摘 要：隨著市場對鋼鐵的需求量的與日俱增。鋼鐵行業(yè)在擴大鋼鐵生產(chǎn)的同時，還在面臨著低碳減排問題的考驗。傳統(tǒng)的高爐煉鐵法作為世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的煉鐵法，對環(huán)境造成的損傷也是有目共睹。為此，在鋼鐵生產(chǎn)的過程中做到低碳減排，是每一個鋼鐵企業(yè)都應(yīng)努力的目標。

　　關(guān)鍵詞：低碳減排;鋼鐵冶金;技術(shù)分析

　　當(dāng)前人們環(huán)境保護意識的提升，許多以往會造成環(huán)境污染的企業(yè)都開始關(guān)注生產(chǎn)過程中的環(huán)保問題，這其中就包含鋼鐵產(chǎn)業(yè)。對鋼鐵產(chǎn)業(yè)而言，污染的主要來源是鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的廢氣，而這些氣體是由于化石燃料的使用而形成的。為了保護環(huán)境，減少空氣污染，許多鋼鐵企業(yè)都在加強冶煉過程中控制廢氣排放方式的研究工作。

　　1 非高爐煉鐵技術(shù)的基本情況概述

　　隨著工業(yè)生產(chǎn)與社會發(fā)展的不斷推進，高質(zhì)量鋼鐵的需求量也在與日俱增。作為應(yīng)用最廣泛的煉鐵方法，高爐煉鐵所造成的污染情況也在隨著鋼鐵產(chǎn)量的提升而不斷提升。此外，由于高爐煉鐵的化石能源屬于不可再生能源，因此高爐煉鐵正在逐漸面臨資源枯竭的問題。為此，非高爐煉鐵技術(shù)在鋼鐵冶煉中的使用已經(jīng)刻不容緩。自 20 世紀 50 年代起，歐美就開始進行非高爐煉鐵技術(shù)的探索，通過氣基豎爐還原煉鐵法打開了非高爐煉鐵的大門。此后，隨著非高爐煉鋼的研究逐漸加深，多種新型煉鐵技術(shù)紛紛面世，其中 COREX 熔融還原煉鐵技術(shù)更是已經(jīng)投入實際應(yīng)用的煉鐵技術(shù)，受到南非、韓國、日本、印度等國家和地區(qū)的多家鋼鐵公司使用。相比于傳統(tǒng)高爐煉鐵技術(shù)，COREX 熔融還原煉鐵技術(shù)有著煉鐵流程短，成本低，污染小等優(yōu)點，而且不像傳統(tǒng)高爐需要依賴特定煤種與焦炭進行冶煉，COREX 熔融還原煉鐵技術(shù)使用的是普通煤，且焦炭使用率也更低。非高爐煉鐵技術(shù)的出現(xiàn)，對未來的冶金、能源與環(huán)保等多個領(lǐng)域都有著相當(dāng)重要的意義。

　　2 低碳煉鐵、減排 CO2 技術(shù)研究

　　目前，溫室效應(yīng)造成的全球變暖正在逐漸威脅著自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡，而工業(yè)活動排放的二氧化碳氣體則是造成溫室效應(yīng)的元兇之一。其中，鋼鐵冶煉行業(yè)由于對化石燃料的大量使用導(dǎo)致二氧化碳排放量居高不下，包括上文提高的幾種非高爐煉鐵技術(shù)依舊未能完全擺脫對化石燃料的使用。為了緩解生態(tài)系統(tǒng)的壓力，減緩溫室效應(yīng)造成的影響，在鋼鐵冶煉過程中通過新興技術(shù)減少二氧化碳排放有著非常重要的意義。

　　2.1 低碳高爐煉鐵技術(shù)

　　(1)以氫代焦。氫氣作為一種綠色無污染的清潔能源，在新能源開發(fā)中占據(jù)重要的地位。長期以來，世界各國都在研究氫氣替代其他能源的方法，其中也包括煉鐵行業(yè)。在 2018 年，德國蒂森克虜伯集團就開始嘗試以氫代焦的煉鐵方式，并通過與液化空氣公司的合作在萊茵 - 魯爾區(qū)建立全場 200 公里的氫氣輸送管道，來保證氫氣煉鐵過程中的氫氣供應(yīng)。

　　(2)豎爐鐵焦。除了通過氫氣替代焦炭進行鋼鐵冶煉之外，使用豎爐鐵焦法也能夠減少鋼鐵冶煉過程中的二氧化碳排放量。日本鋼鐵公司在 21 世紀初期年開啟豎爐法鐵焦項目，將黏結(jié)性煤與鐵礦石進行粉碎處理后，使用黏結(jié)劑將其按照一定比例，通過豎爐的炭化形成的鐵焦作為新型爐料投入鋼鐵冶煉，在降低了焦炭使用量的同時，保持了鋼鐵冶煉的正常進行，從另一個側(cè)面減少了二氧化碳的排放。

　　(3)煤氣循環(huán)。除了以上的方法外，還有一種方法可以通過提升能源利用率來達到二氧化碳排放減少的效果。21 世紀初歐盟鋼鐵技術(shù)平臺正式開啟了超低二氧化碳排放煉鋼工藝研究項目(簡稱 ULCOS)，通過頂爐煤氣循環(huán)技術(shù)將煉鐵過程產(chǎn)生的氣體進行收集，分離其中的二氧化碳與一氧化碳，并將分離出的一氧化碳重新吹入爐內(nèi)，從而減少焦炭的用量，減少二氧化碳的排放。經(jīng)過實際操作證明，通過這種方式可以相較以往減少 26%的二氧化碳排放，而頂爐煤氣循環(huán)工藝也已經(jīng)成為工業(yè)規(guī)模高爐實驗的首選方案。

　　2.2 氣基豎爐直接還原除以上的低碳高爐煉鐵工藝外，歐洲的 ULCOS 項目還在新型還原工藝的研究上取得了一定的成果。原本的煉鐵技術(shù)中，焦炭是作為還原劑使用的，而新型還原工藝則是通過天然氣取代焦炭的方式，使塊狀或球團狀的氧化鐵直接還原為鐵后，進入下一步的電爐煉鋼。與一般的高爐相比，新型還原工藝的二氧化碳排放量降低了近 70%。此外，ULCOS 還研發(fā)出了氫氣還原煉鋼技術(shù)，利用電解水直接制取氫氣，通過氫氣豎爐將鐵礦石進行還原，再使用電爐進一步冶煉。這種方法的二氧化碳排放量更低，比傳統(tǒng)高爐工藝的二氧化碳排放量降幅可達 84%。在此基礎(chǔ)上，歐洲各國開始了對可再生能源發(fā)電項目的研究，試圖在減少發(fā)電過程中的二氧化碳排放同時，使用高溫電解水生產(chǎn)氫氣，進而使用氫氣豎爐還原煉鋼。經(jīng)過實驗證實，這種方法的碳排放量僅為傳統(tǒng)高爐的 1.3%，但由于電力成本的增加，反而是煉鐵成本相較傳統(tǒng)高爐更高。

　　2.3 碳捕集和存儲技術(shù)將鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的二氧化碳進行收集封存也是一種減少二氧化碳排放的方式，歐盟的 ULCOS 項目與日本的 COURSE50 項目均對碳捕集與存儲技術(shù)有著一定研究。目前，碳捕集與存儲技術(shù)收集完成的二氧化碳會通過管道輸送至地下，或使用船舶深埋至海底，雖然在一定程度上減少了二氧化碳的排放，但封存的二氧化碳卻未能得到有效處理，屬于治標不治本。因此，碳捕集與存儲技術(shù)還有著相當(dāng)大的發(fā)展空間。

　　2.4 核能制氫煉鋼技術(shù)核能制氫煉鋼技術(shù)是基于以氫代焦的低碳高爐技術(shù)與氫氣豎爐還原煉鋼技術(shù)而出現(xiàn)的，由于核反應(yīng)堆在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的氫氣與電能可以直接用于鋼鐵冶煉，因此核能制氫煉鋼也有著相當(dāng)?shù)陌l(fā)展前景。韓國原子能研究院與浦項制鐵公司(POSCO)早在 2009 年就開始牽頭研發(fā)原子能制氫的技術(shù)，并于 2010 年 5 月成功開發(fā)超高溫反應(yīng)堆。通過核反應(yīng)產(chǎn)生的電能與氫氣進行鋼鐵冶煉，不僅可以實現(xiàn)二氧化碳減排，還能夠有效控制鋼鐵冶煉成本。

　　2.5 Carbon2Chem 項目目前的碳捕集與存儲技術(shù)對于二氧化碳的處理還存在著一定的問題。為了實現(xiàn)資源的充分利用，基于碳捕集與存儲技術(shù)的 Carbon2Chem 項目應(yīng)運而生。與前述各項技術(shù)能夠減少碳排放不同，Carbon2Chem 項目是對冶煉過程中的廢氣內(nèi)含有的化工元素如碳、氫、氧等進行二次加工，應(yīng)用于各種初級化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。因此，Carbon2Chem 項目不僅可以緩解二氧化碳的排放，還能夠減少初級化工產(chǎn)品的生產(chǎn)資源消耗。

　　3 低碳煉鐵國內(nèi)的實際情況及發(fā)展

　　3.1 以氫代焦，發(fā)展低碳高爐煉鐵技術(shù)高爐煉鐵在中國的冶煉行業(yè)中占據(jù)絕對的主力地位，因此在國內(nèi)推行低碳煉鋼應(yīng)以低碳高爐工藝為主，通過以氫代焦、復(fù)合鐵焦與頂爐煤氣循環(huán)等方式，在確保鋼鐵產(chǎn)量的同時，降低二氧化碳的排放量。例如，在傳統(tǒng)的鋼鐵冶煉過程中，使用煤炭進行煉焦的過程中產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣中富含氫氣，如果將焦?fàn)t煤氣中的氫氣作為氫能源參與高爐煉鋼，就可以大幅度降低二氧化碳的排放量。

　　3.2 CCU 利用冶金廢氣制造化工產(chǎn)品碳捕集與封存技術(shù)在控制二氧化碳排放方面有著非常好的效果，而基于碳捕集與封存技術(shù)收集的廢氣也可以進行二次利用，制造部分化工產(chǎn)品。在《國家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》中就強調(diào)了“發(fā)展二氧化碳捕集、利用與封存等技術(shù)”，而我國鋼鐵企業(yè)也在對鋼鐵化工的組合發(fā)展模式進行積極探索。例如，四川達州鋼鐵集團就成功以轉(zhuǎn)爐煤氣與焦?fàn)t煤氣實現(xiàn)了甲醇的生產(chǎn)，年產(chǎn)量高達 10 萬噸;而寶鋼與新西蘭郎澤公司合作開展的乙醇制備也達到了 300 噸每年的產(chǎn)量。

　　3.3 非焦煤制氣+氣基豎爐直接還原氫氣豎爐直接還原技術(shù)在減少二氧化碳排放方面有著獨到的優(yōu)勢，在世界范圍內(nèi)受到了廣泛重視。2019年，我國河鋼集團與意大利特諾恩集團正式展開合作，成功建設(shè)了全球第一例 120 噸規(guī)模的氫冶金示范工程;2020 年，京華日鋼控股集團有限公司與中國鋼研在氫冶金工藝鏈條方面展開合作，通過化工冶金聯(lián)產(chǎn)循環(huán)的方式，成功建設(shè)了一條有著完全自主知識產(chǎn)權(quán)的，年產(chǎn)鋼材 50 萬噸的氫冶金及高端鋼材生產(chǎn)線。

　　3.4 核能制氫的不斷發(fā)展隨著超高溫核反應(yīng)堆的技術(shù)不斷成熟，核能制氫的安全性與技術(shù)也在不斷的成熟。目前，中國有著自主研發(fā)的高溫氣冷堆，作為第四代核能技術(shù)有著可靠的性能與安全性，與核能制氫的技術(shù)匹配度很高。根據(jù)分析，一臺功率為 60 萬千瓦的高溫氣冷堆機組用于制氫煉鐵，每年可以減少近 100 萬噸的標準煤使用量，減排約 300 萬噸二氧化碳，從而大幅減少冶煉過程對環(huán)境造成的損傷。目前，我國的高溫氣冷堆技術(shù)水平已經(jīng)位于世界前列，預(yù)計在 2020 年，將正式建成功率達 20 萬千瓦的高溫氣冷堆商業(yè)示范電站。

　　4 結(jié) 語

　　隨著鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，低碳減排的問題已經(jīng)越發(fā)嚴重，對傳統(tǒng)的高爐煉鐵方法的改進與創(chuàng)新已經(jīng)勢在必行。只有結(jié)合各項技術(shù)，提升清潔能源的使用率，減少化石能源的使用，增加化石能源的循環(huán)使用效率與廢氣二次處理，才能在保障鋼鐵行業(yè)發(fā)展的同時，為環(huán)境的保護貢獻一份力量。

　　參考文獻

　　[1]王新東，郝良元.現(xiàn)代煉鐵工藝及低碳發(fā)展方向分析[J].中國冶金，2021，(5)：1-5+18.

　　作者：劉紅瀟