Theo báo cáo kim loại thế giới, đổi mới công nghệ giảm phát thải carbon của ngành thép gần đây bao gồm các khía cạnh sau đây.:
1.GiảmIngsản xuất lò cao, sử dụng phế liệu hoặc giảm sản xuất thép EAF sắt giảm trực tiếp.
2.Ứng dụng hydro từ điện xanh trong sản xuất sắt giảm trực tiếp.
3.Quặng sắt điện phân dựa trên thủy khí.
4.Điện phân oxit nóng chảy.
5.Sản xuất thép carbon dioxide cực thấp của châu Âu(ULCOS)dự án (tái chế khí hàng đầu lò cao, HISarna).
6.Chúng tôiIngkhí đốt để sản xuất các sản phẩm hóa học
7.Ứng dụng xỉ trong ngành xi măng
1 Giới thiệu
Cơ quan Năng lượng Quốc tế đề xuất một kế hoạch phát triển bền vững (SDS) để đạt được các mục tiêu của Thỏa thuận Paris.Để đạt được kế hoạch này, Cơ quan Năng lượng Quốc tế đã đề xuất rằng ngành thép phải giảm cường độ phát thải carbon dioxide của thép thô xuống 1,9% mỗi năm từ năm 2017 đến năm 2030.
Cường độ phát thải carbon dioxide của thép thô đã có xu hướng giảm kể từ năm 2009 (giảm 1,8% so với cùng kỳ năm ngoái vào năm 2017).Tuy nhiên, để giảm lượng khí thải carbon dioxide của các sản phẩm thép, ngành thép vẫn cần phải làm việc chăm chỉ hơn và tiếp tục thực hiện đổi mới công nghệ.
Gần đây, đã có một số phát triển gần đây trong việc giảm dấu chân môi trường của ngành thép.Nhiều dự án, công nghệ hoặc đổi mới như vậy thuộc các loại sau:
1)Giảm hydro quặng sắt.
2)Sử dụng điện xanh
3)Sử dụng sinh khối.
4)Công nghệ điều trị cuối cùng.
Bài viết này thảo luận về các tuyến đường quy trình sản xuất thép hiện tại và các vấn đề phát thải carbon dioxide của chúng. Nó cũng xem xét các công nghệ phát thải thấp hiện có và phát triển (ĐÈN LED). Những công nghệ này về cơ bản có thể thay đổi ngành công nghiệp thép.
1.1ChínhSlươnProcessRoutes
Có ba lộ trình chính để sản xuất thép:
1)Tuyến đường tích hợp áp dụng lò cao, bộ chuyển đổi oxy cơ bản và lò than cốc (70% phương pháp BF-BOF).
2)Sản xuất sắt giảm trực tiếp (DRI), được sử dụng trong sản xuất thép lò hồ quang điện (phương pháp DRI-EAF chiếm 5%).
3) Sản xuất thép lò hồ quang điện bằng thép phế liệu (phương pháp scrap-EAF chiếm 24%).
1.2Địa phươngDnếu suy luận trongTôiron vàSlươnProductionTechnology
Tiền thân của quá trình sản xuất thép BF-BOF hiện đại đã tồn tại hàng trăm năm. Tuy nhiên, việc sản xuất thép lò hồ quang điện bắt đầu vào đầu thế kỷ 20. Trong những năm 1960, do sự sẵn có của một lượng lớn thép phế liệu, việc sản xuất thép lò hồ quang điện đã được thúc đẩy và áp dụng.Những hạn chế của EAF ban đầu là thiếu điện (đặc biệt là điện giá rẻ) và cung cấp phế liệu, và họ chỉ có thể sản xuất các sản phẩm thép cấp thấp. Trong 50 năm qua, lò hồ quang điện đã liên tục được cải tiến, để gần 80% sản phẩm thép có thể được sản xuất bằng lò hồ quang điện. Các quốc gia có điện và phế liệu hoặc khí tự nhiên chi phí thấp để sản xuất DRI thường sản xuất một lượng lớn thép bằng lò hồ quang. Năm 2018, 68% thép thô ở Hoa Kỳ được sản xuất theo quy trình lò hồ quang điện, trong khi chỉ có 12% ở Trung Quốc. Ở Trung Quốc, cung cấp đủ phế liệu và điện giá rẻ vẫn là những yếu tố hạn chế.
2 Phát thảiReductionSthùng
2.1 Quy trìnhRouteSbầu cử:TraditionalTôintegratedSteelmaking, EAFSlàm lươn,DirectReductionTôiRon
Theo hệ số phát thải năng lượng của Nhật Bản, việc xả quy trình sản xuất thép EAF, đặc biệt là sử dụng phế liệu làm nguyên liệu thô, thấp hơn đáng kể so với quy trình BF-BOF truyền thống. Để đạt được sản xuất thép thân thiện với môi trường hơn, việc chuyển đổi từ ngành công nghiệp thép toàn cầu sang các quy trình EAF có thể làm giảm đáng kể lượng khí thải carbon dioxide.Nếu tuyến đường BF-BOF chiếm 60% và tuyến lò hồ quang chiếm 40% (sử dụng 100% nguyên liệu NG-DRI), lượng khí thải carbon dioxide có thể giảm khoảng 20% xuống còn 1,62 tCO2 / tHRC.
Điện carbon thấp và cung cấp đủ phế liệu là điều kiện cần thiết để sản xuất thép EAF thay thế sản xuất thép BF-BOF truyền thống. Ngoài ra, chỉ khi DRI / HBI được thêm vào sản xuất lò hồ quang điện, lò hồ quang điện mới có thể trở thành một quá trình phù hợp cho việc sản xuất tất cả các loại thép. Sự sẵn có và chi phí của khí đốt tự nhiên là một yếu tố chính hạn chế việc sản xuất DRI / HBI.
Tại Trung Quốc, nhà sản xuất thép lớn nhất thế giới, sản xuất thép EAF hiện đang bị hạn chế do năng lượng hạn chế và nguồn cung cấp dri và phế liệu chi phí thấp.Thay thế một số bộ chuyển đổi bằng lò hồ quang có thể là một xu hướng trong ngành công nghiệp thép toàn cầu.
2.2 Vụ nổFurnaceTôimprovement
Vì tuyến đường BF-BOF hiện tại chiếm 70% sản lượng thép, chiến lược ngắn hạn để giảm cường độ phát thải carbon của thép là dần dần sửa đổi và cải thiện tuyến đường lò cao hiện có, do đó giảm lượng khí thải carbon dioxide trên mỗi tấn thép.Những cải tiến cho tuyến đường BF-BOF bao gồm các công nghệ sử dụng điện, chẳng hạn như quá nóng không khí nóng, tuần hoàn khí hàng đầu, cải tiến lò hoặc quá trình luyện cốc, phun khí tự nhiên vào lò cao để bù đắp một phần nhu cầu than cốc và sử dụng nhiên liệu thay thế như sinh khối.
Sử dụng công nghệ điện trong lò cao có thể làm giảm lượng khí thải carbon dioxide, với tiền đề rằng điện đến từ năng lượng tái tạo hoặc lưới điện quốc gia xanh. Độ tin cậy và khả năng bảo trì của đuốc plasma đã được cải thiện đáng kể kể từ khi chúng được đưa vào lò cao vào những năm 1980. Năng lượng điện được sử dụng để tạo ra dòng plasma nhiệt độ cao và tốc độ cao.
Làm khô là một cải tiến của công nghệ luyện cốc hiện có, sử dụng khí trơ để phục hồi nhiệt của than cốc nóng đỏ.Nhiệt thu hồi tạo ra hơi nước trong nồi hơi, được sử dụng cho các mục đích khác như phát điện. Độ ẩm than cốc khô thấp, tiết kiệm lượng than cốc lò cao.
Nhiều dự án cải tiến lò cao tập trung vào việc sử dụng than sinh học để thay thế than luyện kim / than cốc. Tương tự như các nguồn carbon hóa dầu khác, than sinh học giải phóng carbon dioxide vào khí quyển và carbon dioxide được giải phóng được coi là sự cân bằng carbon dioxide hấp thụ trong quá trình tăng trưởng sinh khối. Do đó, than sinh học được coi là trung tính khí nhà kính (GHG).
Một trong những vấn đề chính trong việc sử dụng sinh khối thay thế carbon trong lò cao là hoạt động cao của than sinh học dẫn đến giảm đáng kể chất lượng than cốc.
2.3 Dự án sản xuất thép dựa trên hydro
Một giải pháp lâu dài để giảm lượng khí thải carbon dioxide từ thép là thúc đẩy công nghệ thay thế carbon bằng hydro làm chất giảm sắt. Hydro đã được sử dụng trong quá trình phản ứng để tạo ra nước và tránh sản xuất carbon dioxide.
Giảm hydro có hai cách:1) Bơm hydro vào lò cao có thể làm giảm lượng than / than cốc cần thiết. 2) Trong sản xuất thép EAF, hydro có thể được sử dụng thay thế cho NG-DRI để sản xuất H2 - DRI.
2.4 Công nghệ giảm nóng chảy
Giảm nóng chảy là một quá trình sản xuất sắt dựa trên than thay thế, phụ thuộc vào khí hóa than trong sắt nóng chảy. Quá trình giảm tan bao gồm hai khu vực: khu vực giảm trước và vùng giảm tan chảy. Than đi vào khu vực giảm tan chảy, nơi than được khí hóa để tạo ra nhiệt và khí nóng giàu carbon monoxide. Nhiệt làm tan chảy sắt trong khu vực giảm nóng chảy, và khí nóng được vận chuyển đến khu vực giảm trước. Sau đó, khí nóng đã giảm trước oxit sắt trước khi oxit sắt đi vào vùng giảm nóng chảy để giảm cuối cùng. Công nghệ giảm tan chảy loại bỏ quá trình luyện cốc và có xu hướng tránh quá trình kết tụ quặng sắt, giảm đáng kể lượng khí thải carbon dioxide. Một nhược điểm của hầu hết các quá trình giảm luyện là chúng cần một lượng lớn oxy và chi phí cao. Hiện tại, ít hơn 1% thép được sản xuất bằng quá trình giảm luyện.
HISARNA và FINEX là hai công nghệ giảm tan chảy phổ biến nhất.
HISARNA là một phần của dự án ULCOS nhằm giảm 50% lượng khí thải CO2 trong quá trình sản xuất thép. Từ năm 2007, Tata Steel, Rio Tinto Group và tập đoàn dự án ULCOS đã phát triển công nghệ HISARNA, có thể trực tiếp sản xuất sắt bằng quặng sắt và than đá mà không cần bất kỳ tiền xử lý nào.
So với lộ trình sản xuất sắt truyền thống, lượng khí thải carbon dioxide giảm 20%, và việc sử dụng sinh khối hoặc phế liệu trong lò HISARNA có thể làm giảm hơn nữa lượng khí thải carbon dioxide xuống 50%.
3. Lựa chọn tránh carbon trực tiếp
Hiện tại, hai dự án đang trong giai đoạn thử nghiệm đang nghiên cứu các lộ trình quy trình mới, có tiềm năng thay đổi hoàn toàn ngành thép và khử cacbon cho ngành thép:mđiện phân oxit olten (MOE) và các dự án điện phân quặng sắt.Cả hai đều là công nghệ điện xanh.
3.1 Điện phân oxit nóng chảy
Công ty B đang phát triển một quy trình sản xuất thép không carbon quặng sắt.
Quá trình này ở cấp độ phát triển thí điểm quy mô nhỏ.
Quá trình MOE sử dụng quặng sắt làm nguyên liệu thô để giảm sắt một cách có chọn lọc bằng cực dương trơ và lớp điện phân oxit nóng chảy ổn định hơn.
Nó rloại bỏ egularlyssắt tinh khiết từ tế bào điện phân, thêmshợp kim, sau đó xử lý và đúc thép phù hợp với thiết bị sản xuất thép hạ lưu điển hình. Để duy trì các tính chất hóa học mục tiêu và độ kiềm, thành phần gangue trong quặng sắt kết hợp với thông lượng để tạo thành một lớp oxit nóng chảy.
3.2 Dự án điện phân quặng sắt
Quy trình Siderwin là một dự án mới trong ngành công nghiệp thép châu Âu, đứng đầu là ArcelorMittal, sử dụng các tế bào điện phân để sản xuất sắt kim loại.
Khi quặng sắt được đưa vào điện phân và dòng điện chảy qua điện cực, sắt bị thu hút bởi cực âm và oxy bị thu hút bởi cực dương. Dự án được tài trợ bởi kế hoạch HORIZON 2020 của EU và hiện đang trong giai đoạn thí điểm. Một pin công nghiệp 3 m đang được xây dựng để thử nghiệm các nguồn sắt khác nhau làm vật liệu thức ăn chăn nuôi, bao gồm sắt vụn.
Việc sản xuất sắt kim loại bao gồm ba bước chính:
1) Hematit phản ứng với sắt màu hòa tan để tạo thành magnetit : Fe2O3 + HFeO2- → Fe3O4 + OH-
2 ) Khớp nối điện giữa magnetit và sắt : Fe3O4 + Fe + 4OH- → HFeO2- 3 ) Kết tinh điện sắt dưới sự phân cực cathodic : 3HFeO2- + 3H2O + 6e- → 3Fe + 9OH-
4 Tái chế khí thải
Thu giữ, lưu trữ và sử dụng carbon cũng có thể đóng một vai trò trong tiến trình sản xuất thép phát thải thấp. Công nghệ thu giữ, lưu trữ và sử dụng carbon thu giữ carbon dioxide từ khí thải và tái sử dụng nó làm nguyên liệu thô để sản xuất các sản phẩm hóa học khác nhau để tránh sử dụng than hoặc nguyên liệu khí đốt tự nhiên. Carbon dioxide thu được từ khí thải thép có thể được sử dụng để cải thiện sự phục hồi dầu của giếng dầu, và cũng có thể được chuyển đổi thành các sản phẩm có giá trị cao hơn, chẳng hạn như bioethanol, biomethanol hoặc polymer. Carbon dioxide cũng có thể được lưu trữ trong xi măng hoặc được sử dụng làm thức ăn cho sự phát triển của tảo. Tuy nhiên, để loại bỏ hoàn toàn lượng khí thải carbon dioxide khỏi ngành công nghiệp sắt thép hiện tại, cần một số lượng lớn xi măng hoặc tảo, điều này sẽ làm tăng độ khó của các công nghệ này.
Bioethanol thường được sản xuất từ men lên men đường trong sinh khối như ngô hoặc mía. Nó được sử dụng như một sự thay thế cho xăng. Bioethanol rất đáng chú ý vì nó được lấy từ các nguồn tài nguyên tái tạo. So với nhiên liệu hóa thạch, bioethanol ít độc hại hơn và tạo ra lượng khí thải carbon dioxide ít hơn một chút.
Methanol có thể được sản xuất bằng khí lò cao hoặc khí lò than cốc để giảm lượng khí thải carbon dioxide bằng cách tránh sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Khí tổng hợp để tổng hợp methanol có thể là hỗn hợp hydro, carbon dioxide và carbon monoxide. Tuy nhiên, các hợp chất như N2 phải được loại bỏ khỏi khí để sản xuất methanol.
5 Kết luận
Ngành công nghiệp thép đang đầu tư rất nhiều tiền để phát triển các công nghệ để giảm lượng khí thải carbon. Các giải pháp ngắn hạn như cải thiện dần dần lò cao hoặc chuyển sang sản xuất thép EAF có thể giúp giảm lượng khí thải carbon trên một đơn vị sản xuất thép. Tuy nhiên, nếu lượng khí thải carbon dioxide được giảm đáng kể, các quy trình thay thế mới phải được cải thiện, chẳng hạn như sử dụng hydro làm chất giảm hoặc công nghệ giảm luyện cây xanh để khử cacbon cho ngành công nghiệp sắt thép (Hình 2). Ngoài ra, sự hỗ trợ của Chính phủ đối với năng lượng xanh và loại bỏ ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch là rất quan trọng để thúc đẩy các công nghệ đột phá này như là lựa chọn thay thế bền vững và hiệu quả về chi phí cho các quy trình hiện có.