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Mysteel:碳中和时代,高炉炼铁往何处走钢铁那么厉害,自然界也不乏铁元素,为什么动物很少利用起来呢?

更新时间:2021-11-23 04:21:04点击:

Mysteel:碳中和时代,高炉炼铁往何处走

世界的发展离不开元素周期表中这个排名26的不起眼元素——Fe。自公元前2500年古赫梯人第一次从来自太空的陨石中提炼出这种物质开始,钢铁就始终伴随在人类的发展过程中,4500年来,无论哪个民族,哪个国家,在其发展中都必然要用到大量的铁元素,钢铁在人类发展的过去、现在和可预见的未来中都将一直并持续占据最重要的地位。没有钢铁,就没有现在的人类文明。

一、碳的还原剂时代

铁元素在地壳中含量第四,但却天生易被氧化,在把铁从氧化物中还原出来的过程中,碳起到了至关重要的作用。

通常炼铁的过程是使用焦炭作为原材料,先通过焦炭与氧气的反应生成一氧化碳,再用一氧化碳与铁矿石反应生成铁,在这个过程中会产生大量的二氧化碳。高炉-转炉的冶炼过程又叫长流程炼钢,据世界钢铁协会的统计,在2019年全球粗钢产量中,长流程占比约72%,短流程占比约28%,在2019年中国粗钢产量中,长流程占比90%,短流程占比10%,除中国外,海外长流程占比52%,短流程占比48%。

使用碳作为还原剂有着悠久的历史,这种工艺简单,原材料易得,化学反应条件也不苛刻,最重要的是,它是将铁从铁矿石中冶炼出来的最主要方式。全世界钢铁存量中,99%以上都是通过这种方式被冶炼出来的,但是现在,这种生产方式已不符合世界低碳发展的潮流。

有很多人好奇:既然钢铁这么坚硬,自然界也不缺乏铁元素,为什么动物的爪牙不进化成钢牙铁爪?是因为生物不可能有这个本领吗?

钢铁那么厉害,自然界也不乏铁元素,为什么动物很少利用起来呢?

众所周知,牙齿是食肉动物最坚硬的部位。

要是你觉得把某些动物的牙齿换成钢铁牙齿动物捕猎将会变得更加易如反掌的话,那你就大错特错了。

二、绿色!绿色!

首先先了解一下钢铁,钢铁常见的有纯铁、低碳钢、铸铁,这些含碳量从0%到4%不等,含碳量越高材质越脆,主要成分还是单质铁。钢铁的硬度等级是4~5,人类骨骼硬度等级也是4~5,而人类牙齿牙釉质硬度可以达到6~7,比钢铁硬度大很多很多。鲨鱼牙齿牙外部所覆盖的珐琅质硬度更是惊人,和黄玉相当,硬度等级为8(金刚石硬度为10).

钢铁那么厉害,自然界也不乏铁元素,为什么动物很少利用起来呢?

坚硬的鲨鱼牙齿

一直以来,钢铁生产给世界的印象就是高污染,与之伴生的还有雾霾、落后等。中国自“十二五”时期便开始大力改进钢铁生产的工艺流程,诸如轧钢余热回收技术、烧结烟气脱硫脱硝技术、降低漏风率技术、喷吹煤粉技术、厚料层烧结技术、高炉煤气回收利用技术、高温高压干熄焦技术、球团废热回收技术以及煤调湿技术得到大规模推广。据力拓中心研究,采用全部25项工艺可为钢企减少0.9吨吨钢碳排放,但想要做到净零碳排放,必须采用更彻底的脱碳技术,钢铁企业必须立刻开始为如何实现“碳中和”思考并付诸行动了。

为什么鲨鱼牙珐琅质这么硬呢?因为鲨鱼在肌体组织中钙化程度最高,一种硬度比较大的固体材料要想是被用来做支撑结构,其化学性质必须要稳定,像金刚石的成分是碳元素,致密的排列使得结构十分稳定,在动物中构成骨骼和牙齿的成分为羟基磷酸钙等等。

三、我们能离开“高炉”炼铁吗

钢铁那么厉害,自然界也不乏铁元素,为什么动物很少利用起来呢?

羟基磷酸钙的结构以及排列方式

我们再回到主题。钢牙铁爪到底好不好用呢?

世界各国家和地区的发展是极不均衡的,既有美国这样的超级发达国家,也有非洲这样的极不发达地区,在社会发展的过程中,一定会经历钢铁消耗量大幅增加到逐渐缩减再到趋于稳定的过程。以美国为例,其1899年产钢1081万吨,1953年突破年产钢亿吨大关,1973年其年产钢达到13680万吨,此后则逐渐下降并趋于稳定。从人均粗钢消费上来看,欠发达国家的人均粗钢消费与发达国家有较大差距,据世界钢协统计,2019年美国、德国、中国、韩国、日本南美、非洲的人均粗钢消费分别为330kg、443kg、659kg、1082kg、550kg、100kg、32kg,地区发展极其不均衡,发展中国家的粗钢消费仍有极大提升空间,世界上的钢铁资源在这个意义上来说仍将在很长一个时期内处于短缺状态。

长流程和短流程炼钢最大的区别在于是否能增加钢铁存量,短流程炼钢使用废钢作为原材料,无法增加全球钢铁供应基数,只有长流程炼钢可以实现钢铁存量的持续增长,直至消灭全球意义上的粗钢短缺。毫无疑问,这个过程将是非常漫长的。马克思在资本论中早有预言:“在资产阶级社会的胎胞里发展的生产力,同时又创造着解决这种对抗的物质条件。因此,人类社会的史前时期就以这种社会形态而告终。”在资本主义尚处全球扩张的阶段,社会生产力必将会持续增长,直至我们进入真正的“人类社会”,否则人类发展就将永远处在“史前时期”。因此,炼铁只会不断发展,不会因为碳中和目标的束缚而停滞,而在这个过程中,炼铁的方法将会不断转变,最终形态或许与现在的高炉炼铁完全不同。

四、阵痛、调整

众所周知,铁单质化学性质不稳定,极易被氧化和腐蚀,若是拿这些铁质用来做牙齿,估计用一两年就会被完全腐蚀,再加上硬度不够,动物进食的过程中会大大磨损。

那么这样的话,自然界中到底是否存在含铁的牙齿或者骨骼呢?

碳中和的根本要义是减少碳排放,源头治理。炼铁方式必须从根本上改变,发展短流程、改进工艺、产能转移都是指标不治本,这是一场必须要赢的战争,其结果不仅关乎企业的存亡,也关乎人类的可持续发展。要看到,国家已经为碳中和做了长期布局和大量投入,全国范围内的特高压输电线路已然成形,西电东送的价格甚至低于本地煤电的上网价格,未来清洁能源的产量和用量必将超过所有人的预期。顶层设计已然铺好,如何使用清洁能源实现绿色生产、如何逐渐实现生产方式的过渡、如何把握住过渡阶段的超车机会是众多企业需要思考的重要问题。

五、氢的还原剂时代

答案是肯定的。它就是河狸。

钢铁那么厉害,自然界也不乏铁元素,为什么动物很少利用起来呢?

橘红色且锋利的牙齿

四颗大门牙含有三价铁,所以呈现红色。当然这并不是化学性质活拨的单质铁,准确来说是高度矿化并与牙釉质融合的金属氧化物。河狸牙齿锋利,可以轻松地啃断大树。据统计,一只河狸每年平均啃断400棵树。

此外,竹鼠牙中也含有铁元素,与牙釉质结合形成一种叫做铁-羟基磷酸钙的物质。坚硬且锋利,硬度可是要比生活中的刀具大得多。

氢,元素周期表中排名第一,易与氧结合,氢还原铁的方式最简单清洁,未来可能成为炼铁的主力还原剂。含氢的气体还原剂主要包括天然气(CH4)和氢气,使用天然气还原氧化铁仍会生成二氧化碳,而使用氢气还原铁则只产生水蒸气。

这时,你就要仔细考虑一下,是否能扛得住这副“钢牙”了。

氢气是炼铁的最理想还原剂,但是在工业化应用中却存在诸多困难。当前氢气制取技术主要有电解水制氢、煤炭制氢、甲烷(天然气)重整制氢、工业副产气提纯制氢等,能够大规模绿色可持续制氢的方式有且仅有一种——电解水。从当前的技术发展方向看,电解水制氢冶金的发展前途最广阔。

根据瑞典HYBRIT项目2018年的运行结果,其采用的氢冶金成本比传统高炉冶炼高20%~30%。吨钢二氧化碳排放量仅为25公斤(降低1575公斤),吨钢电力消耗为4051千瓦时。

钢铁那么厉害,自然界也不乏铁元素,为什么动物很少利用起来呢?

六、氢能冶金相关技术待持续突破

和传统高炉炼钢相比,氢能炼钢的区别主要在于流程简化,重构成本。总的来看,变化主要有以下两块:

1.电力用量大幅增加,无需焦炭

电解水制氢成本较高,其成本的一半以上在电力成本上。另外,不同于一氧化碳还原放热,仅用氢还原铁是吸热反应,冶炼出来的海绵铁需要经过电炉加热融化,也是耗电的另一方面。同时,使用氢气炼铁可以完全节约焦炭,大幅减少二氧化碳排放。

2.氢还原铁速度快

氢还原铁的速度可达一氧化碳还原的四倍以上,在1000℃下,使用氢气还原铁矿石,98%的还原发生在20分钟内,而对于一氧化碳,83%的还原发生在60分钟内。反应速度的提升有利于提高生产效率,节约时间成本。

新变化带来新发展,氢能冶金的用电从何而来?从已有的项目来看,瑞典钢铁HYBRIT项目是使用光伏、风电等清洁电力;德国萨尔茨吉特钢铁SALCOS项目则全采用风电制氢;奥钢联H2FUTURE项目使用奥地利电网电解氢;宝钢则在探索核冶金、核能制氢技术;河钢集团、酒钢集团也在探索氢冶金技术。

总体来看,各种清洁能源均有用武之地,钢厂需要因地制宜,使用适合当地实际情况的清洁能源,在我国西北地区,光伏发电、风电资源丰富,西南地区水电资源丰富,沿海地区则适合使用核电或风电。另外,特高压电网的建设也将使未来的氢能冶金项目能随时随地使用上稳定清洁的电力。

对未来的钢厂来说,自建或参与建设清洁能源发电项目,在为本厂冶金提供电力的同时将富裕电力外卖,同时利用好碳排放权市场,将清洁能源发电及冶金带来的碳排放权变现,实现效益最大化,或许是一条可以走的路径。

七、为什么氢能冶金有望成功?

1.清洁电力成本不断降低

目前来看电解水制氢发展前景最广,在这一技术路线的氢能冶金下,对电力的需求将大幅上升,电力成本将显著影响氢能冶金的发展,未来清洁电力成本的下降将有助于氢能冶金的发展。以光伏发电为例,其发电成本基本每年降低10%,目前已基本实现和煤电平价,未来随着装机量的不断上升,规模效应将进一步显现,同时特高压输电技术的突破也为低成本大规模跨区域送电创造了条件。据Energy Intelligence的数据,全球光伏发电成本2000年达到50.0美分/千瓦时峰值;2020年成本为5.9美分/千瓦时;2050年预测成本为2.4美分/千瓦时,而我国作为集齐光伏发电全产业链技术的国家,成本将在此基础上还有下降。

2.氢能冶金最为绿色

氢能冶金过程中几乎没有任何污染,与传统的碳还原剂相比,如果完全使用清洁能源电解水制氢并完全的用氢气炼铁,其碳足迹可降低95%以上,即使使用混合气体炼铁,其碳足迹也可大幅降低。根据东吴证券的研究,截至2020年,我国钢铁企业平均吨钢碳排放量1765公斤。采用基于天然气的炼铁工艺,可以将吨钢碳排放降至940公斤;而使用80%的氢气和20%的天然气则可以降至437公斤;如果完全使用氢气炼钢,则可以实现二氧化碳的几乎“零排放”。