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1 简介

人们普遍认识到需要减少工业来源的二氧化碳排放，特别是炼钢过程中的二氧化碳排放，但人们较少关注铁矿石和煤炭/焦炭从其来源地到世界各地主要炼钢中心的运输。

比如，加拿大开采的所有铁矿石中约有90%被出口用于钢铁生产，如果将这些矿石运到中国，制成钢铁产品，再出口到北美，那么运输过程中产生的CO₂排放量实际上是生产过程中产生的CO₂排放量的两倍。

目前，人们正在进行大量研究和开发，试图取代碳作为主要还原剂，但这一必要努力需要数年时间才能见效，而且不仅需要在新的钢铁基础设施上进行大量投资，还需要在氢气生产方面进行大量投资。此外，由于目前氢炼铁的重点是直接还原技术，这将限制可经济利用的铁资源量。

NSGI Steel 正在研究一种炼铁炉设计，该设计可用于减少运输部件并消除原材料选矿步骤，包括使用已知技术进行焦化、制粒和烧结，同时继续开发长期技术解决方案。

2.讨论

2.1 货运产生的二氧化碳排放

关于炼钢各个阶段的二氧化碳排放，有大量数据，但关于整个运输源的二氧化碳排放的数据却少得多。表 1 显示了英国一项研究中的典型货运二氧化碳排放量。

下面用一种常见的加拿大矿石来说明这一点。矿石通过铁路运到圣劳伦斯，然后通过海运运到中国，最后作为成品运回北美西海岸。假设钢铁出货基数为100万吨。任意距离，从矿山到港口的铁路距离为500公里，海路为36000公里，钢厂位于中国港口。

在这个例子中，从采矿到成品钢的总二氧化碳排放量不是通常所说的 2.5 吨/吨，而是 6 吨/吨。显然，在必须继续努力减少钢铁生产的碳足迹的同时，更应重视运输环节。请注意，此分析仅考虑铁矿石的运输，为了进行完整分析，还应包括煤炭和/或焦炭的运输。

NSGI Steel 正在致力于开发可扩展的炼铁炉，其尺寸可根据矿山或首港位置的需求进行调整。显然，铁水源越靠近产地，炼钢量就越大，区域就业带来的长期社会经济效益将为资源丰富的地区带来重大利益。

2.2炼铁炉设计

NSGI Steel 认识到，现代钢铁生产趋势一直侧重于大型设施的开发，这些设施往往更贴近市场而非资源，而且“规模经济”导致熔炉越来越大。时间和昂贵的维修等资本成本和物流问题非常巨大，因此在设计熔炉时采用了模块化方法。这样，它们就可以随时调整大小，无论是连接到矿山还是位于港口。此外，该公司决定使用自还原压块技术，该技术避免了制粒和/或烧结步骤，并减少了高温硬化产生的二氧化碳。自还原压块方法有效地减少了铁水铸造的炉料，将铁水铸造的还原过程缩短至 30 分钟。

该公司还致力于非冶金焦炭工艺，曾广泛参与过多个高炉项目，而 Tecnored Developments 选择设计一种新型炼铁炉，以最大限度地发挥新旧炉的优势。

该炉具有圆形横截面，以便耐火材料在高温下保持稳定，并且壳体设计为在温度和压力条件下保持其形状。该炉将连续铸造，因此不需要深炉膛。其典型横截面如图1所示。

2.3 NSGI炉

炼铁炉的产能可根据当地情况进行调整。现阶段，铁产量预计为50万吨/年，通过使用多个炼铁炉可以提高产能。炼铁炉设计用于接受各种燃料/还原剂。可选地，还原剂预计为固体碳，混入自还原团块中。这种碳可以是煤、石油焦或生物质，或者根据当地供应情况进行组合。该公司的研究还处于开发碳回收技术的过程中。该公司目前正在开发一种由天然气驱动的熔炉，并正在寻求扩大其电炉产品组合。对加热热风进行评估。燃料的选择将取决于当地情况。例如，魁北克球团厂主要使用重油进行固结。通过合作开发，将淘汰重油，并利用炼铁炉废气进行固结； 同样，NSGI 炉也可以使用与球团设备相同的原料以及在球团工艺过程中产生的超细粉，最终使两个设备都能更清洁、更高效地运行。除了传统的铁矿石和精矿外，还可以评估任何具有经济竞争力的铁源，包括轧机氧化皮、矿山尾矿和湿法冶金工艺产生的含 FeO 废物。

2.4 国家气候中心二氧化碳

当使用碳作为能源和还原剂时，产生的二氧化碳与高炉产生的二氧化碳非常相似，但 NSGI 的研究消除了对原材料整合的需求，从而减少了二氧化碳和其他污染物的排放，也消除了额外加工的需求。需要冶金煤，避免了炼焦过程中的污染排放。当使用生物质和/或回收焦炭时，归因于生物质的带电碳部分被视为抵消。该公司还结合了创新的碳捕获技术，该技术将二氧化碳转化为碳，然后将其回收到团块原料中，有可能使该过程完全实现碳中和。

在制定整体经济发展的协作方法时，公司认识到需要尽可能与其他工业运营部门合作。例如，在水泥生产中使用矿渣副产品将减少水泥厂的碳足迹。每使用一吨矿渣，就会减少 1 吨二氧化碳排放量。使用工艺废气作为其他工业过程的替代燃料将进一步抵消二氧化碳总排放量，因为它只能计算一次。随着再生碳的回收利用和碳捕获技术的进一步发展，不仅可以使炼铁过程脱碳，而且可能实现二氧化碳净负排放。

2.5 铁合金

由于该炉可以调整到小尺寸，该公司认为，对于某些产品而言，5-10t/h 的运行更为经济，目前的实验室测试已证明该炉可用于生产 5-10t/h 的热量。该铁炉可用于生产镍铁，该公司正在继续评估具有悠久高炉生产历史的锰铁的应用。以 10t/h 镍铁的生产能力为基础，预计总投资约为 5000 万美元。更重要的是，CO₂ 排放量明显低于印度尼西亚目前的最佳实践运营，据报道，每生产一吨镍铁会排放 35 吨 CO₂。

部分原因是电弧炉运行所需的电力完全来自煤炭。NSGI 方法的 CO₂ 排放量如表 3 所示。如果完全从生物质和炉渣计算，额外的 CO₂ 排放量实际上是如果加上碳捕获，就会得到显著的净负碳足迹。

图 2 显示了目前全球镍铁生产商的“最佳”二氧化碳排放量。生产商之间的显著差异在于与资源的距离，韩国、日本和中国的总二氧化碳排放量中包括了相当一部分运输量。请注意，排放量以吨镍为单位。

如表3所示，NSGI炉生产FeNi的碳排放量与生产Fe基本一致，以吨镍CO₂排放量计算，如果不考虑潜在碳排放量，含镍量30%的铁合金，其CO₂排放量为5.3t/t。

2.6 电池金属的回收

炼铁炉规模的进一步发展有望成为从废旧电池中回收铁、镍、锰等潜在重要元素的一种选择。目前，虽然电池回收已成为一项重要业务，但大多数回收商只能在政府补贴下运营。使用传统的分离和粉碎方法可以轻松分离钢成分和“黑粉”。“黑粉”的成分随电池性质而异。碱性电池含有锰和锌，镍镉电池正如其名称所暗示的那样。

黑色粉末与铁矿石混合，熔炉根据电池类型生产镍铁或锰铁，并将锌和铈分离到工艺废气中，然后在废气中冷凝以进一步净化和回收。

实验室测试已证实了该方法的有效性，并将进行进一步的示范测试以确定该工艺的效率和经济性。

3. 结论

1）NSGI Steel开发了一种简单、经济高效的炼铁炉，可适应多种生产能力。

2）该炉可利用多种原材料，包括其他工业过程产生的废料。

3) 通过消除原料选矿步骤（包括对冶金焦炭的需求），该过程中产生的总体二氧化碳排放量显著减少。

4）应用于铁合金生产时，该过程的CO2总排放量减少量非常可观。

5）经济地回收电池金属并将其回收用于钢铁生产是对现有回收技术的重大改进。

6) 公司需要继续评估减少炼钢过程中二氧化碳排放的所有方案，但也应认识到一种解决方案并不适合所有的操作。