鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程所產(chǎn)生的二氧化碳約占全球二氧化碳排放量的7%，其中絕大部分都是采用鐵礦石為原料的煉鐵工藝過(guò)程中所產(chǎn)生，也有一小部分是由廢鋼為原料的煉鋼過(guò)程所造成。全球范圍內(nèi)，采用廢鋼為原料的電弧爐煉鋼企業(yè)分布不均，建設(shè)電弧爐煉鋼的年份各不相同。2021年，廢鋼和直接還原鐵短流程電弧爐煉鋼比例在世界最大的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)中國(guó)僅為10.6%，德國(guó)為30.2%，歐盟為43.9%，北美為68.9%，中東為94.0%，采用短流程電弧爐煉鋼全球平均比例為28.9%，在全球減少碳足跡的背景下，這一比例預(yù)計(jì)會(huì)越來(lái)越高。
廢鋼電弧爐煉鋼能量平衡 采用廢鋼循環(huán)利用比采用鐵礦石煉鋼更加有利，但需要大量的能源消耗，生產(chǎn)每噸鋼水需要消耗750-800kWh/t能量，其中電能與化學(xué)能（由天然氣和煤產(chǎn)生）各占一半。常規(guī)電弧爐煉鋼能耗一般包括鋼水消耗50%的熱能，熔渣消耗6%的熱能，煙氣消耗22%的熱能，冷卻水升溫耗能15%，輻射和電損耗等因素占用7%熱能，從而可以發(fā)現(xiàn)，大約50%的能耗幾乎是白白浪費(fèi)。當(dāng)初，第一座豎爐電弧爐投入使用后，噸鋼耗電量降低了70kWh/t，整個(gè)工藝過(guò)程總能耗下降15%。 如今，隨著爐料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化完善以及生產(chǎn)率的提高，現(xiàn)代電弧爐的電能和化學(xué)能耗量都有大幅度降低，比如，單罐料式電弧爐。但是，能量損失和環(huán)境保護(hù)也是一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題。
豎爐的額外能量輸入 如果采用傳統(tǒng)電弧爐煉鋼工藝，不需要在電弧爐爐區(qū)附近對(duì)煙氣進(jìn)行二次燃燒和冷卻，但對(duì)豎爐電弧爐來(lái)講，就必須對(duì)煙氣進(jìn)行二次燃燒和冷卻作業(yè)。由于豎爐內(nèi)氣流速度較快，加之爐內(nèi)能量平衡，熱氣流不足以將熱能傳遞給廢鋼達(dá)到預(yù)熱目的。如果對(duì)廢鋼進(jìn)行加熱，廢鋼焓量升高，即可縮短廢鋼在豎爐內(nèi)的熔化時(shí)間，從而縮短豎爐冶煉周期，提高生產(chǎn)效率。這樣的話，進(jìn)一步降低了能量載體的煙氣可用性?？梢哉f(shuō)，采用豎爐電弧爐體現(xiàn)了凡事不可一舉兩得的道理。 在豎爐煉鋼后半程，需要高達(dá)90kWh/t的額外熱能對(duì)加熱室內(nèi)的煙氣進(jìn)行加熱，之后再通過(guò)冷卻塔對(duì)氣流進(jìn)行冷卻，內(nèi)部能量平衡可降至650kWh/t，其中包括310kWh/t的電能，電爐/豎爐/二次處理系統(tǒng)的總能量平衡高達(dá)740kWh/t。
嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)制度
對(duì)廢鋼進(jìn)行加熱時(shí)，廢鋼內(nèi)的油漆、油類、油脂、塑料制品等物質(zhì)一同燃燒。如果是常規(guī)電弧爐，當(dāng)通過(guò)打開(kāi)的爐蓋向爐內(nèi)添加廢鋼時(shí)，以及廢鋼裝進(jìn)爐內(nèi)時(shí)，即可發(fā)生這種燃燒情況，常規(guī)電弧爐中，燃燒所產(chǎn)生的有毒化合物直接散發(fā)在電弧爐周圍，不會(huì)與煙氣混合，但在豎爐冶煉過(guò)程中，這些有毒化合物以集中方式包含在煙氣之中。
在日益嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)政策下，必須采取有害化合物和細(xì)顆粒物的減排措施。目前，對(duì)可吸入顆粒物減排已經(jīng)達(dá)到歷史最佳水平，對(duì)一氧化碳、碳?xì)浠衔铮–Hx）、氮氧化物（NOx）以及二噁英類的化合物等有害化合物，同樣必須進(jìn)行環(huán)境無(wú)害化處理。
對(duì)于劇毒二噁英和呋喃的處理措施，一般有三種方式：
1）將其封裝或隔離進(jìn)活性炭環(huán)境中，吸附脫除二噁英和呋喃；
2）將其重新加熱，然后快速冷卻以便抑制其重組（二次合成）；
3）將其燃燒盡。
采用活性炭封裝成本太高，耗時(shí)費(fèi)力，危險(xiǎn)性大，并對(duì)過(guò)濾器造成超負(fù)荷運(yùn)行，因此，對(duì)于采用單體結(jié)構(gòu)的廢鋼預(yù)熱系統(tǒng)電弧爐，唯一可行的方法是防止重整（合成），采用這種方式的話，對(duì)生態(tài)環(huán)境很有好處，但經(jīng)濟(jì)成本非常高昂。最重要的是，CONSTEEL通過(guò)輸送機(jī)向各種結(jié)構(gòu)的豎爐中連續(xù)添加廢鋼，在輸送過(guò)程中，利用電弧爐排出的高溫?zé)煔鈱?duì)廢鋼進(jìn)行部分預(yù)熱，對(duì)生態(tài)環(huán)境起到很好的保護(hù)作用。但是，高達(dá)240kWh/t的化石能源燃燒，會(huì)造成大量二氧化碳排放。
廢鋼預(yù)熱新技術(shù) 瑞士一家公司通過(guò)實(shí)踐探索，采用電弧爐排出的高溫?zé)煔鈱?duì)廢鋼進(jìn)行預(yù)熱，并增加更多的氣態(tài)化學(xué)能對(duì)廢鋼進(jìn)行預(yù)熱，這一廢熱利用新技術(shù)取得了很大成功，同時(shí)減少了二氧化碳對(duì)環(huán)境的污染。實(shí)施步驟如下：1）二次燃燒CO，轉(zhuǎn)化為CO2，再用熱CO2對(duì)廢鋼進(jìn)行進(jìn)一步預(yù)熱；2）在熔化和預(yù)熱過(guò)程中采用氫能燃燒器，提高煙氣熱能使用率；3）提高電弧能產(chǎn)能，降低各項(xiàng)損耗，避免空氣滲入。 這家瑞士公司開(kāi)發(fā)的新型生態(tài)上料器（Ecofeeder）由數(shù)個(gè)雙倉(cāng)結(jié)構(gòu)的可傾斜預(yù)熱罐組成，預(yù)熱罐采用交替上料方式，意味著廢鋼和煙氣之間的交換面積大幅增加，提高了廢鋼預(yù)熱效果，所需電能低于250kWh/t，化學(xué)反應(yīng)能在320kWh/t以下。這里只需要90kWh/t化石能源，爐渣泡沫化和電極熔化提供所需碳粉，廢鋼自身反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳。 在恒定的初始廢鋼狀態(tài)下，以及在恒定的加熱爐操作條件下，電弧爐運(yùn)行效果最佳，例如，Ecoshaft（Ecofeeder系列的組成部分），其設(shè)計(jì)廢鋼密度為0.5-0.6t/m3，廢鋼收得率為90%-92%。 綜上所述，在廢鋼回收利用過(guò)程中所排放二氧化碳的化學(xué)能，可以從280kWh/t降低到90kWh/t，或者是低于總能耗的1/6。除此之外，如果使用可再生能源發(fā)電，二氧化碳排放量可以進(jìn)一步減少。 化學(xué)能的比例越來(lái)越大，增加了熱煙氣產(chǎn)出比例，這與以最佳方式使用這些氣體的需求是一致的，因此，二氧化碳含量未能降低，將含二氧化碳的熱煙氣的熱能轉(zhuǎn)化到廢鋼上，達(dá)到廢熱利用的目的，所以說(shuō)這也是Ecoshaft的優(yōu)勢(shì)，即：降低了總能耗，同時(shí)也減少了二氧化碳排放。根據(jù)電弧爐規(guī)格尺寸情況，提高化學(xué)能使用量，高達(dá)總能耗的60%，Ecofeeder系列豎爐可以實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。 采用二次冶金裝置作為“綠色”煉鋼的輔助措施，二次冶金過(guò)程使用機(jī)械泵進(jìn)行真空處理，相比于傳統(tǒng)的使用蒸汽噴射泵的技術(shù)來(lái)說(shuō)，Ecoshaft新技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，并且可以大幅度降低能源消耗。
