鋼鐵行業(yè)是世界第二大排放CO2的產(chǎn)業(yè)部門(mén)，其排放量相當(dāng)于世界總排放量的7%-9%。這主要是從目前的煉鐵設(shè)備高爐（BF）排出的。另一方面，鋼鐵材料兼?zhèn)溟L(zhǎng)壽命和可持續(xù)性，而且廢鋼還可以裝入電弧爐（EAF）循環(huán)利用。EAF工藝的CO2排放量比高爐工藝低很多，主要是來(lái)自電網(wǎng)的排放量。但是，僅靠EAF來(lái)滿(mǎn)足鋼鐵需求，廢鋼量（2050年的預(yù)測(cè)值是每年9億噸）遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此鐵礦石仍將長(zhǎng)期是主要原料。為了將以鐵礦石為中心生產(chǎn)的CO2排放量控制在中至低水平，有兩種方法最有希望。一個(gè)是運(yùn)用二氧化碳捕集與利用或封存（CCUS）設(shè)備的高爐法。另一個(gè)是直接還原法。在過(guò)渡期內(nèi)，使用天然氣作為還原劑，在擴(kuò)大規(guī)模和確認(rèn)可行性后使用低碳?xì)洌ㄒ?jiàn)圖1）。與目前主要的生產(chǎn)方法高爐法相比，氫基直接還原法可減少約90%的CO2排放量。但是，即使是氫基直接還原法，為了冶金目的也需要碳，這些碳源可以考慮使用生物炭等可再生資源。

從高爐法轉(zhuǎn)變到直接還原法，需要對(duì)可利用的鐵礦石進(jìn)行詳細(xì)評(píng)價(jià)。目前用于高爐操作的典型鐵礦石會(huì)產(chǎn)生大量爐渣，因此不能完全適用于直接還原爐和其下游的EAF，所以需要采用電煉鐵爐（Smelter）和BOF轉(zhuǎn)爐相結(jié)合的新型“兩步工藝”。

聯(lián)合鋼鐵廠(chǎng)要實(shí)現(xiàn)凈零碳排放轉(zhuǎn)型，必須將快速見(jiàn)效的短期對(duì)策和實(shí)現(xiàn)凈零碳排放的長(zhǎng)期對(duì)策結(jié)合起來(lái)。

01

短期對(duì)策——優(yōu)化工藝、增加廢鋼配比

鋼鐵廠(chǎng)需要巨額投資，其設(shè)備壽命超過(guò)50年。因此，現(xiàn)有鋼鐵廠(chǎng)的轉(zhuǎn)型，比如從高爐法向直接還原法的轉(zhuǎn)變，也必須符合這樣的生命周期。如果采用需要擴(kuò)大規(guī)模和引入實(shí)機(jī)之前經(jīng)驗(yàn)證的新技術(shù)，轉(zhuǎn)型需要更長(zhǎng)的時(shí)間。但另一方面，如果向大氣中持續(xù)排放CO2引起了氣候變化，越晚采取對(duì)策，需要減少的CO2排放量就會(huì)越多。因此，不僅是新技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有工藝路線(xiàn)的優(yōu)化也值得投資。一些優(yōu)化的路線(xiàn)將在未來(lái)數(shù)年甚至數(shù)十年繼續(xù)使用。在現(xiàn)有工藝的優(yōu)化方面，已有大量經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解決方案，并且可以在短期內(nèi)實(shí)施，因此可以提前實(shí)現(xiàn)減排CO2第一步。

擴(kuò)大轉(zhuǎn)爐中廢鋼的利用是用于減少CO2排放量的現(xiàn)有工藝優(yōu)化的一個(gè)例子。

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在以高爐鐵水為基礎(chǔ)的煉鋼工序，比以廢鋼為基礎(chǔ)的工序排放的CO2要多得多（見(jiàn)圖1）。對(duì)此，通過(guò)增加轉(zhuǎn)爐中的廢鋼配比，減少鐵水配比，現(xiàn)有的聯(lián)合鋼鐵廠(chǎng)也可以減少CO2排放量。

為了增加廢鋼配比，開(kāi)發(fā)了改善轉(zhuǎn)爐能量平衡的工具（L2工藝模型和工藝優(yōu)化、廢鋼預(yù)熱噴槍、雙流二次燃燒噴槍和復(fù)合噴吹轉(zhuǎn)爐等）。通過(guò)組合這些工具，轉(zhuǎn)爐廢鋼配比最大可以增加到30%。為了進(jìn)一步提高廢鋼配比，在底吹氣體的基礎(chǔ)上，還開(kāi)發(fā)了一種特別的轉(zhuǎn)爐，具有高效利用轉(zhuǎn)爐內(nèi)工藝氣體的噴槍?zhuān)⒃陧n國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司的浦項(xiàng)廠(chǎng)成功進(jìn)行了試驗(yàn)，該工藝被稱(chēng)為Jet Process?。

02

長(zhǎng)期對(duì)策——使用低品位鐵礦石的“兩步工藝”

優(yōu)化現(xiàn)有生產(chǎn)路線(xiàn)是減排CO2的第一步?？蓽p排量根據(jù)優(yōu)化前的排放量而不同，但一般在20%-30%之間。這項(xiàng)減排是重要的第一步，但還不足以實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)，因此需要替代現(xiàn)有高爐法的工藝。

與運(yùn)用CCUS設(shè)備的高爐法一起，直接還原法的CO2排放量大幅減少，作為替代以高爐為中心的煉鐵工藝的方法，目前是最有希望的。現(xiàn)在的直接還原爐使用的是豎爐，在豎爐內(nèi)通過(guò)還原氣體還原鐵礦石球團(tuán)。雖然現(xiàn)在使用天然氣作為還原劑，但將來(lái)應(yīng)該會(huì)采用低碳?xì)洹Ｔ谶€原工序結(jié)束后，將直接還原鐵（DRI）直接提供給EAF，或進(jìn)行壓塊以使其能夠運(yùn)輸，然后在運(yùn)輸目的地裝入BF、BOF、EAF使用。

為了進(jìn)行收益性高的EAF生產(chǎn)，最好使用脈石成分少的高品位DRI。因?yàn)槟軌蛞种艵AF中的爐渣產(chǎn)生量，并且能夠削減電力消耗量、削減助熔劑和降低鐵損，從而改善成品率。然而，作為高品位DRI原料的高品位鐵礦石的數(shù)量有限。最近海上貿(mào)易的鐵礦石大部分品位較低，這些都用于高爐生產(chǎn)。低品位鐵礦石的脈石成分是高品位鐵礦石的2倍以上。當(dāng)脈石成分量多時(shí)，為了在EAF中提高爐渣堿度并進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑煸?，助熔劑消耗量?huì)增加。這是使用低品位鐵礦石進(jìn)行EAF生產(chǎn)時(shí)爐渣產(chǎn)生量增加的原因，即EAF生產(chǎn)成本實(shí)際增加的原因。

對(duì)于用這種低品位鐵礦石生產(chǎn)的DRI的處理，可以考慮使用“兩步工藝”。第一步是在電煉鐵爐，只進(jìn)行熔化和最終還原，第二步是在（BOF）轉(zhuǎn)爐，進(jìn)行所有的冶煉工序和精煉。通過(guò)將工藝分為兩部分，第一步在電煉鐵爐可以有效地分離金屬和爐渣，生成像高爐水淬渣那樣適合水泥產(chǎn)業(yè)使用的爐渣。表1中示出了該“兩步工藝”與僅使用EAF的“一步工藝”的詳細(xì)比較。

“兩步工藝”需要兩種設(shè)備作業(yè)，因此會(huì)導(dǎo)致作業(yè)成本增加。與僅使用EAF的“一步工藝”相比，這種劣勢(shì)需要通過(guò)低成本處理低品位鐵礦石來(lái)彌補(bǔ)。假設(shè)兩種不同品位的鐵礦石，分別用“一步工藝”和“兩步工藝”進(jìn)行成本計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。主要是由廢鋼和DRI構(gòu)成的原料成本，以及由電、助熔劑和煤氣構(gòu)成的轉(zhuǎn)換成本。此計(jì)算以實(shí)際歐洲價(jià)格為準(zhǔn)（高品位DRI 300歐元/噸，低品位DRI 247歐元/噸，電力80歐元/MWh，廢鋼330-354歐元/噸，石灰70歐元/噸，白云石75歐元/噸，煤70歐元/噸）。

從這一比較中可知，如果鐵礦石品位提高，轉(zhuǎn)換成本降低，這是因?yàn)殡娏ο牧亢突瘜W(xué)消耗量等減少。相反，如果鐵礦石品位下降，DRI生產(chǎn)成本也會(huì)下降。EAF的生產(chǎn)容易受到爐渣產(chǎn)生量，也就是鐵礦石品位的影響，這對(duì)轉(zhuǎn)換成本也有很大影響。這一趨勢(shì)在實(shí)際市場(chǎng)中得到了很好的反映，今天使用EAF的所有鋼廠(chǎng)都依賴(lài)于高品位DRI，并接受這種裝入材料的額外成本。因?yàn)殡姛掕F爐的作業(yè)不受爐渣產(chǎn)生量的影響，所以DRI生產(chǎn)成本占主導(dǎo)地位。因此，如果在電煉鐵爐中使用由低品位鐵礦石生產(chǎn)的DRI，對(duì)總成本將更有利。這些趨勢(shì)表明，對(duì)于鐵礦石的品位水平，存在最適合“兩步工藝”處理的低品位區(qū)域和更適合用EAF處理的高品位區(qū)域。

“兩步工藝”的廢鋼配比有限。這是因?yàn)殡姛掕F爐不能處理廢鋼，而且電煉鐵爐的鐵水碳含量低，在BOF中熔煉廢鋼的能量有限。而EAF在原料配比率方面更具靈活性，可以應(yīng)對(duì)廣泛的DRI裝入率。對(duì)于兩個(gè)不同的廢鋼價(jià)格，降低DRI配比，提高廢鋼配比時(shí)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

2.1 現(xiàn)有聯(lián)合鋼鐵廠(chǎng)的轉(zhuǎn)變——電煉鐵爐的引進(jìn)

對(duì)于現(xiàn)有聯(lián)合鋼鐵廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，“兩步工藝”是一個(gè)有前途的選擇。第二步可以使用現(xiàn)有的BOF，而且在使用時(shí)只需進(jìn)行輕微的改造。最重要的改造是BOF吹煉方案的修改。與高爐鐵水相比，電煉鐵爐的鐵水含碳量和含硅量較少，所以需要縮短吹煉時(shí)間，并降低廢鋼配比。由于輸送系統(tǒng)、循環(huán)時(shí)間、鑄造序列、工藝認(rèn)證和質(zhì)量管理等其他重要項(xiàng)目不受影響，因此，“兩步工藝”可容易在現(xiàn)有聯(lián)合鋼鐵廠(chǎng)實(shí)施。

圖3顯示了由現(xiàn)有聯(lián)合鋼鐵廠(chǎng)向綠色鋼鐵廠(chǎng)轉(zhuǎn)變最具希望的兩種方案，以及可能實(shí)現(xiàn)的CO2減排量。也有鋼廠(chǎng)在繼續(xù)生產(chǎn)目前使用的低品位鐵礦石的同時(shí)，投資“兩步工藝”。另一方面也有鋼廠(chǎng)簽訂高品位鐵礦石的長(zhǎng)期供應(yīng)合同，改為EAF生產(chǎn)的情況。

即使是“兩步工藝”，為了提高廢鋼配比，也可以考慮追加設(shè)置EAF和感應(yīng)爐等廢鋼熔化設(shè)備（見(jiàn)圖3）。

2.2 電煉鐵爐的設(shè)計(jì)

電煉鐵爐采用模塊式設(shè)計(jì)，具有靈活性，可滿(mǎn)足廣泛的裝入原料。雖然首號(hào)機(jī)使用豎爐還原球團(tuán)的可能性最大，但將來(lái)使用HYFOR （Hydrogen-based Fine Ore Reduction：氫基粉礦石還原）和Finored（直接還原工藝）等工藝處理的粉狀DRI，以及在其他地方生產(chǎn)并壓塊化的低品位DRI的使用也備受期待。電煉鐵爐具有還原性氣氛和氣密運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，也適用于包括粉塵、氧化鐵皮、爐渣等副產(chǎn)品在內(nèi)的鐵源的回收利用。在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)階段，考慮了可能裝入的所有原料。概要見(jiàn)圖4。

電煉鐵爐的還原性氛圍是通過(guò)調(diào)整鐵水中所含碳量來(lái)適應(yīng)下游的BOF作業(yè)。電煉鐵爐所需碳的添加量取決于所裝入DRI的碳含量和金屬化率。如果裝入碳含量非常少的氫基DRI，則需要添加更多的碳。在電煉鐵爐中對(duì)爐渣進(jìn)行堿度調(diào)整及其處理，以提高爐渣冷卻處理時(shí)的玻璃化率，從而優(yōu)化了在水泥工業(yè)中的應(yīng)用。關(guān)于爐渣冷卻處理，初期計(jì)劃采用濕式系統(tǒng)（水淬處理），但將來(lái)有可能采用干渣粒化技術(shù)。

在電煉鐵爐中通過(guò)有效的還原和長(zhǎng)時(shí)間的處理，可以生成含鐵量少的爐渣，因此在爐渣量非常多的情況下也可以得到高成品率。該爐渣的組成能夠帶來(lái)適當(dāng)?shù)碾娮?，因此僅通過(guò)電阻加熱就可以進(jìn)行電煉鐵爐生產(chǎn)。為了提高生產(chǎn)率，促進(jìn)裝入原料的熔煉，也考慮使用短電弧，也就是所謂的刷弧（Brush arc）作業(yè)。每根電極的投入電量和每浴面積的投入電量比傳統(tǒng)的EAF要少很多。采用矩形爐設(shè)計(jì)，內(nèi)部尺寸最大為36m×14m，在同一直線(xiàn)上設(shè)置6根電極，電煉鐵爐的產(chǎn)能為150萬(wàn)噸DRI/年。在增加整個(gè)工廠(chǎng)處理量的情況下，可以由多個(gè)電煉鐵爐并行運(yùn)轉(zhuǎn)，例如將兩座電煉鐵爐和一座直接還原爐組合。

作為一個(gè)案例，在圖5中示出了一座電煉鐵爐和一座直接還原爐的組合。通過(guò)驗(yàn)證的熱DRI輸送系統(tǒng)連接兩座設(shè)備。由于用魚(yú)雷罐車(chē)出鐵，因此可以使用煉鐵廠(chǎng)現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行鐵水運(yùn)輸和處理。

03

結(jié) 語(yǔ)

使用低碳?xì)涞闹苯舆€原法被認(rèn)為是比今天的高爐法能夠大幅減少CO2排放量的有前途的替代方法。此外，也需要考慮原材料。特別是對(duì)鐵礦石的研究尤其重要，但目前使用的鐵礦石幾乎都是低品位的，因此需要“兩步工藝”。這是一種將熔煉、還原用電煉鐵爐和精煉用BOF相結(jié)合的工藝，期待用于現(xiàn)有的聯(lián)合鋼鐵廠(chǎng)。電煉鐵爐不僅可以廣泛應(yīng)用球團(tuán)、粉礦、壓塊化DRI等原料，也可以應(yīng)用副產(chǎn)品。