我國煉鋼工藝低碳技術(shù)發(fā)展方向

□ 李 曉

一、前言

國際鋼鐵界對(duì)溫室氣體二氧化碳排放問題高度重視。2003年，國際鋼協(xié)提出評(píng)價(jià)鋼鐵行業(yè)的11個(gè)可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)，二氧化碳排放量是其中1項(xiàng)重要指標(biāo)，各國紛紛就鋼鐵行業(yè)低碳工藝技術(shù)開展研究[1]。鋼鐵行業(yè)占我國碳排放總量的近15%，是納入全國碳排放交易市場首批8個(gè)重點(diǎn)排放行業(yè)之一[2]，是履行國家應(yīng)對(duì)氣候變化目標(biāo)責(zé)任的重要組成部分，鋼鐵行業(yè)將逐步成為碳市場的主力軍。2018年，我國粗鋼產(chǎn)量9.28億噸，約占全球粗鋼產(chǎn)量的52%，已連續(xù)20余年保持全球粗鋼產(chǎn)量第一。煉鋼工序作為鋼鐵行業(yè)不可或缺的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，探討其如何實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

二、 粗鋼生產(chǎn)概況

從近年來全球粗鋼生產(chǎn)工藝流程結(jié)構(gòu)分析，轉(zhuǎn)爐煉鋼流程一直占據(jù)70%以上的主導(dǎo)地位，全球平均電爐鋼比保持在25%～30%，我國電爐鋼比長期在10%以下。2010—2018年全球和我國粗鋼產(chǎn)量結(jié)構(gòu)詳見圖1。2017年和2018年，我國電爐鋼比分別為9.3%和11.0%，盡管連續(xù)2年小幅提高，但對(duì)比世界平均水平27.9%、美國68.4%、歐盟40.3%、韓國32.9%、日本24.2%的電爐鋼比例[3]，仍存在一定差距。

圖1 2010—2018年全球和中國粗鋼產(chǎn)量結(jié)構(gòu)

從我國鋼鐵行業(yè)運(yùn)行現(xiàn)狀分析，化解過剩產(chǎn)能工作階段性成效顯著，1.4億噸“地條鋼”徹底出清，提前2年完成“十三五”壓減粗鋼產(chǎn)能1億～1.5億噸的上限目標(biāo)任務(wù)，市場秩序更加公平有序，優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能得到發(fā)揮，行業(yè)運(yùn)行態(tài)勢穩(wěn)中趨好。2018年，我國鋼鐵行業(yè)主營業(yè)務(wù)收入7.65萬億元，同比增長13.8%；實(shí)現(xiàn)利潤4 704億元，同比增長39.3%。其中，重點(diǎn)大中型鋼鐵企業(yè)主營業(yè)務(wù)收入4.13萬億元，同比增長13.8%；實(shí)現(xiàn)利潤2 863億元，同比增長41.1%；銷售利潤率6.93%，達(dá)到工業(yè)行業(yè)平均水平；資產(chǎn)負(fù)債率65.02%，同比下降2.6個(gè)百分點(diǎn)[4]。

從我國鋼鐵行業(yè)發(fā)展趨勢分析，加速推動(dòng)兼并重組、優(yōu)化產(chǎn)能結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)布局、提升行業(yè)防范風(fēng)險(xiǎn)能力是鋼鐵行業(yè)深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的工作重點(diǎn)；推動(dòng)超低排放綠色發(fā)展、推進(jìn)創(chuàng)新轉(zhuǎn)型智能化發(fā)展、夯實(shí)低碳發(fā)展基礎(chǔ)能力建設(shè)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手。

三、煉鋼低碳技術(shù)發(fā)展方向

1. 優(yōu)化流程結(jié)構(gòu)，提高電爐鋼比例

全廢鋼—電爐流程的節(jié)能低碳效果十分突出。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料分析，與以鐵礦石為源頭的高爐—轉(zhuǎn)爐長流程相比，全廢鋼—電爐短流程噸鋼可節(jié)約1.3t鐵礦石， 降低能耗350kgce，減排二氧化碳1.4t，減排廢渣600kg[5]。隨著我國鋼鐵行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性調(diào)整工作的深入推進(jìn)，電爐鋼發(fā)展已引起政府和企業(yè)的高度重視。2017—2018年，各省市工業(yè)主管部門公布的產(chǎn)能置換方案中電爐占比顯著增多，初步統(tǒng)計(jì)共建設(shè)電爐49座，爐容主要為70～100t，形成電爐煉鋼產(chǎn)能3 100萬噸以上。

根據(jù)世界鋼鐵工業(yè)發(fā)展規(guī)律及我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展環(huán)境和趨勢判斷，我國鋼鐵工業(yè)已經(jīng)步入減量發(fā)展階段。隨著我國廢鋼和電力資源逐步豐富、環(huán)保壓力加大和碳稅的開征，煉鋼工藝流程結(jié)構(gòu)將進(jìn)入動(dòng)態(tài)調(diào)整期，電爐短流程煉鋼的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢將逐步轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，電爐鋼迎來發(fā)展機(jī)遇。預(yù)計(jì)2020年我國粗鋼產(chǎn)量8.7億噸，電爐鋼比例達(dá)到15%，電爐鋼增量替代轉(zhuǎn)爐鋼帶來的二氧化碳減排量約4 000萬噸；按照2025年我國粗鋼產(chǎn)量8.3億噸、電爐鋼比例達(dá)到20%估算，與2020年相比，電爐鋼增量帶來的二氧化碳減排量約5 000萬噸。

2. 注重廢鋼預(yù)熱，提高廢鋼比

煉鐵系統(tǒng)碳排放量約占高爐—轉(zhuǎn)爐全流程的7 6.1%[6]，每提高1%廢鋼比，噸鋼可減排二氧化碳22.36kg[7]，因此降低鐵耗、提高廢鋼比是減少二氧化碳排放的重要抓手。2018年我國廢鋼利用水平實(shí)現(xiàn)新的突破，鋼鐵企業(yè)廢鋼消耗總量1.88億噸，廢鋼比達(dá)到20.2%，同比增加2.4個(gè)百分點(diǎn)，部分企業(yè)廢鋼比達(dá)到30%以上。預(yù)計(jì)2020年，我國鋼鐵企業(yè)廢鋼比將達(dá)到25%，與2018年相比，噸鋼可減排二氧化碳107kg；按照2025年我國鋼鐵企業(yè)廢鋼比30%估算，噸鋼比2018年減排二氧化碳220kg。

提高廢鋼比的措施主要包括：高爐出鐵或配料過程中加廢鋼、鐵水罐加廢鋼及預(yù)熱、廢鋼槽加廢鋼及預(yù)熱、爐后加廢鋼及預(yù)熱、廢鋼連續(xù)加料及預(yù)熱等。從技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)性角度綜合考慮，在電爐煉鋼流程中，廢鋼連續(xù)加料及預(yù)熱技術(shù)推廣空間較大；在轉(zhuǎn)爐煉鋼流程中，鐵水罐或廢鋼槽加廢鋼及預(yù)熱技術(shù)是重點(diǎn)推廣方向。此外，純氧燃燒預(yù)熱廢鋼技術(shù)和轉(zhuǎn)爐廢鋼連續(xù)預(yù)熱加料技術(shù)已有應(yīng)用案例，具體實(shí)施效果值得關(guān)注。

3.加大研發(fā)力度，提高品種質(zhì)量

從鋼鐵產(chǎn)品的全生命周期考慮，提高鋼材質(zhì)量和加工性能，可直接降低以鋼材為原料的下游產(chǎn)品在服役過程中的碳排放強(qiáng)度[8]。

鋼鐵企業(yè)應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化煉鋼、精煉、連鑄工藝，提高通用鋼材產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性、可靠性和耐久性，加大海洋工程及高技術(shù)船舶、先進(jìn)軌道交通、航空航天等領(lǐng)域用高端鋼材的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)力度[9]。重點(diǎn)關(guān)注鋼水潔凈度、宏觀偏析、非金屬夾雜物、窄成分控制等關(guān)鍵技術(shù)，超低氧特殊鋼精煉工藝優(yōu)化、RH精煉吹氧脫碳、二次燃燒、噴粉脫硫等技術(shù)，控制連鑄二次氧化、中間包電磁冶金、厚板連鑄凝固終點(diǎn)大壓下、薄板坯連鑄直軋等技術(shù)，等等。同時(shí)，鋼鐵企業(yè)向服務(wù)型制造企業(yè)轉(zhuǎn)變，還須研發(fā)適應(yīng)“個(gè)性化”制造的工藝技術(shù)，如變裝入量轉(zhuǎn)爐冶煉和爐外精煉、中間包熱更換、規(guī)格不同鑄坯同時(shí)連鑄等。

4.智能化煉鋼，提高生產(chǎn)效率

采用智能化手段實(shí)現(xiàn)高效、連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)，能夠降低煉鋼生產(chǎn)過程的物料和能源消耗，減少二氧化碳排放。

轉(zhuǎn)爐智能化重點(diǎn)是聚焦吹煉終點(diǎn)控制技術(shù)[10]，包括靜態(tài)控制模型、副槍動(dòng)態(tài)控制技術(shù)、爐氣分析控制系統(tǒng)、滑板擋渣與下渣檢測、聲吶化渣技術(shù)等，人工智能技術(shù)特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其結(jié)合算法應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過程控制和優(yōu)化，已成為轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制技術(shù)的重要發(fā)展方向。

電爐智能化重點(diǎn)是將先進(jìn)的監(jiān)測手段和整體優(yōu)化控制方案相結(jié)合[11～14]，包括廢鋼自動(dòng)化上料、智能化供電、數(shù)字式電極調(diào)節(jié)技術(shù)，自動(dòng)判定廢鋼熔清、泡沫渣監(jiān)控、測溫取樣檢測、非接觸式連續(xù)測溫及煙氣連續(xù)分析、多功能爐門機(jī)器人、自動(dòng)出鋼等爐況實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，以及冶煉過程質(zhì)量分析與成本優(yōu)化控制技術(shù)，等等。

連鑄智能化重點(diǎn)關(guān)注質(zhì)量控制與效率提升，包括澆鑄平臺(tái)多功能機(jī)器人、鋼包下渣檢測、中包自動(dòng)開澆、結(jié)晶器液面自動(dòng)控制、結(jié)晶器在線調(diào)寬、結(jié)晶器液壓振動(dòng)、電磁冶金、扇形段遠(yuǎn)程自動(dòng)輥縫調(diào)節(jié)、動(dòng)態(tài)輕壓下、二冷自動(dòng)配水、節(jié)能斷火切割、定尺定重切割、鑄坯表面自動(dòng)清理等技術(shù)，以及鋼坯庫智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)，等等。

此外，對(duì)于煉鋼車間運(yùn)轉(zhuǎn)工段的智能化控制應(yīng)逐步引起重視。例如，鋼包跟蹤管理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)包號(hào)自動(dòng)識(shí)別、實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤、優(yōu)化鋼水溫度控制、精確配包等；智能化鑄造起重機(jī)可實(shí)現(xiàn)智能化控制、自動(dòng)巡航、超精準(zhǔn)定位、電氣防搖、智能診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

煉鋼作為鋼鐵生產(chǎn)的中間環(huán)節(jié)，除采用單體工序的智能化技術(shù)外，還應(yīng)從力爭創(chuàng)建智能工廠的角度，重點(diǎn)關(guān)注界面和亞界面技術(shù)，與全公司的產(chǎn)品訂單設(shè)計(jì)、產(chǎn)品計(jì)劃排程、質(zhì)量管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)等生產(chǎn)運(yùn)行控制系統(tǒng)相融合，并逐步拓展到智能化工廠設(shè)計(jì)、智能化供應(yīng)鏈、智能化服務(wù)體系等協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)[15]，最終實(shí)現(xiàn)物質(zhì)流、能量流、信息流的集成發(fā)展。

5.開源節(jié)流，提高系統(tǒng)用能效率

通過精細(xì)化管理和標(biāo)準(zhǔn)化操作，提高能源利用效率，是減少煉鋼生產(chǎn)過程二氧化碳排放的重要措施。對(duì)于轉(zhuǎn)爐煉鋼車間，根據(jù)轉(zhuǎn)爐煤氣和蒸汽的用戶需求，合理優(yōu)化轉(zhuǎn)爐煤氣回收操作參數(shù)，針對(duì)提高二次能源綜合回收量開展技術(shù)攻關(guān)，是轉(zhuǎn)爐負(fù)能煉鋼的關(guān)鍵；轉(zhuǎn)爐一次煙氣采用LT干法除塵和半干法工藝，與傳統(tǒng)OG濕法相比，不僅能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)超低排放標(biāo)準(zhǔn)，而且節(jié)水、節(jié)電效果突出。對(duì)于電爐煉鋼車間，采用合理化供電、強(qiáng)化供氧、復(fù)合吹煉技術(shù)，特別是煙氣余熱回收技術(shù)，是降低電爐工序能耗的有效措施，且國內(nèi)已成功開發(fā)電爐煙氣全余熱回收裝置并進(jìn)行工程示范[16]。

此外，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)全流程能源利用最優(yōu)化，開展煉鋼工序典型用能設(shè)備節(jié)能技改成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)：

一是鋼包全程加蓋技術(shù)。該技術(shù)成熟可靠，可有效降低生產(chǎn)成本、改善操作條件、提高生產(chǎn)效率，多家鋼鐵企業(yè)應(yīng)用效果較好，可直接降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度10℃以上，降低轉(zhuǎn)爐氧氣和物料消耗，提高鋼包熱周轉(zhuǎn)效率，減少保溫劑和烘烤煤氣消耗，還可實(shí)現(xiàn)低過熱度澆鑄，并減少鋼包吊運(yùn)過程中的煙塵污染。

二是鋼包蓄熱式或無引風(fēng)機(jī)射流烘烤技術(shù)。蓄熱式烘烤技術(shù)可有效提高燃燒效率，降低燃料用量約30%，提高鋼包和中間包的使用壽命，降低出鋼溫度5℃～8℃，煙氣排出溫度降至200℃以下，可在貧氧狀態(tài)下燃燒，降低外排氮氧化物的含量；無引風(fēng)機(jī)射流烘烤技術(shù)是近年興起的新型燃燒技術(shù)，能夠根據(jù)燃?xì)饬康亩嗌僮詣?dòng)調(diào)節(jié)助燃空氣比例，具備電子自動(dòng)點(diǎn)火、不脫火、不熄火、無送風(fēng)機(jī)、燃料適用性強(qiáng)、烘烤溫度可達(dá)1 200℃、火焰沖擊力強(qiáng)、鋼包包底和包口溫差小等優(yōu)點(diǎn)，可節(jié)約烘烤煤氣和引風(fēng)機(jī)動(dòng)力電消耗。

三是干式機(jī)械泵抽真空技術(shù)。該技術(shù)用于煉鋼車間的RH、VD等真空精煉設(shè)備，早期多適用于無富余蒸汽的電爐煉鋼短流程企業(yè)，近年來引起轉(zhuǎn)爐煉鋼企業(yè)的重視，紛紛結(jié)合全廠低壓蒸汽平衡核算、煉鋼車間布局等情況，開展以干式機(jī)械泵替代蒸汽噴射泵的技術(shù)改造。研究與實(shí)踐證明，采用干式機(jī)械真空泵后，冶金效果良好，運(yùn)行成本更低，生產(chǎn)組織靈活，節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢更加明顯[17～19]。

6. 精料入爐，降本與低碳雙贏

精料入爐是降低煉鋼生產(chǎn)過程碳排放最直接、最有效的手段。在鋼鐵料質(zhì)量控制方面，盡量降低入爐料的硫、磷含量（含硫易切削鋼等鋼種除外），減少鐵水溫降和成分波動(dòng)，合理控制鐵水硅含量、碳含量和帶渣量；按需采購符合國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的廢鋼，制定實(shí)施更加細(xì)化的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，開展廢鋼帶入混雜元素（銅、鋅）脫除與控制技術(shù)研究，嚴(yán)格控制廢鋼中有害元素的含量，廢鋼分類堆存并保持清潔干燥，煉鋼過程實(shí)現(xiàn)廢鋼料型結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)整。在造渣料質(zhì)量控制方面，提升入爐冶金石灰的活性，降低生過燒比例，可有效提高造渣效率，減少轉(zhuǎn)爐熱損失、爐襯侵蝕和鋼渣產(chǎn)生量。此外，采用“留渣+雙渣”轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，可降低造渣劑消耗和鋼渣產(chǎn)生量1/3左右。

煉鋼廠在熱量足夠的前提下，靈活配比塊礦、燒結(jié)礦、氧化鐵皮球等含鐵料，以石灰石、白云石替代部分活性石灰、輕燒白云石，可有效降低冶煉成本，但從碳排放角度考慮，相當(dāng)于將其他工序的部分碳排放量轉(zhuǎn)移到煉鋼工序。因此，在冶煉中碳、高碳鋼種需使用增碳劑，或在高廢鋼比冶煉需額外補(bǔ)充熱源的情況下，應(yīng)盡量減少這些冷料的使用量，并盡量使用合適粒度的，固定碳較高的，灰分、揮發(fā)分、硫、磷、氮等含量低的增碳劑。

此外，歐盟、美國、日本等均已開展鋼鐵行業(yè)低碳技術(shù)研究，并持續(xù)推進(jìn)新型直接還原、熔融還原、堿性電解還原、氫還原等項(xiàng)目[20～22]。我國非高爐煉鐵工藝在多年研究的基礎(chǔ)上已取得了一定的進(jìn)步，寶鋼Corex熔融還原項(xiàng)目已工業(yè)化生產(chǎn)，山東墨龍石油機(jī)械股份有限公司HIsmelt新工藝實(shí)現(xiàn)了連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)，東北大學(xué)與遼寧華信鋼鐵共性技術(shù)創(chuàng)新科技有限公司共同建設(shè)了氣基豎爐直接還原制備高級(jí)潔凈鋼實(shí)驗(yàn)線。非高爐煉鐵作為更純凈、更低二氧化碳排放的鐵源之一，未來在成本進(jìn)一步降低的前提下，將可能成為我國煉鋼工序的重要爐料。

7. 二氧化碳用于煉鋼，實(shí)現(xiàn)減排與資源化應(yīng)用

鋼鐵行業(yè)中，二氧化碳主要是用作煉鋼反應(yīng)氣體、攪拌氣體及保護(hù)氣體。目前，北京科技大學(xué)朱榮教授團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成首鋼京唐300t轉(zhuǎn)爐煉鋼二氧化碳資源化應(yīng)用的工程示范，實(shí)現(xiàn)噸鋼煙塵減排9.95%、鋼鐵料消耗降低3.73kg、煤氣量增加5.2m3、二氧化碳減排20kg以上[23]。此外，目前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于天津鋼管、西寧特鋼等多家企業(yè)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)正積極將二氧化碳資源化應(yīng)用的思路推廣至鋼鐵工業(yè)上下游各工序，如燒結(jié)球團(tuán)、高爐噴吹、LF/RH精煉等工序，并著力研究鋼鐵企業(yè)煤氣化工聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用技術(shù)，開啟了鋼鐵流程二氧化碳資源化循環(huán)應(yīng)用新時(shí)代，如鋼鐵冶煉全流程利用二氧化碳，將實(shí)現(xiàn)噸鋼減排二氧化碳100kg[24]。

多年來，二氧化碳用于處理鋼渣的相關(guān)研究引起各國重視[25～27]。其中，日本JFE開發(fā)的利用二氧化碳與鋼渣尾渣反應(yīng)制造人工礁石的技術(shù)現(xiàn)已在日本的近海推廣。將這種人工礁石沉入近海海底，海藻類會(huì)附著在這種帶孔漁礁上生長，有利于吸附空氣中的二氧化碳和改善海洋生態(tài)環(huán)境。我國就鋼渣碳酸化技術(shù)用于二氧化碳減排已開展多年研究，但由于成本較高尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。目前，我國鋼渣等固廢大量堆積的問題已引起各方重視，將碳捕集利用技術(shù)與固廢處置技術(shù)有機(jī)結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)高效率低成本減排的重點(diǎn)研究方向之一。

四、結(jié)束語

我國粗鋼產(chǎn)量已連續(xù)20余年保持全球第一，而以高爐—轉(zhuǎn)爐長流程為主的生產(chǎn)特點(diǎn)，導(dǎo)致我國鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放強(qiáng)度顯著高于世界平均水平。未來，優(yōu)化粗鋼生產(chǎn)流程結(jié)構(gòu)、提高廢鋼比、提高品種質(zhì)量、智能化煉鋼、系統(tǒng)化節(jié)能、精料入爐和二氧化碳資源化利用等，是我國煉鋼工藝實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展的重要關(guān)注點(diǎn)。