煉鐵工藝節能減排技術
節能減排不僅關系到氣候變化，而且影響到產品的生產成本。本文對迄今為止主要煉鐵工藝的單位能耗和主要節能減排技術進行了綜述和評價。
1. 減少溫室氣體排放是大勢所趨
一份聯合國報告說，全球氣候變暖已經不可逆轉，并已超出了地球自身的變化范圍，而人類活動尤其是化石燃料的使用是氣候變暖的主要原因。
發展低碳經濟是防止氣候變暖的重要途徑。低碳經濟實質是能源高效利用、清潔能源開發，核心是新能源發展和節能減排技術創新和產業化。環保部發布了《中國碳平衡交易框架研究》報告，建議國家對鋼鐵產品征收二氧化碳排放稅，鋼企能否承受二氧化碳排放稅對成本的影響？企業如何加快調整轉型，防止跌入被動局面？指望別人廉價轉讓最好的低碳技術是不可能的，我們自己能否搶得低碳發展先機，關鍵還在于制造業低碳技術取得突破！我們必須整合科技資源，研究制約鋼鐵工業發展的核心技術和關鍵技術。
根據國務院的總體安排，國家有關部門正在全力推進低碳替代能源研發和推廣工作。我們現在要主動探索低碳工業生產有競爭力的產品的途徑，找出低碳經濟下的技術解決方案，這些解決方案應使中國站到世界領先的地位，要加速低碳煉鐵關鍵技術的開發。企業要在目前的核心技術高爐煉鐵進入成熟期以前就要研發新的技術，在現有的核心技術進入衰退期之前，研發的新技術要開始起到好的替代作用，這樣企業才能夠可持續發展。
2. 鋼鐵工業是我國工業節能減排的重點大戶
鋼鐵工業是我國實現新型工業化的重要支柱產業。由于產鋼規模大，2007年鋼鐵行業的總產值約2.5萬億元，約占全國GDP的8％。2007年鋼鐵工業的CO2直接排放量約為10.3億t，約占我國CO2排放量的16%左右，是我國工業領域中僅次于電力行業的高能耗CO2排放大戶。國家提出“十一五”期間單位GDP能源消耗要降低20%，污染物排放減少10％，鋼鐵工業對于完成這一硬指標責任重大，要理清節能減排的思路，采取有效的針對性措施。鋼鐵工業未來的發展應著重解決減少CO2排放問題。
受廢鋼資源缺乏和能源以煤為主的制約，與國際主要產鋼國的噸鋼CO2排放量相比，我國噸鋼CO2排放量一直處在高位，使我國在“后京都協議”的相關國際談判中面臨巨大的壓力，我國鋼鐵工業的可持續發展遇到嚴峻的挑戰。
目前和今后20年我國鋼鐵企業的主力流程高爐－轉爐流程的噸鋼CO2排放量約2t，盡管已經投入巨資實施了各種節能減排措施，這種基于碳熱還原的傳統流程的減排效果已接近理論極限，繼續減排CO2的潛力十分有限，隨著我國廢鋼積蓄量的增加，逐步擴大廢鋼-電爐短流程是解決鋼鐵工業減排CO2和減少使用進口鐵礦石的一條重要的工藝途徑，因為作為原料廢鋼的能值為零，高爐直接加入100kg/t低等級廢鋼或金屬化率70％的DRI，可節省還原劑25kg/t，并使高爐增產5％。歐洲鋼鐵業把增加煉鋼工序中廢鋼的比例、減少鐵水比例作為最有效的減排CO2措施。2004年歐洲噸鋼鐵水比例已經下降到51％，相應每噸粗鋼的CO2排放量也減少了30%～50％。在1994年和1998年煉鐵科技國際會議上都有專家撰文提出，今后高爐煉鐵應該直接循環利用含鐵粉塵（轉底爐脫鋅）預還原爐料和利用劣質廢鋼（如鋼渣磁選回收的鐵粉粒，機加工碎屑）來降低燃料消耗減少CO2排放、降低成本。
我國鋼產量是以鐵礦、焦炭資源為基礎的焦化－燒結－高爐－轉爐長流程為主，2007年電爐短流程鋼的比重僅占11%。 而焦化－燒結－高爐－轉爐長流程比電爐短流程的CO2直接排放量約高達30%～50%。與國際主要產鋼國相比，我國噸鋼CO2排放量一直處在高位徘徊。必須尋找新的突破性創新工藝才能解決鋼鐵工業CO2排放高的問題。
國家科技部在“十一五”提出了科技支撐計劃“新一代可循環鋼鐵流程工藝技術”項目，依托曹妃甸和中國現有鋼鐵企業技術改造工程，開發大型焦爐能源高效轉換技術、超大型高爐系統工藝技術、全量鐵水“三脫”預處理技術、高速連鑄、干法除塵、爐渣干法粒化回收余熱等重大工藝技術和關鍵節能環保技術，全面提升現有鋼鐵企業的技術裝備水平。開發具有自主知識產權的基于氫冶金的熔融還原煉鐵新工藝。
氫冶金也是解決鋼鐵工業CO2排放高問題的有效途徑之一。在探索到更經濟和大規模可再生能源制氫方法之前，氫冶金的氫氣來源可由現有焦爐的輸出煤氣COG提供，因為中國是一個產焦大國，我國焦化廠產出的焦爐煤氣每年達到240億Nm3，相當于 “西氣東輸”的天然氣量的兩倍，有效利用現有焦爐的COG是現階段氫冶金獲得富氫煤氣的一種可行的方法。焦爐煤氣中的H/C比高于天然氣，用它制備富氫還原氣用于煉鐵將比以天然氣為原料的流程CO2排放更少。用于基于煤冶金的傳統流程如高爐噴吹或豎爐直接還原煉鐵，煤中的碳氫組分將得到更充分合理COG的利用，有文獻報道說，煉鐵工藝每利用50kg COG，可以減排40kg CO2，將對現有鋼鐵聯合企業降低CO2排放量起到重大作用。
也可通過粉煤加壓氣化制氫作為過渡。直接用煤制氫或富氫還原氣體技術可以采用粉煤加壓氣化工藝獲得高生產率的富氫煤氣，但如何提高其生產應用的經濟性和競爭力還需進行有針對性的深入研究。
不僅要重視對將來有潛在應用前景的新工藝研究，把握鋼鐵工業節能減排主攻方向，更要特別重視對目前約占我國鋼鐵行業鐵產量99%，約占目前鋼鐵行業CO2排放80%以上的高爐-燒結-煉焦冶金流程大幅度減排CO2問題的工程學基礎研究。如現有鋼鐵聯合企業如何實施將焦爐煤氣從軋鋼燃料中置換出來，用于向高爐噴吹焦爐煤氣或富氫還原氣體，降低單位鋼鐵產品的CO2排放和燃料消耗，對當前基于煤冶金的傳統鋼鐵工業流程降低CO2排放量能夠起到積極的推動作用。
3. 現有煉鐵工藝節能減排技術評述
對迄今為止主要煉鐵工藝的單位能耗和主要的節能減排技術進行了綜述和評價。研究表明，目前能耗最低，排放最少的是大型豎爐直接還原煉鐵工藝，其余依次為轉底爐，特大型高爐煉鐵流程，COREX熔融還原，回轉窯。詳見表1。
表1 煉鐵工藝比較表
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煉鐵工藝名稱 還原劑 反應器類型 能耗 單爐產能 總產能
GJ/t鐵 萬t/a 萬t/a
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MIDREX 天然氣/合成氣 豎爐 11 180 3792
HYL 3 天然氣/合成氣 豎爐 11 190 1170
FINMET 天然氣 流化床 14 50 200
轉底爐 煤\天然氣 轉底爐 15 14～50 200
高爐+燒結+煉焦 焦\煤 BF+燒結+煉焦 16.25 320～400 90000
(4000m3)
COREX 煤\焦 COREX 17 150 500
SL/RN回轉窯 煤 回轉窯 18 15 1440
隧道窯 煤 隧道窯 25～30 1～4 20
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對現有主要煉鐵方法的生產率的比較見表2。
表2 現有主要煉鐵方法的生產率比較
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項目 HYL－Ⅲ MIDREX 大型 小高爐 COREX FINEX HISMELT
豎爐 豎爐 高爐
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工作壓力，MPa 0.8 0.3 0.25 0.1 0.4 0.4 0.08
最大產鐵能力，萬t/a 190 170 400 80 150 150 60
最大利用系數，t/m2d 162 112 70 63 60 60 50
生產率比較 2.3 1.6 1.0 0.9 0.9 0.9 0.7
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現有煉鐵工藝節能減排包括減少能源消耗和增加回收兩個部分。按照2008年全國重點鋼鐵企業能耗統計指標計算，高爐煉鐵、焦化、燒結和噴煤等工序占單位熱軋產品能耗的比重分別約為70%、12%、7%和0.7%。煉鐵工序的總能耗接近熱軋產品總能耗的90％。因此，鋼鐵企業減少能源消耗和污染排放的重點應從源頭抓焦化－燒結－高爐工序用能減量化。鋼鐵行業節能減排的主攻方向主要應以降低高爐煉鐵燃料比和焦比為核心，抓好生產全過程節能控制。其中精料是高爐煉鐵減量化用能的基礎，同時還能實現節約資源降低成本。隨著淘汰落后煉鐵產能、逐步優化鋼鐵生產流程和能耗的不斷下降，節能空間變得越來越小，使回收余熱、余能資源愈發重要。推廣和普及燒結礦余熱回收、高爐爐頂余壓發電、高爐和轉爐煤氣干法除塵等先進節能技術與裝備，大力回收占企業用能總量的15％的生產過程中副產的二次能源（包括余熱和副產煤氣等）進一步提高鋼鐵生產的能源利用效率。
作者根據近期生產統計數據，對目前煉鐵工藝節能減排技術的貢獻值估算列入表3。
表3 現有主要煉鐵工藝節能減排技術貢獻比較表 kgce/t
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節能減 BF超大 直接加廢鋼或 BF噴煤200kg/t TRT發電 CDQ回收 煤氣干 燒結蒸
排技術 型化 DRI 200kg/t 法除塵 汽回收
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節能貢獻 55 50 17 11.5 7.6 4.8 4.1
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對高爐節能減排的技術按貢獻從大到小排序依次為高爐超大型化（將2座以上容積2600m3以下高爐拆除，改造成一座4000m3級超大型高爐），直接加入200kg/t低等級廢鋼粒子、機加工碎屑或金屬化率70％以上的DRI，采用用噴吹粉煤200kg/t代替焦炭的技術（PCI），爐頂煤氣余壓回收技術（TRT），干熄焦工藝（CDQ）,煉鐵煤氣干法除塵，燒結余熱蒸汽回收等。
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