背景技術(shù)：

1、鋼鐵行業(yè)是主要的溫室氣體排放者，其釋放量占全球co2排放量的多達(dá)9％。由于鋼生產(chǎn)固有的能源和碳密集性，這涉及非常高溫的過(guò)程，因此鋼確實(shí)屬于難以脫碳的行業(yè)。事實(shí)上，按重量計(jì)，釋放的二氧化碳比生產(chǎn)的鋼更多，使用當(dāng)今技術(shù)生產(chǎn)的每噸鋼釋放1.89噸的co2。其主要原因是煉焦煤被用作能源和結(jié)構(gòu)支撐，占能源原料總量的74％，占全球煤炭消耗總量的15％。

2、目前有兩種主要的鋼生產(chǎn)方法，高爐-堿性氧氣轉(zhuǎn)爐(bf-bof)路線(xiàn)占產(chǎn)量的71％，天然氣基直接還原鐵隨后是電弧爐(dri-eaf)占另外的29％。bf-bof路線(xiàn)將在下面詳細(xì)討論，但通常這兩種方法都由兩部分組成。首先，鐵礦石在bf或dri中被還原為金屬鐵，然后通過(guò)降低bof或eaf中的金屬中的碳含量被轉(zhuǎn)化為鋼。

3、目前正在研究一些使鋼工業(yè)脫碳的技術(shù)。第一種選擇是關(guān)閉舊的bf-bof，并用dri-eaf替代它們。如果eaf由可再生電力供電，每年有可能節(jié)省1.5gt的co2排放量。然而，一個(gè)典型的大型dri-eaf工廠(chǎng)的建設(shè)成本在11億至17億美元之間。結(jié)合舊bf-bof工廠(chǎng)的擱淺資產(chǎn)，成本使得這種轉(zhuǎn)換在滿(mǎn)足《巴黎氣候協(xié)定》所需的短期內(nèi)經(jīng)濟(jì)上不可行。第二種選擇是增加廢料回收。鋼已經(jīng)是回收最多的材料之一，2017年的回收率為84％。在2019年，總投入中的32％是廢料。與bf-bof中的原始鐵礦石相比，廢料回收減少了90％的co2排放量并節(jié)省了70％的能源。另外，每噸再利用的廢鋼置換1400kg的鐵礦石、740kg的煤炭和120kg的石灰石。在eaf中，廢鋼在投入中的比例可達(dá)100％，而目前bf-bof的最大投入為20-25％。預(yù)計(jì)到2050年，廢料在投入中的份額可能會(huì)增加到46％，盡管這不足以使該行業(yè)單獨(dú)脫碳，但可能會(huì)大幅降低co2排放量。

4、另一種脫碳選擇是使用氫氣直接還原鐵(hdri)，然后是eaf。如果使用可再生電力為電解槽供電以制造綠色氫氣，這可以大大減少排放量。然而，這需要建造新的dri工廠(chǎng)來(lái)替代bf-bof，并且其技術(shù)成熟度等級(jí)(trl)為5-7，這意味著該技術(shù)已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，但尚未投入工業(yè)運(yùn)行。據(jù)估計(jì)，如果有足夠的低成本可再生電力，hdri需要67美元/噸co2當(dāng)量的碳價(jià)格才能以與傳統(tǒng)高爐相同的價(jià)格生產(chǎn)鋼。另外，在較低溫度下，使用氫氣還原鐵的效率低于使用一氧化碳，在co下更容易從fe2o3還原為fe3o4。相反，在較高溫度下，在氫氣下更容易將fe3o4還原為fe。建模表明，在目前的電網(wǎng)排放水平下，氫基dri可以將eu鋼行業(yè)的排放量減少35％，同時(shí)生產(chǎn)每噸鋼液需要3.72mwh。作為參考，bf-bof使用3.48mwh/t。氫氣生產(chǎn)的成本仍然高得令人望而卻步。

5、一種相關(guān)技術(shù)是可進(jìn)行碳捕獲、使用和儲(chǔ)存(ccus)的天然氣dri，其trl也為5-7。盡管已經(jīng)證明了幾種ccus方法，并且一些工業(yè)ccus設(shè)施正在運(yùn)行，但到2030年，捕獲每噸co2的成本預(yù)計(jì)為100美元，同時(shí)運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本預(yù)計(jì)為每噸160美元，到2050年成本將適度下降。鑒于鋼鐵設(shè)施的極高排放量，將需要大型ccus工廠(chǎng)，但減排量估計(jì)在20-80％之間。最后，另一種提出的解決方案是鐵礦石電解，其trl為6。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模用于鋁的制造，因此該技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)規(guī)模上得到了驗(yàn)證，盡管其溫度遠(yuǎn)低于煉鐵和煉鋼工藝。為了高效地還原鐵礦石，需要高溫以及電極和電解質(zhì)的優(yōu)化。

6、總之，鋼生產(chǎn)占全球co2排放量的9％，并且必須迅速脫碳以將升溫限制在1.5℃以?xún)?nèi)。70％的現(xiàn)有鋼鐵設(shè)施依賴(lài)于極其耗能且排放量巨大的高溫bf-bof路線(xiàn)。該行業(yè)目前的大多數(shù)脫碳方法都依賴(lài)于逐步淘汰這些bf-bof工廠(chǎng)，并實(shí)現(xiàn)eaf和dri工廠(chǎng)等低碳方法。這將是非常昂貴的。

7、適用于鋼鐵生產(chǎn)的技術(shù)也可能適用于在還原爐中使用一氧化碳作為還原劑的其他生產(chǎn)工藝。

8、因此，需要一種至少改善上述問(wèn)題的使金屬生產(chǎn)脫碳的方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于金屬生產(chǎn)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

2、還原爐，其被配置為接收金屬礦石和工藝氣體并輸出熱金屬和還原爐爐頂氣；

3、第一熱化學(xué)反應(yīng)器，其被配置為在第一模式下接收還原爐爐頂氣的至少一部分，并通過(guò)氧化熱化學(xué)化合物從還原爐爐頂氣的該部分中的二氧化碳生產(chǎn)一氧化碳，以及將所生產(chǎn)的一氧化碳的至少一部分返回到還原爐中。

4、還原爐可包括高爐或dri爐。

5、金屬可能是鐵。該系統(tǒng)可用于鐵和/或鋼生產(chǎn)。

6、第一熱化學(xué)反應(yīng)器可包括一系列子反應(yīng)器。子反應(yīng)器可以串聯(lián)操作，從而來(lái)自第一子反應(yīng)器的co2可以在后面的子反應(yīng)器(等等)中被進(jìn)一步還原。

7、該系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括氣體分離器，其被配置為：接收還原爐爐頂氣、將二氧化碳與還原爐爐頂氣的其他成分分離，并將還原爐爐頂氣的二氧化碳部分提供給第一熱化學(xué)反應(yīng)器。

8、氣體分離器可以被進(jìn)一步配置為將一氧化碳與還原爐爐頂氣的其他成分分離，以用于返回到還原爐中。

9、熱化學(xué)化合物可包含金屬氧化物、鈣鈦礦材料或雙鈣鈦礦材料，或者基本上由它們組成。熱化學(xué)化合物可包含雙鈣鈦礦鈮酸鋇鈣鐵或鈣鈦礦鈮酸鋇鎂鐵。熱化學(xué)化合物可包含ba2ca0.66nb0.34feo6或bamg0.33nb0.34fe0.33o3。

10、第一熱化學(xué)反應(yīng)器可以被配置為在第二模式下通過(guò)還原熱化學(xué)化合物來(lái)生產(chǎn)氧氣。還原熱化學(xué)化合物可包括使用來(lái)自可再生資源的綠色氫氣。

11、系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括控制器，其被配置為在第一模式和第二模式之間進(jìn)行切換或循環(huán)，在第一模式下，第一熱化學(xué)反應(yīng)器從還原爐爐頂氣接收二氧化碳并通過(guò)氧化熱化學(xué)化合物來(lái)生產(chǎn)一氧化碳，在第二模式下，第一熱化學(xué)反應(yīng)器通過(guò)還原熱化學(xué)化合物來(lái)生產(chǎn)氧氣。

12、系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括第二熱化學(xué)反應(yīng)器，其中，在第一模式下，第二熱化學(xué)反應(yīng)器通過(guò)還原熱化學(xué)化合物來(lái)生產(chǎn)氧氣，并且在第二模式下，第二熱化學(xué)反應(yīng)器從還原爐爐頂氣接收二氧化碳并通過(guò)氧化熱化學(xué)化合物來(lái)生產(chǎn)一氧化碳。系統(tǒng)可以被配置為在一個(gè)循環(huán)中操作第一和第二熱化學(xué)反應(yīng)器(在第一模式和第二模式之間循環(huán))，以用于持續(xù)供應(yīng)一氧化碳和氧氣。

13、系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括鋼爐(可包括堿性氧氣轉(zhuǎn)爐或電弧爐)，該鋼爐被配置為從還原爐接收熱金屬并從第一熱化學(xué)反應(yīng)器和/或第二熱化學(xué)反應(yīng)器接收氧氣，并輸出鋼水和鋼爐氣體。

14、氣體分離器可以被配置為從還原爐爐頂氣中分離氮?dú)獠⒌獨(dú)馓峁┙o第一熱化學(xué)反應(yīng)器和/或第二熱化學(xué)反應(yīng)器，以用于還原熱化學(xué)化合物。

15、氣體分離器可以被配置為從堿性氧氣轉(zhuǎn)爐氣體中分離一氧化碳，以用于返回到還原爐中。

16、系統(tǒng)可包括第一熱化學(xué)反應(yīng)器氣體分離器，其被配置為在第一模式下從第一熱化學(xué)反應(yīng)器接收輸出氣體，并從輸出氣體中分離一氧化碳。系統(tǒng)可包括第二熱化學(xué)反應(yīng)器氣體分離器，其被配置為在第二模式下從來(lái)自第一熱化學(xué)反應(yīng)器的輸出氣體中分離氧氣。第一熱化學(xué)反應(yīng)器氣體分離器可以被配置為在第二模式下從第二熱化學(xué)反應(yīng)器接收輸出氣體，并從輸出氣體中分離一氧化碳。第二熱化學(xué)反應(yīng)器氣體分離器可以被配置為在第一模式下從第二熱化學(xué)反應(yīng)器接收輸出氣體。

17、系統(tǒng)可包括再生式熱交換器，其被配置為從還原爐爐頂氣和/或從鋼爐氣體中提取熱量。再生式熱交換器可以被配置為將熱量提供給工藝氣體和/或第一熱化學(xué)反應(yīng)器和/或第二熱化學(xué)反應(yīng)器。

18、系統(tǒng)可包括加熱器(例如，由可再生能源或其他零碳、低碳能源供電)，其被配置為將熱量提供給第一熱化學(xué)反應(yīng)器和/或第二熱化學(xué)反應(yīng)器。

19、系統(tǒng)可包括熱交換器，該熱交換器用于從還原工藝氣體中或從用還原工藝氣體生產(chǎn)的氧氣中去除熱量，并且將熱量提供給以下中的至少一者：第一和第二熱化學(xué)反應(yīng)器、co儲(chǔ)罐或工藝氣體。

20、第一熱化學(xué)反應(yīng)器和第二熱化學(xué)反應(yīng)器可以被共同配置為提供用于在還原爐中將金屬礦石還原成熱金屬的一氧化碳中的至少50％(或至少30％、或至少70％或至少80％)。

21、系統(tǒng)可包括還原爐電加熱器，其被配置為使用電力加熱引入還原爐的工藝氣體和/或金屬礦石。所述電力可能源自碳中性源。

22、根據(jù)第二方面，提供了生產(chǎn)金屬的方法，包括：

23、通過(guò)使一氧化碳與金屬氧化物反應(yīng)，在還原爐中還原金屬礦石以生產(chǎn)熱金屬，從而生產(chǎn)二氧化碳；

24、將從還原爐生產(chǎn)的二氧化碳中的至少一些提供給第一熱化學(xué)反應(yīng)器，并通過(guò)氧化熱化學(xué)化合物從一氧化碳生產(chǎn)一氧化碳；

25、將所生產(chǎn)的一氧化碳中的至少一部分返回到還原爐中。

26、還原爐可能是高爐或dri爐。

27、金屬礦石可包括鐵礦石或基本上由鐵礦石組成。金屬氧化物可包括鐵氧化物或基本上由鐵氧化物組成。熱金屬可能是鐵。

28、通過(guò)從還原爐生產(chǎn)的還原爐爐頂氣中分離二氧化碳，可以獲得提供給第一熱化學(xué)反應(yīng)器的來(lái)自還原爐的二氧化碳。

29、該方法可以進(jìn)一步包括從還原爐爐頂氣中分離一氧化碳并將一氧化碳返回到還原爐中。

30、熱化學(xué)化合物可包含鈣鈦礦或雙鈣鈦礦，或者基本上由它們組成。熱化學(xué)化合物可包含雙鈣鈦礦鐵酸鋇鈮，或者基本上由其組成。熱化學(xué)化合物可包含ba2ca0.66nb0.34feo6。

31、方法可包括通過(guò)在第一熱化學(xué)反應(yīng)器中還原熱化學(xué)化合物來(lái)生產(chǎn)氧氣。

32、方法可以進(jìn)一步包括在第一模式和第二模式之間進(jìn)行切換或循環(huán)，在第一模式下，第一熱化學(xué)反應(yīng)器從還原爐爐頂氣接收二氧化碳并通過(guò)氧化熱化學(xué)化合物來(lái)生產(chǎn)一氧化碳，在第二模式下，第一熱化學(xué)反應(yīng)器通過(guò)還原熱化學(xué)化合物來(lái)生產(chǎn)氧氣。

33、在第一模式下，第二熱化學(xué)反應(yīng)器可以通過(guò)還原熱化學(xué)化合物來(lái)生產(chǎn)氧氣，并且在第二模式下，第二熱化學(xué)反應(yīng)器可以從還原爐爐頂氣接收二氧化碳并通過(guò)氧化熱化學(xué)化合物來(lái)生產(chǎn)一氧化碳。

34、方法可包括在鋼爐(例如，堿性氧氣轉(zhuǎn)爐或電弧爐)處從熱化學(xué)反應(yīng)器接收熱金屬和氧氣，并從鋼爐輸出鋼水和鋼爐氣體。

35、方法可包括從還原爐爐頂氣中分離氮?dú)獠⒌獨(dú)馓峁┙o熱化學(xué)反應(yīng)器，以用于還原熱化學(xué)化合物。

36、方法可包括在第一模式下從來(lái)自第一熱化學(xué)反應(yīng)器的輸出氣體中分離一氧化碳，并在第二模式下從輸出氣體中分離氧氣。

37、方法可包括使用第一熱化學(xué)反應(yīng)器和第二熱化學(xué)反應(yīng)器提供用于在還原爐中將金屬礦石還原成熱金屬的一氧化碳中的至少50％(或至少30％、或至少70％或至少80％)。

38、方法可以進(jìn)一步包括使用電力加熱引入還原爐的工藝氣體和/或金屬礦石。

39、方法可包括通過(guò)用從輸出氣體(輸出氣體可包括還原爐生產(chǎn)的二氧化碳和來(lái)自bof或eaf等鋼爐的煙氣)獲得的氣相一氧化碳替代用作還原爐的輸入的焦炭，還原與還原爐相關(guān)聯(lián)的至少50％的co2排放物。在一些實(shí)施例中，可以減少至少20％或至少75％的co2排放量。

40、根據(jù)第三方面，提供了使用于生產(chǎn)金屬的系統(tǒng)脫碳的方法，包括將熱化學(xué)反應(yīng)器添加到包括還原爐的系統(tǒng)，該熱化學(xué)反應(yīng)器被配置為：通過(guò)使熱化學(xué)化合物與從還原爐爐頂氣獲得的二氧化碳反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)一氧化碳，并將生產(chǎn)的一氧化碳中的至少一部分提供給還原爐以用于還原鐵氧化物。

41、還原爐可能是高爐或dri爐。

42、方法可包括添加氣體分離器。方法可包括添加參考第一方面提及的任何元件，包括其任選特征。

43、每個(gè)方面的特征可以與任何其他方面的特征相結(jié)合。任何方面的任選特征都可以與任何其他方面的特征相結(jié)合。系統(tǒng)被配置為執(zhí)行的動(dòng)作可以包括根據(jù)實(shí)施例的方法中的步驟。