钢铁冶炼过程低二氧化碳排放技术的概述

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1、西安建筑科技大学华清学院西安建筑科技大学华清学院本科毕业设计英文翻译本科毕业设计英文翻译题 目：钢铁冶炼过程中低二氧化碳排放技术的概述院（系）：材料与冶金工程系专 业：冶金工程学生姓名：杨静鹏学 号：0705020319指导教师：杨双平第 1 页 钢铁冶炼过程低二氧化碳排放技术的概述徐崇宝(查尔斯)1），苍大强2）1)湖首大学化学工程系, 加拿大 安大略 P7B5El 2）北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083摘 要:全球的钢产量持续增长了 50 多年，从 20 世纪 50 年代的 200 百万吨增长到 2006 年的 1240 百万吨。钢铁冶炼行业是能源密集型的产业之一，每年的

2、能耗大约是 24EJ，占世界总能耗的 5%。钢铁企业的温室气体排放约占世界总排放量的 3%-4%。提高能源效率和采用节能或回收能源技术，例如：干法熄焦和顶压回收技术。这对钢铁企业减少温室气体排放来讲是有效的方法。对钢铁企业来讲，为了大量减少二氧化碳的排放量的长期方法是通过开发和利用二氧化碳的突破技术和增加利用可再生资源。因此，本文写了一篇关于二氧化碳减排突破技术的评述。关键词:温室气体排放，二氧化碳减少技术，炼铁，炼钢全球人为二氧化碳排放量在 2007 年约 为 29Gt，预计在 2020 年将达到 37Gt1-2。 能源和环境对许多国家来讲已成为刻不容 缓的问题了，尤其对那些经济高速发展的

3、发展中国家，例如：在 2006 年中国的 GDP 约占世界总 GDP 的 5.5%，同时也耗费的能 源约占世界总能耗的 15%，并且二氧化碳 的排放量约占世界总排放量的 14%(仅次于 当时美国)。为了应对这些挑战，中国在关 于国家经济和社会发展的第 11 个五年规划 里制定的强制性指标，即：和 2005 年相比 每单位的 GDP 要减少能耗 20%，并且到 2010 年二氧化硫的减排总量达到 10%。在 过去的 10 年里，全球的钢铁产量迅速的增 长，从 1995 年的 752Mt 到 2006 年的 1240Mt，平均每年的增长率为 5%，由于中 国钢产量的迅速增长，致使现如今中国钢 产量

4、已成为世界第一。钢铁企业是世界上 耗能最大的企业之一，平均每年的能耗约 为 24EJ（1018），约占世界总能耗的 5%。中国在 2006 年钢产量为 419Mt，耗费 了 9.8EJ 的能量或者 335 亿吨标准煤，约占国家一年总能耗的15%。现如今，在中国每吨生铁需要 710- 740 公斤的煤，这样的能源效率远远低于那些发达 国家的水平3。每吨钢产生 2200 公斤的二 氧化碳作为世界的平均值（那些发达国家 则为 1800 公斤)4。根据政府间气候变化 小组知，钢铁行业温室气体排放量约占世 界总排放量的 3%-4%。结果，为了应对全球变暖和气候变化问 题，减少二氧化碳的排放量对钢铁企业具

5、 有重要的战略意义。对钢铁企业来说，降 低二氧化碳排放量短期方法能够提高能源 效率并且采用节能或回收能源技术，例如： 干法熄焦和顶压回收透平技术。然而，钢 铁企业应该寻求能大量减少二氧化碳排放 量的先进的长期方法。这些方法就包括增 加使用可再生资源和开发和应用二氧化碳 突破技术，例如：二氧化碳捕获和储存技 术和纯氧高炉炉顶煤气回收相结合，新的 钢铁冶炼工艺工程不需要烧结和炼焦等步 骤。1.钢铁企业减少二氧化碳排放第 2 页 量的有效方法综上所述，在钢铁冶炼过程提高能源效 率对钢铁企业减少温室气体的排放量是一 种短期的有效的方法。事实上，从 1990 年 通过改善能源效率以来，钢铁企业已经大 量

6、减少了二氧化碳的排放量。也许由于平 炉被碱性氧气炉替代（碱性氧气炉和平炉 相比具有相对较低的能耗）和连铸技术的 广泛应用，在北美，欧盟，日本这些国家 钢铁行业的能耗和 1975 年相比大概降低了 50%。例如：美国钢铁业的能耗从 1975 年 50MBtu/t 到 1990 年的 17MBtu/t 显著降低 了 65%，直到 2004 年的大约 1350MBtu/t4。 2007 年 5 月 7 日，国际钢铁协会在布鲁塞 尔要求各国政府在钢铁行业合作为了开发 一种富有想象力和全面的方法来应对后京 都时期的气候变化。几乎在同一时间， 2007 年 6 月中国也公布了它的首个气候变 化计划，致力于

7、提高能源效率并且要求钢 铁企业在国家大型高炉采用更加节能的技 术如干法熄焦和顶压回收透平技术。干法 熄焦技术是有益的，由于它可以从每吨焦 炭回收 400-500 公斤的水蒸气，每吨焦炭 相当于 800-1200MJ4。对于现代使用煤粉 或喷油的高炉来讲，每吨铁水消耗 350 公 斤焦炭，使用干法熄焦技术大约每吨生铁 能节约 10-14 公斤的焦炭，这样每吨生铁 因此也能减少排放 30-40 公斤的二氧化碳。 由于它的优良的操作的可靠性，TRT 技术 也能广泛的应用于钢铁行业。在日本和韩 国，TRT 设施被安装在所有的高炉上。每 吨生铁由 TRT 大约能产生 40 到 60KWh 的电 力。现如

8、今，在钢铁联合企业所需的超过 8%的电是由 TRT 提供4。这样减少了火电 厂使用化石燃料（如煤）。假设一个火电 厂每 KWh 排放 0.5 公斤的二氧化碳，TRT 对二氧化碳的减排达到每吨粗钢 20-30 公 斤。因此，干熄焦法和 TRT 技术对二氧化碳的减排潜力达到 2%-3%。 在 2006 年，传统的工艺的高炉和碱性 氧气转炉占世界整个钢铁企业的 65%之多， 与之相比电弧炉占 32%，而平炉工艺少于 3%5。特别是，2006 年中国 422.7 万吨的 钢材的 87%是碱性氧气转炉生产的，而 13%是 电炉生产的。一个典型的钢铁厂采用传统 的高炉或碱性氧气转炉工艺路线，每个单 元产生

9、的二氧化碳的百分比见图 16 。图 1 在钢铁生产中传统高炉和氧气碱性转 炉产生的二氧化碳的排放量从图中可以清楚的看到高炉的工艺过 程是全厂产生二氧化碳的主要来源（约 69%）。 高炉排放的二氧化碳主要由于高炉使用的 还原剂（焦炭，煤等）。然而，自从 1975 年至今的过去的 30 多年以来，许多的发达 国家如德国每吨铁水所需的还原剂几乎没 变大约为 500-550 公斤。由于高炉是逆流 的反应器，这两个最现代化的设备和运作 模式的应用已经降低了所需的能量和能量 损失，为进一步减少还原剂使用和二氧化 碳的排放量的潜力是非常有限的。因此， 传统的高炉和碱性氧气转炉的钢铁生产技 术发展到这样的地步

10、，以至于通过改善工 艺来节省大量能源是不可能的7工艺过程 是全厂产生二氧化碳的主要来源（约占 69%）。 高炉排放的二氧化碳主要由于高炉使用的 还原剂（焦炭，煤等）。然而，自从 1975 年至今的过去的 30 多年以来，许多的发达 国家如德国每吨铁水所需的还原剂几乎没 变大约为 500-550 公斤。由于高炉是逆流第 3 页 的反应器，这两个最现代化的设备和运作 模式的应用已经降低了所需的能量和能量 损失，为进一步减少还原剂使用和二氧化 碳的排放量的潜力是非常有限的。因此， 传统的高炉和碱性氧气转炉的钢铁生产技 术发展到这样的地步，以至于通过改善工 艺来节省大量能源是不可能的7。2.二氧化碳捕

11、获和储存技术如图 1 所示，对于一个按照高炉和碱 性氧气转炉传统工艺路线生产的钢铁厂来 说，高炉工艺是排放二氧化碳的主要贡献 者。高炉煤气通常包括 20%的二氧化碳， 23%的一氧化碳，3%氢气，54%氮气。如果 从高炉排放的二氧化碳通过隔离如贫油和 气藏，深含水层或者深海被捕获和储存在 水库中，那么从钢铁厂排放的二氧化碳将 大量的减少。由于担心全球温室效应和气 候变化，CCS 技术在最近的十年引起了人 么更大的兴趣并且应用在石油工业的二氧 化碳能提高原油的开采率8-9。二氧化碳捕获技术已经被证明和 应用于天然气和氢气的净化。天然气和石 油领域已经配备了该技术用于去除二氧化 碳，无论是对存在于

12、原有气体中的二氧化 碳的分离还是注入分离出来的二氧化碳增 加原油的开采率，目的都是为了增加该领 域的表现。这有三种技术在市场上占主导 地位：液体化学吸附，物理吸附，固体吸 附三个工艺。液体化学吸附过程使用甲乙 醇胺或其他的醇胺从进料流中去除二氧化 碳。天然气中的二氧化碳被吸收塔中大约 40-65的醇胺吸收，然后重新生成的醇胺 温度达到 100-120。尽管这个过程很完 善，由于甲乙醇胺.污染物和昂贵的操作成 本以及大量的能能量在溶剂中再生，因此 该过程有一些 和腐蚀相关的问题。化学吸附也被用于吸 收发电厂的烟气中的二氧化碳已有几十年了。对于钢铁行业二氧化碳排放的控制， 美国钢铁协会和韩国已经测

13、试了使用化学 吸附工艺来吸收高炉煤气中的二氧化碳。 物理吸附过程采用乙二醇或其他的有机溶 剂，它们与二氧化碳或者其他的酸性气体 相互作用没有与醇胺作用强烈并且反应再 生的能量也较醇胺少。固体吸附过程用于 去除天然气中的二氧化碳10，或者去除氢 气流中的污染物，这些都是基于吸附材料 对于不同的气体的选择性吸收。在工业的 过程中变压吸附是最著名的气体分离方法11。最常见的吸附剂是沸石，氧化铝，硅胶和活性炭12，变压吸附是如今用于氢的 提纯的主要技术。在捕捉后，二氧化碳需 要在池中无限期押藏，它不会重新进入大 气层。尽管二氧化碳捕捉技术已被突破， 但其储存或封存技术仍在发展。下面这些 水库必须确认要

14、与二氧化碳隔绝：枯竭的 油气藏，深层海洋，深蓄水池。石油和天 然气藏通常是被坚不可摧的岩石覆盖，以 至于使沉积的二氧化碳不能重新进入大气 层。向半枯竭的油藏注入二氧化碳是提高 原油开采率行之有效的技术。在世界（主 要是在美国和北海），有 70 多处石油开采 使用该技术8，据估计，与每年 7 亿吨的 全球碳的排放量相比，全球已探明的石油 和天然气潜在的存储量约为 140 亿吨碳。 因此，在枯竭和半枯竭的油气藏封存二氧 化碳在有限的范围内减缓全球变暖起一定 作用。由于它更大的二氧化碳的储存量， 在一个深海封存二氧化碳可以是一个更有 前途的解决方案。在下面大约 1000 米深处， 海洋层关于二氧化碳

15、的含量还不饱和，在 数百道数千年的翻覆中它们一直都很稳定。 据估计，深层海洋碳的储存量约为 1019碳8。对于在深海封存二氧化碳的主要问题是成本。在大陆铺设深度达到 1000 米的大 直径管棚是很昂贵 的，大约每公里耗资 1-2 百万美元。由于第 4 页 通常含有多孔的钙和镁浸泡在盐水中，所 以在深部的含水层封存也被称作矿物封存。 它涉及到二氧化碳与这些矿物质反应形成 的稳定的碳酸盐地质13-14。在 1998 年由 美国能源部主办，一个由国家能源技术实 验室，奥尔巴尼研究中心，美国洛斯阿拉 莫斯国家实验室和亚利桑那州立大学的研 究人员组成的团队已经开始调查和改进碳 化过程15。通过矿物学固定

16、储存二氧化碳 的研究已经并还继续在包括中国在内的许 多国家进行着9。在 1998 年，中国在渤海 湾彭地最大的辽河油田开始了它的第一个 为了提高石油开采率而进行的二氧化碳封 存项目16。3.纯氧高炉炉顶煤气回收与 CCS的技术相结合由于它接近能源效率方面的物理极限， 所以现代高炉操作非常接近其理论极限， 尽管略有改善，可透过增加循环利用（如 增加废钢利用），节约能源从煤转向天然 气。上面所讨论的 CCS 的技术似乎能够减 少二氧化碳的排放，但是据估计 CCS 尾管 技术对二氧化碳的主要排放者（例如，高 炉）只能降低 25%-30%的二氧化碳的排放 量，由于 CCS 本身非常高的能量消耗过程。 为了满足现代高炉操作的二氧化碳减排问 题，UL 认证职业导向（超低二氧化碳炼钢） ，一个为期五年的欧洲项目 RFC 和 6FP 再 2003 年开始制定的突破性技术，该技术能 够通过改变两个或两个以上的因素能大幅 度削减从钢铁厂排放的二氧化碳的量。该 项目的大约 3000 万美元的经费由欧盟研