低碳煉鐵：鋼鐵業發展低碳經濟的重點
2009年哥本哈根氣候變化會議雖最終沒有達成具有法律約束力的減排協議，但低碳經濟迅速成為全球關注的焦點。低碳經濟是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經濟發展模式，是對現行大量消耗化石能源、大量排放二氧化碳的生產生活方式的根本變革。我國政府承諾到2020年，單位GDP的二氧化碳排放量比2005年下降40%~45%，并作為約束性指標被納入國民經濟和社會發展中長期規劃。鋼鐵工業是主要溫室氣體排放行業之一，從全球統計來看，鋼鐵工業排放的二氧化碳占全球溫室氣體總排放量4%~5%（國際能源組織IEA發布），而我國鋼鐵工業占全國二氧化碳排放總量12%左右。因此，鋼鐵企業承擔節能減排任務責無旁貸，并肩負巨大的減排壓力。減少二氧化碳排放，發展低碳經濟成為未來鋼鐵行業發展的重要前提。
1 鋼鐵生產各工序及流程二氧化碳排放基本狀況
1.1 鋼鐵工業各工序二氧化碳排放狀況
碳是鋼鐵冶金過程能量流與物質流的主要載體，鐵礦石依靠焦炭和煤粉還原成鐵水，而鐵水中的碳又是轉爐煉鋼過程升溫及能量平衡的保證。因此，鋼鐵工業的基礎就是碳冶金學。而鋼鐵冶金過程產生的二氧化碳主要來自于高爐中煤和焦炭與鐵礦石的化學反應，即鐵礦石的還原過程，煉鐵工序直接和間接二氧化碳排放超過90%（見圖1）。因此，低碳煉鐵是鋼鐵企業二氧化碳減排的重中之重。2009年全球生鐵產量89826萬t，我國生鐵產量54375萬t，占世界生鐵總產量的60.53%，已占據全球生鐵半壁江山，煉鐵二氧化碳減排責任重大，實現低碳煉鐵技術任重而道遠。
1.2 鋼鐵工業不同生產流程二氧化碳排放差異（見表1）
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（注：電力生產50%依靠化石燃料為能源，現代高爐二氧化碳總排放量約1900kg/t；世界高爐平均二氧化碳總排放量約2200kg/t）
2009年，全球高爐生鐵產量8.98億t；直接還原鐵產量6200萬t，僅占世界生鐵產量的6.9%。目前高爐流程為生鐵的生產主流工藝，且在短期內不會有較大改變。我國鋼鐵工業鐵鋼比高是造成單位鋼產量二氧化碳排放強度高的最主要原因。我國鋼鐵累積量小，廢鋼資源緊缺，大宗廢鋼質量差，電價高，導致電爐鋼比例低（2008年世界平均電爐鋼比30.6%，美國58.1%，德國31.9%，日本24.8%，而我國僅為12.4%），導致我國鋼鐵工業鐵鋼比一直居高不下，2000年為1.02，2005年為0.97，2008年為0.94。同時高爐流程的單位排放強度是電爐流程的4倍之多。而目前國內大多數電爐鋼企業為提高成本競爭力采用電爐配加熱鐵水生產工藝。另外，我國鋼鐵工業一次能源以煤炭為主，占能源消費總量的70%左右，而且煤發熱量、灰分、硫分等質量指標與美國、德國和日本等國相比，存在比較明顯的差距。石油類能源和天然氣所占比例比其他國家低15%~25%。從而造成能源利用效率相對較低。
2 國外鋼鐵工業低碳煉鐵技術研究
煉鐵系統（含焦化、燒結、球團）是鋼鐵生產中二氧化碳的主要排放工序，直接和間接排放占鋼鐵工業總排放量的90%以上。由于裝備及工藝技術改進，鋼鐵工業的二氧化碳排放量與20世紀70年代相比已降低了約50%。目前，工業發達國家正在研發超低二氧化碳排放的鋼鐵生產工藝。
2.1 歐洲超低二氧化碳排放（ULCOS）項目
歐洲鋼鐵業者在世界鋼鐵協會的協調下，由安賽樂米塔爾集團牽頭對“超低二氧化碳排放(ULCOS)”項目進行研發。ULCOS作為一項研究與技術開發項目，旨在開發突破性的煉鋼工藝，達到二氧化碳減排的目標。ULCOS的研究包括了從基礎性工藝的評估到可行性的研究實驗，最終實現商業化運作。從所有可能減排二氧化碳的潛在技術中進行分析，選擇出最有前景的技術。以成本和技術可行性為基礎進行選擇，對其工業化示范性水平進行評估，最后實現大規模工業化應用。
該項目集中了歐洲48家鋼鐵企業和研究院所的力量，旨在通過突破性的技術發展（比如回收高爐煤氣，利用氫氣和生物質能，開發分離二氧化碳以及如何在適合的地理結構中貯存二氧化碳等技術）使鋼鐵工業的二氧化碳排放量進一步減少30%~70%。
這個項目分三個階段實施。第一階段是從2004年到2009年，這一階段的主要任務是分別測試以煤炭、天然氣、電以及生物質能為基礎的鋼鐵生產路線，是否有潛力滿足鋼鐵行業未來減排二氧化碳的需求；第二階段是從2009年到2015年，這一階段則是在第一階段測試成果的基礎上，在現有企業中進行兩個相當于工業化的試驗，并且至少運行一年，檢驗工藝中可能出現的問題，以便進行修正，并且估算投資和運營費用；第三階段的主要任務是在2015年以后，在對第二階段工業化實驗成果進行經濟和技術分析的基礎上，建設第一條工業生產線，這個階段有別于一般意義上的研發，它將成為真正的工業實踐，而且在該階段，這個項目會受到歐盟在財政上的大力支持。
2.2 日本二氧化碳減排革新技術
日本經濟產業省在2008年3月公布的“冷卻地球——能源革新技術計劃”中提出了“應當重點研究的能源革新技術”，即依靠采用突破性技術來實現二氧化碳減排目標的工作，共選定了21個項目，其中包括“創新的煉鐵工藝技術開發（COURSE50，CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking Process by innovative technology for cool Earth 50）”技術。
COURSE50的目標是，通過開發二氧化碳吸收液和利用廢熱的再生技術，實現高爐煤氣的二氧化碳分離和回收。進而通過與地下、水下二氧化碳貯留技術革新相結合，將向大氣排放的二氧化碳量減至最少。COURSE50項目主要研發的技術包括用氫還原鐵礦石的技術（見圖2）；焦爐煤氣提高氫含量技術；二氧化碳分離、回收技術；顯熱回收技術等。減排目標如果能夠實現即可使二氧化碳減排30%（使二氧化碳排放從1.64t CO2/t粗鋼降低到1.15t CO2/t粗鋼）。但考慮此時需要以某種形式補充焦爐煤氣的能量，因此考慮是否可應用核電等不產生二氧化碳的能源。
2.3 韓國“驅逐碳的煉鐵項目”
浦項鋼鐵公司制定了長遠開發計劃，即開發出超高溫氫氣核反應堆，它能將950℃以上的高溫原子吸收進來。浦項鋼鐵公司將與韓國核能研究所合作，共同開發第四代核反應堆，從而能夠產生950℃以上的高溫和以低廉的成本生產出大量的氫。因開發出核反應堆的煉鐵新技術需要資金和時間，浦項鋼鐵公司確定的目標是到2050年開發成功。而在此之前，浦項鋼鐵公司制訂了在利用現有技術煉鐵的基礎上將二氧化碳排放量降低到最低水平的計劃方案：在2020年之前生產1t鋼鐵排放的二氧化碳要比2007年~2009年平均下降9.0%。浦項鋼鐵公司計劃分兩步走。第一步是在2015年之前采用減排新設備和新技術進行廢熱氣發電，使生產1t鋼鐵排放的二氧化碳平均減少3%；第二步是在2020年之前，采用不需要再加熱的煉鋼和熱軋工藝技術，使生產1t鋼鐵排放的二氧化碳平均再減少6%。由此，到2020年浦項鋼鐵公司生產1t鋼鐵排放的二氧化碳量將由目前的2.18t降至1.98t。
3 低碳煉鐵技術發展方向
由于在短期內，我國鋼鐵行業還很難改變以煤為主的能源結構和廢鋼資源不足的現狀。在當前階段，二氧化碳的減排主要依賴于在淘汰落后設備和技術的前提下，采用高新技術改造和不斷優化生產流程，提高對副產煤氣和余熱、余能的回收利用率，從而進一步降低能源消耗，實現節能減排。
3.1 節能減排，發展循環經濟是低碳經濟第一步
中國工程院院長徐匡迪指出“節能、提效、減排，發展循環經濟，是走向低碳經濟的第一步”。基于我國的單位能耗與國際先進水平尚有15%~20%的差距這一現實，在2020年前，鋼鐵工業碳減排的主要對策是以節能減排為主；2020年~2030年，鋼鐵工業設備達到更新周期時，應考慮高爐煤氣循環和焦爐煤氣重整后噴吹，及H2、CO氣體直接還原，將單位產能二氧化碳排放再降低10%~20%。
3.1.1 淘汰落后，實現裝備大型化
高爐大型化具有生產效率高、降低消耗、節約人力資源、提高鐵水質量、減少環境污染等突出優點。據不完全統計，落后的小高爐燃料比一般要比大高爐高30kg/t~50kg/t。小高爐（＜300m3）單位能耗比大型設備（≥1000m3）高10%~15%，物耗高7%~10%，水耗高1倍左右，二氧化硫排放高3倍以上。落后和低水平工業裝備能耗高，二次能源回收低，污染處理難度大。因此，加大淘汰落后和替代低水平工藝裝備的力度是推進節能減排的難點，應嚴格市場準入，強化安全、環保、能耗、物耗、質量、土地等指標的約束作用，制定和完善行業準入條件和落后產能界定標準，加快淘汰煉鐵落后產能。如果國家對鋼鐵企業開征碳稅，將對煉鐵生產裝備、運行成本、生產規模和產品競爭力等產生深遠的影響。因此鋼鐵工業尤其是煉鐵要密切關注國家碳稅政策制定的進展，及早編制低碳經濟規劃，研究和制定碳減排的實施方案。
3.1.2 降低高爐燃料比的技術
煉鐵系統減少二氧化碳排放量的研究方向主要有：一是減少所需碳量，二是減少對碳的依賴。前者需要在現有高爐生產的基礎上，進一步降低還原比（焦比和燃料比），后者需要開辟另外不含碳或者含碳少的還原劑。新的還原劑包括天然氣和廢塑料等。因為煤炭是一種二氧化碳排放量高的燃料，消耗每噸煤炭的碳排放量為0.7t，而天然氣和塑料排放的二氧化碳較少，消耗每噸天然氣的碳排放量為0.39t。
2006年世界鋼鐵協會公布世界各國家和地區高爐平均燃料比為543kg/t，我國高爐燃料比為555kg/t（見表2）。我國煉鐵燃料比與國際先進水平的差距在40 kg/t以上，主要原因是我國高爐風溫比國際先進水平低100℃~150℃，噴煤比與國際領先水平的差距在40kg/t左右，高爐入爐礦品位比國際先進水平低3%左右。我國焦炭灰分比工業發達國家高3%，含硫高約1.5%，是我國燃料比高的重要原因。同時爐料成分波動大是影響實現低燃料比的主要原因。
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3.1.3 低碳煉鐵技術集成
低碳煉鐵技術集成主要有干法熄焦技術(CDQ)、煤調濕技術(CMC)、高爐和焦爐添加廢塑料、燒結余熱回收（熱風燒結或余熱鍋爐）或余熱發電、高爐干式布袋除塵、煤氣余壓透平發電(TRT)、熱風爐雙預熱和余熱利用技術、高爐富氧噴煤技術、高爐煤氣回收及綜合利用、燃氣-蒸汽聯合循環發電機組（CCPP）等技術的應用，降低生產過程的單位產品能耗并提高資源的綜合利用。
3.1.4 低碳煉鐵技術的細節改進
①降低燒結機漏風率
改善燒結機和冷卻機及相關的風流系統的密封裝置，減少漏風率(燒結機漏風率：國際先進水平為10%~20%；國內為30%~50%)。采取低負壓、低風量(燒結風量配備：日本為80%~ 85%；我國為100m3/m2~ 105m3/m2有效抽風面積)的“慢風燒結”工藝。燒透燒好，不追求產量，力求低能耗。另外，提高風機效率(國外平均水平為85%；國內平均為78%)和工藝風機調速，可降低電能消耗。
②合理的燒結返礦率
合理減少返礦(合理的返礦率在25%左右，但我國燒結機返礦率一般在40%~60%)，重復燒結率高大幅增加能耗。同時建立高水平的專家系統，精確燒結終點控制，實現自動化操作和管理，提高產品質量。
③脫濕鼓風
隨著我國鋼鐵工業布局調整向沿海、沿江等地區建設大型高爐，大氣濕度波動對大型高爐的影響不容忽視。高爐鼓風含濕量每降低1g/m3，綜合焦比降低1kg/t，增加噴煤2.23kg/t，置換焦炭1.78kg/t，脫濕鼓風減少爐腹煤氣量，有利于高爐順行而增加產能0.1%~0.5%。另外，還可以節約鼓風機電耗，降低煤氣消耗。
④煤粉、焦炭水分測定
水分含量的變化直接影響高爐爐溫的控制，而爐溫的上下波動不僅關系到生鐵的含硫和含硅量、增大焦比和能源消耗，還直接影響高爐產量、使用壽命和生鐵質量等經濟技術指標。采用中子水分測定儀使入爐有效熱能恒定，以穩定爐溫，進而保證了高爐的穩定順行，為高爐增產節焦創造了有利條件。
3.1.5 低碳煉鐵技術創新
①預還原爐料技術
日本高爐使用預還原燒結礦，可大大減少還原劑比，使煉鐵工序的碳消耗總量減少。如果燒結礦預還原率為70%，整個煉鐵工序的消耗碳量可減少約10%以上。針對現有鐵礦資源，為降低高爐還原劑比而開發的強化制粒等技術已經進行了工業應用。目前，燒結涂層制粒技術已經在日本JFE的兩臺燒結機上應用。高爐使用涂層制粒燒結技術生產的燒結礦，使焦比降低1.4%，利用系數提高1.0%。
②高爐爐頂煤氣循環技術
高爐采用爐頂煤氣循環技術的過程中，鐵礦的還原全部由上部交換裝置的煤氣（溫度低于900℃）來完成。這樣不會發生高溫下由于直接還原發展導致的碳消耗增加的現象。為了使鐵礦石充分還原，必須把大量還原氣體噴進爐身下部。脫碳后的爐頂煤氣含有大量的一氧化碳和氫氣，在加熱到900℃后，噴進高爐爐身下部。理論模型計算表明，該工藝的焦炭用量為204kg/t，二氧化碳排放量（包括在二氧化碳洗滌器去除的部分）為1177kg/t，比常規高爐（二氧化碳排放總量約為1557kg/t）減少24%。
③高爐噴吹廢塑料、焦爐煤氣和天然氣等
噴吹1kg廢塑料，相當于1.2kg煤粉，而且使高爐冶煉每噸鐵的渣量降低，噴吹廢塑料100kg/t，可降低渣量30kg/t ~40kg/t。廢塑料成分簡單，含氫量是普通還原劑的3倍，高爐每噴吹1t廢塑料可減排0.28t二氧化碳。德國不來梅鋼鐵公司、安賽樂米塔爾集團EKO鋼鐵公司等高爐噴吹廢塑料，日本JFE鋼鐵在京濱廠和福山廠高爐噴吹廢塑料，神戶制鋼在加古川高爐噴吹廢塑料，新日鐵成功在焦煤中試摻入1%~2%廢塑料用于煉焦。2010年日本高爐、焦爐利用廢塑料可望達100萬t。
在20世紀80年代初，前蘇聯已在多座高爐上完成了噴吹焦爐煤氣的試驗研究，掌握了1.8m3~2.2m3焦爐煤氣替代1m3天然氣的冶煉技術，噴吹量達到227m3/t。20世紀80年代中期，法國索爾梅廠2號高爐開始進行噴吹焦爐煤氣作業，噴吹量達21000m3/h，噴吹的焦爐煤氣與焦炭的置換比為0.9kg/m3。1988年，馬凱耶沃鋼鐵公司兩座高爐固定噴吹焦爐煤氣，噴吹量為95m3/t，并在短期內將噴吹量增至160m3/t。美國鋼鐵公司MONVALLEY廠的兩座高爐（工作容積為1598m3和1381m3）自1994年起一直噴吹焦爐煤氣，2005年的噴吹總量為14.16萬t，噴吹量約65kg/t。噴吹焦爐煤氣后，降低了天然氣的噴吹量，消除了焦爐煤氣的放空燃燒，降低了能源成本。
高爐噴吹天然氣在北美鋼鐵企業的高爐上已經大量應用。
④高爐爐渣回收利用及余熱發電
高爐渣是一種性能良好的硅酸鹽材料，通過處理后可作為生產水泥的原料，由此可節約生產水泥原料45%，節約能源50%，并減少二氧化碳排放量44%。由此可見，充分而科學地利用好高爐渣具有很大的節能潛力。日本川崎鋼鐵公司和川崎重工公司于20世紀80年代聯合設計了高爐渣干式造粒及余熱回收裝置；國內企業正在研究采用螺桿膨脹動力雙循環技術，建設余熱發電機組，回收沖渣熱水的余熱資源。
3.2 低碳煉鐵技術未來發展
在實現低碳煉鐵過程中，一方面要推廣低碳煉鐵集成技術，降低高爐煉鐵的能耗水平；另一方面要尋求新的生產流程，做好技術儲備，進一步降低二氧化碳排放量。我國大型高爐工藝的未來發展趨勢：二氧化碳消減+節能+低成本，低碳煉鐵技術未來發展如下：
3.2.1 液態低溫煉鐵技術
鋼鐵研究總院提出低溫快速還原理論，通過提高低溫下鐵礦石的還原，降低煉鐵能耗，實現無燒結、無焦化煉鐵，降低煉鐵能耗25%以上。日本在液態低溫煉鐵技術方面已取得一定進展，尋求高爐內反應過程的新突破，利用造塊技術，重新處理鐵礦石，將耗能大的高溫火法冶金化學反應減少，可以降低高爐能耗50%，減少二氧化碳排放50%。
3.2.2 全氧高爐（無氮高爐）冶煉
該技術的特點是將鼓入的空氣改為氧氣，高爐爐頂煤氣中的二氧化碳洗滌吸收后，剩余CO返回，從噴煤載體新一排風口送入，可大大降低二氧化碳排放。增加噴煤比，降低焦比。煤比大于300kg/t，焦比小于200kg/t。1986年，日本NKK公司第一次試驗證明全氧高爐技術上是可行的。歐洲經過理論研究后，于2009年底開始LKAB中試試驗。
3.2.3 帶等離子加熱裝置的高爐冶煉
將部分爐頂煤氣中的二氧化碳通過CO2和C反應生成CO。該反應是吸熱高溫反應，采用等離子加熱至3400℃就可促使這一反應產生，產生的CO通過風口吹入，爐頂煤氣中的二氧化碳與焦炭中的碳發生吸熱反應轉變為一氧化碳，火焰溫度降至2150℃。另一部分爐頂煤氣和無氮高爐一樣進入洗滌器除去二氧化碳，然后被加熱到900℃，通過第二排風口噴入高爐爐身下部。由于不再采用噴煤技術，僅用焦炭作骨架，通過模型計算，焦比降至235kg/t，總的二氧化碳排放量（包括二氧化碳洗滌器去除的部分）為785kg/t，比常規高爐二氧化碳排放總量減少51%。等離子高爐是二氧化碳排放最低的流程，但是電耗高，建議中長期核電、風能大量應用后，鋼鐵企業電能充足時考慮。
4 結論：
歐洲ULCOS和日本COURSE50的二氧化碳減排的技術路線圖不同，歐洲的減排目標使現行工藝改進后節約碳消耗50%。而日本的目標是減排30%，使噸鋼二氧化碳排放從1.64t降低到1.15t。但以上兩個方案的核心技術都是對焦爐煤氣進行重整，并將重整后的高H2煤氣噴入高爐或用于直接還原。我國鋼鐵工業尤其是煉鐵急需及早制定二氧化碳減排的路線圖，并密切關注國家碳稅政策制定的進展，及早編制低碳經濟規劃，研究和制定碳減排的實施方案。
節能減排是實現低碳煉鐵的第一步。目前首要任務是發展循環經濟，實現節能減排，縮小與德國、日本、韓國、北美等國家和地區的工序能耗差距（如加強余能、余熱和余壓等的回收利用，實現能源梯級利用）；二是實現低碳煉鐵技術的集成和創新；三是注重低碳煉鐵技術細節的改進（如關注降低燒結漏風率、脫濕鼓風、焦炭和煤粉水分的穩定等）。
加強對低碳煉鐵技術（如爐頂煤氣循環利用、純氧高爐、基于氫還原的冶金工藝和液態低溫煉鐵等技術）的研發。
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