双碳背景下 钢铁企业的低碳冶金工艺路线怎么选

事件背景：　宝武集团董事长陈德荣说到：“碳、电、氢协同，做到碳化学能的极致利用，实施全流程的冶金电气化，配合钢化联产，以矿石为起点的钢铁流程达到碳中和将可能是最可行、最经济，也是最合理的路径。”在2022年全球低碳冶金创新论坛暨第八届宝钢学术年会透露，宝武集团正在开展富氢碳循环氧气高炉技术方案大型化探索，计划2023年将现有的千立方米以上规模传统高炉改造为HyCROF商业化装置。
 
富氢碳循环氧气高炉技术，真的能实现低碳冶金吗？
 
今年(2022年)7月，全球首个400立方米工业级别的富氢碳循环氧气高炉在新疆的八一钢铁点火投运。数据显示，3个月HyCROF固体燃料消耗降低达30%，碳减排超20%。
 
实际上，氢能冶金这个概念这两年在钢铁企业中很是被“偏爱”，也被认为是钢铁生产实现无化石冶炼，达到零碳排放的重要技术。据北京科技大学教授、钢铁冶金新技术国家重点实验室副主任左海滨介绍，当今世界正在探索的低碳冶金技术路径主要分为两大类，一类是针对长流程的，主要通过向高炉喷吹富氢还原气体以降低碳消耗；另一类是针对短流程的，涉及工艺主要包括MIDREX、HYL/Energiron(两种气基竖炉直接还原工艺)等。
 
简单了解一下：
 
高顶压冶炼技术——提高炉顶压力、压缩煤气体积、降低煤气流速、延长煤气停留时间、增加煤气浓度，实验数据显示若全国平均顶压提高20kPa，可平均降低燃料比6~10%，碳减排可达9500万吨/n。
 
高富氧及全氧冶炼技术——一般富氧每增加1%，节约燃料比约等于1%，如果我国高炉富氧水平能提升到20%的样子，全国高炉每年可减少碳排放1.18亿吨以上。
 
高炉富氢喷吹冶炼技术——若我国每吨铁喷吹天然50kg，理论上述吨铁可降低CO₂排放约55~60kg/t，预计每年可减排CO₂约为5100x104t/a。
 
高炉煤气自循环技术——若有50%煤气能够自行循环，那么全国高炉每年或可节约标准煤1亿吨标准煤，减少碳排放2.65亿吨以上。
 
总的来看，低碳冶金技术分支还是比较多的，各企也在探索生态和经济效益双赢的最佳路线。首个碳中和的氢能冶金化工综合示范项目的实践，全球首套绿氢零碳流化床高效炼铁新技术示范项目的实践，全球首个400立方米工业级别的富氢碳循环氧气高炉的实践等等，都在为低碳冶金的发展注入更多动能。在双碳背景下，低碳冶金的目的不可变，低碳冶金的市场却是多变的，更多机遇也随之来临。

知识扩展：低碳钢铁技术——熔融还原炼铁工艺

 熔融还原炼铁工艺是什么？

熔融还原法是指不用高炉而在高温熔融状态下还原铁矿石的方法。熔融还原将天然块矿和/或球团矿在高温下用碳进行还原得到熔融态金属铁，是不使用高炉生产液态铁的一类炼铁工艺，其主要能源是非焦煤。

熔融还原炼铁工艺是非高炉炼铁的重要工艺路线，也是未来炼铁工艺的重要研发方向，是典型的炼铁生产短流程工艺，具有低成本、低能耗、低碳、低排放等特点，是国家鼓励发展的非高炉炼铁工艺。

目前世界上实现工业化生产的熔融还原炼铁工艺主要有３种，分别是COREX工艺、FINEX工艺和HIsmelt工艺。

COREX工艺方法

COREX工艺是一种将气基竖炉和高炉炉缸结合，采用铁矿石和非焦煤直接生产铁水的技术。COREX工艺主体由预还原炉和终还原炉(即竖炉和熔化气化炉)组成，匹配辅助的上料系统和煤气除尘调温系统。在位于上部的竖炉内，含铁原料被还原成具备预定金属化率的海绵铁;位于下部的熔化气化炉进一步将从竖炉过来的海绵铁进行熔炼得到液态铁，且生产出竖炉需要的还原煤气。

COREX工艺所用原料:块状含铁料(天然矿石和/或球团矿)，非焦煤(主要能源，但目前还需一定比例的焦炭)，熔剂(主要是白云石、硅石和石灰石)。

COREX工艺是熔融还原中最早商业化和工业化的，还是目前世界上仅有的一个成熟的工业化熔融炼铁工艺。

FINEX工艺方法

FINEX起源于COREX，并在COREX基础上进行了集成创新，形成特有的技术如流态化还原炉、煤压块、还原铁压块等，已成为目前世界上技术相对成熟、工业生产适应性较好的熔融还原炼铁工艺。

基本原理是采取流化床法，让还原气体直接还原粉矿，然后进入熔融气化炉。多级流化床反应器对铁矿进行直接还原，在反应器中在高温的作用下，还原气体还原铁粉矿，炉料在还原气体流动时完成还原，不用考虑炉料透气性因素，直接用铁粉矿作原料。

FINEX工艺省去了传统炼铁过程的炼焦、烧结、球团环节，杜绝了重污染、高排放的环节，FINEX炼铁工艺环保优势明显。

HIsmelt工艺方法

HIsmelt炼铁工艺是已实现工业化生产的熔融还原炼铁技术之一，属于当今冶金领域前沿技术，是典型非焦熔融还原炼铁工艺。

HIsmelt熔融还原技术是一项摆脱焦化以及烧结、球团、造块等工序，直接使用粉状物料（煤粉、矿粉）的熔融还原冶金工艺，极大地简化了冶金流程。

工艺流程：生产所需的铁矿粉、煤和熔剂等炉料输送到矿粉预热预还原系统及煤粉制备系统，完成铁矿粉的预热预还原后送入热矿喷吹系统；原煤经过干燥破碎后进入煤粉喷吹系统，被加热的热矿粉和破碎后的煤粉进到熔融还原炉（简称SRV炉）内，煤开始裂解，碳元素溶于铁水中，矿石开始熔化并形成熔渣。

铁水熔池中由于剧烈反应产生大量气体，在熔池中具有强烈的搅拌作用。生产的铁水经过前置炉排出，进入铁水罐，然后经铁水倒运装置依次经过铁水脱硫、铸铁机生产合格生铁。