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钢铁产业的CO应该何去何从?——“潜在”温室气体的解决方案

2023/12/22

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一、温室气体与一氧化碳

在物理学领域,温度是热量最直观的展现形式,但又不足以完全展现,因此热量又被分为显热和潜热。在温室气体中,二氧化碳是最常见的一种,但却不能代表全部温室气体。

近日,国家气候战略中心发布的《温室气体自愿减排项目设计与实施指南》(以下简称《指南》)中指出,温室气体指大气中吸收和重新放出红外辐射的自然和人为的气态成分,包括二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)、氧化亚氮(N₂O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟化碳(PFCs)、六氟化硫(SF₆)和三氟化氮(NF₃)。

除了《指南》规定的7种明确的温室气体外,还有一种“潜在”温室气体一氧化碳(CO),因为它和甲烷(CH₄)一样具有可燃性,当它的利用方式确定为燃烧后,最终会变为二氧化碳(CO₂)。一氧化碳(CO)广泛存在和应用于化工、钢铁行业,在化工行业需要CO进行化工合成,转化为CO₂的量较少;但在钢铁冶炼过程中副产的CO,主要利用方式是进行燃烧加热、发电,最终转化为CO₂的量很大。因此,在钢铁行业中的CO,可以看做一种“潜在”的温室气体。

钢铁行业中,CO来源主要是高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气,成分组成如表1所示。

钢铁行业副产煤气组分表

CO的产生主要源于钢铁冶炼过程中焦炭、煤粉的不完全燃烧,以目前的生产工艺来讲是不可避免的,因此在现阶段钢铁产业一定会副产CO气体,并且限于节能环保要求,也需要给副产的CO提供一条高效的利用途径。

二、一氧化碳的性能分析

一氧化碳通常状况下为是无色、无臭、无味的气体,化学式为CO,分子量28,是碳和氧的化合物。熔点为-205℃,沸点为-191.5℃,难溶于水,不易液化和固化。化学性质上,一氧化碳具有可燃性、还原性,也可做碳一化工合成原料气,同时具有毒性,较高浓度时能使人出现不同程度中毒症状。

一氧化碳



三、 一氧化碳的利用途径

一氧化碳最主要的性能是可燃性、还原性和可合成性(合成碳一化工),因此其利用途径也主要从这三个性能考虑。

1、可燃性

首先是可燃性,即具备热值可以通过燃烧释放热量,目前钢铁企业对于副产煤气中的一氧化碳的利用也基本是利用其可燃性,后续进行加热和发电。一氧化碳的体积热值是12.64MJ/Nm³,如果使用大卡热值是3018Kcal/Nm³,在标准状况下的密度是1.2504kg/Nm³,质量热值是10.1MJ/kg,如果使用大卡热值是2416Kcal/kg,热值是只有标准煤热值(7000Kcal/kg)的1/3,再者因为存在于高炉煤气和转炉煤气中的含量都不超过50%,同时一氧化碳燃烧后会直接变为二氧化碳,会产生名副其实的温室气体。

以发电为例,根据《中国能源报》数据,燃煤发电的碳排放(CO2)在700-900g/kWh之间,取平均值800g/kWh。使用煤气发电机组发电,高炉煤气消耗为3.5Nm³/kWh,转炉煤气消耗为1.7Nm³/kWh,高炉、转炉煤气的发电机组单位发电量碳排放(CO2)1375g/kWh。由此可见高炉、转炉煤气发电的单位碳排放量比燃煤发电的单位碳排放量高70%以上,因此钢铁行业将一氧化碳进行燃烧利用,尤其进行发电利用,在碳排放角度来看并非最优方案。

2、还原性

一氧化碳除了可燃性,还有一个特性是还原性,可以和氧化物发生化学反应。钢铁行业高炉炼铁的工序本身就是一个氧化还原反应:

C+FexOy→Fe+CO+CO2


高炉中参与反应的还原剂主要是焦炭和煤粉,以及副产的一氧化碳,可见高炉炼铁过程中使用一氧化碳进行还原氧化铁是可行的,也是实际应用正在发生的。因此将一氧化碳吹入高炉进行炼铁还原在技术原理上是完全可行的,只是需要计算喷入的纯度、数量、压力、温度等实际参数。高炉煤气和转炉煤气中除了含有一氧化碳,还有氮气和二氧化碳(喷入高炉中会产生不利的影响),因此如果需要利用煤气中一氧化碳的还原性,就需要进行预处理的提纯分离。

将副产煤气提纯后喷入高炉,即“高炉顶煤气循环技术”,对于高炉低碳冶炼具有帮助,虽然喷入高炉的一氧化碳最终还是变为了二氧化碳温室气体,但是能够节约焦炭和煤粉的用量,从而降低碳排放,从碳排放角度对比燃烧使用更具优势,目前国内案例较少,只有晋南钢铁和纵横钢铁有过应用,其经济性需要进一步分析。

高炉顶煤气循环技术

3、碳一化工合成

我国的能源结构是“缺油少气”,相对于石油和天然气,煤炭产量较为丰富,近年来煤化工的发展也较为快速。煤化工的本质是以煤为原料造气,产生一氧化碳和氢气,然后分别提纯再进行化工合成,生产甲醇、乙醇、乙二醇等多种化工产品。在钢铁行业,可以将高炉、转炉和焦炉看做“造气炉”,炼铁、炼钢、炼焦的同时副产一氧化碳和氢气,分别提纯后也可以进行化工合成生产化工品。

使用钢铁行业副产煤气进行化工合成的模式,即“钢化联产”模式,目前国内已有2个项目在运行(不包含独立焦化做化工),石横特钢-阿斯德和晋南钢铁-沃能化工。钢化联产模式最大的优势是将原本用于燃烧的一氧化碳,直接固化存储到化工产品中,不再使其变为二氧化碳温室气体,同时还能通过化工品产生经济效益,是兼具社会效益和经济收益的项目。


阿斯德钢化联产


四、 总结


钢铁产业是我国的支柱产业,2022年钢铁产业的产值超过5万亿,占全国GDP的5%左右;2022年钢铁产业的碳排放量约18亿吨,占全国碳排放的15%左右。钢铁产业的碳排放占比是其产值占比的3倍,碳减排任务任重而道远。钢铁行业内提到碳减排,首先想到是二氧化碳,往往忽略一氧化碳,对待一氧化碳采取一烧了之的方案经济性不高,可以考虑利用其还原性和化工合成的特性,发挥一氧化碳的最大价值。

现阶段,钢铁的生产还离不开碳的介入,产生二氧化碳也是必然的,因此,在过程中如果能减少从一氧化碳生成二氧化碳的量,即从根源上进行碳减排治理,对于整个行业的碳减排是非常有意义的。



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