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超低二氧化碳煉鋼 - ULCOS 

二十五年來，世界各地的鋼鐵行業(yè)已經(jīng)將氣候變化確定為一項主要的環(huán)境挑戰(zhàn)。早在2007年政府間氣候變化專門委員會（IPCC）得出結論之前，主要的鋼鐵生產(chǎn)商就認識到，需要長期的解決方案來解決鋼鐵生產(chǎn)過程中產(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。

與世界鋼鐵業(yè)最相關的溫室氣體是二氧化碳（CO2）。根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會（WSA），平均每生產(chǎn)一噸鋼就會排放1.8噸二氧化碳氣體。根據(jù)國際能源署（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?，F(xiàn)在，高品質(zhì)的鋼鐵廠都是在接近目前鋼鐵生產(chǎn)技術所規(guī)定的熱力學極限的情況下運作。這反過來意味著，鋼鐵生產(chǎn)商在進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)實現(xiàn)，使用目前的技術不可能再大量減少二氧化碳排放。

進一步減少溫室氣體的排放意味著引進突破性技術。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，因為它提出了具體的挑戰(zhàn)。沒有現(xiàn)成的簡單工藝可以用來實現(xiàn)這一目標。必須想象鋼鐵生產(chǎn)方式的深層范式轉變，并設計和開發(fā)相應的突破性技術。政府和國際機構所要求的那種減少，需要發(fā)明和實施徹底的新生產(chǎn)技術。

這就是ULCOS（超低二氧化碳煉鋼）計劃創(chuàng)建的背景，該計劃是2004年作為京都議定書的成果而發(fā)起的歐洲合作研究和開發(fā)倡議。ULCOS尋求進一步大幅減少鋼鐵生產(chǎn)中二氧化碳排放量的方法。該計劃的主要目標是尋找突破性的工藝路線，這些工藝路線在未來得到充分發(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。該計劃的目標是與今天的生產(chǎn)技術相比，至少減少50%的二氧化碳排放。實現(xiàn)這樣一個雄心勃勃的目標需要鋼鐵生產(chǎn)模式的轉變，這將改變世界各地鋼鐵廠目前的運作方式。ULCOS是全球鋼鐵行業(yè)計劃的一部分，旨在確定有可能大幅減少二氧化碳的煉鋼技術。在該計劃下，人們正試圖找到一個以最可持續(xù)的方式制造鋼鐵的答案。

ULCOS計劃的成員是一個由來自15個歐洲國家的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、研究機構和大學。它還得到了歐盟委員會的支持。ULCOS是一個歐洲項目，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)知識包括從煉鋼到生物質(zhì)生產(chǎn)和二氧化碳地質(zhì)儲存，并包括工藝工程、能源經(jīng)濟學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7500萬歐元的預算中，ULCOS的合作伙伴出資60%。歐盟委員會通過其RTD（研究和技術發(fā)展）框架計劃和RFCS（煤鋼研究基金）計劃提供其余40%的資金。兩者都是為了促進歐洲內(nèi)部的工業(yè)研究和技術發(fā)展而設立的。

目前的鋼鐵生產(chǎn)技術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，三個主要的解決方案可能的路徑是：（i）從煤炭轉變，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（碳捕獲和儲存）和礦物碳化技術，以及（iii）使用可持續(xù)生物質(zhì)。

ULCOS是一個精心設置的大型計劃，以應對鋼鐵行業(yè)和整個社會所面臨的長期和復雜的挑戰(zhàn)。ULCOS計劃有四個步驟，即（i）建立工藝概念，（ii）大規(guī)模示范，（iii）第一個商業(yè)工廠的大規(guī)模實驗。(iv) 在歐洲和世界范圍內(nèi)部署該技術。ULCOS是一項研究計劃，目前已轉變成一項示范計劃。

自2004年啟動以來，ULCOS計劃已經(jīng)進行了大量的研究。在其研究計劃的最初階段，一項持續(xù)四到五年的初步可行性研究調(diào)查了80多項技術/概念路線，使用建模和實驗室方法評估它們在二氧化碳排放、能源消耗、煉鋼的運營成本和可持續(xù)性方面的潛力。幾個概念已被平行調(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計劃中被選中，以進行進一步調(diào)查，并最終擴大到可以進行商業(yè)實施的規(guī)模。

高爐（BF）的一個變體，其中高爐的頂部氣體經(jīng)過二氧化碳捕集，剩余的還原氣體被重新注入反應器底部，而且是用純氧而不是熱風（空氣）操作。這個過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（CCS技術）。

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

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DR工廠并被儲存（CCS技術）。

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）。

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

在新的超低碳技術中，CCS和礦物碳化的使用也得到了評估。CCS從一開始就被認為是一個強有力的解決方案。關于礦物碳化，已經(jīng)確定它只能帶來適度的，盡管是重要的總體減排量。

圖1顯示了ULCOS計劃下正在研究和開發(fā)的工藝。

圖1 在ULCOS計劃下正在研究和開發(fā)的工藝

ULCOS現(xiàn)在已經(jīng)選擇了四個工藝概念--這些概念已經(jīng)過實驗測試--與目前的最佳實踐相比，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項目的第二階段中的工作鋼廠中實施。ULCOS項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）重新設計高爐，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；（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，因為現(xiàn)有的BF可以被改造成新技術。這可以使轉向突破性技術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，因為二氧化碳的捕獲和凈化氣體的回收替換了高溫化學平衡（布杜瓦反應），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存所產(chǎn)生的額外成本。應用于TGR-BF的正確概念是過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)約和相應削減運行成本的關鍵原因。這個概念已經(jīng)在瑞典呂勒奧的一座大型實驗室高爐上進行了測試，成果是積極的。

在有天然氣的地方，ULCORED工藝路線是一個有吸引力的選擇。應用于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程中回收，此外還有其他一些特點，如回收循環(huán)中的一系列轉變反應器。為了驗證這一概念，ULCOS的合作伙伴LKAB計劃在未來幾年內(nèi)在呂勒奧建立一個每小時一噸的試點。

正在開發(fā)的HIsarna工藝將在未來幾年內(nèi)成為綠地鋼廠的一個可用選擇。HIsarna工藝與TGR-BF和ULCORED工藝略有不同，因為它不涉及氣體的回收循環(huán)。冶煉廠的氣體在旋流器一級被氧化，在那里進行一些還原，同時進行燃燒以預熱和熔化礦石。 氣體對鐵流有一個逆流，在這個逆流中，其化學能量被完全耗盡。一個8噸/小時的試驗工廠已經(jīng)建立起來，并在ULCOS項目過程中進行了測試。該試驗工廠于2011年4月啟動。在第一次活動中，該工廠從2011年4月18日至6月11日運行。共啟動了四次。第一次啟動沒有成功。其他三次啟動都很成功。實現(xiàn)的注入率為產(chǎn)能的60%?，F(xiàn)有的運行數(shù)據(jù)表明，該工藝的運行符合預期，但還需要更多的運行時間來確認這點。操作小時數(shù)低于預期。第二次活動已于2012年10月16日開始。它一直持續(xù)到2012年11月底。

電解過程是在ULCOS計劃內(nèi)從零開始開發(fā)的，因此，仍在實驗室規(guī)模下運行。盡管它們擁有零排放的承諾，但如果能夠獲得綠色電力，需要時間將其擴大到商業(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裝有氧化鐵的熔融爐渣。氧化鐵會分解成液態(tài)鐵和氧氣。不產(chǎn)生二氧化碳。使用二氧化碳清潔電力來源，可以進一步減少工藝排放。

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

氫氣煉鋼在很大程度上取決于綠色氫氣的供應，而使用遠離種植國的木炭則需要建立復雜的物流，包括跨越幾個大陸的重型基礎設施。

ULCOS是鋼鐵行業(yè)的一個長期倡議。它充滿了承諾，但也有風險和陷阱，這種情況可能與其他行業(yè)正在經(jīng)歷的情況相似。風險與問題的復雜性有關，它要求在非常短的時間內(nèi)開發(fā)和實施突破性技術。要使該計劃成為鋼鐵行業(yè)的一項成功舉措并實現(xiàn)大部分目標，需要耐心、支持、真誠和持續(xù)的決心。