HIsarna工艺技术专题｜应对气候和循环性挑战的HIsarna工艺

1 前言

为了应对气候变化，要全社会实现CO₂净零排放，各国政府制定了一系列政策。在欧洲，出台了CO₂排放权的排放交易计划（ETS），该计划为CO₂排放附加了成本。《欧洲绿色协议》（European Green Deal）明确设定了实现CO₂净零排放的目标，还包括旨在最大限度地提高资源效率以及使经济增长与资源使用脱钩的目标。

为了实现CO₂净零排放，钢铁行业正在开发各种新技术。而随着新技术的引入，很可能会形成新的废物和回收物质流。在这些新技术开发的早期阶段，要系统考虑这些问题，以防止在我们解决当前气候危机的努力中给下一代带来新的问题。

2 HIsarna技术

HIsarna工艺是塔塔钢铁公司艾莫伊登厂正在开发的一项新的炼铁工艺。与高炉路线相比，原料能够以颗粒状直接装入，无需烧结或炼焦，可减少大约20%的CO₂排放。通过采用碳捕集与封存（CCS）技术，CO₂减排幅度能够进一步提高到80%-90%。

HIsarna工艺综合了旋风转炉（CCF）技术和HIsmelt技术。该工艺主反应器、废气系统及其下游部件如图1所示。主反应器分为两部分。把细铁矿粉与纯氧一起吹入CCF。用氧气作氧化剂，从熔融还原容器（SRV）中排出的废气中的CO-H₂化合物产生部分燃烧。燃烧放热，为铁矿石的预还原和熔融供热，最终产物沉积在炉壁上产生了一层液体膜，沿炉壁滴入SRV的铁水池中。从CCF排出的气体是CO₂-H₂O-N₂的混合气体，含有少量的CO、H₂、O₂和碳颗粒。

利用载气将煤注入渣层，并部分透过铁水池使铁水碳化。预还原氧化铁（FeOx）液滴从CCF倾倒入铁水池中。CO气体到达SRV的顶部空间，遇到由氧枪（OL）喷吹的氧气产生燃烧，燃烧放热为SRV供热。把液相分成两层，顶层是炉渣，底层是铁水。炉渣和铁水都可以单独流出。

2010年塔塔钢铁公司艾莫伊登厂建立了中试规模的HIsarna试验工厂，铁水产能为8t/h，主要目的是验证该工艺并展示其CO₂减排能力。从那时起，该工艺一直朝着工业示范项目发展。该试验工厂自2011年开始一直处于运行状态，最初只是几个月的短期运行，每次运行都包括持续3天的个别试运行。自2017年以来，该试验工厂实行了完整的五班制，这使得工厂每次的运行时间更长。2018年，该试验工厂被整合到艾莫伊登厂的生产路线中。迄今为止，已生产了1.18万吨铁水，其中1.1万吨铁水已供应给转炉钢厂炼钢。最长连续运行时间为19.5天，利用率为93%，铁水平均生产率为4.3t/h。

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3 最大限度减排CO₂

HIsarna工艺不需要铁矿石烧结和煤炭炼焦，将最大限度减少CO₂排放，助力实现CO₂净零排放的目标。

由于HIsarna工艺的过程气体几乎完全是CO₂，因此只需对CO₂捕集就可以。在试验工厂的正常运行条件下，在反应器出口处检测到的CO₂浓度超过70%，其余30%主要是氮气，这些氮气大部分来自于喷吹矿粉和喷吹煤粉的载气。已经证明，这些载气能够用压缩的CO₂代替，这将产生浓度极高的CO₂流，易于捕集以供使用或封存。

即使没有碳捕集，实现CO₂净零排放的过程也有很大的空间。在没有碳捕集的情况下，CO₂排放量已经减少了50%。这是通过向反应器中引入高达50%的废料，以及用可持续生物质替代40%以上的喷吹煤来实现的。所使用的生物质是木炭，从技术角度来看，用可持续的木炭或生物炭100%替代煤炭应该是可能的。木炭的反应性已被证明等于或优于煤炭，木炭的另一个优点是硫含量相对较低。当与CO₂捕集相结合时，使用生物质甚至可能实现净负CO₂痕迹。

进一步的选择是通过使用天然气、可持续生物质气体或氢气，来部分减少炼铁过程中带入的碳。分析表明，需要一定量的固体碳来减少炉渣中的氧化铁含量，使铁水渗碳。喷吹的大部分碳（煤）用于加热熔融还原容器，这为减少喷吹的固体碳，并用喷吹天然气、可持续生物质气体或氢气来替代煤提供了空间。试验初期阶段，采用天然气取代部分喷吹煤。

4 工艺循环性

钢铁工业的副产品和废物已经获得广泛应用，只有相对少量最终成为废弃物。但是，通常这些副产品和废物的应用价值相对较低。在早期阶段，塔塔钢铁公司艾莫伊登厂认识到HIsarna工艺为使用替代品和次生原料创造了新的机会，所以使用含Zn的低品位矿石进行了初步试验。

4.1 含Zn粉尘回收

许多钢铁产品是由镀锌钢制成的，能够提供持久的抗腐蚀保护。因为Zn积聚在粉尘中的浓度过低，不利于经济性回收，造成钢铁联合企业对镀锌废钢回收率普遍较低。在许多情况下，粉尘回收到烧结厂和高炉，Zn对高炉操作有很大影响。这意味着对原料带入的Zn含量要严格限制。

镀锌废钢经电炉炼钢路线回收后，Zn再次进入粉尘中。这里有可能达到合适的Zn浓度，但这些含锌粉尘首先必须在回转窑中进行处理，以便有效地回收锌。采用HIsarna工艺能够避免这一步，HIsarna能够接受镀锌废钢中的含锌材料或来自高炉、碱性氧气转炉或电弧炉的粉尘。这些材料能够以干粉尘形式喷吹，也可以是块状或颗粒状。

整个反应器都在高温下运行，HIsarna工艺能够允许输入物料中高的含Zn量。这确保了Zn以气态形式从主工序中脱离，冷却后变成固体氧化物，Zn最终进入气体净化厂的袋式除尘器。回收项目的目标是实现Zn在粉尘中富集，含Zn粉尘作为次生原料可直接使用。

4.2 炉渣利用

HIsarna工艺还考虑了炉渣的增值，既可以通过HIsarna工艺回收炉渣，也可以使用HIsarna炉渣，HIsarna炉渣与颗粒状的高炉炉渣产品应用类似。

HIsarna工艺需添加CaO和MgO作为熔剂，以控制炉渣的化学性质。作为LoCO₂Fe项目的一部分，进行了用石灰石和白云石代替大部分石灰的试验，将石灰石和白云石与铁矿石预先混合。在试验中，成功地使用回收的转炉炉渣替代石灰石和白云石。在HIsarna工艺中原生矿物作为熔剂的需求几乎为零，只需要喷吹少量的石灰即可，这减少了对原生矿物的需求。此外，采用HIsarna工艺从转炉炉渣中回收了大量的FeO，提高了HIsarna-BOF炼钢路线的整体产量。

在HIsarna工艺中使用转炉炉渣还提高了炉渣的价值，从低价值骨料转变为生产水泥的高价值原料。HIsarna炉渣在水泥和混凝土中的性能有望与颗粒状的高炉炉渣媲美。在HIsarna试验工厂开展了炉渣制粒试验，制粒的炉渣随后被用于生产混凝土试件。

5 结论

为了克服气候变化和循环性带来的挑战，钢铁行业需要开发新的工艺和技术。而对于任何新工艺，应首先在开发初期考虑循环性要求，再判定其经济可行性。HIsarna工艺除了显著减少碳足迹外，为更大程度地提升副产品和废物价值提供了可能。

（宏济 明川）

《世界金属导报》

2023年第38期 B03

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