1

煉鐵工藝的現(xiàn)狀和今后發(fā)展方向

對于煉鐵與環(huán)境相關(guān)的內(nèi)容，首先回顧一下以煉鐵為中心的高爐技術(shù)開發(fā)的變遷。圖1總結(jié)了高爐技術(shù)的進(jìn)步。雖然歷史可以追溯到20世紀(jì)30年代，但從技術(shù)的發(fā)展來看，高爐的研究似乎是循序漸進(jìn)的。煉鐵技術(shù)在短期內(nèi)是無法被替代的。雖然看起來循序漸進(jìn)，但在宏觀上實(shí)現(xiàn)了進(jìn)化。雖然在平面圖上只是簡單地了解工藝，但在生產(chǎn)效率、還原材比等指標(biāo)上取得了飛躍性的進(jìn)步。對于資源、能源等周邊的形勢變化，煉鐵研究都能敏感地做出反應(yīng)，有時甚至?xí)屜纫徊竭M(jìn)行改進(jìn)。幾乎所有的技術(shù)都源自海外，日本積極引進(jìn)這些技術(shù)，將其共享，促進(jìn)了日本鋼鐵行業(yè)的整體發(fā)展。近來，地球環(huán)境問題是非常熱的課題，不過，鋼鐵行業(yè)從1970年代就開始了相關(guān)的減少還原材、削減CO2 排放的開發(fā)。圖1還顯示了高爐以外的煉鐵工藝。與現(xiàn)在氫氣煉鐵相關(guān)的利用天然氣的直接還原鐵工藝產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代。

目前的高爐、直接還原鐵、廢鋼熔化工藝，如圖2所示。眾所周知，高爐法占世界粗鋼產(chǎn)量的約7成，在東亞的新銳鋼鐵廠也采用高爐法，高爐法在應(yīng)對鐵礦石原料、大量生產(chǎn)、制造所有鐵制品等方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。現(xiàn)行的直接還原鐵工藝主要以天然氣為基礎(chǔ)，但受地域資源限制。廢鋼是重要的鐵源，但受供給量制約。而高爐法在資源彈性、生產(chǎn)效率等方面具有優(yōu)勢，成為鋼鐵發(fā)展的原動力。但是，擺脫作為其優(yōu)勢來源的碳是現(xiàn)在最大的課題。

圖3從鐵源、還原材、CO2 產(chǎn)生量的角度，示意性地顯示了高爐-轉(zhuǎn)爐法、天然氣基直接還原鐵法、廢鋼熔化的現(xiàn)狀和今后的發(fā)展方向。CO2  產(chǎn)生量以高爐-轉(zhuǎn)爐法為基準(zhǔn)，天然氣基的直接還原鐵法的CO2  產(chǎn)生量約為70%，而在廢鋼熔化的電爐（EAF）中大概為30%。可以說，高爐法巧妙地使用了碳元素，但對碳元素的依賴也受到質(zhì)疑。也有海外企業(yè)公布了到2050年高爐不復(fù)存在的規(guī)劃圖。燒結(jié)機(jī)、焦?fàn)t也不需要了。圖2的構(gòu)圖即將發(fā)生改變。而且，現(xiàn)在提倡使用綠色能源氫氣的煉鐵工藝。還有與高爐相比CO2  產(chǎn)生量在20%以下的估算案例。但是，如果沒有來自可再生能源的綠色氫氣的大量供給，脫碳的氫氣煉鐵是不成立的。

氫是二次能源，根據(jù)制氫方法的不同，CO2  的削減效果也會發(fā)生變化。氫煉鐵是未來工藝，但氫氣供給量和鋼鐵生產(chǎn)的匹配性也受到質(zhì)疑。雖然應(yīng)該做好過渡到氫煉鐵的準(zhǔn)備，但氫的供給要實(shí)現(xiàn)高效、快速、穩(wěn)定的供應(yīng)還需要時間。綠色氫能供給也是日本的國家能源戰(zhàn)略課題。首先需要進(jìn)一步挖掘制約較少的技術(shù)。所以提出了從工藝上改善高爐的爐頂煤氣循環(huán)、強(qiáng)化氫還原等方案。對CCS（Carbon dioxide Capture and Storage）依賴性很強(qiáng)的歐洲ULCOS（ULtra Low CO2  Steelmaking）項(xiàng)目已經(jīng)中止，但有日本研究者提出了小型化（Down-sizing）的氧氣高爐。有發(fā)展成為碳循環(huán)的CO2  甲烷化高爐等的可能性。但是，日本必須考慮到資源的應(yīng)對能力。關(guān)于資源的應(yīng)對將在后面敘述，但必須以從現(xiàn)狀到將來的順利過渡為前提，描繪由新方案結(jié)合而成的連續(xù)“腳本”。

現(xiàn)在，雖然多使用“多路（Multi-track）推進(jìn)”的說法，但這并不意味著同時采用多種方法作為開發(fā)的安全策略，也不是作為可選的意思。應(yīng)該認(rèn)為是基于TRL（Technology Readiness Levels）等技術(shù)成熟度，考慮順利階段性的技術(shù)開發(fā)。雖然有時也會呼吁需要非連續(xù)性的技術(shù)思考、打破均衡的破壞性創(chuàng)新，但在沒有學(xué)術(shù)理論的地方不會有創(chuàng)新。也應(yīng)該著眼于活用至今為止的財(cái)產(chǎn)。

2

順利邁向未來

前面講過，煉鐵技術(shù)具有經(jīng)驗(yàn)主義、循序漸進(jìn)的特點(diǎn)。但是，換句話說，技術(shù)積累很豐富，并在至今為止的發(fā)展中孕育出新技術(shù)。在鋼鐵領(lǐng)域，人們往往會質(zhì)疑CO2  對策的延遲，但是有個別項(xiàng)目已經(jīng)開始了。只是每個技術(shù)都有各自的特性，需要有一個作為向未來順利過渡的行動的總括性路線圖。

圖4顯示了大幅削減CO2 的煉鐵工藝構(gòu)想。也加入了各企業(yè)、組織各自發(fā)表的項(xiàng)目。SCU（Smart  Carbon  Usage）是智能碳使用的意思，也包含利用CO2  的CCU。氫氣煉鐵由于氫的質(zhì)量受到質(zhì)疑，所以用直接避免碳排放的CDA（Carbon Direct Avoidance）來表示。遺憾的是，圖4的項(xiàng)目大部分來自歐洲。在歐洲，還有與今后的資金引入直接相關(guān)的EU分類體系的引入，要把CO2  對策的項(xiàng)目作為企業(yè)經(jīng)營計(jì)劃公布，外部的消息也很活躍，但缺乏日本的存在。

圖4列舉出了以碳的更有效利用為目標(biāo)的SCU，有效利用化學(xué)的潛力，把CO2  再資源化的CCU。不過，在CCU里為分離作為穩(wěn)定物質(zhì)的CO2  ，氫氣是不可缺少的。SCU也有一部分需要?dú)錃狻ｋm然絕對量比氫氣煉鐵要少，CO2  削減效果較低，但處于現(xiàn)實(shí)位置。將氫氣、COG吹入高爐在歐洲鋼鐵企業(yè)的2000m3高爐中得到驗(yàn)證。其核心技術(shù)是向高爐吹入還原氣體等，在煉鐵歷史中有源頭，接近實(shí)施領(lǐng)域。氫氣煉鐵也如圖3所示，是直接還原鐵法中還原氣體種類向氫氣的滑動，工藝的原點(diǎn)已經(jīng)存在。真正的氫氣煉鐵的主要課題是確保氫氣的供給，如果將其自身作為未來技術(shù)強(qiáng)調(diào)的話，就會失去現(xiàn)有的積累，開發(fā)也會變得沒有效率?，F(xiàn)行的直接還原鐵工藝也是在氫氣濃度為70%-80%的情況下操作，另外，在還原鐵設(shè)備設(shè)計(jì)企業(yè)的試驗(yàn)工廠已經(jīng)驗(yàn)證氫氣濃度達(dá)到90%。針對粘附（即粒子間粘附）的對策，已經(jīng)在現(xiàn)行的商用工藝中實(shí)施。直接還原鐵設(shè)備的操作方式和高爐完全不一樣。從天然氣或COG重整出發(fā)，確立工藝基礎(chǔ)并掌握技術(shù)，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃獾捻?xiàng)目構(gòu)想被認(rèn)為是明智的策略。在歐洲、中國已經(jīng)發(fā)布了目標(biāo)為100萬噸/年CDA的直接還原鐵工廠建設(shè)計(jì)劃。它們采用了現(xiàn)有兩種中的一種豎爐工藝，關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)完成。加上已經(jīng)發(fā)布的數(shù)字，到2030年左右，僅在歐洲，新的直接還原鐵生產(chǎn)能力將達(dá)到1500萬噸/年。雖然第一步是從天然氣開始，但這是邁向氫氣煉鐵的實(shí)質(zhì)性啟動。已經(jīng)到了商業(yè)投資的階段。雖然這些計(jì)劃中也有政府補(bǔ)助，但企業(yè)方面每個公司都具體提出了從高爐轉(zhuǎn)換為CDA等CO2 削減效果和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變計(jì)劃，這對資金的獲得能起到積極的作用。此外，歐洲還在MENA（Middle East North Africa）中描繪了確保氣源、可再生能源的設(shè)立基地的構(gòu)想。

CCU的開展以蒂森克虜伯提出的Carbon2Chem為代表，不是硬性的CO2 削減工藝，而是活用了產(chǎn)業(yè)間合作的“Integrated CO2  Capture”。產(chǎn)品首先是甲醇等化學(xué)原料。如果再通過FT合成（Fischer-Tropsch）或MtO（Methanol to Olefine）連接到高附加值產(chǎn)品，則發(fā)展前景廣闊。如果是之前的甲烷合成，則在鋼鐵工藝中，作為碳循環(huán)的還原材可以在鋼鐵廠內(nèi)自行完成。與鋼鐵領(lǐng)域熟悉的改質(zhì)反應(yīng)相反的高壓合成反應(yīng)，甲烷合成、FT合成是20世紀(jì)前半葉的技術(shù)。雖然在鋼鐵方面經(jīng)驗(yàn)不足，必須與化學(xué)領(lǐng)域合作，但絕不是未涉足的技術(shù)。

3

今后的展望與課題

考慮到將來的順利發(fā)展，SCU、CCU、CDA要并行存在，根據(jù)開發(fā)的進(jìn)度，權(quán)重也會改變。圖5是整體構(gòu)圖，是用氫來連接并且利用CO2 作為資源有效利用的協(xié)作性結(jié)構(gòu)。瑞典的SSAB、奧地利的奧鋼聯(lián)宣布將在2045-2050年把高爐轉(zhuǎn)換為氫氣煉鐵。但是兩國的水利發(fā)電已占50%。根據(jù)能源、資源情況的不同，其最優(yōu)構(gòu)成比也不同。從整體構(gòu)圖可以看出，用化學(xué)合成、電解制氫等擁有固有技術(shù)的部門的合作是不可缺少的。另外，不能從初始開始，還應(yīng)該考慮通過活用積累的現(xiàn)有技術(shù)、跨國合作等加速開發(fā)。

關(guān)于該構(gòu)圖中的CDA，人們往往只關(guān)注豎爐的氫還原工序，但今后的資源應(yīng)對也是必須關(guān)注的。現(xiàn)在，提倡的氫氣煉鐵是直接還原鐵（DRI）-電爐（EAF）的組合，前提是使用高品位球團(tuán)。目前，每年還原鐵產(chǎn)量達(dá)1億噸，可海上運(yùn)輸?shù)纳a(chǎn)還原鐵用的高品位粒狀原料的供應(yīng)量已接近極限。對于今后的氫氣煉鐵，應(yīng)該考慮使用普通品位的粒狀原料，但在工藝上不能用DRI-EAF的延長來應(yīng)對。從EAF的特性看，使用普通品位球團(tuán)，渣比會增加，生成渣接近煉鋼渣，無使用之地。精煉作用也很差，鐵成品率降低，廢鋼稀釋會產(chǎn)生雜質(zhì)?？紤]到資源擴(kuò)張和高級產(chǎn)品制造功能，有必要考慮新的工藝路線。與這一課題相呼應(yīng)，歐洲系的企業(yè)提出了經(jīng)由鐵水的工藝，值得考慮。圖6示出了其比較。A）是現(xiàn)有的高爐-轉(zhuǎn)爐法，B）是DRI-EAF工藝。像C）的工藝一樣，將還原鐵經(jīng)由熔化器暫且作為近似的鐵水，與現(xiàn)有的轉(zhuǎn)爐相連，進(jìn)行精煉。作為熔化器，可以舉出主要用于合金鐵制造的SAF（Submerged Arc Furnace）。SAF爐使用自焙電極（Soderbergs self-baking electrode），在產(chǎn)生熱的同時降低爐內(nèi)的氧勢，還可以一定量地進(jìn)行還原滲碳。雖然適當(dāng)?shù)募用嚎刂?、提高生產(chǎn)速度還有待研究，但可與現(xiàn)有的一貫式鋼鐵廠的煉鋼工藝直接相連，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)狀同樣的高度精煉。

熔化爐是一種固定爐，具有和高爐下部類似的功能，可以出與高爐相近的流動性好的鐵水，爐渣制成鐵渣。此爐渣和高爐渣同等用途廣泛。相當(dāng)于將高爐的上部作為還原鐵豎爐，把高爐下部分割成使用清潔電力的滲碳、熔解工藝，也可以成為脫碳的新一代煉鐵的原型（圖7）。

總的來說，氫氣煉鐵要考慮資源的應(yīng)對能力、還原和精煉以及對現(xiàn)有的煉鐵廠如何進(jìn)行修改、再定義等多方面的工藝評價(jià)是很重要的。特別是，在容易受到資源和能源制約且以高級鋼為導(dǎo)向的日本，為了維持和發(fā)展現(xiàn)有的地位，不僅要得到包括選址條件在內(nèi)的綠色氫氣，而且還必須將關(guān)系到資源彈性、最終產(chǎn)品性狀的精煉納入視野，作為一貫流程來設(shè)計(jì)整體體系。另外，SCU、CCU、CDA現(xiàn)在都停留在各個開發(fā)階段。鋼鐵則由生產(chǎn)者實(shí)施，作為工業(yè)過程在全球展開，首次實(shí)現(xiàn)CO2  減排。制定從開發(fā)到商業(yè)化的順利過渡計(jì)劃也極為重要（圖8）。

雖然引進(jìn)可再生能源被呼吁為世界標(biāo)準(zhǔn)，但是日本沒有資源，從地理?xiàng)l件來看也很困難。全球變暖的對策和節(jié)約能源不同，對生產(chǎn)者來說不能直接產(chǎn)生利益，容易被解釋為負(fù)擔(dān)。但是，從現(xiàn)在開始，全球變暖對策技術(shù)的引入者應(yīng)該被評價(jià)為能夠提供受社會信賴的高價(jià)值產(chǎn)品的生產(chǎn)者，并引起社會共鳴，這樣的行動才能獲得收益。如果拘泥于殘存者利益，就會被產(chǎn)業(yè)變革淘汰。變革需要巨大投資，但只要有學(xué)術(shù)理論依據(jù)、獲得理解的構(gòu)想，技術(shù)就可以孕育出新技術(shù)，吸引支持和投資。應(yīng)對全球變暖的技術(shù)開發(fā)不是風(fēng)險(xiǎn)。在追求世界共同課題的過程中，如果強(qiáng)調(diào)競爭，就會導(dǎo)致孤立。僅靠圖5構(gòu)圖無法達(dá)到零排放。工藝是人類共同的財(cái)富。從全球視野看，期待進(jìn)一步加強(qiáng)合作和創(chuàng)造出更多構(gòu)想。