超低二氧化碳煉鋼 - ULCOS 

二十五年來，世界各地的鋼鐵行業已經將氣候變化確定為一項主要的環境挑戰。早在2007年政府間氣候變化專門委員會（IPCC）得出結論之前，主要的鋼鐵生產商就認識到，需要長期的解決方案來解決鋼鐵生產過程中產生的二氧化碳（CO2）排放。

因此，鋼鐵業在改善能源消耗和減少溫室氣體（GHG）排放方面一直非常積極主動。

與世界鋼鐵業最相關的溫室氣體是二氧化碳（CO2）。根據世界鋼鐵協會（WSA），平均每生產一噸鋼就會排放1.8噸二氧化碳氣體。根據國際能源署（IEA）的數據，2010年鋼鐵行業的二氧化碳排放量約占世界總排放量的6.7％。

現在，每噸粗鋼的二氧化碳排放量降低了約50%，這使得鋼鐵行業的氣候影響大大降低?，F在，高品質的鋼鐵廠都是在接近目前鋼鐵生產技術所規定的熱力學極限的情況下運作。這反過來意味著，鋼鐵生產商在進一步提高能源效率方面受到限制。由于大多數主要的能源節約已經實現，使用目前的技術不可能再大量減少二氧化碳排放。

進一步減少溫室氣體的排放意味著引進突破性技術。將二氧化碳排放減少到后京都政策所要求的水平需要 "打破常規 "的思維，因為它提出了具體的挑戰。沒有現成的簡單工藝可以用來實現這一目標。必須想象鋼鐵生產方式的深層范式轉變，并設計和開發相應的突破性技術。政府和國際機構所要求的那種減少，需要發明和實施徹底的新生產技術。

這就是ULCOS（超低二氧化碳煉鋼）計劃創建的背景，該計劃是2004年作為京都議定書的成果而發起的歐洲合作研究和開發倡議。ULCOS尋求進一步大幅減少鋼鐵生產中二氧化碳排放量的方法。該計劃的主要目標是尋找突破性的工藝路線，這些工藝路線在未來得到充分發展后，可以證明在以鐵礦石為原料的鋼鐵生產中大幅減少二氧化碳排放量的潛力。該計劃的目標是與今天的生產技術相比，至少減少50%的二氧化碳排放。實現這樣一個雄心勃勃的目標需要鋼鐵生產模式的轉變，這將改變世界各地鋼鐵廠目前的運作方式。ULCOS是全球鋼鐵行業計劃的一部分，旨在確定有可能大幅減少二氧化碳的煉鋼技術。在該計劃下，人們正試圖找到一個以最可持續的方式制造鋼鐵的答案。

ULCOS計劃的成員是一個由來自15個歐洲國家的48家歐洲公司和組織組成的聯合體，包括所有主要的歐盟（EU）鋼鐵公司、能源和工程合作伙伴、研究機構和大學。它還得到了歐盟委員會的支持。ULCOS是一個歐洲項目，但它是全世界鋼鐵行業中專業的努力，積極尋求解決全球變暖的威脅。該聯盟的專業知識包括從煉鋼到生物質生產和二氧化碳地質儲存，并包括工藝工程、能源經濟學和氣候變化的前瞻性研究。

今天，ULCOS是全球鋼鐵行業內專業的倡議，積極尋找解決全球變暖威脅的辦法。在7500萬歐元的預算中，ULCOS的合作伙伴出資60%。歐盟委員會通過其RTD（研究和技術發展）框架計劃和RFCS（煤鋼研究基金）計劃提供其余40%的資金。兩者都是為了促進歐洲內部的工業研究和技術發展而設立的。

目前的鋼鐵生產技術是基于主要是碳的煤炭，基于碳和氫的混合天然氣，以及基于廢料的電弧爐。為了確定二氧化碳清潔工藝路線，三個主要的解決方案可能的路徑是：（i）從煤炭轉變，稱為脫碳，在氫氣還原或電解鐵礦石等工藝中，碳將被氫氣或電力替換，（ii）引入CCS（碳捕獲和儲存）和礦物碳化技術，以及（iii）使用可持續生物質。

ULCOS是一個精心設置的大型計劃，以應對鋼鐵行業和整個社會所面臨的長期和復雜的挑戰。ULCOS計劃有四個步驟，即（i）建立工藝概念，（ii）大規模示范，（iii）第一個商業工廠的大規模實驗。(iv) 在歐洲和世界范圍內部署該技術。ULCOS是一項研究計劃，目前已轉變成一項示范計劃。

自2004年啟動以來，ULCOS計劃已經進行了大量的研究。在其研究計劃的最初階段，一項持續四到五年的初步可行性研究調查了80多項技術/概念路線，使用建模和實驗室方法評估它們在二氧化碳排放、能源消耗、煉鋼的運營成本和可持續性方面的潛力。幾個概念已被平行調查。在所有這些概念中，以下大多數工藝路線系列已在ULCOS計劃中被選中，以進行進一步調查，并最終擴大到可以進行商業實施的規模。

高爐（BF）的一個變體，其中高爐的頂部氣體經過二氧化碳捕集，剩余的還原氣體被重新注入反應器底部，而且是用純氧而不是熱風（空氣）操作。這個過程被稱為頂部氣體循環高爐（TGR-BF）。富含二氧化碳的氣流被送入存儲（CCS技術）。

一種被稱為HIsarna工藝的熔煉還原工藝。該工藝以熱旋風爐和熔池的結合為基礎，包含了HIsmelt工藝的一些技術特征。該工藝還使用純氧，產生的廢氣幾乎可用于儲存（CCS技術）。

一種直接還原（DR）工藝，被稱為ULCORED。該工藝在豎爐中生產DRI（直接還原鐵），可以使用天然氣或煤氣化產生的氣體。豎爐的廢氣在捕獲二氧化碳后被回收到工藝中，二氧化碳以濃縮流的形式離開DR工廠并被儲存（CCS技術）。

兩種電解工藝的變體被稱為ULCOWIN和ULCOLYSIS。ULCOWIN在略高于100攝氏度的水堿性溶液中操作，其中有小粒的礦石（電泳工藝）。ULCOLYSIS在煉鋼溫度下操作，其熔鹽電解質由礦渣制成（熱電解）。

還有兩個可供選擇的方案。第一種是使用氫氣進行直接還原，如果有的話，不會產生任何碳排放。第二種是基于使用可持續的生物質，第一種是由熱帶國家種植的桉樹可持續種植園生產的木炭。

在新的超低碳技術中，CCS和礦物碳化的使用也得到了評估。CCS從一開始就被認為是一個強有力的解決方案。關于礦物碳化，已經確定它只能帶來適度的，盡管是重要的總體減排量。

圖1顯示了ULCOS計劃下正在研究和開發的工藝。

圖1 在ULCOS計劃下正在研究和開發的工藝

ULCOS現在已經選擇了四個工藝概念--這些概念已經過實驗測試--與目前的最佳實踐相比，可以將二氧化碳排放量減少一半以上。這些概念現在正在ULCOS項目的第二階段中的工作鋼廠中實施。ULCOS項目第二階段的成果有可能在大約15至20年后推廣到生產工廠。所選擇的工藝概念是：（i）重新設計高爐，將CCS納入工藝的核心；（ii）具有CCS能力的冶煉還原；（iii）大量使用天然氣，采用比現在更清潔的二氧化碳技術；（iv）氫氣煉鋼和電解鐵礦石。

在短期內，TGR-BF似乎是最有希望的解決方案，因為現有的BF可以被改造成新技術。這可以使轉向突破性技術所需的大量資本支出得到一定的控制。此外，該工藝的原理可以節省能源，因為二氧化碳的捕獲和凈化氣體的回收替換了高溫化學平衡（布杜瓦反應），并且在BF內使用焦炭和煤的效率比傳統操作要高。這在一定程度上平衡了捕獲和儲存所產生的額外成本。應用于TGR-BF的正確概念是過程中的二氧化碳捕集，以及氧氣操作。 氧氣部分類似于純氧燃料操作，但并不完全相同。循環部分是原創的，是獲得一些能源節約和相應削減運行成本的關鍵原因。這個概念已經在瑞典呂勒奧的一座大型實驗室高爐上進行了測試，成果是積極的。

在有天然氣的地方，ULCORED工藝路線是一個有吸引力的選擇。應用于ULCORED工藝的概念類似于TGR-BF的概念，它還包括使用純氧和爐頂氣體的過程中回收，此外還有其他一些特點，如回收循環中的一系列轉變反應器。為了驗證這一概念，ULCOS的合作伙伴LKAB計劃在未來幾年內在呂勒奧建立一個每小時一噸的試點。

正在開發的HIsarna工藝將在未來幾年內成為綠地鋼廠的一個可用選擇。HIsarna工藝與TGR-BF和ULCORED工藝略有不同，因為它不涉及氣體的回收循環。冶煉廠的氣體在旋流器一級被氧化，在那里進行一些還原，同時進行燃燒以預熱和熔化礦石。 氣體對鐵流有一個逆流，在這個逆流中，其化學能量被完全耗盡。一個8噸/小時的試驗工廠已經建立起來，并在ULCOS項目過程中進行了測試。該試驗工廠于2011年4月啟動。在第一次活動中，該工廠從2011年4月18日至6月11日運行。共啟動了四次。第一次啟動沒有成功。其他三次啟動都很成功。實現的注入率為產能的60%?，F有的運行數據表明，該工藝的運行符合預期，但還需要更多的運行時間來確認這點。操作小時數低于預期。第二次活動已于2012年10月16日開始。它一直持續到2012年11月底。

電解過程是在ULCOS計劃內從零開始開發的，因此，仍在實驗室規模下運行。盡管它們擁有零排放的承諾，但如果能夠獲得綠色電力，需要時間將其擴大到商業規模（10到20年）。 ULCOWIN工藝包括鐵礦石的堿性電解。電解通常用于生產鋼鐵以外的金屬，需要大量的電力。該工藝將取決于二氧化碳的清潔電力來源，如水力或核能。ULCOLYSIS是熔融氧化物電解法。熔融氧化物電解的工作原理是將電流通過裝有氧化鐵的熔融爐渣。氧化鐵會分解成液態鐵和氧氣。不產生二氧化碳。使用二氧化碳清潔電力來源，可以進一步減少工藝排放。

在氫氣煉鋼中，鐵在高溫（高于1300攝氏度）下從鐵礦石中還原，反應時間非常短。沒有二氧化碳排放，但生產氫氣需要大量的二氧化碳清潔電力。這個過程也可以用低二氧化碳燃料如天然氣來操作。

氫氣煉鋼在很大程度上取決于綠色氫氣的供應，而使用遠離種植國的木炭則需要建立復雜的物流，包括跨越幾個大陸的重型基礎設施。

ULCOS是鋼鐵行業的一個長期倡議。它充滿了承諾，但也有風險和陷阱，這種情況可能與其他行業正在經歷的情況相似。風險與問題的復雜性有關，它要求在非常短的時間內開發和實施突破性技術。要使該計劃成為鋼鐵行業的一項成功舉措并實現大部分目標，需要耐心、支持、真誠和持續的決心。