3 新型直接還原工藝(ULCORED)
直接還原鐵(direct-reduced iron,簡稱DRI)是利用天然氣產生的還原氣,將塊礦或球團直接還原成金屬鐵,其產品還原鐵以固態形式存在,用于電爐煉鋼。該工藝比傳統高爐工藝的成本高,而且對鐵礦原料的質量要求更高。ULCORED工藝用天然氣取代了傳統的還原劑焦炭,并且通過爐頂煤氣循環和預熱工序,減少了天然氣消耗。此外,天然氣部分氧化技術的應用使該工藝不再需要焦爐和重整設備,從而大幅降低了設備投資。燒結礦和球團礦從DRI反應器頂部裝入,DRI反應器尾氣凈化后,天然氣發生化學反應生成還原劑(H2和CO的混合物),還原劑噴入DRI反應器中與鐵礦發生反應,反應器的溫度低于鐵熔化的溫度但足以開始鐵礦的還原反應,直接還原鐵呈固體形態從反應器底部出來送入電弧爐煉成鋼。新工藝的尾氣只有CO2,可通過CCS存儲在地下。
ULCORED工藝與CCS技術結合使用使歐洲一般高爐的CO2排放量降低70%,該技術還需進行下一步的工業示范階段。
4堿性電解還原鐵工藝(ULCOWIN、ULCOLYSIS)
鐵礦電解是使用電能將鐵礦轉化成金屬鐵和氧氣。用電解法冶煉鋁、鋅和鎳等金屬在技術上已經非常成熟。由于該工藝采用電解的方法,不需要傳統煉鐵工藝中所使用的焦爐、鏈篦機-回轉窯和高爐等設備,可達到零CO2排放的目標。鐵礦電解最有前景的工藝路線是電解冶金法(ULCOWIN)和電流直接還原工藝(ULCOLYSIS)。ULCOWIN法鐵礦石顆粒懸浮在100~110℃的堿性電解質(NaOH)溶液中,再通入恒定電流電解還原。帶負電荷的氧氣被吸引到正極,從溶液頂部不斷涌出。帶正電荷的金屬鐵被吸引到陰極上,鐵晶體呈柱狀結構由沿表面堆積的雙六簇組成沉積在陰極表面上。在ULCOS I階段中進行的實驗室研究已驗證了小規模應用的可行性。ULCOWIN工藝得到的鐵純度可達99.98%,能耗為2 600~3 000kW·h/t,雖然能耗比較合理,但中試工廠產能只有5kg/d。因此ULCOS項目組又開發了ULCOLYSIS工藝。鐵礦石在1 600℃的高溫下溶解在鐵液池中熔溶氧化混合物中,這種熔融氧化混合物是一種特殊的電解質溶液,能使電解操作在高于金屬熔點的溫度下進行。惰性材料制成陽極浸漬在鐵液池中,鐵液池連接到電路上作為陰極,電流在陽極與陰極中通過。
生成的氧氣從陽極放出,液態鐵在陰極生成。ULCOLYSIS工藝目前尚處在實驗室研究階段,有望在2030年以后有突破性進展。