百年非高爐煉鐵技術一直在持續改善和發展

周渝生

我國鋼鐵工業近三十年快速發展，由于與天然氣相比，中國的焦煤資源十分豐富，焦炭價格便宜，中國的高爐煉鐵流程工程及設備制造工業也十分成熟，比國外便宜很多，高爐流程的生產率、成本競爭力、設備利用率非常高，基建及城市化帶動的鋼鐵市場產品需求量非常大，造成了中國龐大的煉鐵工藝實際上被高爐煉鐵壟斷的局面。

2021年中國經濟總量突破114萬億元RMB，穩居世界第二大經濟體的地位。同時，我國的二氧化碳排放形勢十分嚴峻，我國碳排放也進入“總量高、增量高”的歷史階段。我國2020年度二氧化碳排放量達98.94億噸，約占全球總排放量的30.7%，位居世界第一，超過了美國+印度+俄羅斯排放量的總和，2019年中國人均二氧化碳排放量達9.21噸/人，超過世界平均水平，而且仍處于增長階段。我國的單位GDP的二氧化碳排放量目前處于全球平均水平兩倍左右的高位。這意味著中國的碳減排承諾對實現《巴黎協定》的全球目標有舉足輕重的意義。也意味著我國在兼顧經濟發展情況下，還需要做出特別巨大努力來降低碳排放。2020年9月22日，國家主席習近平代表中國承諾將采取更加有力的政策和措施，力爭于2030年前二氧化碳排放達到峰值，使中國單位GDP的CO2排放量比2005 年下降 60%-65%。努力爭取2060年前實現碳中和；從碳達峰到碳中和，發達國家承諾用45～70年，中國承諾僅用30年，這是一個巨大的挑戰。從我國粗鋼產量與碳排放量的變化曲線可以看出，我國的碳排放量隨著我國城市化比例提高、粗鋼產量逐年增加而增加。

隨著2030年實現碳達峰目標的最后敲定，鋼鐵行業的能耗雙控向著碳排放總量和碳排放強度雙控過渡已經成為必然，外部世界碳中和能力建設對我國的壓力也在不斷增加。歐盟碳邊境調節機制即將生效。歐盟碳邊境調節機制提案將涵蓋進入歐洲碳市場中的電力、鋼鐵、水泥、鋁和化肥5個領域產品。2025年前輸入歐盟的上述產品需要履行排放報告義務，暫不征收費用。

如期實現鋼鐵企業產品的碳中和的緊迫性。目前中國還沒有開始對化工、鋼鐵產品征收碳排放稅，歐盟已經開始對中國出口產品的碳排放量進行統計，2022年5月19日碳關稅文本在歐洲議會的環境委員會投票通過，歐盟碳關稅的過渡期縮短為2年，從2025年開始對中國向歐盟出口的產品征收碳排放稅，歐盟采用逐年減少一部分免征碳排放稅，直至2025年完全取消免費配額，同時要求產品進口者對產品生產過程中產生的碳排放支付費用（生產產品的碳排放在中國，卻要向歐盟交錢，實際上是打著減碳的旗號敲詐勒索中國）。初步分析顯示，歐盟完全取消免費配額后，將造成我國出口歐盟的鋼鐵成本增加21%，而2025年以后，碳邊境調節機制會導致中國向歐盟出口的鋼鐵產品及含有的金屬部件的成本增加約25%，將嚴重壓低中國鋼鐵產品在歐盟的競爭力，亟待發掘新的成本競爭優勢。僅有碳排放較低的鋼鐵產品可以按照實際碳排放量征收碳邊境調節稅。另一方面，越來越多的使用鋼鐵產品的下游企業，將在鋼鐵產品采購中，要求鋼鐵生產企業提供低碳或零碳排放的鋼材，鋼鐵企業實施碳減排是大勢所趨，形勢逼人。

      隨著2030年的日益臨近，產品生產過程中的碳排放以及CO2利用技術帶來的碳中和比例將成為我國調控鋼鐵產能和稅收的終極手段。于是，強化自身企業碳中和能力建設，如期實現鋼鐵企業產品的碳中和，已經成為事關每一個鋼鐵企業生死存亡的頭等大事。

高爐煉鐵流程的優勢及減排二氧化碳能力有限的原因?，F代高爐煉鐵工藝流程經過近百年的革新和發展，近25年來使我國鋼鐵產量從年產1億噸飛躍到10億噸，連續多年超過其他國家煉鐵產量的總和，達到全世界鋼鐵總產能的一半以上已成為常態，鋼鐵工業是我國工業現代化的功臣和表率，2021年我國重點大中型企業噸鋼綜合能耗、噸鋼二氧化硫排放量較2015年分別下降4.7%、46%，總體達到世界先進水平，成為獨一無二最有競爭力的鋼鐵生產力。

目前鋼鐵生產的能源約有75%直接或間接來自煤炭，鋼鐵產品的碳排放占全球能源系統排放量的7%。中國鋼鐵行業年碳排放量已達18億噸，占全國碳排放總量的15％，占全國工業碳排放量的20％。
 

作為巨型豎爐型填充床反應器，高爐煉鐵有幾個嚴重的缺點，對入爐原料的理化性能要求很高，必須采用透氣、透液性能良好的人造塊礦及冶金焦炭等昂貴爐料，而人造塊礦及焦炭的成本及能耗、環境污染物的排放量都很高，尤其是高爐煉鐵流程生產每噸鐵水的二氧化碳排放量高達2.0噸，面對“十四五”更趨嚴格的碳排放總量和強度“雙控”要求，和2030年“碳達峰、碳中和”目標的壓力，迫使人們急于尋找一種符合低碳時代要求的新煉鐵技術來逐步代替或者革新高爐煉鐵流程。

2022年2月，國家發改委、工信部等四部門聯合發布《高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南（2022年版）》提出工作目標：即到 2025年，鋼鐵行業煉鐵、煉鋼工序能效標桿水平以上產能的比例必須達到 30%，能效基準水平以下產能基本清零，行業節能、降碳效果顯著，綠色低碳發展能力大幅提高?！吨改稀诽岢鰞纱蠊ぷ鞣较?一是加強先進技術攻關，培育標桿示范企業。重點圍繞副產焦爐煤氣或天然氣直接還原煉鐵、高爐大富氧或富氫冶煉、熔融還原、純氫冶煉等低碳前沿技術。

在COREX、FINEX的主體熔煉爐中，其熔化終還原部分的填充床均采用了與傳統高爐的爐缸相同的結構，都有一個以焦炭和煤為主要燃料形成的焦鐵柱（死鐵層），死鐵層在高達10-28m、質量達到上千噸的料柱的壓迫下，底部浸沒入爐渣和鐵水中，甚至焦炭柱持續接觸爐底，可以直接不斷地向底層的鐵水滲碳，使鐵水達到碳飽和，1500℃的高溫鐵水中的碳又會快速將浮在其上面的熔融爐渣中的氧化亞鐵（FeO）快速充分還原，使得爐渣中的（FeO）含量始終低于1%，從而使得COREX、FINEX的爐襯壽命與高爐一樣，可以達到十五年以上。因此，它們都具有高爐相同的的爐體耐材長壽的優勢；同時，與高爐下部一樣，由于爐缸內死鐵層存在有極強控制力的紅熱固體碳，爐內1000℃等溫線以下的區域，無論在從風口噴吹氧氣燃燒了多少含氫燃料，生成的CO2、H2O，以及爐渣中未還原的（FeO）都不可能穩定存在，都會被分解或還原成CO、H2或生成Fe3C。只有在爐內1000℃等溫線以上區域，CO或H2才能對固態的鐵礦石起到還原作用。傳統高爐以焦炭和煤為主要燃料，焦炭和噴煤仍然占總燃料比的80%以上。因此，因為無論噴吹多少含氫燃料，傳統高爐爐頂煤氣的主要成分仍然是CO以及CO2，所以，高爐噴吹含氫燃料只能在這個低溫區域起到還原效果，也很難大幅度降低高爐、COREX、FINEX的碳排放量。

煤氣利用率可以用以下公式計算出來：煤氣利用率=0.555-0.317XH2 ，還原煤氣利用率與氫氣的摩爾分數XH2呈直線關系。通常的高爐爐頂煤氣的含氫量低于3%，先進高爐的煤氣利用率可以達到50%左右。高爐噴吹綠氫時，由于氫氣還原鐵礦石是強吸熱反應，氫氣還原鐵礦石會使煤氣利用率降低；在同一個溫度下高爐的煤氣利用率會隨著吹入高爐氫氣量的增加而不斷降低，隨著氫氣比例的提高，爐身上部的煤氣利用率會逐步下降，由純CO還原的煤氣利用率由0.555，逐步降低到到純氫還原的0.238。這意味著引入高爐的大量氫氣將會從爐頂煤氣中逸出爐外。雖然可以將其從爐頂煤氣中分離出來，再次加壓加熱循環噴入高爐，但是從高爐煤氣中提取氫氣、加壓、加熱到900℃再循環噴吹進入高爐爐身，不僅增加了能耗、成本及碳排放，還需要增加建設循環利用氫氣的設備投資，使高爐系統的工藝設備管理復雜化。業主也不可能為了提高氫氣配入量而無限制地降低高爐的煤氣利用率，使高爐煉鐵的燃料消耗成本無限制地增加。由于噴吹含氫燃料只能在高爐爐身上部塊狀帶直接還原起到減排CO2的作用，2013年日本在其COURSE 50項目試驗操作中，曾經向試驗高爐內大量噴吹氫氣，試驗結果表明，與不噴吹氫氣條件的高爐相比，碳減排僅達9.4%。歐洲高爐噴吹含氫燃料的試驗實踐表明，高爐減排CO2的效果不超過11%，這也許這就是這一類煉鐵爐的單獨噴吹含氫燃料可以減少CO2排放量的上限。除非提高入爐原料中顆粒狀廢鋼，或者使用一部分高金屬化率的DRI爐料，同時通過CCUS利用一部分CO2+CO2生產一部分甲醇或甲烷燃料，才有可能達到減碳30%以上的目標。高爐操作專家通常會將煤氣利用率控制在45%-53%，使能耗及成本的經濟性達到業主期望的水平。

“十四五”更趨嚴格的能耗“雙控”要求和“雙碳”目標約束，促使鋼鐵行業將碳減排擺在更突出的位置。“做好碳達峰、碳中和工作”已經成為鋼鐵行業“十四五”的重點任務。中國鋼鐵協會何文波會長指出：“中國是世界最大的鋼鐵生產和消費國，中國鋼鐵具有完備、先進的鋼鐵生產體系，技術水平穩步邁入國際先進行列。由于與企業節能、環保、降本增效密切相關。加快推進低碳轉型，早日實現碳達峰、走向碳中和，是行業轉型升級、高質量發展的內在要求和必由之路。同時，我們也要客觀、清醒的認識到，鋼鐵行業低碳轉型是一個龐大的系統工程，發達國家提出要用20年實現的發展目標，規模龐大的中國鋼鐵工業不可能五年十年就能實現碳達峰、碳中和目標。對于目前還處于研究發展完善過程中，尚未產業化、還有一些不確定性的新工藝技術，不能盲目跟風、操之過急。不宜在沒有統籌規劃，評估落實發展條件及潛力的情況下，就提出幾年之內減碳很多的不切實際的目標和指標。”

我們研究和發展非高爐煉鐵技術的目的，在于擺脫短缺的焦煤資源對鋼鐵工業發展的羈絆，適應日益提高的環境保護要求、降低鋼鐵生產的能耗、碳排放量以及改善鋼鐵產品結構和提高質量和品質、解決廢鋼短缺及質量不斷惡化的問題，并努力實現資源的綜合利用。目前實現工業化生產的直接還原和熔融還原已成為世界煉鐵工業不可或缺的組成部分，低碳氫冶金-非高爐煉鐵新工藝已經成為鋼鐵工業亟待發展成功的重大前沿技術。

如果認真研究歐盟日本等發達經濟體提出的非高爐氫冶金低碳煉鐵發展方案，可以發現他們十分謹慎，近幾年的試驗方案大多是小規模的中試裝置，有規模的試驗或示范生產大都放在2030年前后。這不僅意味著氫冶金、低碳技術的發展有一個試驗研究的成熟期，而且還有一系列與氫冶金低碳煉鐵密切相關、但是又相互制約、限制的重要技術條件需要配合研究解決，例如廉價的低碳綠氫生產技術，設備作業率能達到95%的焦爐煤氣、天然氣重整技術、能夠經濟地利用CO2制造社會需要的消費品的CCUS工藝技術，這些相關技術的研究開發及成熟都需要時間和空間。

在目前的條件下，我國發展氫冶金直接還原鐵工藝，還要面臨一些工程難題需要研究解決。例如，

如何保障高效豎爐使用的鐵品位＞67%氧化球團礦資源長期穩定地大量生產供應？

如何獲得長期穩定供應的大量的氫氣資源？

如何大幅度降低氫冶金必不可少的的二次能源氫氣的制造成本？

如何降低生產單位海綿鐵產品的氫氣消耗量？

長流程鋼鐵企業為了實現碳中和，有哪些回收利用CO2低成本制造成受市場歡迎的產品CCUS工藝技術？

設備利用率較低的煤制氣、COG-NG重整工藝設備與設備利用率高于95%的豎爐如何高效匹配運行？ 

2021年，我國粗鋼產量已達10.35億噸，進口鐵礦石11.24億噸，國產鐵精礦2.85億噸，煉鋼用廢鋼消耗量達2.3億噸，當年粗鋼生產所需鐵資源的61%依賴進口鐵礦。鋼鐵產業需要資源產業的支撐，目前我國對國內外鐵資源的自主開發力度，還遠遠不能適應我國鋼鐵工業的發展的需求。要學習日本和韓國的鋼鐵企業通過投資占有海外煤礦鐵礦資源的股份參與操控鐵資源及焦煤的價格及分享利潤。我國鋼鐵產業要實現內外雙循環，要從產業安全的高度重視解決好優質鐵資源和能源的供應保障，才能達到供應量和原料成本受控，才能支撐低碳氫冶金鋼鐵生產發展。我國鋼鐵行業實現碳達峰、碳中和，傳統煉鐵工藝優化升級的解決途徑在于推進低碳技術進步，核心是技術創新、技術突破和技術推廣，目標是煉鐵領域低碳工藝革新和數字化轉型。

氣基直接還原煉鐵裝置不需要象高爐配套建設的大規模的燒結、煉焦設備投資，也不需要焦炭、焦煤。因此，在以出產天然氣的發展中國家為中心，蓬勃發展起氣基豎爐煉鐵的鐵源設施。近年，鋼鐵企業對于低灰分的潔凈鐵源的需求量正在日益增大，部分企業已將直接還原鐵作為廢鋼的優質替代品。由于HBI技術的開發，海上運輸直接還原鐵成為可能，開辟了世界范圍的市場。由于最近的優質鋼材需求量的增大，建設氣基豎爐直接還原鐵裝置的需求也在日益高漲。

熔融還原煉鐵工藝技術也一直在持續創新、不斷成熟和向大型化的技術進步中發展。1980’年代美國和日本鋼鐵協會與政府合作斥巨資持續6-8年時間，先后完成了美國的AISI-DOE項目及日本鋼鐵協會的DIOS法攻關試驗項目，在分別花費了1 億多美元研發費用試驗之后，日本完成了DIOS法大規模工業試驗，美國在完成了預還原度、低預還原度（25%-30%）爐料-高二次燃燒率（30%-60%）鐵浴熔融還原煉鐵工業規模試驗后，半途終止了研究項目。他們得出了比較一致的結論：由于鐵浴中1500℃爐渣的(FeO)含量高達15%-50%，對爐襯耐火材料侵蝕速度達到了約2-3mm/h，爐襯壽命過短，設備作業率低下，由于煤氣利用率低，其噸鐵煤耗難于達到1000kg以下，運行成本居高不下，難以經濟地生產鐵水，目前這些問題在工程技術上難以解決。試驗及生產實踐的結果表明，相對比較而言，以目前最高產能達到130-150萬噸鐵水規模的的COREX、FINEX熔融還原為代表的較高預還原度-焦炭填充床熔融還原的工藝路線更加具有市場競爭力和生命力。

氣基直接還原豎爐的直接還原鐵的生產率一直在持續改善。近50年豎爐內的CO和H2利用率的提高幅度達25％以上，對豎爐的節能和單耗的改善貢獻很大。依靠提高還原氣體的溫度、壓力，以及對入爐原料質量的嚴格控制、促進豎爐內煤氣流均勻分布、改善固－氣接觸等使還原氣的消耗量逐步減少。上世紀70年代豎爐的還原氣的溫度通常僅780℃，到90年代提高至850℃，豎爐的生產率約提高了13％。到90年代后期，通過對原料球團施行水泥噴涂包覆，還原氣的溫度可提高到930℃，豎爐的生產率又進一步提高了約11％。這些改善是在沒有變更直接還原豎爐的內部結構下實現的。由于HBI技術的開發成功，使得從海上運輸直接還原鐵成為可能，開辟了氣基豎爐產品在全世界的銷售市場。

上世紀90年代后期開始，豎爐技術進步的重點逐步放到了借助吹氧進一步提高豎爐還原層溫度的技術。這項技術是將高純度的氧氣(12～20Nm3／tDRI)吹入高溫還原氣中，同時補吹少量甲烷，使入爐的工藝還原氣的溫度可提高到1000℃，隨著工藝煤氣的氫氣含量進一步提高，豎爐的生產率約提高了20％，同時可節能5％。HYL法直接還原鐵豎爐也在持續改進，2010年前后嘗試著在小型豎爐工程設計中逐步取消了用水蒸氣催化重整天然氣工序，采用天然氣直接加熱到950℃，甲烷被加熱分解約70%，入爐前補吹少量氧氣，進入豎爐使煤氣部分燃燒的零重整新工藝(HYL-ZR)，他們借助特別設計的彌散裝置向加熱后的工藝煤氣管道中補吹少量氧氣，使部分甲烷氧化分解生成高溫工藝煤氣高速噴吹進入豎爐，入爐時工藝煤氣可被加熱到約1010℃，在還原帶下部有甲烷部分氧化-分解-重整-析碳等多個化學反應同時發生，在豎爐中甲烷再消耗約5%，同時煤氣中一部分甲烷會與海綿鐵發生析碳反應生成碳化鐵。這項甲烷直接加熱的自重整技術（ZR），首先在幾座小型豎爐工程中得到了應用，由于不必增設水蒸氣重整爐而較大幅度地降低了投資，也有節能的效果。甲烷自重整技術（ZR）雖然在鈕科250萬噸豎爐運行中受到一些挫折，但是經過大修改進總結經驗，優化工藝參數，如果合理地控制操作壓力和溫度，可以實現安全生產。但是對于焦爐煤氣采用自重整技術需要更加謹慎，由于焦爐煤氣含有許多復雜的大分子有機物成分，需要更高溫度或配合催化劑才能快速分解，豎爐中會有更多復雜的的化學反應競爭熱量，爐內零重整環境可能會面臨更復雜的情況，還需要做更多的研究，去探索其運行規律和更加安全有效的應用技術。

世界上第一座以COREX輸出煤氣作還原劑的大型MIDREX還原豎爐直接還原設備，以及用他們生產的鐵水和海綿鐵為原料電爐煉鋼聯合鋼鐵廠，1999年6月在南非撒旦那鋼鐵廠投產，該豎爐年產80萬噸金屬化率大于93％的DRI,與COREX鐵水一起供該廠轉電爐煉鋼使用。該COREX生產的煤氣94％用于生產1噸DRI，其余用于鋼鐵廠內生產用公輔熱源。本項目的投產具有劃時代的意義，證明直接還原豎爐可以不依賴天然氣，可以主要使用含CO高于70％的煤制氣來生產海綿鐵（其H2/CO比例僅為0.3），該流程采用了一種專門技術加熱豎爐的工藝煤氣，有效避開了通常高CO含量煤氣加熱過程中必然發生的析碳反應。后來，印度安古爾也建成了兩座相同工藝流程-相同生產能力的煤基COREX-MIDREX鐵水-海綿鐵聯產工廠（參見圖6、圖7），可以消耗1噸煤生產出1t海綿鐵+1t熱鐵水。