挑戰(zhàn)碳中和的MIDREX直接還原鐵工藝 | 技術(shù)前沿

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，化石燃料，尤其是煤炭的使用得到了不斷的擴(kuò)大。然而，為了防止全球變暖，鋼鐵行業(yè)需要盡快實(shí)現(xiàn)碳中和。作為實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵，直接還原過程備受期待。

CO2減排和還原鐵在鋼鐵生產(chǎn)中的作用

1.1鋼鐵生產(chǎn)中的CO2排放和減排要求

如今的鋼鐵生產(chǎn)工藝依賴于化石燃料，所以鋼鐵行業(yè)是溫室氣體排放較大的行業(yè)之一。

所以，鋼鐵行業(yè)強(qiáng)烈要求減少CO2排放。國際能源署作為一個(gè)特定的目標(biāo)，（IEA）可持續(xù)發(fā)展情景設(shè)定于2020年（SDS：SustainableDevelopmentScenario）。根據(jù)巴黎協(xié)定，2070年與全球能源利用相關(guān)的CO2排放為零，鋼鐵行業(yè)在2050年比2019年減排54%。；2070年需要減排90%。去年通過的COP26《格拉斯哥氣候協(xié)議》明確提出，本世紀(jì)末將全球氣溫上升幅度控制在1.5℃以內(nèi)的目標(biāo)，要求鋼鐵行業(yè)的減排速度進(jìn)一步加快。

1.2鋼鐵生產(chǎn)工藝概要

以鐵礦石為主要原料的代表工藝是高爐。（BF）-轉(zhuǎn)爐（BOF）法律，將塊狀鐵礦石、焦炭和煤粉放入高爐中，還原熔融鐵礦石，生產(chǎn)高碳鐵水，在轉(zhuǎn)爐中脫碳熔化成鋼水。另一種以鐵礦石為主要原料的工藝是直接還原（DR）-電爐（EAF）方法。直接在還原爐中使用天然氣作為還原劑和熱源，還原塊化的鐵礦石，然后將獲得的固體還原鐵放入電爐

中熔化，從而生產(chǎn)鋼水。這種方法不僅被用作天然氣價(jià)格低廉、廢鋼發(fā)生有限的中東、近東等地區(qū)的煉鐵方法，也被用作后面提到的廢鋼。―電爐法是主流地區(qū)，廢鋼中的銅等雜質(zhì)元素(混合元素)已經(jīng)成為影響鋼材質(zhì)量的問題。為了稀釋這一點(diǎn)，供應(yīng)的還原鐵作為“清潔鐵源”起著重要的作用(注:在直接還原法中，煤炭也可以作為還原劑使用)。

廢鋼為主要原料的工藝是廢鋼―電爐（EAF）法律。由于使用廢鋼，無需還原，用電爐熔化精煉廢鋼，生產(chǎn)鋼水。

現(xiàn)在，大約70%的鋼鐵生產(chǎn)來自鐵礦石(其中90%是高爐，10%是直接還原爐)，30%是廢鋼，30%是高爐。―轉(zhuǎn)爐法占一半以上。

CO2排放量1.3各鋼鐵生產(chǎn)工藝

圖2顯示了各種鋼鐵生產(chǎn)工藝的CO2排放量。由于焦炭和煤被用作熱源和還原劑，高爐-轉(zhuǎn)爐法排放了大量的CO2，目前噸鋼排放量約為2.2。t。如后所述，通過在高爐中使用還原鐵，可減少需要的焦炭和煤炭的還原，從而減少CO2的排放。

直接還原（DR）―電爐法以天然氣為還原劑，以電為熔化熱源，因此，與以鐵礦石為主要原料的高爐相比，―與轉(zhuǎn)爐法相比，CO2的排放量減少了20%-40%。另外，如果沒有CO2電力制氫，CO2的排放量會(huì)大大降低，而不是用氫氣代替還原劑天然氣。

由于廢鋼―電爐法不需要還原，所以CO2在現(xiàn)有工藝中排放量比較小。

未來鋼鐵產(chǎn)量預(yù)測與還原鐵的作用

圖3是在各機(jī)構(gòu)預(yù)測的基礎(chǔ)上，預(yù)測2050年粗鋼產(chǎn)量。未來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，預(yù)計(jì)全球粗鋼產(chǎn)量將繼續(xù)增加。其中，隨著廢鋼產(chǎn)量的增加，雖然來自廢鋼的粗鋼產(chǎn)量也會(huì)增加，但為了彌補(bǔ)粗鋼產(chǎn)量的整體增加，來自鐵礦石的粗鋼產(chǎn)量將保持現(xiàn)狀水平。因此，除了盡可能地利用廢鋼，如何減少來自鐵礦石的鋼鐵生產(chǎn)中的CO2排放也是一個(gè)主要問題。

圖4顯示了IEA對(duì)不同生產(chǎn)方式的還原鐵和生鐵產(chǎn)量的預(yù)測。假設(shè)鋼鐵行業(yè)根據(jù)上述IEASDS，降低CO2排放量。預(yù)計(jì)2050年高爐生鐵產(chǎn)量將逐步下降，而還原鐵產(chǎn)量將從2019年的1億噸增加到2050年的4億噸。這表明，CO2可以通過直接還原天然氣來立即減排，氫氣和CCS也可以達(dá)到減排的目的。

2.MIDREX工藝的特點(diǎn)

2.1工藝概要

MIDREX法作為直接還原工藝的代表，在圖5中展示了工藝流程。MIDREX法的主要組成部分有兩個(gè)，一個(gè)是將鐵礦石原料(球團(tuán)或塊礦)還原成還原鐵的豎爐，另一個(gè)是制造豎爐還原所需的還原氣體的改良爐(重整爐)。

該工藝的特點(diǎn)是利用爐頂煤氣中的CO2，將天然氣重組為氫(H2)和一氧化碳。（CO），制造還原氣體(H2約55%、CO36%左右)。由于爐頂排氣中使用富氫還原氣體和CO2的有效利用，排放的CO2比使用焦炭的高爐法低20%-40%。此外，天然氣中還可以添加一些氫氣，甚至可以100%更換天然氣，而無需對(duì)設(shè)備進(jìn)行大的改造，從而大大減少CO2的排放。

2.2還原鐵的用途和形式

MIDREX工藝豎爐生產(chǎn)的還原鐵（DRI）包含常溫還原鐵（CDRI）、熱還原鐵（HDRI）和熱壓鐵塊（HBI），可以根據(jù)用途進(jìn)行多種組合制造。

恢復(fù)后基本冷卻到常溫的CDRI，由于去除氧氣產(chǎn)生的大部分氣孔都是空的，具有長時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)接觸空氣會(huì)再次氧化的特性。因此，HBI在兩個(gè)滾輪之間將高溫還原鐵壓縮成塊，這使得空隙率降低。因此，HBI具有良好的抗再氧化能力，不僅解決了長期儲(chǔ)存和海上運(yùn)輸?shù)膯栴}，而且防止了處理過程中粉塵產(chǎn)生的利用率下降。由于HBI是對(duì)外銷售的理想形式，在生產(chǎn)成本低、運(yùn)輸方便的地方形成了供應(yīng)鏈，可以在市場上購買HBI。

另一方面，當(dāng)DRI用于與直接還原廠相鄰的電爐工廠時(shí)，在高溫下直接在電爐中使用還原后600℃以上的DRI，可以減少大量的熔化能量，有助于提高電爐的生產(chǎn)率，減少CO2的排放。

2.3大型化

起初，MIDREX工藝開始在年產(chǎn)量15萬噸(直徑3.66m)的工廠進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)，之后一直致力于大規(guī)模生產(chǎn)。目前，年產(chǎn)量250萬噸(直徑7.65m)的工廠已投產(chǎn)。

2.4還原鐵的產(chǎn)量和各工藝的份額

近幾年來，還原鐵產(chǎn)量急劇增加，2018年超過1億噸，2020年由于疫情的影響，產(chǎn)量低于2019年，但仍達(dá)到1.044億噸，連續(xù)三年產(chǎn)量超過1億噸。如前所述，隨著CO2減排的需要，預(yù)計(jì)未來還原鐵產(chǎn)量將進(jìn)一步快速增長。

直接還原方法有幾種工藝，其中MIDREX方法約占全球還原鐵產(chǎn)量的60%，占天然氣基還原鐵產(chǎn)量的80%，全球交付業(yè)績超過90個(gè)。MIDREX方法不斷擴(kuò)大的原因之一是工藝簡單穩(wěn)定。通過在不同的反應(yīng)器中還原鐵礦石和氣體，工藝控制非常容易。而且由于運(yùn)行壓力低，操作簡單，很多工廠可以穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到每年8000小時(shí)以上的工作時(shí)間。

采用MIDREX技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳中和的路線

目前減排CO2的貢獻(xiàn)量為3.1

2020年MIDREX工藝的還原鐵產(chǎn)量為6263萬噸。這一量的鋼鐵產(chǎn)品和使用高爐―相對(duì)于轉(zhuǎn)爐法生產(chǎn)的CO2排放量，減排CO2的貢獻(xiàn)量約為2932萬噸，對(duì)減排CO2的貢獻(xiàn)很大。

實(shí)現(xiàn)碳中和的路線3.2

下面的總結(jié)說明了通過MIDREX技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳中和的路線。圖5的橫軸表示2050年碳中和的時(shí)間已經(jīng)過去，縱軸表示從礦山到鋼廠的活動(dòng)和CO2的減排。

在全球碳中和活動(dòng)中，以廢鋼為主要原料的CO2電爐化趨勢正在擴(kuò)大。然而，由于廢鋼產(chǎn)量有限，對(duì)還原鐵的需求將大大擴(kuò)大，作為廢鋼的替代或補(bǔ)充電爐原料。

另外，通過還原鐵（HBI）通過安裝高爐，可以降低高爐CO2排放量20%的技術(shù)也得到了證實(shí)。期待高爐擴(kuò)大還原鐵的使用，作為一種利用現(xiàn)有高爐實(shí)現(xiàn)即時(shí)減排CO2的方法。

在直接還原―在電爐法中，采用了SiO2、高品位鐵礦石，如Al2O3，脈石成分較少。這是因?yàn)殍F礦石中的脈石成分在電爐熔化時(shí)會(huì)形成爐渣，而在電爐中氧化精煉時(shí)，為了防止鐵分被氧化損失到渣中，希望渣量少，也就是脈石量少。但高品位鐵礦石供應(yīng)有限，低檔鐵礦石目前采用高爐法，供應(yīng)量豐富，可直接還原。―在電爐方法中，這是一個(gè)主要問題。對(duì)于這個(gè)話題，正在開發(fā)引入還原鐵電熔器的解決方案，由還原鐵制成生鐵。這是在將脈石成分較多的還原鐵放入電爐前，用還原鐵電熔器熔化，去除脈石成分，同時(shí)減少鐵在還原氛圍中的損失，從而實(shí)現(xiàn)低檔鐵礦石的使用。

在使用天然氣的MIDREX工廠中，如果可以使用低CO2排放的電力，可以制造氫氣，用氫氣部分代替天然氣，可以實(shí)現(xiàn)氫氣替代。此外，如果CO2可以儲(chǔ)存，CO2也可以通過在MIDREX工廠安裝和拆除CO2設(shè)備來分離和回收。

這樣，以MIDREX技術(shù)為中心，不僅可以解決中短期問題，還可以從長遠(yuǎn)的角度描述未來無碳制鐵的真實(shí)道路。面對(duì)鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)中碳中和等重大問題，MIDREX技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的擴(kuò)大將有所貢獻(xiàn)。