1 前言
一般來說，減少工業(yè)源頭尤其是煉鋼產(chǎn)生的CO2排放的必要性已得到廣泛認(rèn)可，但很少有人注意到，將鐵礦石和煤/焦炭從資源地運往世界各地主要煉鋼中心的運輸過程中產(chǎn)生的額外CO2排放。
例如，加拿大開采的所有鐵礦石中約有90%出口用于生產(chǎn)鋼鐵，如果這些礦石被運輸?shù)街袊?，生產(chǎn)成鋼鐵產(chǎn)品后，再出口到北美，那么運輸過程中產(chǎn)生的CO2排放量實際上是生產(chǎn)過程中產(chǎn)生CO2排放量的兩倍。
人們在替代碳作為主要還原劑方面進行了大量的研究和開發(fā)，盡管這種必要的努力需要數(shù)年才能取得成果，不僅需要對新的鋼鐵基礎(chǔ)設(shè)施進行重大投資，還需要對氫氣生產(chǎn)進行重大投資。此外，由于目前氫基煉鐵的目標(biāo)主要集中在直接還原技術(shù)上，這將限制可經(jīng)濟利用的鐵資源的數(shù)量。
NSGI鋼鐵公司正在研究一種煉鐵爐設(shè)計，該設(shè)計可用于減少運輸部分并消除原材料選礦步驟，包括采用已知技術(shù)進行煉焦、造球和燒結(jié)，同時繼續(xù)開發(fā)更長期的技術(shù)解決方案。
2 討論
2.1 貨運CO2排放
關(guān)于煉鋼各個環(huán)節(jié)的CO2排放有大量的數(shù)據(jù)，但關(guān)于整體運輸來源的CO2排放數(shù)據(jù)卻少得多。表1顯示了英國一項研究中典型的貨運CO2排放量。
下面以加拿大的一種普通礦石為例對此觀點進行說明。該礦石經(jīng)由鐵路運往圣勞倫斯，然后通過海運運往中國，最后作為成品運回北美西海岸，假設(shè)鋼材裝運基數(shù)為100萬噸。貨運途中包括一些任意距離，從礦山到港口的鐵路距離為500km，海運航線為36000km，鋼廠位于中國港口。
在這個例子中，從采礦到成品鋼材的CO2總排放量不是通常所說的2.5t/t，而是6 t/t。顯然，在人們必須不斷努力減少鋼鐵生產(chǎn)對碳的需求的同時，也必須給予運輸環(huán)節(jié)更大的重視。注意，本分析僅考慮鐵礦石的運輸，為了進行完整的分析，還應(yīng)將煤和/或焦炭的運輸包括在內(nèi)。
NSGI鋼鐵公司正在研究于開發(fā)一種可擴展的煉鐵爐，可以根據(jù)礦山或第一港口位置的需要而設(shè)定尺寸。顯然，鐵水來源離源頭更近，煉鋼就會隨之而來。同樣，地區(qū)就業(yè)的長期社會經(jīng)濟效益將為資源豐富的地區(qū)帶來重大利益。
2.2 煉鐵爐設(shè)計
NSGI鋼鐵公司認(rèn)識到，鋼鐵生產(chǎn)的現(xiàn)代趨勢已經(jīng)集中于大型設(shè)施的發(fā)展，這些設(shè)施通常更靠近市場，而非資源，“規(guī)模經(jīng)濟”導(dǎo)致煉鐵爐越來越大，當(dāng)這些煉鐵爐需要長時間和高成本的維修時，會產(chǎn)生巨大的資本成本和后勤問題，所以在設(shè)計煉鐵爐時便采取了模塊化方式。這樣無論是連接到礦山還是位于港口，煉鐵爐都可以隨時調(diào)整大小以滿足當(dāng)?shù)氐男枨?。此外，該公司還決定采用自還原壓鐵塊技術(shù)，從而避免造球和/或燒結(jié)步驟，減少高溫硬化產(chǎn)生的CO2。利用自還原壓塊方法有效地將從裝料到鐵水澆鑄的還原過程縮短至30min。
該公司還致力于非冶金焦炭工藝，在許多高爐項目和Tecnored開發(fā)中進行了大量工作，選擇設(shè)計了一種新的煉鐵爐，這種煉鐵爐可以最大限度地發(fā)揮新舊煉鐵爐的優(yōu)勢。
煉鐵爐采用圓形截面，這樣，耐火材料在高溫下可以保持穩(wěn)定，且爐殼設(shè)計在溫度和壓力條件下可保持其形狀。該煉鐵爐將連續(xù)鑄造，因此不需要深爐膛。其典型橫截面，如圖1所示。
2.3 NSGI爐
煉鐵爐容量可根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件進行調(diào)整，在此階段，設(shè)想鐵產(chǎn)能為50萬噸/年，并可利用多座煉鐵爐增加產(chǎn)能。該煉鐵爐被設(shè)計可接受多種燃料/還原劑選擇，還原劑預(yù)期是固體碳，混合到自還原壓塊中。這種碳可以是煤、石油焦或生物質(zhì)，也可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓?yīng)情況進行組合。該公司的研究還處于對碳回收技術(shù)中回收的碳進行評估的早期階段。燃料源也可以是類似的各種來源，亦可根據(jù)需要壓制成塊。該公司目前正在開發(fā)一種由天然氣提供熱能的煉鐵爐方案，并預(yù)期對電加熱熱風(fēng)進行評估。燃料的選擇將根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件而定。舉例來說，魁北克的球團廠主要使用重油進行固結(jié)，通過協(xié)作開發(fā)，將取消重油而采用煉鐵爐廢氣進行固結(jié)；同樣，NSGI爐也可以使用與球團設(shè)施相同的原料以及在球團生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的超細粉，最終使兩個設(shè)施更清潔、更高效地運行。除了傳統(tǒng)鐵礦石和鐵精礦之外，還可以評估任何具有經(jīng)濟競爭力的鐵源，包括軋機氧化鐵皮、礦山尾礦和濕法冶金過程中產(chǎn)生的含F(xiàn)eO的廢料。
2.4 NSGI CO2
當(dāng)使用碳作為能源和還原劑時，其產(chǎn)生的CO2與高爐的非常相似，但NSGI公司的研究已經(jīng)消除了對原料固結(jié)處理的需要，從而減少了CO2和其他污染物的排放，此外也不需要冶金煤，并避免了煉焦過程中的污染排放。當(dāng)使用生物質(zhì)和/或回收炭時，歸因于生物質(zhì)的裝入碳部分被視為是抵消。該公司還結(jié)合了一項創(chuàng)新的碳捕集技術(shù)，將CO2轉(zhuǎn)化為碳，然后將其回收到壓塊原料中，這有可能使該工藝完全實現(xiàn)碳中和。
在制定整體經(jīng)濟發(fā)展的協(xié)同方法時，該公司認(rèn)識到需要盡可能地與其他工業(yè)運營合作，例如，在水泥生產(chǎn)中使用爐渣副產(chǎn)品，將減少水泥廠的碳足跡，每使用1噸爐渣，就會減少1噸CO2排放。利用工藝廢氣作為其他工業(yè)過程的替代燃料，將進一步抵消CO2總排放量，因為它只能計算一次。隨著再生炭的循環(huán)利用，碳捕集技術(shù)的進一步發(fā)展，不僅有可能使煉鐵工藝脫碳，而且有可能實現(xiàn)負(fù)CO2凈排放。
2.5 鐵合金
由于這種煉鐵爐可調(diào)整至小尺寸，在這一點上，該公司認(rèn)為，對于某些產(chǎn)品來說，5-10 t/h的運行是比較經(jīng)濟的，目前的實驗室測試已經(jīng)證明了該煉鐵爐可用于鎳鐵生產(chǎn)，該公司還在繼續(xù)評估錳鐵的應(yīng)用，錳鐵具有悠久的高爐生產(chǎn)歷史。按照鎳鐵10t/h的產(chǎn)能計算，預(yù)計總投資約為5000萬美元，更重要的是，CO2排放量大大低于印度尼西亞目前的最佳實踐操作，據(jù)報告后者每噸鎳鐵的CO2排放量為35噸。
之所以如此高，部分原因是電弧爐運行所需的電力全部來自煤炭。采用NSGI法產(chǎn)生的CO2排放量如表3所示。若完全以生物質(zhì)和爐渣為計，新增的CO2排放量實際上為零。如果再加上碳捕集，便可實現(xiàn)顯著的凈負(fù)碳足跡。
圖2顯示了目前全球鎳鐵生產(chǎn)商的“同類最佳”CO2排放量，不同生產(chǎn)商之間的顯著差異在于距離資源的遠近，韓國、日本和中國工廠的CO2總排放中包含了大量的運輸因素。注意，排放量以噸鎳為基準(zhǔn)。
如表3所示，采用NSGI爐生產(chǎn)FeNi的碳排放與生產(chǎn)Fe的碳排放數(shù)據(jù)基本一致，考慮到每噸鎳的CO2排放量，如果不考慮潛在碳排放額，在鐵合金中含30%鎳的情況下，其CO2排放量將為5.3t/t。
2.6 電池金屬的回收利用
煉鐵爐規(guī)模的進一步發(fā)展有望成為從廢電池中回收Fe、Ni、Mn以及其他潛在重要元素的選擇。目前，雖然電池回收已成為一項重要的事業(yè)，但大多數(shù)回收商只能在政府補貼下才能運營下去，因為幾乎沒有材料能得到有效回收。使用傳統(tǒng)分離和粉碎方法可以輕易地分離出鋼成分和“黑粉”。“黑粉”的成分隨電池的性質(zhì)而變化。堿性電池含有Mn和Zn，鎳鎘電池正如其名所示。
把“黑粉”與鐵礦石混合，煉鐵爐將根據(jù)電池類型生產(chǎn)出鎳鐵或錳鐵，并將Zn和Cb分離到工藝廢氣中，在那里冷凝以做進一步凈化并回收。
實驗室試驗已經(jīng)證實了此法的有效性，接下來還將進行進一步的論證試驗，以確定工藝的效率和經(jīng)濟性。
3 結(jié)語
1） NSGI鋼鐵公司開發(fā)了一種簡單、經(jīng)濟高效的煉鐵爐，可適于各種生產(chǎn)能力范圍。2）該爐可利用多種原材料，包括其他工業(yè)過程中產(chǎn)生的廢料。3） 取消了原料選礦步驟（包括對冶金焦炭的需求），加工過程中產(chǎn)生的CO2總排放量得以顯著減少。4）應(yīng)用于鐵合金生產(chǎn)時，工藝過程中的CO2減排總量非常可觀。5）經(jīng)濟地回收電池金屬并將其循環(huán)利用于鋼鐵生產(chǎn)，是現(xiàn)有回收技術(shù)的重大改進。6）該公司需要繼續(xù)評估減排煉鋼CO2的所有方案，但同時也應(yīng)認(rèn)識到，一種解決方案不會適用于所有操作。
