高爐煤氣循環(huán)耦合富氫對中國煉鐵低碳發(fā)展的意義
王廣，王靜松，左海濱，薛慶國
(北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室， 北京 100083)
摘要： 中國鋼鐵工業(yè)規(guī)模巨大，主要由高爐-轉(zhuǎn)爐長流程生產(chǎn)，其能源結(jié)構(gòu)中90%為煤炭，是國家兌現(xiàn)2030年降低碳排放強(qiáng)度承諾的主戰(zhàn)場之一?；诋?dāng)前低碳煉鐵技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展、中國面臨的碳減排任務(wù)、中國鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)模式、中國鋼鐵工業(yè)碳排放現(xiàn)狀等基本事實，提出了以高爐為主體、以爐頂煤氣循環(huán)耦合富氫還原為技術(shù)特征的鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展的可行路徑，分析了該工藝研發(fā)所面臨的關(guān)鍵問題，以期引起鋼鐵行業(yè)的重視，為中國鋼鐵工業(yè)進(jìn)一步深度降低碳排放提供參考。
關(guān)鍵詞：鋼鐵工業(yè)；低碳發(fā)展；高爐煉鐵；爐頂煤氣循環(huán)；富氫還原
人類活動，特別是以化石能源大規(guī)模利用為主的能源活動，造成大氣中CO2溫室氣體濃度快速上升，是導(dǎo)致氣候變暖的主要原因。根據(jù)2014年的公開數(shù)據(jù)，世界CO2排放量為324億t，其中中國CO2排放量占28.2%，居世界第一位。作為高碳排放強(qiáng)度的鋼鐵行業(yè)(約占全球碳排放的5%~6%)積極應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，歐盟于2004年啟動了Ultra-Low CO2 Steelmaking(ULCOS)計劃，目標(biāo)是實現(xiàn)CO2減排50%；日本于2008年啟動了CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking Process by Innovative Technology for Cool Earth 50(COURSE50)計劃，目標(biāo)是實現(xiàn)CO2減排30%。鋼鐵工業(yè)是支撐中國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)之一，2018年中國粗鋼產(chǎn)量約為全球的51.8%，達(dá)到9.28億t，其中約90%由高爐-轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)。以煤炭(占比超過90%)為主的能源結(jié)構(gòu)，使其成為碳消耗和污染物排放大戶，因此，鋼鐵行業(yè)成為中國兌現(xiàn)降低碳排放強(qiáng)度承諾的主戰(zhàn)場之一。2018年啟動的全國碳排放交易體系將覆蓋鋼鐵行業(yè)，此外部分地區(qū)為強(qiáng)化CO2排放控制，從源頭入手，開始縮減鋼鐵企業(yè)用煤量的配額(如長三角地區(qū))。煤炭用量及CO2排放限制將成為鋼鐵企業(yè)生存和發(fā)展所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，無論是對國家CO2減排戰(zhàn)略的支撐，還是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的自身需求，低碳化勢必成為中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展的必由之路。本文立足中國鋼鐵工業(yè)的實際，提出了適合中國國情的低碳煉鐵技術(shù)路線，并進(jìn)行相關(guān)探討，為中國鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。
目前，中國粗鋼約90%由高爐-轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)。盡管隨著廢鋼回收量的增加(預(yù)計2020年達(dá)2.0億t/a),電爐鋼的比例會逐漸提高，但考慮到中國現(xiàn)有的鋼鐵生產(chǎn)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)競爭性以及廢鋼供應(yīng)量等多種綜合因素，在未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)，高爐煉鐵產(chǎn)量雖會下降，但仍將保持其巨大的生產(chǎn)規(guī)模，因此，高爐-轉(zhuǎn)爐流程仍將占據(jù)主流。近年來,中國鋼鐵行業(yè)高度重視節(jié)能減排，開發(fā)并推廣應(yīng)用了如干熄焦、燒結(jié)余熱回收、高爐爐頂煤氣余壓發(fā)電、轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵、轉(zhuǎn)爐低壓飽和蒸汽發(fā)電等節(jié)能減排技術(shù)，有些已達(dá)到國際先進(jìn)水平，噸鋼綜合能耗從2005年的760降低至2017年的567 kg，降低了25.4%，成績顯著。但是，中國鋼鐵產(chǎn)量巨大，2015年鋼鐵行業(yè)CO2排放量為17.05億t，占全國CO2排放總量的15.4%，遠(yuǎn)高于國際平均水平，仍是中國碳減排的重點行業(yè)之一。中國鋼鐵工業(yè)CO2排放高的主要原因是中國以高爐-轉(zhuǎn)爐流程為主的鋼鐵生產(chǎn)模式，且煉鐵工序能源消耗大，同時，中國的能源結(jié)構(gòu)以煤為主。鐵前工序(包括燒結(jié)、球團(tuán)、焦化、高爐)的能耗占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的90%，其CO2排放占噸鋼總排放的95%。依靠現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)進(jìn)一步大幅節(jié)能降碳的潛力已十分有限，特別是2015年以來中國噸鋼綜合能耗的年度降低值已很小。對于能耗占比較大的鐵前工序，難以進(jìn)一步降低的原因概述如下。(1)流程長，必須使用塊狀的焦炭、燒結(jié)礦和球團(tuán)礦。高爐煉鐵流程包括燒結(jié)、球團(tuán)、焦化和高爐冶煉工序，燒結(jié)、球團(tuán)和焦化為原料預(yù)處理工序，礦、煤等物料在上述過程中被反復(fù)運輸、加工、加熱和冷卻。燒結(jié)、球團(tuán)和焦化的能耗約占噸鐵能耗的20%，且在提高原料的理化性能后，這3個工序的耗能未得到充分回收和利用，即使回收，回收效率和回收能源的品質(zhì)也較低。(2)低品質(zhì)煤氣化學(xué)能耗散。高爐煉鐵流程會產(chǎn)生大量的高爐煤氣(約為1 800 m3/t HM)，受鐵氧化物還原熱力學(xué)平衡和爐身上部物理熱不足的限制，高爐煤氣CO利用率一般為50%，煤氣中尚有20%左右的CO，其帶走的化學(xué)能約占噸鐵總能耗(實際轉(zhuǎn)化的煤、焦總能量)的35%。雖然高爐煤氣可以用作后續(xù)工序加熱或燒熱風(fēng)爐用的燃料，但這是不得已的選擇，是環(huán)保、節(jié)能和成本的要求，傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝本身是無法避免含CO低質(zhì)煤氣產(chǎn)生的，應(yīng)該考慮的是如何將這部分CO再次用于爐內(nèi)還原。高爐主要以焦炭和煤粉為能源，且焦炭用量是煤粉的2倍左右，也就是說高爐煤氣中大部分未被利用的CO來自于寶貴的焦炭，這是極不劃算的。(3)鐵水滲碳和少量元素還原不可避免。含鐵爐料在高爐內(nèi)自上而下逐漸加熱、還原，還原后形成固態(tài)海綿鐵，遇CO氣體可發(fā)生析碳反應(yīng)，碳滲入海綿鐵中。海綿鐵滲碳后熔點降低，液態(tài)鐵水與固態(tài)焦炭接觸時可進(jìn)一步直達(dá)某一溫度下的飽和狀態(tài)，溫度越高，滲碳速率越快。由于鐵水滴落過程及爐缸內(nèi)鐵水與焦炭間的充分接觸，鐵水滲碳幾乎無法調(diào)節(jié)，現(xiàn)代高爐條件下高爐鐵水的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%～5.4%。此外，成渣后渣中SiO2、MnO與焦炭或碳飽和鐵水接觸后會發(fā)生還原，最終使得10%左右的SiO2、50%左右的MnO被還原進(jìn)入鐵水。這部分碳量約占高爐入爐總碳量(焦炭+煤粉)的10%，且消耗的基本是寶貴的焦炭。高爐低碳化是規(guī)?；瘜崿F(xiàn)中國鋼鐵工業(yè)低碳的首要路徑
理論上低碳技術(shù)可分為如下4類：一是節(jié)能減排技術(shù)，如反應(yīng)過程強(qiáng)化、余熱回收、多行業(yè)聯(lián)產(chǎn)節(jié)能等；二是開發(fā)和應(yīng)用可再生能源或無碳能源，如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能、核能等；三是CO2捕集儲存技術(shù)(CCS)，首先將CO2從煙氣中分離出來，將其進(jìn)行壓縮并存儲在地質(zhì)構(gòu)造中；四是CO2捕集利用技術(shù)(CCU)，如氯化鎂礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鹽酸和碳酸鎂、磷石膏礦化CO2聯(lián)產(chǎn)硫基復(fù)合肥等技術(shù)。從國際鋼鐵生產(chǎn)實踐和技術(shù)發(fā)展趨勢來看，必須開發(fā)新的技術(shù)以滿足鋼鐵工業(yè)低碳化的需求。長流程鋼鐵生產(chǎn)總能耗的70%在高爐工序，且主要由煤炭提供，因此，低碳化的主要任務(wù)在高爐煉鐵。但是，現(xiàn)有高爐煉鐵技術(shù)已經(jīng)十分成熟，減碳潛力已迫近極限，繼續(xù)大幅降碳唯有尋求新的技術(shù)突破，低碳煉鐵創(chuàng)新從技術(shù)傳承上可分為兩種路線。(1)開發(fā)新型反應(yīng)器。主要有“粉礦、粉煤直接煉鐵”、“氫還原煉鐵”、“電解煉鐵”等?！胺鄣V、粉煤直接煉鐵”相關(guān)技術(shù)中的Finex技術(shù)實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，但是在過程能量利用率和工藝及設(shè)備條件等方面付出了額外代價，尤其是在能量利用效率方面很難與高爐競爭，且不具備明顯的減碳優(yōu)勢?！皻錃庳Q爐”技術(shù)基本成熟，如Energiron/Midrex，但因中國缺少天然氣，此工藝發(fā)展空間和前景有限?！半娊鉄掕F”技術(shù)理論上可以實現(xiàn)噸鐵能耗310 kg標(biāo)煤，但是離實際應(yīng)用相距甚遠(yuǎn)。(2)基于現(xiàn)有高爐反應(yīng)器。高爐煉鐵工藝技術(shù)成熟、生產(chǎn)能力大、熱效率高(達(dá)95%)，未來幾十年沒有哪個工藝可以替代高爐支撐中國對鋼鐵材料的龐大需求，高爐仍將是中國鋼鐵生產(chǎn)過程中煉鐵的主流裝備，因此，助力實現(xiàn)2030年碳排放強(qiáng)度降低60%的目標(biāo)也必須基于現(xiàn)有高爐。從高爐煉鐵的基本原理出發(fā)，基于高爐的低碳煉鐵設(shè)想主要有“爐頂煤氣循環(huán)高爐”、“富氫介質(zhì)噴吹高爐”以及“高反應(yīng)性/還原性高爐爐料應(yīng)用”等，目前急需突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸以推動高爐低碳化應(yīng)用。
高爐低碳煉鐵關(guān)鍵技術(shù)——爐頂煤氣循環(huán)及富氫
目前傳統(tǒng)高爐冶煉燃料比先進(jìn)指標(biāo)約為500 kg/t，從高爐冶煉1 t生鐵的能量支出來看，爐料還原、渣鐵加熱、爐頂煤氣物理熱以及熱損失的熱消耗約為10 GJ，先進(jìn)高爐的熱效率已達(dá)到95%以上。因此，降低熱消耗的可能性已很小。國內(nèi)指標(biāo)較好的高爐爐身效率可達(dá)到95%左右，進(jìn)一步提高煤氣利用率的潛力已很有限，但此時副產(chǎn)煤氣仍具有約4.6 GJ的化學(xué)能。將該煤氣脫除CO2后返回高爐使用是一種高效利用其化學(xué)能的途徑，可以作為未來高爐低碳煉鐵的重要技術(shù)組成單元，實現(xiàn)從源頭減碳。脫除的CO2還可用于地質(zhì)存儲或資源化利用，從而實現(xiàn)較大幅度碳減排。降低高爐碳耗的另一個技術(shù)途徑是尋求新的還原劑替代碳的還原作用。氫作為還原劑其還原產(chǎn)物無污染，是碳的理想替代物。焦?fàn)t煤氣和天然氣是現(xiàn)階段氫的主要來源，隨著電解等制氫技術(shù)的進(jìn)步，氫的來源會進(jìn)一步拓寬。寶武集團(tuán)與中核集團(tuán)、清華大學(xué)簽訂了《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，將核能技術(shù)與先進(jìn)制氫工藝耦合進(jìn)行氫的大規(guī)模生產(chǎn)。未來高爐規(guī)?；脷鋪碓吹南拗茖恢饾u突破，而提高氫碳置換比將成為高爐減碳的技術(shù)瓶頸，是需要重點研究的課題。徐匡迪院士指出“中國鋼鐵業(yè)急需及早制定CO2減排路線圖，并進(jìn)行相關(guān)的低碳煉鐵技術(shù)研究，在鋼鐵工業(yè)設(shè)備達(dá)到服役期(2020—2030年)時，首先考慮高爐爐頂煤氣循環(huán)以及高爐噴吹焦?fàn)t煤氣，從而降低碳排放”。因此，綜合考慮各方因素，筆者認(rèn)為“爐頂煤氣循環(huán)”和“富氫”耦合的高爐煉鐵技術(shù)是最具有可行性且效果明顯的低碳煉鐵技術(shù)路徑，急需開展相關(guān)基礎(chǔ)研究和工業(yè)化探索，突破爐頂煤氣循環(huán)耦合氫氣還原的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，促進(jìn)高爐煉鐵顯著低碳化的進(jìn)程。高爐爐頂煤氣循環(huán)耦合富氫還原煉鐵需解決的關(guān)鍵問題
有關(guān)高爐爐頂煤氣循環(huán)耦合富氫還原煉鐵的技術(shù)，涉及到幾個主要問題：碳質(zhì)還原劑與氫氣還原的耦合競爭機(jī)制、過程中化學(xué)平衡與熱平衡的矛盾統(tǒng)一關(guān)系、氣體利用率與爐頂煤氣循環(huán)的協(xié)調(diào)關(guān)系、高爐對物料性態(tài)變化引起的料柱結(jié)構(gòu)改變的適應(yīng)問題。從生產(chǎn)角度看，爐頂煤氣循環(huán)耦合富氫低碳煉鐵技術(shù)的關(guān)鍵問題是如何在保證煤氣一次利用率的前提下提高氫碳置換比。CO與H2還原不同鐵氧化物的難易及熱效應(yīng)不同，因此，需要合理的還原劑組成與溫度制度匹配來實現(xiàn)高的氫碳置換比，操作層面上則主要體現(xiàn)在爐缸熱質(zhì)生成調(diào)控與循環(huán)煤氣以及富氫煤氣的噴吹制度上。4.1高爐爐頂煤氣循環(huán)
1970年德國的Wenzel和Gudenau教授提出了氧氣高爐概念，并申請了第一個氧氣高爐流程專利。該工藝既能提高生產(chǎn)效率，又能外供高熱值煤氣，還為CO2分離捕集進(jìn)一步實現(xiàn)碳減排提供了可能，但是該工藝并沒有實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。主要原因是，隨著富氧率和煤粉噴吹量的增加，鼓風(fēng)量和鼓風(fēng)帶入的物理熱減少，使得爐身爐料加熱不足，嚴(yán)重影響礦石的還原進(jìn)程，使煤焦置換比下降，燃料比大幅升高。為解決上述問題，學(xué)者們提出了多種流程設(shè)想，理論計算表明：向爐缸和爐身循環(huán)噴吹脫除了CO2并加熱后的爐頂煤氣可實現(xiàn)燃料比明顯降低。2007年ULCOS項目在瑞典LKAB公司的9 m3試驗高爐上進(jìn)行了連續(xù)7周的爐缸和爐身噴吹循環(huán)煤氣的試驗研究。試驗高爐采用爐缸和爐身下部兩排風(fēng)口，爐缸風(fēng)口循環(huán)煤氣量為550 m3/t(1 250 ℃)、爐身下部風(fēng)口循環(huán)煤氣量約為550 m3/t(1 000 ℃)條件下，保持噴煤比為170 kg/t不變，焦比由400~405降至260~265 kg/t，碳耗降低24%。日本COURSE50低碳煉鐵技術(shù)項目采用了一種完全不同的煤氣噴吹及爐頂煤氣循環(huán)工藝，2015年在新日鐵住金公司君津廠建設(shè)了一座容積為12 m3的試驗高爐，其具有3種類型的風(fēng)口——爐缸風(fēng)口、爐身下部風(fēng)口和爐身上部風(fēng)口。爐缸風(fēng)口和爐身下部風(fēng)口噴入焦?fàn)t煤氣或經(jīng)過改質(zhì)的焦?fàn)t煤氣，爐身上部風(fēng)口噴入經(jīng)過部分自燃升溫的爐頂煤氣以調(diào)控爐料溫度，從而調(diào)控爐料的還原速率。據(jù)稱，該工藝試驗獲得了成功，達(dá)到了預(yù)期目的，但具體的技術(shù)細(xì)節(jié)未公開發(fā)表。可見，采用煤氣(爐頂循環(huán)煤氣或焦?fàn)t煤氣)噴吹后，爐內(nèi)的還原勢提高，爐內(nèi)的還原氣組分、熱質(zhì)生成及匹配方式也發(fā)生變化，從而礦石的冶煉進(jìn)程也就不同。礦石還原與供熱制度的匹配可有多種工藝模式，想要實現(xiàn)鐵礦石的低碳冶煉，關(guān)鍵需要探究最合理的爐內(nèi)還原氣體組成及分布和熱量供給之間的匹配模式，以達(dá)到氣體還原劑的極限利用，從而獲得最低碳消耗。4.2高爐富氫還原
H2黏度低、密度小、導(dǎo)熱性好(導(dǎo)熱能力比其他氣體強(qiáng)7～10倍)，因此，將其噴吹進(jìn)高爐內(nèi)，會使煤氣密度和黏度均減小，從而降低壓差，并且能加速氣體和爐料間的熱交換，有利于提高煤氣在高爐中的熱能利用率。H2擴(kuò)散速度是CO的3.74倍，能夠更快地通過鐵礦石孔隙到達(dá)反應(yīng)界面，因此，H2/CO體積比越高，還原速度越快。水煤氣置換反應(yīng)的存在也使H2有促進(jìn)CO還原的作用。因此，高爐間接還原得到顯著發(fā)展。此外，熱力學(xué)上，810 ℃以上H2的還原能力強(qiáng)于CO。鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的自產(chǎn)焦?fàn)t煤氣用于高爐噴吹可能是有效發(fā)揮焦?fàn)t煤氣價值的途徑之一，無論其置換的是焦炭還是煤粉。新日鐵住金通過在12 m3試驗高爐驗證COURSE50的氫還原構(gòu)想，結(jié)果表明，碳直接還原度從31%降低至21%，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。20世紀(jì)60年代，中國本鋼高爐噴吹焦?fàn)t煤氣試驗表明，高爐產(chǎn)量提高了10.8%，焦比降低了3%~10%，爐況順行，一般焦?fàn)t煤氣的置換比約為0.5 kg/m3。同期，重鋼噴吹天然氣試驗表明，當(dāng)噴吹量為96 m3/t時，置換比為1.4 kg/m3，焦比降低了20%，高爐利用系數(shù)提高了14.2%。保持良好的爐缸熱狀態(tài)和維持穩(wěn)定的風(fēng)口回旋區(qū)條件對高爐的低碳順行至關(guān)重要。富氫還原提高了爐料的預(yù)還原度，節(jié)約了直接還原耗熱，但是噴吹富氫氣體時，富氫氣體預(yù)熱后噴入高爐，與傳統(tǒng)熱風(fēng)相比，風(fēng)量減少且溫度降低，導(dǎo)致風(fēng)口熱收入減少。與傳統(tǒng)高爐相比，爐頂煤氣循環(huán)耦合富氫高爐的熱量供給仍然是風(fēng)口前碳素燃燒和噴吹氣體帶入的物理熱以及化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)。但是，風(fēng)口前存在H2、CH4、CO、煤粉、焦炭等的競爭燃燒問題，如果碳?xì)錃怏w在風(fēng)口與氧氣混合不好產(chǎn)生大量炭黑，必然影響H2的利用率和爐況的順行。因此，必須揭示爐頂煤氣循環(huán)及富氫噴吹條件下風(fēng)口回旋區(qū)復(fù)雜燃燒過程熱量的高效生成及傳遞強(qiáng)化規(guī)律，為新工藝的開發(fā)提供科學(xué)指導(dǎo)。4.3爐料性狀及結(jié)構(gòu)演變
在富氫碳熱還原過程中，由于反應(yīng)條件的改變，導(dǎo)致爐料反應(yīng)的動力學(xué)過程發(fā)生重大改變。氫的加入不僅使鐵氧化物還原反應(yīng)平衡和反應(yīng)極限發(fā)生改變，而且由于氫的特性造成的還原劑擴(kuò)散能力與傳統(tǒng)碳熱還原過程差別很大，使得還原動力學(xué)過程和還原產(chǎn)物形態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響到含鐵爐料在爐內(nèi)的還原進(jìn)程、形態(tài)變化以及熔化行為；同時，由于氫參與鐵氧化物還原的產(chǎn)物H2O參與碳的熔損反應(yīng)，使焦炭在爐內(nèi)的變化過程更加復(fù)雜，進(jìn)而影響高爐內(nèi)焦炭的微觀結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度演化以及最終的滲碳、熔損及燃燒過程。研究表明，高還原勢氣體會促進(jìn)燒結(jié)礦的粉化，必須采用補(bǔ)熱以縮短其在粉化溫度區(qū)間的停留時間。有利的方面是富氫后在促進(jìn)還原的同時會降低球團(tuán)礦的膨脹，從而有利于料柱透氣性。此外，同等濃度下，水蒸汽比CO2對焦炭的熔損能力更強(qiáng)，但是主要以均勻的微孔為主，等熔損率下焦炭強(qiáng)度下降不明顯。上述研究結(jié)果表明，針對新型的爐頂煤氣循環(huán)及富氫體系，有必要模擬其反應(yīng)條件，對含鐵爐料和焦炭的反應(yīng)行為和性能演化進(jìn)行系統(tǒng)研究，為新型高爐爐料結(jié)構(gòu)的選擇和低碳冶煉操作的制定提供依據(jù)。4.4工業(yè)試驗的組織與實施
縱觀近十幾年來世界低碳煉鐵的發(fā)展歷程，歐盟、日本試驗的成功經(jīng)驗對中國很有參考價值。歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在冶金新技術(shù)研發(fā)方面完成了從基礎(chǔ)研究到萬噸級半工業(yè)化試驗的系列過程，比如在TGR-OBF、HIsarna、COURSE50、ITmk3等工藝的開發(fā)過程中均遵循了上述規(guī)律，最終目標(biāo)是實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。日本在建設(shè)12 m3COURSE50半工業(yè)化試驗裝置前曾借助LKAB的8.9 m3的試驗高爐進(jìn)行了半工業(yè)化試驗，可見半工業(yè)化試驗裝置對新工藝的開發(fā)意義重大?；诎牍I(yè)化試驗的結(jié)果，再結(jié)合優(yōu)化驗證后的數(shù)學(xué)模型，可為工業(yè)化過程裝置放大和工藝參數(shù)優(yōu)化提供直接參考。為了應(yīng)對低碳排放挑戰(zhàn)，中國鋼鐵工業(yè)必須重視原創(chuàng)低碳煉鐵技術(shù)的開發(fā)和現(xiàn)有先進(jìn)低碳煉鐵技術(shù)的工業(yè)化示范。在國家相關(guān)部門的支持下，中國一些大型企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)行動起來，開展了基礎(chǔ)研究、半工業(yè)化試驗設(shè)計以至半工業(yè)化試驗探索，但由于缺乏充足的資金支持和持續(xù)穩(wěn)定系統(tǒng)的規(guī)?；I(yè)試驗結(jié)果，使得相關(guān)低碳技術(shù)沒有得到完善和推廣應(yīng)用。歐盟的ULCOS計劃得到15個歐盟國家和48家歐盟企業(yè)及相關(guān)機(jī)構(gòu)的支持，是一項旨在大幅減少鋼鐵生產(chǎn)過程中CO2排放的大型合作研發(fā)項目。該聯(lián)盟包括了歐洲的主要鋼鐵、技術(shù)、工程和能源公司、研究院和大學(xué)，由安塞洛-米塔爾牽頭，歐盟委員會提供部分財務(wù)支持。日本的COURSE50計劃由日本鋼鐵聯(lián)盟發(fā)起、由New Energy and Industrial Technology Development Organization(NEDO)資助，新日鐵住金、神戶制鋼、JFE鋼鐵、日新鋼鐵和新日鐵住金工程公司等合作研究。兩個項目共同的組織特點：定位為一個本地區(qū)或全國性的科研項目，事關(guān)本地區(qū)或國家的可持續(xù)發(fā)展，由本地區(qū)或國家最具優(yōu)勢的鋼鐵企業(yè)或鋼鐵企業(yè)聯(lián)盟牽頭，由國家和金融機(jī)構(gòu)提供部分資金支持，本地區(qū)或國家大型鋼鐵企業(yè)、優(yōu)秀的工程技術(shù)公司和研究院以及行業(yè)知名大學(xué)共同參與。隨著中國經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，筆者發(fā)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的生鐵冶煉不僅僅是一個經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動，更是一個事關(guān)國家節(jié)能環(huán)保大環(huán)境的工業(yè)過程。該工序產(chǎn)品和技術(shù)單一，產(chǎn)品價格透明，在原燃料價格相同的條件下，生產(chǎn)成本相差無幾，有可能實現(xiàn)全行業(yè)的協(xié)同。在新的歷史階段，為開發(fā)新一代具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低碳煉鐵技術(shù)，中國有必要集中優(yōu)勢科研力量，創(chuàng)建低碳煉鐵關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新試驗平臺，促進(jìn)技術(shù)合作、技術(shù)交流、技術(shù)轉(zhuǎn)化與知識產(chǎn)權(quán)共享，打造鋼鐵行業(yè)低碳煉鐵技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用示范基地，推進(jìn)新技術(shù)的工程化實施和產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，提升中國鋼鐵行業(yè)煉鐵節(jié)能減排整體能力，引領(lǐng)中國乃至世界低碳煉鐵技術(shù)的創(chuàng)新。
(1)國內(nèi)和國際發(fā)展形勢要求中國鋼鐵工業(yè)必須走低碳化發(fā)展之路，對于中國以高爐-轉(zhuǎn)爐流程為主的鋼鐵生產(chǎn)模式，全流程低碳的關(guān)鍵在于鐵前工序的節(jié)能降碳。高爐煉鐵未來仍將是中國鋼鐵生產(chǎn)過程中煉鐵的主流裝備，因此要實現(xiàn)中國碳排放強(qiáng)度降低的目標(biāo)也必須基于現(xiàn)有高爐。而“爐頂煤氣循環(huán)”和“富氫”耦合的高爐煉鐵是最具有可行性且效果明顯的低碳煉鐵技術(shù)。(2)基于歐盟、日本低碳煉鐵技術(shù)研發(fā)的經(jīng)驗和中國自身煉鐵新技術(shù)的研發(fā)歷程，筆者認(rèn)為應(yīng)在頂層設(shè)計的指引下組建低碳煉鐵新技術(shù)研發(fā)聯(lián)盟，由中國先進(jìn)鋼鐵企業(yè)或鋼鐵企業(yè)聯(lián)盟牽頭，配套充足資金，集中優(yōu)勢科研力量，搭建低碳煉鐵關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新試驗平臺基地，研發(fā)低碳煉鐵新技術(shù)，促進(jìn)技術(shù)合作、技術(shù)交流、技術(shù)轉(zhuǎn)化與知識產(chǎn)權(quán)共享，保障中國鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
