鋼鐵工業煉鐵工序綠色低碳技術淺析

王建昌

（中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176）

0.引言

2020年，中國粗鋼產量達到10.65億t，以56.7%粗鋼占比位居全球第一。同時，我國鋼鐵行業年二氧化碳排放量大，占全國碳排放總量的18%以上，為碳排放量最高的非電行業。另外，我國廢鋼利用率不足，短流程電爐煉鋼占比僅為10.4%，而全球電爐鋼平均占比為33%，這從根本上造成國內鋼鐵行業二氧化碳排放強度居高不下。中國生產每噸粗鋼排放1859kg CO2，分別高于美國、韓國和日本生產每噸粗鋼所排放的1100kg CO2、1300kg CO2和1450kg CO2，鋼鐵行業急需對CO2進行大幅度減排。近年來，盡管鋼鐵行業在節能減排上付出了很大努力，碳排放強度逐年下降，但由于鋼鐵行業體量大和工藝流程的特殊性，碳排放總量控制的壓力仍然十分巨大。“碳中和”目標下，鋼鐵行業將成為重要試點工業。

1.鋼鐵工業節能低碳技術

作為中國國民經濟重要的支柱產業，鋼鐵工業在燒結球團—高爐—轉爐長流程生產過程中需要消耗巨量的能源，其消耗量占全國能源消耗總量的15%～16%。然而，目前我國鋼鐵工業的噸鋼能耗不斷降低，2018年鋼鐵工業協會會員生產企業總能耗為26417.01萬t標煤，噸鋼綜合能耗為555.24kg標煤/t，達到了國際先進水平。鋼鐵工業能效提升的兩大途徑是生產過程高效用能和末端余熱回收利用。目前，隨著關鍵性節能技術的攻關與突破，如高爐渣余熱回收利用技術、低熱值燒結煙氣余熱回收利用技術，鋼鐵工業噸鋼能耗必然繼續下降，達成綠色鋼鐵轉型升級目標。2018年中國單位國內生產總值CO2排放下降4.0%，比2005年累計下降45.8%，已經提前實現了“國家自主奉獻”的承諾，基本扭轉了溫室氣體排放快速增長的局面。然而，由于鋼鐵長流程擁有的高碳消費與排放屬性，其CO2排放量所占全國CO2排放總量的份額遠高于國際平均水平，溫室氣體減排任務依舊任重道遠[1]。

2.鋼鐵行業碳減排現狀及問題

2.1 我國鋼鐵產量與排放量持續增長，減排工作任重道遠

2000—2020 年，我國粗鋼產量增長了8.3倍。特別是經過2016—2018年的供給側改革，鋼鐵行業產量不減反增，2020年我國粗鋼產量達到10.53億t，全球占比57%。與此同時，CO2排放量在2000—2017年間增長了4.3倍，達到16.77億t。雖然排放強度（噸鋼CO2排放量）相對2000年下降了34%，降為2.02t，但仍高于全球平均排放強度1.85t。主要原因是目前我國鋼鐵終端需求以低附加值的普鋼為主，企業偏向于選擇成本低，碳排放強度高得長流程（高爐－轉爐）工藝，約占產能的90%。根據國家冶金工業規劃研究院編制的《鋼鐵行業碳達峰及降碳行動方案》（初稿），鋼鐵行業2025年前要實現碳達峰，2030年碳排放較峰值降低30%，減排壓力巨大[2]。

2.2 現有減碳措施均有受限因素，低碳技術有待突破

目前我國鋼鐵行業減碳措施主要有五種方式：減少產量、推行碳排放權交易、現有生產工藝升級、研發新型低碳工藝和發展碳捕獲利用與封存技術（CCUS）。根據實施的難易程度和效果可分為3個層次[3]：（1）減少產量和推行碳排放權交易，主要作用于供給端，前者可以依靠行政命令執行，后者可以通過建立全國統一碳金融市場實現，但是目前我國鋼鐵需求短期內不會大幅萎縮，限產會造成裝備制造、基礎設施建設等下游產業成本上升，甚至引發成本推動型通脹。（2）現有生產工藝升級，相對減排效果有限，因為長流程（高爐－轉爐）工藝減排的理論物理極限為20%～30%，而通過提升短流程（電弧爐）占比雖然可以使化石能源噸鋼碳排放強度降低60%～70%，但前提是國內廢鋼存量要高于鋼鐵需求量，且噸鋼用電量從30度上升到1000度，按照我國煤電占比70%的現狀，總體碳排放量依然很大。（3）新型低碳工藝和碳捕獲與封存，目前成本高、技術不成熟、發展方向不明確，即使未來技術有所突破，應用推廣也需要很長時間。整體來看，5種低碳措施均受到一定制約[4]。

3.高爐富氫還原煉鐵技術

國內外研究機構逐漸意識到將氫氣用于鋼鐵制造是優化能源結構、工藝流程和產業結構，徹底實現低碳綠色化可持續發展的有效途徑之一，并提出了基于氫冶金的高爐富氫或純氫還原煉鐵技術。高爐富氫還原煉鐵技術可減排CO215%～50%，有利于高爐低碳化發展，但這些技術的氫氣來源仍以“灰氫”為主，當采用“綠氫與藍氫”，高爐富氫還原煉鐵技術的碳排放將繼續降低。燒結作為長流程的重要工序，主要采用焦粉或無煙煤等固體燃料供熱。燃料中含有C、S、N等，會在燒結過程形成COx、SO2、NOx等氣體污染物，使燒結成為高能耗、高污染工序。因此，富氫、低碳燒結技術是深入降低能源消耗與污染物排放的創新前沿技術之一[5]。

4.氧氣鼓吹高爐爐頂煤氣循環技術

我國粗鋼生產流程結構以高爐 ? 轉爐長流程為主，2019年長流程粗鋼占比為89.8%。高爐作為煉鐵主要工序，其碳排放占高爐 ? 轉爐長流程碳排放的67%。因此，若要實現鋼鐵行業碳中和的目標，高爐是實現低碳排放的重要主體。我國高爐的熱效率已達到95%以上，從降低熱量消耗來降低間接碳減排的可能性已經很小，但此時副產物煤氣仍具有較高的熱值，氧氣鼓吹高爐爐頂煤氣循環工藝可實現煤氣的回收和低碳排放的雙重功能。該工藝的主要技術原理為空氣被通入的大量氧氣所替代，爐內的主要煤氣成分由之前的N2、CO2和CO變為CO2和CO，采用變壓吸附工藝對高爐煤氣進行分離。回收得到的高純度CO可作為還原劑代替焦炭，增加噴煤比，減少焦炭比，生產每噸粗鋼排放的二氧化碳的質量分數約降低30%。同時，對氧氣高爐排放的二氧化碳進行捕集利用可進一步減少碳排放的質量分數約20%～30%[6]。該工藝也存在以下問題：氧氣與焦炭的反應過程為吸熱反應，高濃度的冷態氧氣與之前的熱風空氣相比需要消耗更多的燃料產生熱量，隨著燃料噴吹量和供氧量的增加，鼓風帶入的熱量減少使得爐料和爐身供熱不足，大幅度降低了燒結礦地還原脫碳過程。

5.氫冶金技術

為擺脫對化石能源的依賴，煉鐵技術的發展將目光聚焦于氫能。作為21世紀最具有發展力的能源，其綠色低碳、來源廣、熱值高等特點吸引了諸多國家就其在冶金領域的利用展開研究。在國外，有歐洲ULCOS的“氫”子項目、日本富氫還原鐵礦石的“COURSE50計劃”、韓國POSCO氫還原煉鐵工藝、奧地利“H2FUTURE”綠色氫氣存儲技術、德國蒂森克虜伯氫基煉鐵試驗等[35,54]。在國內，寶武集團作為中國鋼鐵行業氫冶金的先鋒隊，早在2016年就開始籌劃氫冶金綠色低碳煉鐵項目，主要從富氫碳循環高爐工藝、以氫代碳還原工藝等方面入手，并在新疆、湛江等地籌建了氫冶金創新基地，隨后與中核集團、清華大學聯手開發“核能制氫”技術；河鋼宣鋼啟動建設規模為120萬t的氫冶金示范工程，采用零重整技術替代傳統碳冶金；中晉太行已經開始使用氫基直接還原鐵工藝，且形成了具有自主知識產權的CSDRI氣基豎爐還原鐵技術。此外，鞍鋼、包鋼、建龍以及一些其他科研院所等也均展開了氫冶金技術研究，均取得理想效果，降低了碳排放，找到了適合各企業特有的氫冶金低碳煉鐵技術。

6.富氫燃料燒結技術

日本率先開展燒結料面噴加氫系氣體燃料研究，JFE鋼鐵公司和九州大學開發了燒結料面噴加LNG技術，實現工序能耗降低1.65kg標煤/t-s。在國內，梅鋼采用燒結料面噴加焦爐煤氣技術實現能耗降低1.48kg標煤/t-s，韶鋼和中天鋼鐵采用燒結料面噴加天然氣技術，實現工序能耗分別降低1.99、2.63kg標煤/t-s。隨著燒結料層噴加富氫燃料技術的優化，燒結工序能耗明顯降低。近年來，葉恒棣、范曉慧等在燒結料層噴加富氫燃料輔助燒結技術的基礎上，提出高配比富氫燃料燒結技術，即燒結料面噴加高配比富氫氣相燃料以替代碳系固相燃料，強化凈減碳比（氫代碳占比）指標，為燒結低碳化指明了方向。通常，燒結料層熱狀態變化必然影響燒結礦產、質量指標。在燒結杯中（料層高度為700mm）開展高配比富氫燃料燒結試驗，當噴加焦爐煤氣為0.6%時，料層高度為300mm處的料層熱狀態。在焦粉配比相同情況下，噴加焦爐煤氣使料層最高溫度提高33℃，高溫焙燒時間延長1.9min，冷卻速度降低82.3℃/min，料層熱狀態指標的改善有利于液相大量生成，有利于低熔點黏結相的慢速冷凝結晶，易于產生性能優良的針、柱狀鐵酸鈣，從而提升燒結礦強度與冶金性能。在噴加焦爐煤氣0.6%和保證料層熱狀態的前提下，固體燃料消耗降低0.3%，可實現燒結低碳化。

7.直接還原技術

直接還原是指以氣體、液體或者非焦煤為能源與還原劑，在低于鐵礦石和氧化球團礦軟化溫度下進行還原得到固態金屬鐵的煉鐵工藝，其產品稱為直接還原鐵，可作為電爐煉鋼的優質原料（簡稱DRI）。鐵礦石經過球團工序或者氧化熔融處理得到氧化球團，隨后依次進入氣基還原豎爐、電爐熔化和精煉連續鑄軋分別轉化為直接還原鐵、鋼水和成品鋼材，其中在電爐和精煉連鑄連軋工序伴隨有廢鋼產生。直接還原鐵技術優勢在于采用其他還原劑代替焦煤，完全省去焦化工藝，摻雜部分高品位鐵精礦和球團礦減少球團工藝占比，碳排放量為相同產量高爐煉鐵工藝的80%～85%。直接還原鐵工藝有以下優點：（1）擴大了對能源的利用范圍。直接還原煉鐵可以完全不用焦炭，因此可用各種非煤焦、燃料油、氣體燃料、電能等代替日益缺乏的冶金焦。（2）擴大了原料的適應性。直接還原鐵有的可處理品位很低的貧礦，有的使用品位極高的鐵精礦，可直接用礦粉作原料。

8.智能化煉鐵技術

智能化是煉鐵工藝提高節能減排效率、實現環保的重要手段。2021年11月15日國家發展改革委員會發言人孟瑋明確表示，目前工業等領域實施方案和《科技支撐碳達峰碳中和行動方案》已經編制完成，后續將按程序印發實施，這一消息無疑是當前智能化煉鐵工藝技術發展的強心劑。當前“德國工業4.0”與“中國制造2025”的融合，以及如今節能減排、“雙碳”等意見的出臺，無不表明現階段煉鐵工藝流程向智能化、信息化、數字化融合發展已然是大勢所趨。傳統高爐由于自身特性的限制，因其冶煉強度高、數據量多、流程長、信息時滯性高、黑箱化嚴重等特點，其潛力未能被挖掘出來，容易導致大污染、大能耗的結果。新時代煉鐵工藝應積極融合5G技術，加速工藝互聯網平臺的建設，利用大數據挖掘技術、機器學習技術、人工智能技術等對傳統煉鐵工藝流程進行“點對點”跟蹤式監測，達到實時分析預測、及時科學決策的效果。

9.結語

（1）中國綠色發展理念要求傳統鋼鐵工業由節能減排進一步轉向低碳化發展，而煉鐵工序低碳化是鋼鐵產業綠色轉型升級的重中之重。富氫與純氫氣基豎爐直接還原工藝與長流程富氫低碳冶煉技術是煉鐵發展的兩大主流方向。（2）基于成熟的氣基豎爐直接還原工藝，目前國內可大力發展以灰氫為還原劑的富氫煤氣豎爐直接還原工藝。環保經濟的制氫、儲氫技術突破將推動純氫氣基豎爐直接還原工藝發展。