关键词:
钢铁工业
富氢高炉
生命周期评价
环境影响
氢气
摘要:
钢铁行业碳排放占我国碳排放总量的15%,是工业领域排放最高的部门。我国89%以上钢铁基于高炉-转炉工艺生产,且高炉环节产生70%以上碳排放,高炉碳减排对于钢铁行业碳减排至关重要。高炉富氢冶炼技术向高炉喷吹富氢气体替代部分焦炭,可以较少投资和工艺改造降低碳排放。不同氢源供给潜力、纯度、产业链碳排放各不相同,导致用于高炉喷吹时的环境效益和比较优势也存在差异,当前氢源选择的判据尚不清晰。为此,针对内部气源循环和外供氢源两种情景,开展氢钢耦合低碳发展路径及减污降碳效益研究。基于高炉能质平衡,研究了富氢高炉工况对高炉投入-产出清单的影响规律;针对内部气源循环富氢高炉工艺,量化比较了焦炉气喷吹、炉顶煤气循环工艺的生命周期环境效益;针对外供氢源喷吹富氢高炉工艺,探索了煤制氢、天然气制氢、生物质制氢、电解水制氢等不同制氢技术与高炉耦合的生命周期环境效益。主要结论如下:
(1)研究内部气源循环和外供氢源对高炉焦比、高炉气的影响,建立富氢高炉投入-产出数据清单。结果表明,内部气源循环富氢高炉工艺可有效降低高炉碳排放,高炉喷吹焦炉气可降低焦比12.7%,减少高炉相关直接碳排放6.6%;炉顶煤气循环工艺可降低焦比20%,减少高炉相关直接碳排放23%。以极限喷吹量803.5m3/t Fe向高炉喷吹外供氢气时,可降低焦比48.7%,高炉相关直接碳排放降低56%。
(2)针对内部气源循环富氢高炉建立生命周期评价模型,分析内部气源循环富氢高炉工艺的综合环境影响。结果表明,传统长流程工艺的环境影响主要体现在全球变暖潜势方面,占综合环境影响的75.4%,高炉和烧结单元为环境影响的主要贡献单元。内部气源循环富氢高炉工艺相较于典型长流程在各环境影响指标上均有所降低,其中高炉喷吹焦炉气工艺的综合环境影响降低了29%,炉顶煤气循环工艺降低了19%,表明富氢高炉工艺在减少环境影响方面具有显著优势。
(3)针对外供氢源高炉喷吹工艺建立生命周期评价模型,分析外供氢源高炉喷吹工艺的综合环境影响。结果表明,除煤制氢以外,其余制氢方式与高炉耦合的综合环境影响均有所下降。不同来源氢能与高炉耦合的综合环境影响从低到高依次为:电解水制氢<生物质制氢<焦炉气重整制氢<焦炉气喷吹<炉顶煤气循环<天然气制氢<典型高炉-转炉工艺<煤制氢。其中,环境效应最优的电解水制氢耦合富氢高炉可使综合环境影响降低68%。