分类：农业论文 时间：2022-05-09 热度：877
摘 要：分析了现代高炉炼铁和非高炉炼铁(直接还原、熔融还原)工艺特点和发展现状，从多个方面比较现有生产条件下各工艺的优缺点。从能源结构、生产规模及工艺成熟度阐述高炉炼铁在当前仍是国内主流工艺，并结合当前国内外低碳发展趋势和政策要求，提出高炉工艺降低碳耗的措施，明确了以“短流程”替代“长流程”和以新能源替代碳素冶金的发展方向，以最终实现“零碳炼铁”。结合现有的国际上的能源结构调整方向，指出了氢冶金的发展方向。
关键词：高炉工艺;氢冶金;碳冶金;非高炉炼铁;低碳冶金
现代钢铁冶炼以“高炉-转炉”和“废钢或直接还原铁-电炉”为主流，另外还包括少数高炉使用金属化炉料、电炉兑高炉铁水、熔融还原铁水和转炉搭配等具有特殊性的非主流流程。其中，炼铁绝大部分采用高炉炼铁工艺，工业化的非高炉炼铁工艺包括直接还原和熔融还原工艺[1-2]。高炉生铁产量约占世界生铁产量的70%，主要是由于其操作简便、能耗低、成本低廉、可大量生产而广泛应用。非高炉炼铁工艺是为了解决国际上普遍存在的焦煤短缺问题，曾先后出现了以煤代焦、以天然气重整取代煤基还原剂的直接还原工艺，也包括直接利用粉矿、粉煤的有利于快速还原的工艺，以及以各种熔融炉为代表的熔融还原工艺[3]。
随着环境要求和温室气体对气候影响程度的提高，各国相继签订《巴黎气候变化协定》，旨在尽快实现温室气体排放达到峰值、本世纪下半叶实现温室气体净零排放，以降低气候变化给地球带来的生态风险以及给人类带来的生存危机。2021年是“十四五”开局之年，中国将在2030年前达到二氧化碳排放峰值，2030年非化石能源占一次能源消费比例达到25%，风电和太阳能发电装机达到12亿 kW·h以上，2060年前实现碳中和[4]。对传统炼铁工艺而言，改变以煤炭为主的高碳能源和电力结构，转向清洁能源为主的低碳能源结构，是大势所趋和必由之路。因此，以清洁、可再生能源和氢气炼铁工艺也相继出现。
1 现代主流炼铁工艺对比
1.1 高炉炼铁发展及特点
近年来，中国高炉炼铁生产的快速发展，带动了全球高炉生铁产量的大幅度增加。根据世界钢铁协会的统计数据，2019年世界高炉生铁产量为12.78亿t，中国产量已经8.09亿t[5]，高炉炼铁在钢铁业生产中仍处于绝对优势地位，2020年中国生铁产量增加到8.87亿t。
高炉炼铁是由古代竖炉炼铁发展和改进而成的。纵观整个炼铁史，高炉炼铁技术经过了200多年的多项重大关键技术发明和改进的积累。现代高炉的工艺、设备和结构都取得了巨大的进步，标志性发展见表1。
从实际运行可以看到，高炉炼铁的优点是明显的。规模大、热效率高、能耗低、铁回收率高、生产成本低、设备利用率高、作业率高、铁收得率达98%以上，大型高炉单炉日产铁水达万吨以上，一代炉役寿命可达到15～20年以上[7]。其主要原因是：在高炉炼铁过程中，铁前工艺采用精料技术，强化了原料预处理，实现了低渣比、低硅冶炼，为现代钢铁企业提供优质铁水;配套的辅助设施采用先进的热风炉，实现了高风温以及脱湿鼓风、富氧鼓风与喷吹煤粉等先进技术集合，进一步优化了燃料结构，使高炉焦比降低到330kg/t以下，产量进一步提高，降低了铁水综合成本。与此同时，高炉设备不断改进和大型化。高炉顶压力、皮带上料、无钟布料、炉顶煤气干法除尘、余压发电、炉前机械化等设备和检测仪表，以及计算机多级控制、专家系统，改善了劳动条件，为钢铁冶 炼 更 加 合 理 化、智 能 化 创 造 了 有 利 的 条件[8]。高炉炼铁已经成为现代钢铁联合企业连续生产各种优 质 钢 材、创 造 巨 大 经 济 效 益 的 基 础 生 产流程。
1.2 非高炉炼铁工艺分析
非高炉炼铁(直接还原或熔融还原)的提法最早可以追溯到1850年[9]，是针对高炉炼铁中焦煤资源短缺的固有问题提出的，意在达到环保要求，甚至取代高炉炼铁。在工艺优势方面，非高炉炼铁技术不依赖于焦炭，能源选择范围广、环境负荷低、流程短，从根本意义上减少烧结、球团、焦化等作业工序中产生和排放各种污染物的现象。其在国外取得了长足的发展，逐步形成以直接还原和熔融还原为主体的现代化非高炉炼铁体系。
1.2.1 直接还原工艺
直接还原工艺是在不熔化、不造渣的条件下，利用气态、液态燃料或非焦煤为还原剂将含铁原料还原为固态直接还原铁(DirectReducedIron，DRI)，根据其使用还原剂不同，可分为煤基和气基两种;按反应器分类，可分为固定床、竖炉、流化床、回转窑等种类[10]。
煤基法直接还原工艺是将高品位块矿或铁精粉等含铁氧化物制成球团与固体还原剂(无烟煤等)混合成炉料，加入煤基立式反应炉中，炉料在封闭的立式反应器中进行 “预热 → 还原”，代表性的流 程 是SL/RN[11-12]。还原后产品为 DRI球团，用于短流程炼钢工艺，可轧制成块或饼，还可通过热装进入炼钢工序，实现低能耗生产。煤基回转窑直接还原铁产量占直接还原铁总产量的比例不足20%，目前主要分布在印度、南非等铁矿石、非焦煤炭资源丰富且廉价的地区。中国曾建煤基回转窑直接还原铁生产线7条，由于铁矿石价格上涨，依靠进口球团生产 DRI亏损，导致中国生产 DRI的回转窑全部被迫停产闲置。气基直接还原工艺是以天然气为主体能源生产海绵铁，主要设备是竖炉，其他的还有流化床和反应罐，最具代表性的是 Midrex和 HYL-III[13-14]。
比较煤基法和气基法，煤基法单台设备规模偏小、能耗偏高，仅适用于处理特殊冶金资源。气基法最大单台规模可达到250万t/年。气基法也可以使用煤制气、焦炉煤气等作为还原剂进 行 生 产，但 由于煤制气设备投资高，气体净化和运行成本高，煤气成分波动 大，造 成 气 基 法 用 于 直 接 还 原 的 可 行性降低。
直接还原的优势有两方面：一是不使用焦炭，二是对规模的依赖程度比高炉要小很多。其缺点主要是能耗较高(表2[10-14])。因此，直接还原工艺目前还不能从根本上取代高炉炼铁工艺。
1.2.2 熔融还原工艺
熔融还原工艺最初是以非焦煤为主要燃料、不用或仅使用少量焦炭生产液态热铁水的炼铁方法。以煤为能源、气体作为还原剂的称为“氧-煤工艺”，以煤作为还原剂、电作为主要能源的称为“电-煤工艺”。 熔 融 还 原 工 艺 经 历 了 “一 步 法 ”和 “二 步法”[15-16]演 变，主 要 有 HISarna、Corex、Finex 和HIsmelt工艺。其中，HISarna是一种煤基铁浴法熔融还原炼铁工艺，属于“一步法”，该工艺直接使用煤粉和粉 矿 作 为 原 燃 料，熔 剂 选 用 石 灰 石 和 白 云石[17];COREX是由奥钢联开发的一种使用块矿或球团矿作原料、非焦煤作还原剂和燃料的熔融还原炼铁工艺，属于“二步法”[18];FINEX 工艺是韩国浦项制铁在 COREX工艺基础上开发的创新型熔融还原炼铁工艺[19];HIsmelt熔融还原炼铁工艺系统主要核心包括熔融还原炉、原燃料喷吹系统和水冷喷枪，其主要原料为铁矿粉和非焦煤[20-22]。
通过对以上几种熔融还原工艺的了解，从能量来源以及能耗方面进行对比(表3)发现，以克服高炉使用焦炭和块状炉料为目的的熔融还原，在经过很长一段时间的开发和应用后，虽然实现连续工业化生产，但无法在生产运行方面比高炉炼铁凸显优势，其核心问题仍然是能耗高，在运行效率方面也难与高炉竞争。
1.3 高炉炼铁工艺的定位
面对日益趋紧的环保要求和社会发展对钢铁的需求，传统高炉炼铁面临的节能环保及原燃料适应性压力，各种非高炉炼铁工艺的炼铁方法开始应用，将影响未来高炉炼铁在整个钢铁工业中的地位和位置。综上，高炉炼铁工艺在整体能耗方面较其他炼铁流程都要低，但由于其本质是碳还原的特点，相对其他富氢或使用了非碳能源的工艺，高炉炼铁流程的 CO2 排放较高。结合中国的资源条件和当前的技术现状，高炉炼铁在可预见的很长一段时间内仍然是中国最主要的炼铁流程，但在降低 CO2 排放方面将面临越来越大的压力。
非高炉炼铁在中国一直发展不起来的重要原因主要有3点：(1)尽管随着世界经济的高质量发展，能源格局将发生重大改变，能源供需将向低碳化、市场化和数字化方向转型，但中国能源领域存在能源结构不合理、资源环境约束趋紧、能源利用效率低、灵活性调峰电源不足等难题，这决定了新型能源在炼铁使用过程中的局限性;(2)现代高炉逐渐向大型化转变，在现有的成本经济效益下，非高炉炼铁的生产规模及投资成本无法和高炉竞争;(3)非高炉炼铁的种类 尽 管 繁 多，但 其 技 术 的 成 熟 度 和 运 行的稳定性较差，为保证其持续运行，有些非高炉甚至逐渐向高 炉 体 系 的 部 分 操 作 条 件 靠 近，失 去 了其竞争优势。
2 低碳炼铁发展方向
2.1 钢铁行业低碳举措
在全球脱碳大潮的背景下，以减少碳足迹、降低碳排放为中心的传统钢铁冶金工艺技术变革已成为钢铁行业绿色发展的趋势。1992年《联合国气候变化框架公约》签署、2005年《京都议定书》生效、2014年中国提出计划2030年左右达到二氧化碳排放峰值、2016年11月《巴黎协定》生效、2020年中国向全世界宣布“二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。低碳化成为了当前全世界炼铁工业面临的重要挑战，对此国内外展开了不同的措施，见表4。
总的来说，国内钢铁企业在低碳冶金上的探索主要在于加大力度管理碳循环体系，提高能源利用率，开发新的能源。在新的能源开发方面，均以氢能的开发与利用作为重点。
2.2 碳冶金向氢冶金的转变
氢能作为新兴的战略能源，具有来源丰富、热效率较高、能量密度大、使用清洁、可运输、可储存、可再生等特点，已被多国列入国家能源战略部署中，在未来全球能源结构变革中占有重要地位。碳冶金是固体碳(焦炭等)在不完全燃烧条件下转化成 CO，进行还原反应，而气体氢直接参与还原反应不需任何转换。因此，理论上氢冶金在还原效率与还原速率方面均有较大优势[34]。大力发展富氢冶金，对减少 CO2 排放、保证钢铁行业的可持续发展有着重要意义。
氢冶金，即在还原冶炼过程中主要用气体氢作为还原剂，主要包括高炉富氢炼铁新技术、气基直接还原工艺、氢等离子直接炼钢工艺等。氢冶金目前仍处于起步阶段，在实质性的研发与工业应用方面仍面临巨大挑战。
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首先，制氢技术路线的经济性和低碳性是氢冶金面 临 的 首 要 挑 战。目 前 世 界 氢 气 生 产 总 量 的95%仍以石化能源制氢为主[35]，石油类燃料的裂解转化、氧化等方法制氢，煤炭气化转化以及利用煤发电-水电解制氢等[36]，这些技术路线在能耗与碳排放方面并不占优势。其次，国内外氢冶炼技术还处于研发起步阶段。另外，中国目前氢能领域政策主要体现在交通领域，例如新能源汽车、加氢站、氢储存和运输、燃料电池等方面[37]，与氢冶金配套的专项规划、政策体系、标准体系、安全规范仍缺乏顶层设计。
对待“氢冶金”这个全新的概念，需要正确认识其最核心的内容，避免盲目地、不切实际地追求所谓的“热点”而迷失决策的方向。氢冶金目前仍处于起步阶段，在实质性的研发与工业应用方面仍面临巨大挑战。虽然目前可以以化石燃料制氢，另外利用高挥发性煤分解得氢、使用两步法还原铁或利用煤制气-气基还原，有可能在一定规模上部分实现氢冶金，但是化石燃料制氢过程中将产生污染物和温室气体，且化石燃料日趋枯竭，因此今后应加大以水制氢的研究开发力度，并逐步取代化石燃料制氢。对于氢冶金的未来，最理想状况是以核电制氢解决氢气成本问题，在此前提下可以进一步考虑高炉加氢的经济可行性。核废料问题是核能可持续发展的关键制约因素，如处理不好将造成极大的可持续危害，因此在开展核能制氢的研究中，同样应该对核废料的后处理做出相应的重视。
在富氢 高 炉 炼 铁 方 面，现 有 日 本 COURSE50项目、韩国 POSCO 氢还原炼铁工艺、德国蒂森克虏伯公司氢基炼铁项目、中国宝武核能制氢项目、河钢集团全 球 首 座 使 用 富 氢 气 体 的 直 接 还 原 铁 工 厂(ENERGIRON 直接还原厂)、中晋基团氢基还原铁项目等，说明国内外已经在碳冶金向氢冶金转变的道路上迈开了步伐。
3 结论
钢铁作为工业发展不可或缺的材料之一，仍然具有很强的生命力和发展空间。各国非高炉炼铁和高炉炼铁的发展程度也因国而异。当前，中国生铁的主要来源依旧是高炉炼铁，非高炉炼铁在中国一直发展不起来首先是由中国能源结构决定的，其次在于其生产规模无法和高炉竞争，最后就是技术的成熟度和运行的稳定性不够。因此，在确定高炉地位的同时，针对低碳发展要求，应更加积极开展新工艺新技术研究，以确保实现钢铁行业低碳发展。因此，加快非高炉炼铁关键技术突破，因地制宜地开发具有自主知识产权的新型炼铁工艺是迫切的科研任务。
应当清醒地认识到，未来钢业流程向低碳绿色发展势不可挡。在低碳政策的驱动下，“长流程”向 “短流程”转变、废钢替代铁水、清洁能源替代化石燃料等各种低碳冶金技术将层出不穷。相比于碳冶金，氢冶金在还原效率与还原速率方面均有较大优势。大力发展富氢冶金，对减少 CO2 排放、保证钢铁行业的可持续发展有着重要意义。——论文作者：王新东1， 郝良元2
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文章名称：现代炼铁工艺及低碳发展方向分析
