钢铁工业炼铁工序绿色低碳技术浅析

王建昌

（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

0.引言

2020年，中国粗钢产量达到10.65亿t，以56.7%粗钢占比位居全球第一。同时，我国钢铁行业年二氧化碳排放量大，占全国碳排放总量的18%以上，为碳排放量最高的非电行业。另外，我国废钢利用率不足，短流程电炉炼钢占比仅为10.4%，而全球电炉钢平均占比为33%，这从根本上造成国内钢铁行业二氧化碳排放强度居高不下。中国生产每吨粗钢排放1859kg CO2，分别高于美国、韩国和日本生产每吨粗钢所排放的1100kg CO2、1300kg CO2和1450kg CO2，钢铁行业急需对CO2进行大幅度减排。近年来，尽管钢铁行业在节能减排上付出了很大努力，碳排放强度逐年下降，但由于钢铁行业体量大和工艺流程的特殊性，碳排放总量控制的压力仍然十分巨大。“碳中和”目标下，钢铁行业将成为重要试点工业。

1.钢铁工业节能低碳技术

作为中国国民经济重要的支柱产业，钢铁工业在烧结球团—高炉—转炉长流程生产过程中需要消耗巨量的能源，其消耗量占全国能源消耗总量的15%～16%。然而，目前我国钢铁工业的吨钢能耗不断降低，2018年钢铁工业协会会员生产企业总能耗为26417.01万t标煤，吨钢综合能耗为555.24kg标煤/t，达到了国际先进水平。钢铁工业能效提升的两大途径是生产过程高效用能和末端余热回收利用。目前，随着关键性节能技术的攻关与突破，如高炉渣余热回收利用技术、低热值烧结烟气余热回收利用技术，钢铁工业吨钢能耗必然继续下降，达成绿色钢铁转型升级目标。2018年中国单位国内生产总值CO2排放下降4.0%，比2005年累计下降45.8%，已经提前实现了“国家自主奉献”的承诺，基本扭转了温室气体排放快速增长的局面。然而，由于钢铁长流程拥有的高碳消费与排放属性，其CO2排放量所占全国CO2排放总量的份额远高于国际平均水平，温室气体减排任务依旧任重道远[1]。

2.钢铁行业碳减排现状及问题

2.1 我国钢铁产量与排放量持续增长，减排工作任重道远

2000—2020 年，我国粗钢产量增长了8.3倍。特别是经过2016—2018年的供给侧改革，钢铁行业产量不减反增，2020年我国粗钢产量达到10.53亿t，全球占比57%。与此同时，CO2排放量在2000—2017年间增长了4.3倍，达到16.77亿t。虽然排放强度（吨钢CO2排放量）相对2000年下降了34%，降为2.02t，但仍高于全球平均排放强度1.85t。主要原因是目前我国钢铁终端需求以低附加值的普钢为主，企业偏向于选择成本低，碳排放强度高得长流程（高炉－转炉）工艺，约占产能的90%。根据国家冶金工业规划研究院编制的《钢铁行业碳达峰及降碳行动方案》（初稿），钢铁行业2025年前要实现碳达峰，2030年碳排放较峰值降低30%，减排压力巨大[2]。

2.2 现有减碳措施均有受限因素，低碳技术有待突破

目前我国钢铁行业减碳措施主要有五种方式：减少产量、推行碳排放权交易、现有生产工艺升级、研发新型低碳工艺和发展碳捕获利用与封存技术（CCUS）。根据实施的难易程度和效果可分为3个层次[3]：（1）减少产量和推行碳排放权交易，主要作用于供给端，前者可以依靠行政命令执行，后者可以通过建立全国统一碳金融市场实现，但是目前我国钢铁需求短期内不会大幅萎缩，限产会造成装备制造、基础设施建设等下游产业成本上升，甚至引发成本推动型通胀。（2）现有生产工艺升级，相对减排效果有限，因为长流程（高炉－转炉）工艺减排的理论物理极限为20%～30%，而通过提升短流程（电弧炉）占比虽然可以使化石能源吨钢碳排放强度降低60%～70%，但前提是国内废钢存量要高于钢铁需求量，且吨钢用电量从30度上升到1000度，按照我国煤电占比70%的现状，总体碳排放量依然很大。（3）新型低碳工艺和碳捕获与封存，目前成本高、技术不成熟、发展方向不明确，即使未来技术有所突破，应用推广也需要很长时间。整体来看，5种低碳措施均受到一定制约[4]。

3.高炉富氢还原炼铁技术

国内外研究机构逐渐意识到将氢气用于钢铁制造是优化能源结构、工艺流程和产业结构，彻底实现低碳绿色化可持续发展的有效途径之一，并提出了基于氢冶金的高炉富氢或纯氢还原炼铁技术。高炉富氢还原炼铁技术可减排CO215%～50%，有利于高炉低碳化发展，但这些技术的氢气来源仍以“灰氢”为主，当采用“绿氢与蓝氢”，高炉富氢还原炼铁技术的碳排放将继续降低。烧结作为长流程的重要工序，主要采用焦粉或无烟煤等固体燃料供热。燃料中含有C、S、N等，会在烧结过程形成COx、SO2、NOx等气体污染物，使烧结成为高能耗、高污染工序。因此，富氢、低碳烧结技术是深入降低能源消耗与污染物排放的创新前沿技术之一[5]。

4.氧气鼓吹高炉炉顶煤气循环技术

我国粗钢生产流程结构以高炉 − 转炉长流程为主，2019年长流程粗钢占比为89.8%。高炉作为炼铁主要工序，其碳排放占高炉 − 转炉长流程碳排放的67%。因此，若要实现钢铁行业碳中和的目标，高炉是实现低碳排放的重要主体。我国高炉的热效率已达到95%以上，从降低热量消耗来降低间接碳减排的可能性已经很小，但此时副产物煤气仍具有较高的热值，氧气鼓吹高炉炉顶煤气循环工艺可实现煤气的回收和低碳排放的双重功能。该工艺的主要技术原理为空气被通入的大量氧气所替代，炉内的主要煤气成分由之前的N2、CO2和CO变为CO2和CO，采用变压吸附工艺对高炉煤气进行分离。回收得到的高纯度CO可作为还原剂代替焦炭，增加喷煤比，减少焦炭比，生产每吨粗钢排放的二氧化碳的质量分数约降低30%。同时，对氧气高炉排放的二氧化碳进行捕集利用可进一步减少碳排放的质量分数约20%～30%[6]。该工艺也存在以下问题：氧气与焦炭的反应过程为吸热反应，高浓度的冷态氧气与之前的热风空气相比需要消耗更多的燃料产生热量，随着燃料喷吹量和供氧量的增加，鼓风带入的热量减少使得炉料和炉身供热不足，大幅度降低了烧结矿地还原脱碳过程。

5.氢冶金技术

为摆脱对化石能源的依赖，炼铁技术的发展将目光聚焦于氢能。作为21世纪最具有发展力的能源，其绿色低碳、来源广、热值高等特点吸引了诸多国家就其在冶金领域的利用展开研究。在国外，有欧洲ULCOS的“氢”子项目、日本富氢还原铁矿石的“COURSE50计划”、韩国POSCO氢还原炼铁工艺、奥地利“H2FUTURE”绿色氢气存储技术、德国蒂森克虏伯氢基炼铁试验等[35,54]。在国内，宝武集团作为中国钢铁行业氢冶金的先锋队，早在2016年就开始筹划氢冶金绿色低碳炼铁项目，主要从富氢碳循环高炉工艺、以氢代碳还原工艺等方面入手，并在新疆、湛江等地筹建了氢冶金创新基地，随后与中核集团、清华大学联手开发“核能制氢”技术；河钢宣钢启动建设规模为120万t的氢冶金示范工程，采用零重整技术替代传统碳冶金；中晋太行已经开始使用氢基直接还原铁工艺，且形成了具有自主知识产权的CSDRI气基竖炉还原铁技术。此外，鞍钢、包钢、建龙以及一些其他科研院所等也均展开了氢冶金技术研究，均取得理想效果，降低了碳排放，找到了适合各企业特有的氢冶金低碳炼铁技术。

6.富氢燃料烧结技术

日本率先开展烧结料面喷加氢系气体燃料研究，JFE钢铁公司和九州大学开发了烧结料面喷加LNG技术，实现工序能耗降低1.65kg标煤/t-s。在国内，梅钢采用烧结料面喷加焦炉煤气技术实现能耗降低1.48kg标煤/t-s，韶钢和中天钢铁采用烧结料面喷加天然气技术，实现工序能耗分别降低1.99、2.63kg标煤/t-s。随着烧结料层喷加富氢燃料技术的优化，烧结工序能耗明显降低。近年来，叶恒棣、范晓慧等在烧结料层喷加富氢燃料辅助烧结技术的基础上，提出高配比富氢燃料烧结技术，即烧结料面喷加高配比富氢气相燃料以替代碳系固相燃料，强化净减碳比（氢代碳占比）指标，为烧结低碳化指明了方向。通常，烧结料层热状态变化必然影响烧结矿产、质量指标。在烧结杯中（料层高度为700mm）开展高配比富氢燃料烧结试验，当喷加焦炉煤气为0.6%时，料层高度为300mm处的料层热状态。在焦粉配比相同情况下，喷加焦炉煤气使料层最高温度提高33℃，高温焙烧时间延长1.9min，冷却速度降低82.3℃/min，料层热状态指标的改善有利于液相大量生成，有利于低熔点黏结相的慢速冷凝结晶，易于产生性能优良的针、柱状铁酸钙，从而提升烧结矿强度与冶金性能。在喷加焦炉煤气0.6%和保证料层热状态的前提下，固体燃料消耗降低0.3%，可实现烧结低碳化。

7.直接还原技术

直接还原是指以气体、液体或者非焦煤为能源与还原剂，在低于铁矿石和氧化球团矿软化温度下进行还原得到固态金属铁的炼铁工艺，其产品称为直接还原铁，可作为电炉炼钢的优质原料（简称DRI）。铁矿石经过球团工序或者氧化熔融处理得到氧化球团，随后依次进入气基还原竖炉、电炉熔化和精炼连续铸轧分别转化为直接还原铁、钢水和成品钢材，其中在电炉和精炼连铸连轧工序伴随有废钢产生。直接还原铁技术优势在于采用其他还原剂代替焦煤，完全省去焦化工艺，掺杂部分高品位铁精矿和球团矿减少球团工艺占比，碳排放量为相同产量高炉炼铁工艺的80%～85%。直接还原铁工艺有以下优点：（1）扩大了对能源的利用范围。直接还原炼铁可以完全不用焦炭，因此可用各种非煤焦、燃料油、气体燃料、电能等代替日益缺乏的冶金焦。（2）扩大了原料的适应性。直接还原铁有的可处理品位很低的贫矿，有的使用品位极高的铁精矿，可直接用矿粉作原料。

8.智能化炼铁技术

智能化是炼铁工艺提高节能减排效率、实现环保的重要手段。2021年11月15日国家发展改革委员会发言人孟玮明确表示，目前工业等领域实施方案和《科技支撑碳达峰碳中和行动方案》已经编制完成，后续将按程序印发实施，这一消息无疑是当前智能化炼铁工艺技术发展的强心剂。当前“德国工业4.0”与“中国制造2025”的融合，以及如今节能减排、“双碳”等意见的出台，无不表明现阶段炼铁工艺流程向智能化、信息化、数字化融合发展已然是大势所趋。传统高炉由于自身特性的限制，因其冶炼强度高、数据量多、流程长、信息时滞性高、黑箱化严重等特点，其潜力未能被挖掘出来，容易导致大污染、大能耗的结果。新时代炼铁工艺应积极融合5G技术，加速工艺互联网平台的建设，利用大数据挖掘技术、机器学习技术、人工智能技术等对传统炼铁工艺流程进行“点对点”跟踪式监测，达到实时分析预测、及时科学决策的效果。

9.结语

（1）中国绿色发展理念要求传统钢铁工业由节能减排进一步转向低碳化发展，而炼铁工序低碳化是钢铁产业绿色转型升级的重中之重。富氢与纯氢气基竖炉直接还原工艺与长流程富氢低碳冶炼技术是炼铁发展的两大主流方向。（2）基于成熟的气基竖炉直接还原工艺，目前国内可大力发展以灰氢为还原剂的富氢煤气竖炉直接还原工艺。环保经济的制氢、储氢技术突破将推动纯氢气基竖炉直接还原工艺发展。