【论文精选】可再生能源实现低碳炼铁的途径探讨

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（来源：CBC全球生物质能源）

摘 要∶

随着“碳达峰”、“碳中和”这一庄严承诺的提出，作为能源密集型产业的钢铁行业需要针对高碳排、高能耗的炼铁工序进行技术革新，改善用能结构，助力国家低碳发展战略的顺利实施。首先介绍了可再生能源的应用现状，作为资源型大国，中国的可再生能源如生物质能、太阳能、风能等储量丰富，具有应用于炼铁工序的巨大潜力。接着对于可再生能源应用于低碳炼铁的途径进行了分析和探讨，并分析了可再生能源在炼铁工序的应用难点:能源收集、存储及转化效率低下。最后展望了其在炼铁工序的应用前景，并提出了具有发展前景的技术路线，以期为中国低碳炼铁技术的发展提供更多的可能和源动力。

关键词：低碳炼铁；可再生能源；生物质能；氢能

作为中国国民经济的压舱石，钢铁企业随着人类社会的发展不断进步。据统计，2020年中国的粗钢产量突破10亿ｔ，占据全球粗钢产量的50％以上。根据钢铁冶炼过程所使用的原材料和冶炼技术，可以将钢铁生产的主要途径分为２条：第１条路线是以铁矿石作为主要原料的高炉－转炉长流程工艺，该路线主要包括高炉炼铁和转炉炼钢工艺；第２条路线则是使用废钢（如废旧钢板、工业设备等）通过电弧炉进行炼钢的短流程工艺。作为能源密集型产业和碳排放大户，化石资源（例如煤和焦炭）的使用是导致钢铁企业ＣＯ２排放居高不下的主要原因。目前，许多国家的钢铁生产主要通过高炉－转炉路线，使用铁矿石作为原材料，中国的长流程更是占据了国内钢铁生产工艺的９０％。根据国外研究者的测算，每使用长流程产出１ｔ钢水会排放约2.0~2.5ｔＣＯ２。目前，国内外的长流程生产工艺已经十分成熟，生产过程的能耗已经十分接近极限，很难在生产工序和技术上进行大的调整。中国钢铁行业的能源消耗和污染排放占据了国内总能耗和污染排放的70％，其中铁前工序能耗的ＣＯ２排放占据了整个钢铁流程的70％以上，由此可见，钢铁企业减污降碳的主战场在炼铁工序。为此，需要从源头治理，改善钢铁企业用能结构，以低碳生产和技术革新为导向，进一步提高可再生能源在炼铁工序能源结构的比重，从而实现ＣＯ２排放的降低。此外，随着碳交易市场的逐步构建完善，会进一步倒逼国内钢铁企业加速技术创新、实现绿色生产。

根据各国政府根据“京都议定书”做出的降低ＣＯ２排放的承诺，提高可再生能源在现有能源结构的比重和降低ＣＯ２排放已成为钢铁生产的首要任务。为了实现这一共同目标，世界各国纷纷制定了符合自己国情的碳中和目标。根据欧盟的规划，到2050年，欧洲的ＣＯ２排放量将减少80％；美国承诺在2025年将实现碳中和；日本则确认到2050年实现碳净零排放的目标。中国继2015年气候变化巴黎大会后，在2020年联合国大会一般辩论和气候雄心峰会重要会议上，首次提出了2030年实现“碳达峰”，2060实现“碳中和”这一庄严承诺。

对于钢铁企业来说，面临目前以碳素流为主的能源结构，想要达成双碳目标，还有较长的路要走。如图１所示，针对目前的现有的炼铁技术，可再生能源的应用主要分为３个层面：传统高炉－革新高炉－非高炉，即开发低碳高效型高炉、氧气高炉和非高炉氢基炼铁新工艺。其中低碳高效型高炉的关键技术在于如何开发新型炼铁低碳原料、强化能源回收循环利用和高炉长寿高效冶炼技术；氧气高炉则需要解决可再生能源高效炼铁、富氢燃料高炉炼铁和高炉煤气ＣＯ２捕集与利用等关键技术问题；氢基炼铁新工艺的关键技术在于氢基熔融还原炼铁和氢基直接还原炼铁。

目前针对低碳炼铁的革新技术已有许多，其中有几种减排效果良好的技术较为突出，主要包括：（１）高炉炉顶煤气循环炼铁技术（ＴＧＲ－ＢＦ）；（２）熔炼还原工艺（ＨＩｓａｒｎａ）；（３）ＵＬＣＯＲＥＤ直接还原炼铁；（４）电解冶金法和电流直接还原工艺（ＵＬＣＯＷＩＮ和ＵＬＣＯＬＹＳＩＳ）。此外，作为末端治理的碳捕集与封存技术（ＣＣＳ）被认为是能够直接实现碳减排的可行技术。

除了上述技术开发之外，在炼铁工序中利用可再生生物质来代替部分化石基还原剂和燃料也是最近学者关注的重点。图２给出了可再生生物质能源在炼铁工序中的应用途径，炼焦工序使用生物质替代部分炼焦煤；烧结工序生物质作为烧结固体燃料替代化石能源；生物质应用于高炉可置换焦丁，生物质粉料和生物质合成气从风口喷吹进入高炉，也可加工成生物质炭－矿石复合原料进入高炉。

一、可再生能源应用现状

随着化石燃料的稀缺和对能源需求不断增长，利用可再生能源增强经济和环境效益变得愈发迫切。近年来国内外对可再生能源在开发、应用方面不断实现新的突破，作为资源型大国，中国的风能、太阳能、水能、生物质能、地热能和海洋能等在内的非化石能源储量丰富，可再生能源在中国的发展前景广阔。

（１）丹麦早在1981年开始研究风电，是世界上最早利用风电的国家之一［７］。此后，美国、德国、印度、西班牙及澳大利亚开始起步。截至2022年底，全球风电累计装机容量已达到923ＧＷ［８］。中国风力资源丰富，气象科学研究院最新统计指出，实际可开发总量达到了2.53亿ｋＷ。目前，风能的主要应用途径是发电，虽然国内风电利用较晚，但从1992年至2022年底，中国的风电事业，势如破竹，2022年中国风力发电总量达到了6867.2亿ｋＷ·ｈ，同比增长量约28.5％，位居世界第一。

（２）太阳能是一种可再生能源，是化石能源的绿色优质替代能源。目前人类对太阳能的利用途径主要有光热转换和光电转换，其中光电应用较为广泛。2022年全球光伏发电新增装机容量119ＧＷ，累计总量为1045ＧＷ［９］。中国幅员辽阔，太阳能资源相对较丰富，陆地接收的太阳辐射的总量在400~900ｋＪ／（ｍ２·ａ）之间，这大约相当于300亿ｔ标准煤。现在中国利用太阳能的主要途径有：直接利用太阳能热量、光伏发电等。近些年来，全球范围内的太阳能光伏发电发展迅速，中国的光伏发电相关产业的发展速度在世界范围内很突出，产业规模多年领先。2022年中国光伏发电新增装机容量87.41ＧＷ，累计达392.61ＧＷ。

（３）水能是一种清洁、绿色和可再生能源，包含水体的动能、势能和压力能等资源，主要应用于水力发电，是中国应用得最广的一种可再生能源。截至2022年底，全球水力发电量总装机容量为1250ＧＷ，占可再生能源装机总量的37.1％。2022年中国的水力发电新增装机容量22.7ＧＷ，累计431.5ＧＷ，位居世界第一。

（４）生物质能是大自然中的植物所提供的能量，这些植物以生物质作为媒介从而来存储太阳能。由于在自然的生命周期内，生物质生长所吸收的ＣＯ２基本等于将其利用所释放出的ＣＯ２，因此通常认为生物质具有碳中性。生物质在预处理过程中部分替代化石燃料，或作为铁矿石还原剂。例如，由生物质（生藻类、草和木材等）制成的富含碳的生物质半焦，用以替代焦炭，或者生物质合成气喷吹进入竖炉以取代天然气。

制约生物质应用的关键是生物质的预处理技术。目前生物质资源的预处理与转化方式包括物理转化、热化学转化和化学转化，不同的转化方式，得到的预处理产品也不相同，如图３所示。

其中变压闪蒸技术，作为近年来发展迅速的生物质预处理技术，具有高效率、低能耗、反应过程温和、无二次污染产生的特点。变压闪蒸技术是将生物质装入亚临界水解反应器中，通入过热蒸汽至240~280℃、2.4~2.8ＭＰａ，瞬间泄压至沸腾水解反应器温度140~160℃、1.2~1.4ＭＰａ，这时发生“三素”自拆解、降解转化、水热泥浆化／半焦化反应，产物通过喷料口喷入旋风式干燥分离器，分别生产生物质超微粉和半焦超微粉。

通过变压闪蒸装置可以实现蒸汽发生、原料蒸煮以及瞬时撕裂，实现生物质的炭化与加氢脱氧重构，在短时间内处理大量的生物质，将其转化为可以直接应用于高炉喷吹的高能量密度微粉。作为一种可以高效处理大宗生物质的工艺，该技术具有应用于炼铁生产的广泛前景，为找寻高炉替代喷吹燃料提供了新的可能。

（５）地热能是清洁、可再生的天然热能，以热力形式存在于地球内部的熔岩。截至2020年，全球地热直接利用折合装机容量为108ＧＷ。中国的地热资源丰富，近年来地热能资源开发和利用发展较快，开发规模和利用总量已居世界首位，占全球利用总量的30％左右。

（６）海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，海洋能主要以潮汐能、潮流能、波浪能和温差能等能量形式存在于海洋之中。英国固定桩柱式潮流能装置已初步实现了兆瓦级单机商业化并网示范。中国近海海洋可再生能源技术可开发量超过60ＧＷ，具有巨大的减排潜力。目前，中国的潮汐能技术已经应用于商业，其中江厦试验电站位居世界第三，装机功率为4.1ＭＷ；中国单机装机功率最大的波浪能电站由中国科学院广州能源研究所开发，其功率为500ｋＷ；自然资源部第一海洋研究所研制的15ｋＷ温差能电站已实现试验机组发电。

２可再生能源在炼铁领域的应用途径

２.１生物质能在炼铁领域的应用途径

随着全球化石能源储量不断减少和人类生态环境保护意识的提高，在钢铁生产流程中用生物质能源替代化石能源的研究和探索已成为国内外众多科学家研究和关注的热点，对此研究较多的有日本、巴西、加拿大、澳大利亚以及欧洲等。日本野上宏等人对小型木炭高炉进行了实验研究，结果表明该系统的热量损失与常规高炉炼铁系统相差不大。日本东北大学研究发现结果表明生物质炭可以改善炭－铁矿石复合炉料的还原行为，在550℃左右，炭－铁矿石复合炉料与生物质炭的反应速度明显快于焦炭。

巴西利亚大学研究得到最佳生物质炭制备条件为：温度高于49℃，压力高于0.6ＭＰａ，加热速率约为1.1Ｋ／ｍｉｎ。巴西研究发现生物质的挥发分、反应活性和比表面积均对燃烧速率有影响；木炭的高反应活性以及甘蔗渣的高比表面积增加了木炭与甘蔗渣混合燃料的燃烧速率。联邦弗鲁米嫩塞大学基于小型全木炭高炉数据，提出同时向高炉喷吹木炭粉和热氢的新技术。与小型高炉基础数据相比，将150ｋｇ／ｔ的木炭粉与热氢（1150℃）联合喷吹可使生产率提高47％，木炭块消耗量降低25％，碳消耗降低12％。

加拿大圭尔夫大学提出了一种结合水热炭化（ＨＴＣ）和缓慢热解转化的创新方法，首先通过ＨＴＣ处理尽可能降低灰分，接下来进行缓慢热解以增加碳含量。研究发现，在199℃温度下，ＨＴＣ处理28ｍｉｎ后，在400℃缓慢热解30ｍｉｎ可以得到与目前在高炉中使用的喷吹煤粉具有相似性能的低灰分（0.19％，质量分数）和高碳含量（79.67％，质量分数）的生物质炭。说明生物质炭在高炉喷吹燃料途径具有可行性。

澳大利亚在将生物质引入传统长流程ＢＦ－ＢＯＦ和短流程ＥＡＦ工艺路线做了相关工作，发现生物质炭产品在ＢＦ－ＢＯＦ路线上的ＣＯ２减排潜力相当大（32％～58％），而在ＥＡＦ路线的减排潜力仅６％～12％，因此高炉喷吹生物质是进一步研发的关键领域。原木屑颗粒和烘烤生物质颗粒的置换比远低于木炭，只有木炭能完全取代喷吹煤，使ＣＯ２排放量减少高达40％。博思格钢铁研究院研究了４种木炭与高挥发分喷吹煤在高炉风口回旋区的燃烧行为。发现硬木木炭和软木木炭的燃尽率均比喷吹煤高，其中硬木木炭比喷吹煤高40％。新南威尔士大学研究发现不同的预处理条件所得到的生物质炭具有不同的燃烧率，可以替代不同的煤，773Ｋ制得的炭可以替代烟煤，973和1173Ｋ制得的炭可以替代无烟煤。

Ｆｉｃｋ等人研究了生物质替代化石煤的方案。研究发现在风口喷吹木炭粉是最具成本效益的解决方案，紧随其后的是在风口处喷吹烘烤和破碎生物质。瑞典提出一种生物质在炼铁高炉中的新途径：将生物质木质素作为粘结剂和还原剂用于高炉造块，来粘结烟道粉尘和脱硫废料等，使其能够装料进入高炉进行炼铁，木质素的加入可以使总碳含量增加，硫含量降低。

北京科技大学张建良团队提出了“生物质变压闪蒸预处理－高炉炼铁”联产工艺，生物质经变压闪蒸技术预处理后，得到的富氢生物质微粉，经气力输送到高炉炉前，通过风口喷吹进高炉替代高炉喷吹煤。生物质富氢微粉，可进一步采用高温加压气流床气化工艺制造合成气，将气化炉中的温度提高到1200℃以上，生产出主要由ＣＯ和Ｈ２组成的生物质合成气。该合成气在工业应用中可直接应用于不同的气基直接还原工艺；竖炉脱碳煤气也可与生物质合成气混合来调控喷吹温度，实现竖炉冶炼能耗最低、能源利用效率最高；生物质合成气也可用于熔融还原，进一步减少熔融炉的化石燃料消耗。具体工艺流程如图４所示。

综上，生物质在炼铁领域的应用途径可以分为高炉喷吹、烧结和炼焦等。其中生物质炭在高炉的喷吹是最具发展前景的途径，且经预处理后，可得到符合高炉喷吹的生物质燃料。而在所有预处理方法中，变压闪蒸是能耗最低、效率最高的方式，可以在短时间内得到大量的生物质炭富氢微粉。

２.２光、风、水力发电在炼铁领域的应用途径

西班牙米纳斯工程技术与金属工程部研究了聚光光热在铁矿混合物团聚和碳还原（和焦屑）炼铁中的应用。研究结果表明，聚光太阳能产生的高温可以使混合物表面融化，而该反应在12~15ｍｍ处被阻止；可以用太阳能代替向炼铁工艺提供热量的焦炭部分来实现减少用碳质燃料冶炼铁矿石的二氧化碳排放量，特别是在氧化铁的还原方面具有潜力。澳大利亚斯威本科技大学提出了一种新型的铁矿石团聚工艺，该工艺利用聚光太阳能代替烧结和球团等传统铁矿石团聚工艺中使用的碳密集型焦炭和天然气，从而减少ＣＯ２排放。实验将平均粒径为５μｍ，质量分数分别为98％的Ｆｅ３Ｏ４和99.5％的ＣａＣＯ３混合后放入太阳模拟器中反应。实验结果表明与电加热相比，太阳辐射下ＬＭＰ（石灰磁铁矿球团）形成的反应机制没有变化。

瑞典和芬兰钢铁行业在低ＣＯ２排放的高效高炉运行方面处于世界领先地位。这是由于ＬＫＡＢ和ＳＳＡＢ成功开展的开发工作结果，基于此结果，ＳＳＡＢ随后关闭了烧结厂，并在所有５个高炉中过渡到100％球团作业。为了进一步降低炼铁生产中ＣＯ２的排放量，ＳＳＡＢ与ＬＫＡＢ和ＶａｔｔｅｎｆａｌｌＡＢ合作启动了ＨＹＢＲＩＴ（氢突破炼铁技术）项目。该技术中再生电力（如水电和风力发电）的可用性以及ＨＹＢＲＩＴ路线中使用的生物质的良好获取取代了高炉路线中使用的化石燃料，从而消除了大部分化石燃料的ＣＯ２排放。在氢基直接还原炼铁过程中，使用非化石燃料能源，例如风力发电；以及优化电解的生产时间和储氢量的大小，可以降低电力成本。

奥地利莱奥本矿业大学研究了使用氢等离子体冶炼还原（ＨＰＳＲ）替代传统炼钢路线的方案来还原氧化铁。在实验室的氢热等离子体设施上进行实验，设备通入直流电后，添加的氩气和氢气混合物在等离子弧区产生电离颗粒，并将预混铁矿石和石灰连续送入等离子弧区进行铁矿石还原。实验结果表明ＨＰＳＲ产生少量的ＣＯ２是由于石墨电极的碳还原反应产生，故ＣＯ２排放量远低于其他炼铁和炼钢路线。

中国在将光、风和水应用于炼铁领域也进行了探索。宝武的低碳冶金项目：富氢碳循环高炉在新疆八钢进行试验，以富氢碳循环为主要技术手段，计划在高炉前面建设光电氢的工厂；国内首个百万吨级氢基竖炉－电炉短流程零碳工厂将于２０２３年底在湛江钢铁建成，将“光－电－氢”“风－电－氢”绿色能源制取氢气，用来还原氧化铁，并通过碳捕集、森林碳汇等实现绿氢全流程零碳工厂；新疆巴州绿色钢铁短流程由光伏发电产生绿电，进行电炉冶炼。鞍钢集团等签订“绿色氢能冶金技术”项目，开发风电＋光伏（绿电）－电解水制氢（绿氢）－氢冶金工艺，助力绿色氢能冶金技术的发展与应用。综上，光、风和水力发电在炼铁领域的应用途径主要分为２个思路：一是直接利用提供热量；二是电解铁或电离氢还原。

２.３中国可再生能源在炼铁领域应用难点

相较于以化石资源为主的传统用能结构，可再生能源由于其多样的使用形式和丰富的来源可以更全面地深入炼铁流程的各个部分，从而代替化石能源的消耗，保障国家能源安全。同时，它也可为提高环境质量、降低ＣＯ２排放提供强有力的支撑，按照国际能源署的最新消息显示，中国正在以超前速度发展可再生能源，到2030年，生产1200ＧＷ生态清洁能源的目标将提前实现，此时可再生能源在中国能源结构中的比例预计达到17％。中国可再生能源总量占全球的20％，储量十分丰富，应用前景广泛。然而，想要实现可再生能源的充分利用，还有一些问题亟待解决。

（１）生物质能：中国虽然生物质能储量丰富，但分散程度较大，运输成本高，而且不同生物质燃料的差异较大，水含量和碱金属普遍较高，体积密度和能量密度较低，因此不能直接使用，需要经过预处理才能使用。此外在生物质燃料进行预处理的过程中也会产生大量的副产物，如可燃气体，生物油等物质，如何在对生物质燃料预处理过程中收集并利用好这些副产物，提高其利用率仍然需要大量的实践。生物质能工业利用体系不够完善，对其在炼铁过程中的应用的基础比较薄弱。上述的问题都限制了生物质能在炼铁行业中的应用和发展，亟待深入研究。

（２）太阳能、水能和电能：中国的太阳能资源丰富，太阳能的应用发展十分迅猛，目前中国已成为世界光伏产业第一大国。但是由于太阳能自身的局限性，其在炼铁领域的应用却不多。通过用太阳能代替焦炭，来减少／消除与烧结矿混合的焦炭是很困难的，这是由于聚光太阳能是一种准时光源，因此其应用在烧结过程中用途有限。利用天然气或者碳作为还原剂并以太阳能代替化石燃料来提供过程热，可以使炼铁过程中的碳排放量大大减少。目前已有一些小型太阳能炉进行了模拟实验，结果表明炉内温度最高达到1153Ｋ。通过对太阳炉内反应体系的热力学、动力学及其工业价值分析，证明了利用太阳能作为热源为炼铁工序提供过程热在理论和实践上都是可行的，这一方法可以代替大量化石燃料的使用，从而减少炼铁过程中产生的ＣＯ２，还可以避免硫氧化物和氮氧化物等污染物的排放。但是高温太阳能在工业上的应用仍处于基础实验阶段，若想大规模利用高温太阳能还需要不断地探索。由于风能和水能等可再生能源的存在形式，目前没有在炼铁领域直接应用。氢冶金可以以“光－电－氢”，“风、水－电－氢”的形式，间接利用可再生能源。但是由于光、风和水等可再生能源普遍的不连续、波动性，无法稳定生产绿电，而钢铁企业作为一个连续生产的单位，这一缺点对于可再生能源的应用来说是致命的。因此，要想实现风能和水能的大规模工业应用仍需要不断的技术突破。

３展望

中国钢铁行业是能量和碳排放密集型产业，尽管目前炼铁工序的能耗已经达到极限，但基于碳素流生产的碳排放巨大的现状暂时不能得到有效改善。为了达到化石资源消耗减量使用和碳排放增幅降低这一协同目标，钢铁工业根据各项工序的特点，需要大力发展生物质能、风能、太阳能和水能等可再生清洁能源应用于炼铁生产的技术，通过引入碳中性能源来改善工业用能结构。尽管中国的可再生资源储量丰富，但想要实现大规模的工业应用还存在较多的关键技术亟待突破。因此，需要重点针对不同可再生能源的特点和大规模应用的限制性环节展开深入、系统的研究，探究出其在炼铁行业的清洁、高效应用途径，助力钢铁行业早日实现低碳炼铁。

其中：为了生物质炭以及生物质合成气能大规模应用于炼铁途径，需要开发生物质定向转化技术及相关设备，生产出适合高炉喷吹的生物质炭微粉和生物质合成气；“以氢储电”是克服具有不连续性的光、风和水能等可再生能源在炼铁工序的重要方向，氢气储存技术需要进一步开发；多种可再生能源的协同利用，可以降低单一可再生能源的不稳定性对炼铁生产的影响。