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钢铁行业是全球最重要的工业二氧化碳排放来源，约占全球二氧化碳排放总量8%。而钢铁行业对全球环境的影响主要是通过高炉炼铁工艺中产生的二氧化碳排放。作为全球的主导钢铁生产工艺，高炉-转炉长流程工艺的产量约占全球钢铁产量的70%。 高炉中的煤基还原工艺及随后的氧气转炉炼钢工艺导致每吨钢直接排放约1.954吨二氧化碳，其中，铁水生产贡献了约80%，而天然气生产的DRI 等其他炉料，其排放量尚不及一半。另外，氢基直接还原的二氧化碳排放量已经接近净零，废钢的二氧化碳排放量为零。吨钢二氧化碳排放量考虑到了经合组织欧盟28国的排放因子80gCO2/kWh（欧盟2050目标）和最佳实用技术（BAT），发电厂使用了高炉煤气和转炉煤气，也考虑了范围3的排放和碳信用。 作为二氧化碳减排的第一步，钢铁生产商可以在现有工厂中最大限度地提高废钢比，并实施以废钢为原料的电炉炼钢工艺，在所有炼钢工艺路线中，其二氧化碳排放量是最低的。取决于电网的因素，将绿色电力（<80gCO₂/kWh），与高效电炉技术相结合，普锐特推出的量子电炉（QEAF）可使吨钢的二氧化碳排放量均值低于150kg。 不过，不可能将整个钢铁行业转变为电炉炼钢，因为该工艺受到了废钢供应和钢材质量的限制，因此，今后钢材的绝大部分生产仍将需要原始材料。然而在向以废钢和DRI炼钢转型的中间阶段，混合型电炉-转炉炼钢将会是一个理想的选择。对于混合型炼钢工艺而言，高度灵活的EAF FUSION技术是一个选择，但从长远来看，以铁矿石为原料的DRI为绿色炼钢带来了更大的潜力。 普锐特拥有广泛的DRI生产工艺组合，包括MIDREX、 HyREX或HYFOR（氢气还原粉矿），可根据铁矿石的特性和粒度的不同分别进行使用，如图1所示。在生产DRI之后，铁矿石的质量也决定了生产工艺。在电炉中加工高品位DRI是市场上的一个既定工艺路线。不过，由于高品位矿石的供应是有限的，而目前的高炉操作是利用低品位矿石，因而需要全新的解决方案来进行低品位DRI的最终还原、熔化和精炼。结合熔炉设备生产铁水的两步工艺，然后在转炉中精炼，似乎是低品位矿石的最佳解决方案。目前普锐特正在与耐火材料供应商奥镁集团（RHIM）和其他合作伙伴合作，开发和推广这种解决方案。  除了前述的避免碳排放的解决方案之外，CCS (碳捕集与封存）和CCU（碳捕集与利用）等解决方案也将对炼钢工艺的脱碳作出贡献。特别是对于那些维持高炉运行的工厂， CCS将是温室气体减排的可行解决方案。稍后部分将进一步探讨不同的炼钢技术，通过各种技术，展示不同电炉方案的实施，最后详细介绍了新型两步法熔炉-转炉工艺。  1 在综合工厂和混合型转炉-电炉炼钢中最大化提高废钢比 提高现有转炉的废钢比是一个有效的、随时可以实施的碳减排解决方案，不需要改变任何基础设施。从工艺优化到废钢预热以及增加二次燃烧，多种解决方案可以将转炉的废钢比提至30%。因此，这些解决方案可将铁水比和二氧化碳排放水平降低10-20%。不过，转炉工艺是一个自热工艺，与电炉不同，没有可能进行外部（电）加热的可能性，因此，缺乏外部热源限制了固体炉料二氧化碳减排潜力。电炉在炉料混合方面更加灵活，而且通过电极供电可以确保废钢、HBI或DRI等固态炉料的混合。EAF Fusion设备包括铁水出铁槽、额外的顶吹气喷枪和过渡阶段专用上部容器等功能，铁水比可达75%。对于继续使用高炉或对废钢和DRI使用受限的工厂而言，这些特点使EAF Fusion成为一个创新的解决方案。 不过，将电炉纳入现有的综合工厂是具有挑战性的，这归咎于电力需求高、钢种的重新认证、现有工厂基础设施的限制，以及对物流和生产工艺的重大变化。特别是对于超过300吨的大型转炉，电炉直接替代转炉是很困难的，主要归因于变压器的大型尺寸、电力需求和较长的处理时间。因此，普锐特开发了一种名为“PREMELT”的工艺，目前正在申请专利的工艺。在该工艺中，废钢和DRI在电炉中被“预熔化”，与来自高炉的铁水混合，然后被装入转炉。在PREMELT工艺中，电炉熔化，而精炼则在转炉完成。此举的优点是：电炉的炉容量小于转炉，此外，电炉的位置非常灵活，它可以部分置于钢厂之外，而不需要改变钢厂的内部物流，且与生产工艺路线有关的钢种认证也保持不变。PREMELT工艺的炉型和设计取决于炉料组合和炉容量。对于炉容量小于70吨的IF（感应炉），能够满足熔化需求，而对于更大炉容量，需要更大电力输入，此时电炉的效率更高。基于废钢的高能效量子电炉可以实现尽可能低的二氧化碳排放。在这种炉子里，通过利用热尾气对废钢进行预热来实现最低的能耗，然而PREMELT工艺的一个缺点是，如果所有的高炉都被废除，或者生产方式转化为直接还原，那么电炉类型、位置和炉容量就可能不再适用于生产工艺，需要进行额外的修改。图2显示了以高炉品位铁矿石为原料的综合钢铁厂向混合型电炉-转炉装置转变的步骤，以及应用氢气直接还原炼钢的两步法工艺。   2 DRI 炼钢 对于高炉炼铁工艺而言，直接还原是当今最有希望的替代方法，可以最大限度地减少二氧化碳排放。目前，MIDREX竖炉工艺是占据主导地位的直接还原技术。该工艺使用还原性气体，主要是由天然气产生的合成气，今后则可能采用氢气，由此生产DRI球团。在还原步骤之后，DRI被直接送入电炉或将压成HBI进行运输，然后向高炉、转炉或电炉装料。普锐特已经安装了各种DRI-EAF配置，特别是在中东地区，以100%的DRI运行。与以废钢为基础的EAF炼钢相比，DRI在混合料中的高配比将导致更高的能耗，因此，冶炼周期也更长。主要原因就是脉石含量和DRI中FeO含量的最终减少。另一方面，由于废钢较少或没有熔化，以及熔池的完全发泡渣覆盖，高配比的DRI允许在较低的氮水平下出钢。 为了利于电炉操作，需要低脉石含量和高金属化的高品位DRI/HBI。低脉石含量和高金属化程度使电炉工艺中的渣量保持在合理的水平，并确保较少的铁水损失、较低的电力和熔剂消耗，与使用低品位DRI/HBI相比，产量更高。不过，高品位铁矿石的供应是有限的，目前全球大多数海运铁矿石都是低品位的。因此，对于低品位铁矿石生产的DRI而言，在处理方式上还需要全新的解决方案。 低品位铁矿石的典型脉石含量为12%，相当于高品位矿石的两倍多。更高的脉石含量将导致在电炉中消耗更多的熔剂，从而达到目标炉渣碱性和适当的炉渣发泡。炉渣发泡的稳定的电炉操作要求炉渣碱度约为1.8，这就很好地解释了为什么在使用低品位原料的电炉中，吨钢渣量多增加了400kg。较高的渣量与高于20%的FeO含量相结合，会导致大量的铁损失，因此，产量更低。另一个需要解决的问题是DRI-EAF渣的回收再利用。通常的做法是在机械分离和内部回收后，只进行一些有限的应用。 一个切实可行的解决方案是通过带有熔炉和转炉的两步法工艺处理低品位DRI。在这种情况下，熔炉进行熔化和最终还原，而单独的第二步进行所有的二次精炼，通常是在转炉中进行。将该工艺分成两个步骤，可以在第一个工艺步骤中有效地分离金属和炉渣，并产生适合水泥工业的炉渣。熔炉可以在约为1的低碱度条件下操作，渣量较低，且与粒化高炉渣非常相似。这种封闭式固定炉中的还原气氛将有助于提高还原度，并使炉渣中的铁含量降至最低，从而提高了产量。 除了更高的产量、更低的渣量以及水泥行业应用的可能性等优势外，现有的转炉钢厂的操作和下游工序也可以保持不变。低品位铁矿石的成本较低，弥补了两步法工艺相较电炉工艺更高的运营成本。图3比较了在欧洲价格基础（高品位DRI为300欧元/吨，低品位DRI为247欧元/吨，电力80欧元/MWh，石灰70欧元/吨，白云石75欧元/吨，煤70欧元/吨）上计算出的不同铁矿石生产工艺路线的总成本。  对于这两条工艺路线来说，转变成本主要是电能、材料添加量和介质消耗量，它们随着铁矿石品位的降低而增加，另一方面，DRI成本也出现下降。 图3显示，从低品位矿石加工而成的DRI在两步法工艺中更便宜，而高品位铁矿石则更适合直接进行电炉加工，目前的市场反映了这一趋势。当今所有的DRI-EAF工厂都使用高品位DRI，并接受这种优质炉料的要求价格。 直接还原法炼钢将取代目前很大一部分高炉-转炉长流程炼钢工艺，由此促进未来的绿色炼钢。图4显示了未来可能的钢铁生产路线的份额。对于绿色炼钢而言，DRI-EAF炼钢和通过熔炉两步法工艺都是可行的；对于综合钢厂来说，普遍希望以低品位铁矿石为原料，在熔炉中进行熔化和最终还原，然后在转炉中进行最终精炼，这才是首选的解决方案。  3 熔炉的开发和设计特点 熔炉可以处理广泛的进料，包括球团形式的低品位DRI或者HBI（热压块铁），例如，从MIDREX直接还原竖炉模块到DRI细粉（来自于HYFOR或HyREX）。除DRI外，铁料和含有氧化铁的副产品，如粉尘、氧化铁皮或炉渣，都可以在熔炉中熔化和还原。 熔炉的设计原理是一个纯电加热的炉子，留钢量很大。没有化学动力输入，类似于DRI-电炉工艺通过侧壁注入氧气进行铁氧化。利用索德伯格电极进行电阻加热，产生热量，确保稳定和有效的操作，并具有较长的耐材使用寿命。此外，以短弧或刷弧模式操作，预计会提高生产率。然而，每根电极的总输入功率以及与熔池表面有关的输入比功率要比传统电炉低得多。因此，需要更大的炉体尺寸。炉体的形状可以是圆形或长方形，一种典型的、直接的耐火材料概念可以应用于圆形炉，这是因为排列在圆形的楔形砖是相互支撑的。考虑到矩形炉中耐火砖的热膨胀，需要一个预紧装置避免衬壁上出现缝隙，预紧装置是基于可调节的“故障安全碟形弹簧”（fail-safe disc spring）概念。熔炉的产能需要与直接还原厂的年产能（150万吨-250万吨）相匹配；对于一个带有6个联排电极的矩形炉而言，DRI年产能可达150万吨。因此，对于一个大型直接还原工厂来说，需要两台熔炉同时工作；圆形熔炉只配备了三个电极，其产能约为矩形熔炉的一半。 两个矩形熔炉并排在一起，由一个直接还原模块通过热传输系统进料。每个熔炉的年产能为125万吨，而索德伯格电极为大型炉体尺寸实现了足够的电力输入。类似于开口机和流槽将铁水导入鱼雷车，允许现有的基础设施保持不变，便于炼钢厂中运输和处理熔体。 对于熔炉的开发，普锐特和RHIM已经进行了详细的工艺分析，并确定了炉体设计。耐火材料的概念可以满足大留钢量的连续运行，并有冷却系统帮助实现长达数年的耐材寿命。该商业案例已经过评估，实践已经证明了低品位DRI熔炼实施两步法工艺的好处。下一步是在小型测试活动中验证该工艺的概念，然后将其升级为工业原型工厂，最好是与HYFOR工艺相结合。受不同因素影响，工业示范工厂将在2025年前正式投入运营。 钢铁行业的脱碳将需要引入更多的废钢和直接还原基炼钢工艺，从而确保绿色钢材的生产和炼钢工艺的绿色化。起点是使现有综合工厂的废钢比最大化，并向基于废钢的混合型电炉炼钢工艺转型。然而，长期的氢基直接还原炼钢似乎是综合工厂最有前途的解决方案。此外，根据矿石铁品位，可以采用两种工艺路线。对于高品位DRI，电炉炼钢是最可行的脱碳方案，而对于低品位DRI，熔炉两步法工艺与现有转炉的进一步处理是更经济的解决方案。 目前，初级的解决方案包括：在现有工厂中提高废钢比，MIDREX直接还原厂与电炉结合，而创新型解决方案还有待进一步开发和升级，如HYFOR技术用氢直接还原粉矿或熔炉熔化和最终还原低品位DRI。这些技术方案今后有望谱写钢铁行业的未来。  《世界金属导报》 2023年第18期 B14、B15  内容来源：http://www./ |
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