鋼鐵行業(yè)是全球最重要的工業(yè)二氧化碳排放來源，約占全球二氧化碳排放總量8%。而鋼鐵行業(yè)對(duì)全球環(huán)境的影響主要是通過高爐煉鐵工藝中產(chǎn)生的二氧化碳排放。作為全球的主導(dǎo)鋼鐵生產(chǎn)工藝，高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程工藝的產(chǎn)量約占全球鋼鐵產(chǎn)量的70%。

高爐中的煤基還原工藝及隨后的氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝導(dǎo)致每噸鋼直接排放約1.954噸二氧化碳，其中，鐵水生產(chǎn)貢獻(xiàn)了約80%，而天然氣生產(chǎn)的DRI 等其他爐料，其排放量尚不及一半。另外，氫基直接還原的二氧化碳排放量已經(jīng)接近凈零，廢鋼的二氧化碳排放量為零。噸鋼二氧化碳排放量考慮到了經(jīng)合組織歐盟28國(guó)的排放因子80gCO2/kWh（歐盟2050目標(biāo)）和最佳實(shí)用技術(shù)（BAT），發(fā)電廠使用了高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，也考慮了范圍3的排放和碳信用。

作為二氧化碳減排的第一步，鋼鐵生產(chǎn)商可以在現(xiàn)有工廠中最大限度地提高廢鋼比，并實(shí)施以廢鋼為原料的電爐煉鋼工藝，在所有煉鋼工藝路線中，其二氧化碳排放量是最低的。取決于電網(wǎng)的因素，將綠色電力（<80gCO?/kWh），與高效電爐技術(shù)相結(jié)合，普銳特推出的量子電爐（QEAF）可使噸鋼的二氧化碳排放量均值低于150kg。

不過，不可能將整個(gè)鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姞t煉鋼，因?yàn)樵摴に囀艿搅藦U鋼供應(yīng)和鋼材質(zhì)量的限制，因此，今后鋼材的絕大部分生產(chǎn)仍將需要原始材料。然而在向以廢鋼和DRI煉鋼轉(zhuǎn)型的中間階段，混合型電爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼將會(huì)是一個(gè)理想的選擇。對(duì)于混合型煉鋼工藝而言，高度靈活的EAF FUSION技術(shù)是一個(gè)選擇，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，以鐵礦石為原料的DRI為綠色煉鋼帶來了更大的潛力。

普銳特?fù)碛袕V泛的DRI生產(chǎn)工藝組合，包括MIDREX、 HyREX或HYFOR（氫氣還原粉礦），可根據(jù)鐵礦石的特性和粒度的不同分別進(jìn)行使用，如圖1所示。在生產(chǎn)DRI之后，鐵礦石的質(zhì)量也決定了生產(chǎn)工藝。在電爐中加工高品位DRI是市場(chǎng)上的一個(gè)既定工藝路線。不過，由于高品位礦石的供應(yīng)是有限的，而目前的高爐操作是利用低品位礦石，因而需要全新的解決方案來進(jìn)行低品位DRI的最終還原、熔化和精煉。結(jié)合熔爐設(shè)備生產(chǎn)鐵水的兩步工藝，然后在轉(zhuǎn)爐中精煉，似乎是低品位礦石的最佳解決方案。目前普銳特正在與耐火材料供應(yīng)商奧鎂集團(tuán)（RHIM）和其他合作伙伴合作，開發(fā)和推廣這種解決方案。

除了前述的避免碳排放的解決方案之外，CCS (碳捕集與封存）和CCU（碳捕集與利用）等解決方案也將對(duì)煉鋼工藝的脫碳作出貢獻(xiàn)。特別是對(duì)于那些維持高爐運(yùn)行的工廠， CCS將是溫室氣體減排的可行解決方案。稍后部分將進(jìn)一步探討不同的煉鋼技術(shù)，通過各種技術(shù)，展示不同電爐方案的實(shí)施，最后詳細(xì)介紹了新型兩步法熔爐-轉(zhuǎn)爐工藝。

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在綜合工廠和混合型轉(zhuǎn)爐-電爐煉鋼中最大化提高廢鋼比

提高現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐的廢鋼比是一個(gè)有效的、隨時(shí)可以實(shí)施的碳減排解決方案，不需要改變?nèi)魏位A(chǔ)設(shè)施。從工藝優(yōu)化到廢鋼預(yù)熱以及增加二次燃燒，多種解決方案可以將轉(zhuǎn)爐的廢鋼比提至30%。因此，這些解決方案可將鐵水比和二氧化碳排放水平降低10-20%。不過，轉(zhuǎn)爐工藝是一個(gè)自熱工藝，與電爐不同，沒有可能進(jìn)行外部（電）加熱的可能性，因此，缺乏外部熱源限制了固體爐料二氧化碳減排潛力。電爐在爐料混合方面更加靈活，而且通過電極供電可以確保廢鋼、HBI或DRI等固態(tài)爐料的混合。EAF Fusion設(shè)備包括鐵水出鐵槽、額外的頂吹氣噴槍和過渡階段專用上部容器等功能，鐵水比可達(dá)75%。對(duì)于繼續(xù)使用高爐或?qū)U鋼和DRI使用受限的工廠而言，這些特點(diǎn)使EAF Fusion成為一個(gè)創(chuàng)新的解決方案。

不過，將電爐納入現(xiàn)有的綜合工廠是具有挑戰(zhàn)性的，這歸咎于電力需求高、鋼種的重新認(rèn)證、現(xiàn)有工廠基礎(chǔ)設(shè)施的限制，以及對(duì)物流和生產(chǎn)工藝的重大變化。特別是對(duì)于超過300噸的大型轉(zhuǎn)爐，電爐直接替代轉(zhuǎn)爐是很困難的，主要?dú)w因于變壓器的大型尺寸、電力需求和較長(zhǎng)的處理時(shí)間。因此，普銳特開發(fā)了一種名為“PREMELT”的工藝，目前正在申請(qǐng)專利的工藝。在該工藝中，廢鋼和DRI在電爐中被“預(yù)熔化”，與來自高爐的鐵水混合，然后被裝入轉(zhuǎn)爐。在PREMELT工藝中，電爐熔化，而精煉則在轉(zhuǎn)爐完成。此舉的優(yōu)點(diǎn)是：電爐的爐容量小于轉(zhuǎn)爐，此外，電爐的位置非常靈活，它可以部分置于鋼廠之外，而不需要改變鋼廠的內(nèi)部物流，且與生產(chǎn)工藝路線有關(guān)的鋼種認(rèn)證也保持不變。PREMELT工藝的爐型和設(shè)計(jì)取決于爐料組合和爐容量。對(duì)于爐容量小于70噸的IF（感應(yīng)爐），能夠滿足熔化需求，而對(duì)于更大爐容量，需要更大電力輸入，此時(shí)電爐的效率更高。基于廢鋼的高能效量子電爐可以實(shí)現(xiàn)盡可能低的二氧化碳排放。在這種爐子里，通過利用熱尾氣對(duì)廢鋼進(jìn)行預(yù)熱來實(shí)現(xiàn)最低的能耗，然而PREMELT工藝的一個(gè)缺點(diǎn)是，如果所有的高爐都被廢除，或者生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)化為直接還原，那么電爐類型、位置和爐容量就可能不再適用于生產(chǎn)工藝，需要進(jìn)行額外的修改。圖2顯示了以高爐品位鐵礦石為原料的綜合鋼鐵廠向混合型電爐-轉(zhuǎn)爐裝置轉(zhuǎn)變的步驟，以及應(yīng)用氫氣直接還原煉鋼的兩步法工藝。

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DRI 煉鋼

對(duì)于高爐煉鐵工藝而言，直接還原是當(dāng)今最有希望的替代方法，可以最大限度地減少二氧化碳排放。目前，MIDREX豎爐工藝是占據(jù)主導(dǎo)地位的直接還原技術(shù)。該工藝使用還原性氣體，主要是由天然氣產(chǎn)生的合成氣，今后則可能采用氫氣，由此生產(chǎn)DRI球團(tuán)。在還原步驟之后，DRI被直接送入電爐或?qū)撼蒆BI進(jìn)行運(yùn)輸，然后向高爐、轉(zhuǎn)爐或電爐裝料。普銳特已經(jīng)安裝了各種DRI-EAF配置，特別是在中東地區(qū)，以100%的DRI運(yùn)行。與以廢鋼為基礎(chǔ)的EAF煉鋼相比，DRI在混合料中的高配比將導(dǎo)致更高的能耗，因此，冶煉周期也更長(zhǎng)。主要原因就是脈石含量和DRI中FeO含量的最終減少。另一方面，由于廢鋼較少或沒有熔化，以及熔池的完全發(fā)泡渣覆蓋，高配比的DRI允許在較低的氮水平下出鋼。

為了利于電爐操作，需要低脈石含量和高金屬化的高品位DRI/HBI。低脈石含量和高金屬化程度使電爐工藝中的渣量保持在合理的水平，并確保較少的鐵水損失、較低的電力和熔劑消耗，與使用低品位DRI/HBI相比，產(chǎn)量更高。不過，高品位鐵礦石的供應(yīng)是有限的，目前全球大多數(shù)海運(yùn)鐵礦石都是低品位的。因此，對(duì)于低品位鐵礦石生產(chǎn)的DRI而言，在處理方式上還需要全新的解決方案。

低品位鐵礦石的典型脈石含量為12%，相當(dāng)于高品位礦石的兩倍多。更高的脈石含量將導(dǎo)致在電爐中消耗更多的熔劑，從而達(dá)到目標(biāo)爐渣堿性和適當(dāng)?shù)臓t渣發(fā)泡。爐渣發(fā)泡的穩(wěn)定的電爐操作要求爐渣堿度約為1.8，這就很好地解釋了為什么在使用低品位原料的電爐中，噸鋼渣量多增加了400kg。較高的渣量與高于20%的FeO含量相結(jié)合，會(huì)導(dǎo)致大量的鐵損失，因此，產(chǎn)量更低。另一個(gè)需要解決的問題是DRI-EAF渣的回收再利用。通常的做法是在機(jī)械分離和內(nèi)部回收后，只進(jìn)行一些有限的應(yīng)用。

一個(gè)切實(shí)可行的解決方案是通過帶有熔爐和轉(zhuǎn)爐的兩步法工藝處理低品位DRI。在這種情況下，熔爐進(jìn)行熔化和最終還原，而單獨(dú)的第二步進(jìn)行所有的二次精煉，通常是在轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行。將該工藝分成兩個(gè)步驟，可以在第一個(gè)工藝步驟中有效地分離金屬和爐渣，并產(chǎn)生適合水泥工業(yè)的爐渣。熔爐可以在約為1的低堿度條件下操作，渣量較低，且與粒化高爐渣非常相似。這種封閉式固定爐中的還原氣氛將有助于提高還原度，并使?fàn)t渣中的鐵含量降至最低，從而提高了產(chǎn)量。

除了更高的產(chǎn)量、更低的渣量以及水泥行業(yè)應(yīng)用的可能性等優(yōu)勢(shì)外，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)爐鋼廠的操作和下游工序也可以保持不變。低品位鐵礦石的成本較低，彌補(bǔ)了兩步法工藝相較電爐工藝更高的運(yùn)營(yíng)成本。圖3比較了在歐洲價(jià)格基礎(chǔ)（高品位DRI為300歐元/噸，低品位DRI為247歐元/噸，電力80歐元/MWh，石灰70歐元/噸，白云石75歐元/噸，煤70歐元/噸）上計(jì)算出的不同鐵礦石生產(chǎn)工藝路線的總成本。

對(duì)于這兩條工藝路線來說，轉(zhuǎn)變成本主要是電能、材料添加量和介質(zhì)消耗量，它們隨著鐵礦石品位的降低而增加，另一方面，DRI成本也出現(xiàn)下降。

圖3顯示，從低品位礦石加工而成的DRI在兩步法工藝中更便宜，而高品位鐵礦石則更適合直接進(jìn)行電爐加工，目前的市場(chǎng)反映了這一趨勢(shì)。當(dāng)今所有的DRI-EAF工廠都使用高品位DRI，并接受這種優(yōu)質(zhì)爐料的要求價(jià)格。

直接還原法煉鋼將取代目前很大一部分高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程煉鋼工藝，由此促進(jìn)未來的綠色煉鋼。圖4顯示了未來可能的鋼鐵生產(chǎn)路線的份額。對(duì)于綠色煉鋼而言，DRI-EAF煉鋼和通過熔爐兩步法工藝都是可行的；對(duì)于綜合鋼廠來說，普遍希望以低品位鐵礦石為原料，在熔爐中進(jìn)行熔化和最終還原，然后在轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行最終精煉，這才是首選的解決方案。

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熔爐的開發(fā)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)

熔爐可以處理廣泛的進(jìn)料，包括球團(tuán)形式的低品位DRI或者HBI（熱壓塊鐵），例如，從MIDREX直接還原豎爐模塊到DRI細(xì)粉（來自于HYFOR或HyREX）。除DRI外，鐵料和含有氧化鐵的副產(chǎn)品，如粉塵、氧化鐵皮或爐渣，都可以在熔爐中熔化和還原。

熔爐的設(shè)計(jì)原理是一個(gè)純電加熱的爐子，留鋼量很大。沒有化學(xué)動(dòng)力輸入，類似于DRI-電爐工藝通過側(cè)壁注入氧氣進(jìn)行鐵氧化。利用索德伯格電極進(jìn)行電阻加熱，產(chǎn)生熱量，確保穩(wěn)定和有效的操作，并具有較長(zhǎng)的耐材使用壽命。此外，以短弧或刷弧模式操作，預(yù)計(jì)會(huì)提高生產(chǎn)率。然而，每根電極的總輸入功率以及與熔池表面有關(guān)的輸入比功率要比傳統(tǒng)電爐低得多。因此，需要更大的爐體尺寸。爐體的形狀可以是圓形或長(zhǎng)方形，一種典型的、直接的耐火材料概念可以應(yīng)用于圓形爐，這是因?yàn)榕帕性趫A形的楔形磚是相互支撐的。考慮到矩形爐中耐火磚的熱膨脹，需要一個(gè)預(yù)緊裝置避免襯壁上出現(xiàn)縫隙，預(yù)緊裝置是基于可調(diào)節(jié)的“故障安全碟形彈簧”（fail-safe disc spring）概念。熔爐的產(chǎn)能需要與直接還原廠的年產(chǎn)能（150萬噸-250萬噸）相匹配；對(duì)于一個(gè)帶有6個(gè)聯(lián)排電極的矩形爐而言，DRI年產(chǎn)能可達(dá)150萬噸。因此，對(duì)于一個(gè)大型直接還原工廠來說，需要兩臺(tái)熔爐同時(shí)工作；圓形熔爐只配備了三個(gè)電極，其產(chǎn)能約為矩形熔爐的一半。

兩個(gè)矩形熔爐并排在一起，由一個(gè)直接還原模塊通過熱傳輸系統(tǒng)進(jìn)料。每個(gè)熔爐的年產(chǎn)能為125萬噸，而索德伯格電極為大型爐體尺寸實(shí)現(xiàn)了足夠的電力輸入。類似于開口機(jī)和流槽將鐵水導(dǎo)入魚雷車，允許現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施保持不變，便于煉鋼廠中運(yùn)輸和處理熔體。

對(duì)于熔爐的開發(fā)，普銳特和RHIM已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的工藝分析，并確定了爐體設(shè)計(jì)。耐火材料的概念可以滿足大留鋼量的連續(xù)運(yùn)行，并有冷卻系統(tǒng)幫助實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的耐材壽命。該商業(yè)案例已經(jīng)過評(píng)估，實(shí)踐已經(jīng)證明了低品位DRI熔煉實(shí)施兩步法工藝的好處。下一步是在小型測(cè)試活動(dòng)中驗(yàn)證該工藝的概念，然后將其升級(jí)為工業(yè)原型工廠，最好是與HYFOR工藝相結(jié)合。受不同因素影響，工業(yè)示范工廠將在2025年前正式投入運(yùn)營(yíng)。

鋼鐵行業(yè)的脫碳將需要引入更多的廢鋼和直接還原基煉鋼工藝，從而確保綠色鋼材的生產(chǎn)和煉鋼工藝的綠色化。起點(diǎn)是使現(xiàn)有綜合工廠的廢鋼比最大化，并向基于廢鋼的混合型電爐煉鋼工藝轉(zhuǎn)型。然而，長(zhǎng)期的氫基直接還原煉鋼似乎是綜合工廠最有前途的解決方案。此外，根據(jù)礦石鐵品位，可以采用兩種工藝路線。對(duì)于高品位DRI，電爐煉鋼是最可行的脫碳方案，而對(duì)于低品位DRI，熔爐兩步法工藝與現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐的進(jìn)一步處理是更經(jīng)濟(jì)的解決方案。

目前，初級(jí)的解決方案包括：在現(xiàn)有工廠中提高廢鋼比，MIDREX直接還原廠與電爐結(jié)合，而創(chuàng)新型解決方案還有待進(jìn)一步開發(fā)和升級(jí)，如HYFOR技術(shù)用氫直接還原粉礦或熔爐熔化和最終還原低品位DRI。這些技術(shù)方案今后有望譜寫鋼鐵行業(yè)的未來。