氢成本。不过，需要注意的是，二氧化碳封存对环境的长期影响仍在深入分析之中。
《世界金属导报》
2025年第17期 B01
来源：世界金属导报