一、引言 高爐-轉(zhuǎn)爐（BF-BOF）長流程工藝由于嚴(yán)重依賴碳作為鐵礦石還原和熱能的來源，排放了大量二氧化碳，因此使用氫作為還原劑有望從根本上解決鋼鐵生產(chǎn)中的碳排放問題。在氫利用技術(shù)中，相對成熟的技術(shù)就是利用氫氣生產(chǎn)直接還原鐵（DRI），然后在電弧爐（EAF）中煉鋼。氫基直接還原鐵生產(chǎn)設(shè)施（MIDREX、ENERGIRON等）的商業(yè)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，氫還原中試規(guī)模測試，以及在世界各地大規(guī)模實(shí)施的電弧爐項(xiàng)目，為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了潛在的可持續(xù)性。隨著制氫和電弧爐開始利用綠色能源，無疑將有助于更大程度的碳減排。 為了讓氫基直接還原鐵/電弧爐（使用零碳電力）工藝逐步取代傳統(tǒng)的碳密集型長流程煉鋼工藝，迫切需要采用脫碳技術(shù)，盡管這類可持續(xù)煉鋼技術(shù)的前景廣闊，但也需要應(yīng)對一系列的挑戰(zhàn)（圖1）。
二、球團(tuán)礦供應(yīng)面臨的挑戰(zhàn)——原料質(zhì)量 在直接還原鐵生產(chǎn)中，豎爐的還原是通過固體和氣體之間的逆反應(yīng)進(jìn)行的，而堆放在豎爐內(nèi)的鐵礦石向下移動，還原氣體向上運(yùn)動。由于鐵礦石的透氣性和流動性很重要，故而主要使用球團(tuán)礦原料。不同于普通高爐球團(tuán)，直接還原球團(tuán)生產(chǎn)所用的原料對鐵品位要求較高（66%或更高），而對脈石含量要求較低。而對于高爐球團(tuán)用原料，鐵品位為65%或更低。另外，當(dāng)鐵品位降低，脈石增加時(shí)候可能會造成電弧爐的運(yùn)行問題，這些問題包括因爐渣量增加造成更大的電耗和耐材損耗，以及因爐渣中形成FeO而導(dǎo)致鐵損增加。此外，在電弧爐煉鋼中，由于雜質(zhì)元素的精煉能力較差，與長流程煉鋼相比，原料中的P和S含量受到嚴(yán)格限制。 為了擴(kuò)大應(yīng)用氫基直接還原鐵/電弧爐技術(shù)，確保獲得大量的直接還原球團(tuán)是必要的，但礦業(yè)公司有限的產(chǎn)量可能會導(dǎo)致原料供應(yīng)困難。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，盡管直接還原鐵產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，但2019年僅有少數(shù)礦業(yè)公司生產(chǎn)出總計(jì)1.28億噸高品質(zhì)直接還原球團(tuán)。因此，預(yù)計(jì)2050年將出現(xiàn)嚴(yán)重的直接還原球團(tuán)供應(yīng)短缺問題，屆時(shí)直接還原球團(tuán)的潛在需求將達(dá)到2.9億噸，高爐球團(tuán)的潛在需求將為3.05億噸。通過提升采礦作業(yè)的浮選能力可以改善球團(tuán)原料質(zhì)量，增加直接還原球團(tuán)的供應(yīng)，但可能會增加成本。隨著直接還原球團(tuán)的需求增加，這也引發(fā)了對原料價(jià)格上漲的擔(dān)憂。為了使目前原料的使用多元化，業(yè)內(nèi)正在開發(fā)一系列技術(shù)，其技術(shù)要點(diǎn)是：流化床還原法生產(chǎn)氫基直接還原鐵，這種方法直接利用鐵粉礦而不需要球團(tuán)礦生產(chǎn)，同時(shí)使用較低品位的鐵礦石作為生產(chǎn)直接還原鐵的原料。因此，氫基直接還原鐵/電弧爐技術(shù)在替代現(xiàn)有工藝進(jìn)行推廣的過程中，確保原料多元化的技術(shù)還有待突破。 三、氫還原面臨的挑戰(zhàn)——金屬化程度 除上述原料質(zhì)量問題引起的直接還原鐵金屬化程度降低以外，氫還原的固有反應(yīng)特性也可能使直接還原鐵的金屬化程度受到限制。韓國學(xué)者觀察了在特定溫度范圍內(nèi)還原產(chǎn)生的鐵的形態(tài)特征。在氫還原的最后階段，擴(kuò)散阻力顯著降低了還原速率，阻止了完全金屬化。這一現(xiàn)象降低了氫還原的最終金屬化程度，還增加了電弧爐的電耗。值得一提的是，對于無碳電弧爐操作，很難進(jìn)一步還原剩余的鐵氧化物，導(dǎo)致鐵分以FeO的形式殘留在爐渣中。最后，直接還原鐵金屬化程度很可能成為限制技術(shù)競爭力的關(guān)鍵因素，因?yàn)樗龃罅穗娀t的能耗，從而降低生產(chǎn)率。因此，為了成功應(yīng)用氫基直接還原鐵/電弧爐（零碳電力）工藝路線，需要開發(fā)一種全新技術(shù)，以消除那些阻礙鐵礦完全還原的不利因素。 四、電弧爐煉鋼面臨的挑戰(zhàn)——熔煉和能耗 對于氫還原工藝，無碳化提高了電弧爐熔煉溫度（4.3%C-Fe：1403K/純鐵：1811K），由于其脈石含量高于廢鋼，這種原料并不利于電弧爐熔煉。此外，如果大量的直接還原鐵被投入電弧爐，很可能會形成未熔化的固體團(tuán)簇，即所謂的“鐵堆”，從而延遲熔化，有可能因延長運(yùn)行時(shí)間而降低生產(chǎn)率。因此，為了讓氫基直接還原鐵/電弧爐技術(shù)取代傳統(tǒng)長流程工藝，關(guān)鍵是開發(fā)一種大批量直接還原鐵的快速熔煉技術(shù)，同時(shí)開發(fā)一種增大熔體攪拌和最大限度地提高電力能效的技術(shù)。 五、電弧爐煉鋼面臨的挑戰(zhàn)——精煉能力和產(chǎn)品牌號 大多數(shù)高端產(chǎn)品，包括汽車外板和無取向電工鋼，都是通過長流程煉鋼工藝生產(chǎn)的。通過電弧爐路線生產(chǎn)的產(chǎn)品通常僅限于低牌號產(chǎn)品，主要原因是從廢鋼帶入的雜質(zhì)元素會限制精煉能力，而且與轉(zhuǎn)爐相比，電弧爐中的流體流動也受到限制。在使用直接還原鐵而不是廢鋼的電弧爐中，可以通過減少雜質(zhì)元素來生產(chǎn)高端產(chǎn)品。例如，在生產(chǎn)部分高品質(zhì)汽車用鋼牌號時(shí)，美國紐柯公司等電弧爐鋼鐵制造商用直接還原鐵替代部分廢鋼作為鐵源，從而稀釋由廢鋼帶入的雜質(zhì)元素。 在煉鋼和精煉過程中，在鋼包冶金爐（LMF）中的后續(xù)處理可以通過渣處理和真空脫氣來去除一些主要的雜質(zhì)元素，但為了生產(chǎn)上述高端產(chǎn)品，需要嚴(yán)格控制從原料引入的雜質(zhì)水平。另外，高端產(chǎn)品的生產(chǎn)也需要控制氮含量，由于氫基直接還原鐵不含碳，氮的溶解度可能會增加。因此，為了解決由低質(zhì)量原料引入P和S，在電弧爐轉(zhuǎn)爐煉鋼中，有必要提高雜質(zhì)元素的精煉能力。如果不能克服這一點(diǎn)，新工藝在高端產(chǎn)品生產(chǎn)能力方面可能會受到一定限制。 六、下游面臨的能源挑戰(zhàn)——煤炭衍生能源的缺乏 對于目前以煤為主要燃料的長流程煉鋼工藝路線，在煤煉焦過程中產(chǎn)生的大量焦?fàn)t煤氣（COG）主要用作加熱爐燃料，高爐產(chǎn)生的高爐煤氣可以用于發(fā)電，通常每生產(chǎn)1噸生鐵可產(chǎn)生約150-160Nm3的COG。不過，如果改用氫基直接還原鐵/電弧爐工藝路線，由于缺乏包括COG在內(nèi)的煤炭衍生能源，將需要向現(xiàn)場加熱爐（包括下游加熱爐和發(fā)電設(shè)施）投入額外的外部能源。用氫氣取代煤炭作為還原劑，可以反映出二氧化碳減排的積極效果，不過，在沒有煤衍生能源的情況下，有必要考慮鋼廠下游工序和發(fā)電所需的額外外部能源投入。下游成型和軋制工序所需的無碳能源不僅是綜合鋼廠的問題，也會影響到短流程鋼廠。 七、一般性問題 在北歐地區(qū)，以HYBRIT項(xiàng)目為代表的、氫基直接還原鐵/電弧爐技術(shù)的開發(fā)正在順利進(jìn)行，大多數(shù)項(xiàng)目都在100萬噸規(guī)模以上，因此，預(yù)計(jì)在未來可以很容易將相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。不過，在亞洲和經(jīng)合組織國家，鋼鐵生產(chǎn)大多采用長流程煉鋼工藝路線，而且集中了全球大部分產(chǎn)能，不僅設(shè)施規(guī)模巨大，設(shè)施轉(zhuǎn)型的難度相對復(fù)雜，而且可能會導(dǎo)致產(chǎn)量和工業(yè)競爭力下降。此外，需要確保大規(guī)模的商業(yè)氫氣供應(yīng)，必須通過經(jīng)濟(jì)和去碳化的途徑提供制氫和電弧爐運(yùn)行所需的能源。對于HYBRIT項(xiàng)目而言，如果使其取代長流程工藝路線進(jìn)行煉鋼，噸鋼二氧化碳排放量將降至25kg的水平，與此同時(shí)，也涉及噸鋼約3488kWh的電力消耗。 如果采用當(dāng)前發(fā)電的二氧化碳排放系數(shù)0.5kg/kWh，則相當(dāng)于1769kg/t粗鋼的二氧化碳排放量（二氧化碳排放系數(shù)可能取決于發(fā)電來源和發(fā)電量的差異）。因此，如果未來不能保證電力的脫碳，與傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)工藝相比，二氧化碳革命性減排的潛力就變得不確定了。由于氫能和電能的脫碳以及這種能源的工業(yè)規(guī)模供應(yīng)不僅限于鋼鐵行業(yè)，還必須在其他方面同時(shí)做出努力，主要包括社會基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、相關(guān)產(chǎn)業(yè)之間的聯(lián)動和政策制定 最后，可以推測在直接還原鐵/電弧爐路線之外引入一條潛在的工藝路線的可能性。在最近的一項(xiàng)研究中，有學(xué)者提出了DRI-OSBF（開式渣浴爐）-轉(zhuǎn)爐工藝路線。OSBF是一種類似于SAF（礦熱爐）的熔煉爐，在這種熔煉爐中，可以在后續(xù)熔煉過程中使用額外的碳還原劑對未還原的礦石進(jìn)行額外還原。因此，未還原的直接還原鐵中的氧化鐵可以進(jìn)一步還原。不過，OSBF的利用通常僅限于小規(guī)模的有色金屬生產(chǎn)，在大規(guī)模的黑色金屬生產(chǎn)上還需進(jìn)行大量驗(yàn)證。
