鋼鐵工業(yè)煉鐵工序綠色低碳技術(shù)淺析

王建昌

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

0.引言

2020年，中國粗鋼產(chǎn)量達(dá)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(yè)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(yè)。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(nèi)鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放強(qiáng)度居高不下。中國生產(chǎn)每噸粗鋼排放1859kg CO2，分別高于美國、韓國和日本生產(chǎn)每噸粗鋼所排放的1100kg CO2、1300kg CO2和1450kg CO2，鋼鐵行業(yè)急需對CO2進(jìn)行大幅度減排。近年來，盡管鋼鐵行業(yè)在節(jié)能減排上付出了很大努力，碳排放強(qiáng)度逐年下降，但由于鋼鐵行業(yè)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(biāo)下，鋼鐵行業(yè)將成為重要試點(diǎn)工業(yè)。

1.鋼鐵工業(yè)節(jié)能低碳技術(shù)

作為中國國民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，鋼鐵工業(yè)在燒結(jié)球團(tuán)—高爐—轉(zhuǎn)爐長流程生產(chǎn)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(yè)的噸鋼能耗不斷降低，2018年鋼鐵工業(yè)協(xié)會會員生產(chǎn)企業(yè)總能耗為26417.01萬t標(biāo)煤，噸鋼綜合能耗為555.24kg標(biāo)煤/t，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。鋼鐵工業(yè)能效提升的兩大途徑是生產(chǎn)過程高效用能和末端余熱回收利用。目前，隨著關(guān)鍵性節(jié)能技術(shù)的攻關(guān)與突破，如高爐渣余熱回收利用技術(shù)、低熱值燒結(jié)煙氣余熱回收利用技術(shù)，鋼鐵工業(yè)噸鋼能耗必然繼續(xù)下降，達(dá)成綠色鋼鐵轉(zhuǎn)型升級目標(biāo)。2018年中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放下降4.0%，比2005年累計(jì)下降45.8%，已經(jīng)提前實(shí)現(xiàn)了“國家自主奉獻(xiàn)”的承諾，基本扭轉(zhuǎn)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(fèi)與排放屬性，其CO2排放量所占全國CO2排放總量的份額遠(yuǎn)高于國際平均水平，溫室氣體減排任務(wù)依舊任重道遠(yuǎn)[1]。

2.鋼鐵行業(yè)碳減排現(xiàn)狀及問題

2.1 我國鋼鐵產(chǎn)量與排放量持續(xù)增長，減排工作任重道遠(yuǎn)

2000—2020 年，我國粗鋼產(chǎn)量增長了8.3倍。特別是經(jīng)過2016—2018年的供給側(cè)改革，鋼鐵行業(yè)產(chǎn)量不減反增，2020年我國粗鋼產(chǎn)量達(dá)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(dá)到16.77億t。雖然排放強(qiáng)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(qiáng)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(yè)偏向于選擇成本低，碳排放強(qiáng)度高得長流程（高爐－轉(zhuǎn)爐）工藝，約占產(chǎn)能的90%。根據(jù)國家冶金工業(yè)規(guī)劃研究院編制的《鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰及降碳行動方案》（初稿），鋼鐵行業(yè)2025年前要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2030年碳排放較峰值降低30%，減排壓力巨大[2]。

2.2 現(xiàn)有減碳措施均有受限因素，低碳技術(shù)有待突破

目前我國鋼鐵行業(yè)減碳措施主要有五種方式：減少產(chǎn)量、推行碳排放權(quán)交易、現(xiàn)有生產(chǎn)工藝升級、研發(fā)新型低碳工藝和發(fā)展碳捕獲利用與封存技術(shù)（CCUS）。根據(jù)實(shí)施的難易程度和效果可分為3個層次[3]：（1）減少產(chǎn)量和推行碳排放權(quán)交易，主要作用于供給端，前者可以依靠行政命令執(zhí)行，后者可以通過建立全國統(tǒng)一碳金融市場實(shí)現(xiàn)，但是目前我國鋼鐵需求短期內(nèi)不會大幅萎縮，限產(chǎn)會造成裝備制造、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等下游產(chǎn)業(yè)成本上升，甚至引發(fā)成本推動型通脹。（2）現(xiàn)有生產(chǎn)工藝升級，相對減排效果有限，因?yàn)殚L流程（高爐－轉(zhuǎn)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(qiáng)度降低60%～70%，但前提是國內(nèi)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(xiàn)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(shù)不成熟、發(fā)展方向不明確，即使未來技術(shù)有所突破，應(yīng)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(shù)

國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)逐漸意識到將氫氣用于鋼鐵制造是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、工藝流程和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，徹底實(shí)現(xiàn)低碳綠色化可持續(xù)發(fā)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(shù)。高爐富氫還原煉鐵技術(shù)可減排CO215%～50%，有利于高爐低碳化發(fā)展，但這些技術(shù)的氫氣來源仍以“灰氫”為主，當(dāng)采用“綠氫與藍(lán)氫”，高爐富氫還原煉鐵技術(shù)的碳排放將繼續(xù)降低。燒結(jié)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(jié)過程形成COx、SO2、NOx等氣體污染物，使燒結(jié)成為高能耗、高污染工序。因此，富氫、低碳燒結(jié)技術(shù)是深入降低能源消耗與污染物排放的創(chuàng)新前沿技術(shù)之一[5]。

4.氧氣鼓吹高爐爐頂煤氣循環(huán)技術(shù)

我國粗鋼生產(chǎn)流程結(jié)構(gòu)以高爐 ? 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐長流程碳排放的67%。因此，若要實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)碳中和的目標(biāo)，高爐是實(shí)現(xiàn)低碳排放的重要主體。我國高爐的熱效率已達(dá)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(jīng)很小，但此時副產(chǎn)物煤氣仍具有較高的熱值，氧氣鼓吹高爐爐頂煤氣循環(huán)工藝可實(shí)現(xiàn)煤氣的回收和低碳排放的雙重功能。該工藝的主要技術(shù)原理為空氣被通入的大量氧氣所替代，爐內(nèi)的主要煤氣成分由之前的N2、CO2和CO變?yōu)镃O2和CO，采用變壓吸附工藝對高爐煤氣進(jìn)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(chǎn)每噸粗鋼排放的二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約降低30%。同時，對氧氣高爐排放的二氧化碳進(jìn)行捕集利用可進(jìn)一步減少碳排放的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約20%～30%[6]。該工藝也存在以下問題：氧氣與焦炭的反應(yīng)過程為吸熱反應(yīng)，高濃度的冷態(tài)氧氣與之前的熱風(fēng)空氣相比需要消耗更多的燃料產(chǎn)生熱量，隨著燃料噴吹量和供氧量的增加，鼓風(fēng)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(jié)礦地還原脫碳過程。

5.氫冶金技術(shù)

為擺脫對化石能源的依賴，煉鐵技術(shù)的發(fā)展將目光聚焦于氫能。作為21世紀(jì)最具有發(fā)展力的能源，其綠色低碳、來源廣、熱值高等特點(diǎn)吸引了諸多國家就其在冶金領(lǐng)域的利用展開研究。在國外，有歐洲ULCOS的“氫”子項(xiàng)目、日本富氫還原鐵礦石的“COURSE50計(jì)劃”、韓國POSCO氫還原煉鐵工藝、奧地利“H2FUTURE”綠色氫氣存儲技術(shù)、德國蒂森克虜伯氫基煉鐵試驗(yàn)等[35,54]。在國內(nèi)，寶武集團(tuán)作為中國鋼鐵行業(yè)氫冶金的先鋒隊(duì)，早在2016年就開始籌劃氫冶金綠色低碳煉鐵項(xiàng)目，主要從富氫碳循環(huán)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(chuàng)新基地，隨后與中核集團(tuán)、清華大學(xué)聯(lián)手開發(fā)“核能制氫”技術(shù)；河鋼宣鋼啟動建設(shè)規(guī)模為120萬t的氫冶金示范工程，采用零重整技術(shù)替代傳統(tǒng)碳冶金；中晉太行已經(jīng)開始使用氫基直接還原鐵工藝，且形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CSDRI氣基豎爐還原鐵技術(shù)。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(shù)研究，均取得理想效果，降低了碳排放，找到了適合各企業(yè)特有的氫冶金低碳煉鐵技術(shù)。

6.富氫燃料燒結(jié)技術(shù)

日本率先開展燒結(jié)料面噴加氫系氣體燃料研究，JFE鋼鐵公司和九州大學(xué)開發(fā)了燒結(jié)料面噴加LNG技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工序能耗降低1.65kg標(biāo)煤/t-s。在國內(nèi)，梅鋼采用燒結(jié)料面噴加焦?fàn)t煤氣技術(shù)實(shí)現(xiàn)能耗降低1.48kg標(biāo)煤/t-s，韶鋼和中天鋼鐵采用燒結(jié)料面噴加天然氣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工序能耗分別降低1.99、2.63kg標(biāo)煤/t-s。隨著燒結(jié)料層噴加富氫燃料技術(shù)的優(yōu)化，燒結(jié)工序能耗明顯降低。近年來，葉恒棣、范曉慧等在燒結(jié)料層噴加富氫燃料輔助燒結(jié)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出高配比富氫燃料燒結(jié)技術(shù)，即燒結(jié)料面噴加高配比富氫氣相燃料以替代碳系固相燃料，強(qiáng)化凈減碳比（氫代碳占比）指標(biāo)，為燒結(jié)低碳化指明了方向。通常，燒結(jié)料層熱狀態(tài)變化必然影響燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量指標(biāo)。在燒結(jié)杯中（料層高度為700mm）開展高配比富氫燃料燒結(jié)試驗(yàn)，當(dāng)噴加焦?fàn)t煤氣為0.6%時，料層高度為300mm處的料層熱狀態(tài)。在焦粉配比相同情況下，噴加焦?fàn)t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(tài)指標(biāo)的改善有利于液相大量生成，有利于低熔點(diǎn)黏結(jié)相的慢速冷凝結(jié)晶，易于產(chǎn)生性能優(yōu)良的針、柱狀鐵酸鈣，從而提升燒結(jié)礦強(qiáng)度與冶金性能。在噴加焦?fàn)t煤氣0.6%和保證料層熱狀態(tài)的前提下，固體燃料消耗降低0.3%，可實(shí)現(xiàn)燒結(jié)低碳化。

7.直接還原技術(shù)

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(tuán)礦軟化溫度下進(jìn)行還原得到固態(tài)金屬鐵的煉鐵工藝，其產(chǎn)品稱為直接還原鐵，可作為電爐煉鋼的優(yōu)質(zhì)原料（簡稱DRI）。鐵礦石經(jīng)過球團(tuán)工序或者氧化熔融處理得到氧化球團(tuán)，隨后依次進(jìn)入氣基還原豎爐、電爐熔化和精煉連續(xù)鑄軋分別轉(zhuǎn)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(chǎn)生。直接還原鐵技術(shù)優(yōu)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(tuán)礦減少球團(tuán)工藝占比，碳排放量為相同產(chǎn)量高爐煉鐵工藝的80%～85%。直接還原鐵工藝有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）擴(kuò)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(kuò)大了原料的適應(yīng)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(shù)

智能化是煉鐵工藝提高節(jié)能減排效率、實(shí)現(xiàn)環(huán)保的重要手段。2021年11月15日國家發(fā)展改革委員會發(fā)言人孟瑋明確表示，目前工業(yè)等領(lǐng)域?qū)嵤┓桨负汀犊萍贾翁歼_(dá)峰碳中和行動方案》已經(jīng)編制完成，后續(xù)將按程序印發(fā)實(shí)施，這一消息無疑是當(dāng)前智能化煉鐵工藝技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)心劑。當(dāng)前“德國工業(yè)4.0”與“中國制造2025”的融合，以及如今節(jié)能減排、“雙碳”等意見的出臺，無不表明現(xiàn)階段煉鐵工藝流程向智能化、信息化、數(shù)字化融合發(fā)展已然是大勢所趨。傳統(tǒng)高爐由于自身特性的限制，因其冶煉強(qiáng)度高、數(shù)據(jù)量多、流程長、信息時滯性高、黑箱化嚴(yán)重等特點(diǎn)，其潛力未能被挖掘出來，容易導(dǎo)致大污染、大能耗的結(jié)果。新時代煉鐵工藝應(yīng)積極融合5G技術(shù)，加速工藝互聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)，利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、人工智能技術(shù)等對傳統(tǒng)煉鐵工藝流程進(jìn)行“點(diǎn)對點(diǎn)”跟蹤式監(jiān)測，達(dá)到實(shí)時分析預(yù)測、及時科學(xué)決策的效果。

9.結(jié)語

（1）中國綠色發(fā)展理念要求傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)由節(jié)能減排進(jìn)一步轉(zhuǎn)向低碳化發(fā)展，而煉鐵工序低碳化是鋼鐵產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)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(shù)是煉鐵發(fā)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(nèi)可大力發(fā)展以灰氫為還原劑的富氫煤氣豎爐直接還原工藝。環(huán)保經(jīng)濟(jì)的制氫、儲氫技術(shù)突破將推動純氫氣基豎爐直接還原工藝發(fā)展。