低碳炼铁：钢铁业发展低碳经济的重点
2009年哥本哈根气候变化会议虽最终没有达成具有法律约束力的减排协议，但低碳经济迅速成为全球关注的焦点。低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济发展模式，是对现行大量消耗化石能源、大量排放二氧化碳的生产生活方式的根本变革。我国政府承诺到2020年，单位GDP的二氧化碳排放量比2005年下降40%~45%，并作为约束性指标被纳入国民经济和社会发展中长期规划。钢铁工业是主要温室气体排放行业之一，从全球统计来看，钢铁工业排放的二氧化碳占全球温室气体总排放量4%~5%（国际能源组织IEA发布），而我国钢铁工业占全国二氧化碳排放总量12%左右。因此，钢铁企业承担节能减排任务责无旁贷，并肩负巨大的减排压力。减少二氧化碳排放，发展低碳经济成为未来钢铁行业发展的重要前提。
1 钢铁生产各工序及流程二氧化碳排放基本状况
1.1 钢铁工业各工序二氧化碳排放状况
碳是钢铁冶金过程能量流与物质流的主要载体，铁矿石依靠焦炭和煤粉还原成铁水，而铁水中的碳又是转炉炼钢过程升温及能量平衡的保证。因此，钢铁工业的基础就是碳冶金学。而钢铁冶金过程产生的二氧化碳主要来自于高炉中煤和焦炭与铁矿石的化学反应，即铁矿石的还原过程，炼铁工序直接和间接二氧化碳排放超过90%（见图1）。因此，低碳炼铁是钢铁企业二氧化碳减排的重中之重。2009年全球生铁产量89826万t，我国生铁产量54375万t，占世界生铁总产量的60.53%，已占据全球生铁半壁江山，炼铁二氧化碳减排责任重大，实现低碳炼铁技术任重而道远。
1.2 钢铁工业不同生产流程二氧化碳排放差异（见表1）
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（注：电力生产50%依靠化石燃料为能源，现代高炉二氧化碳总排放量约1900kg/t；世界高炉平均二氧化碳总排放量约2200kg/t）
2009年，全球高炉生铁产量8.98亿t；直接还原铁产量6200万t，仅占世界生铁产量的6.9%。目前高炉流程为生铁的生产主流工艺，且在短期内不会有较大改变。我国钢铁工业铁钢比高是造成单位钢产量二氧化碳排放强度高的最主要原因。我国钢铁累积量小，废钢资源紧缺，大宗废钢质量差，电价高，导致电炉钢比例低（2008年世界平均电炉钢比30.6%，美国58.1%，德国31.9%，日本24.8%，而我国仅为12.4%），导致我国钢铁工业铁钢比一直居高不下，2000年为1.02，2005年为0.97，2008年为0.94。同时高炉流程的单位排放强度是电炉流程的4倍之多。而目前国内大多数电炉钢企业为提高成本竞争力采用电炉配加热铁水生产工艺。另外，我国钢铁工业一次能源以煤炭为主，占能源消费总量的70%左右，而且煤发热量、灰分、硫分等质量指标与美国、德国和日本等国相比，存在比较明显的差距。石油类能源和天然气所占比例比其他国家低15%~25%。从而造成能源利用效率相对较低。
2 国外钢铁工业低碳炼铁技术研究
炼铁系统（含焦化、烧结、球团）是钢铁生产中二氧化碳的主要排放工序，直接和间接排放占钢铁工业总排放量的90%以上。由于装备及工艺技术改进，钢铁工业的二氧化碳排放量与20世纪70年代相比已降低了约50%。目前，工业发达国家正在研发超低二氧化碳排放的钢铁生产工艺。
2.1 欧洲超低二氧化碳排放（ULCOS）项目
欧洲钢铁业者在世界钢铁协会的协调下，由安赛乐米塔尔集团牵头对“超低二氧化碳排放(ULCOS)”项目进行研发。ULCOS作为一项研究与技术开发项目，旨在开发突破性的炼钢工艺，达到二氧化碳减排的目标。ULCOS的研究包括了从基础性工艺的评估到可行性的研究实验，最终实现商业化运作。从所有可能减排二氧化碳的潜在技术中进行分析，选择出最有前景的技术。以成本和技术可行性为基础进行选择，对其工业化示范性水平进行评估，最后实现大规模工业化应用。
该项目集中了欧洲48家钢铁企业和研究院所的力量，旨在通过突破性的技术发展（比如回收高炉煤气，利用氢气和生物质能，开发分离二氧化碳以及如何在适合的地理结构中贮存二氧化碳等技术）使钢铁工业的二氧化碳排放量进一步减少30%~70%。
这个项目分三个阶段实施。第一阶段是从2004年到2009年，这一阶段的主要任务是分别测试以煤炭、天然气、电以及生物质能为基础的钢铁生产路线，是否有潜力满足钢铁行业未来减排二氧化碳的需求；第二阶段是从2009年到2015年，这一阶段则是在第一阶段测试成果的基础上，在现有企业中进行两个相当于工业化的试验，并且至少运行一年，检验工艺中可能出现的问题，以便进行修正，并且估算投资和运营费用；第三阶段的主要任务是在2015年以后，在对第二阶段工业化实验成果进行经济和技术分析的基础上，建设第一条工业生产线，这个阶段有别于一般意义上的研发，它将成为真正的工业实践，而且在该阶段，这个项目会受到欧盟在财政上的大力支持。
2.2 日本二氧化碳减排革新技术
日本经济产业省在2008年3月公布的“冷却地球——能源革新技术计划”中提出了“应当重点研究的能源革新技术”，即依靠采用突破性技术来实现二氧化碳减排目标的工作，共选定了21个项目，其中包括“创新的炼铁工艺技术开发（COURSE50，CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking Process by innovative technology for cool Earth 50）”技术。
COURSE50的目标是，通过开发二氧化碳吸收液和利用废热的再生技术，实现高炉煤气的二氧化碳分离和回收。进而通过与地下、水下二氧化碳贮留技术革新相结合，将向大气排放的二氧化碳量减至最少。COURSE50项目主要研发的技术包括用氢还原铁矿石的技术（见图2）；焦炉煤气提高氢含量技术；二氧化碳分离、回收技术；显热回收技术等。减排目标如果能够实现即可使二氧化碳减排30%（使二氧化碳排放从1.64t CO2/t粗钢降低到1.15t CO2/t粗钢）。但考虑此时需要以某种形式补充焦炉煤气的能量，因此考虑是否可应用核电等不产生二氧化碳的能源。
2.3 韩国“驱逐碳的炼铁项目”
浦项钢铁公司制定了长远开发计划，即开发出超高温氢气核反应堆，它能将950℃以上的高温原子吸收进来。浦项钢铁公司将与韩国核能研究所合作，共同开发第四代核反应堆，从而能够产生950℃以上的高温和以低廉的成本生产出大量的氢。因开发出核反应堆的炼铁新技术需要资金和时间，浦项钢铁公司确定的目标是到2050年开发成功。而在此之前，浦项钢铁公司制订了在利用现有技术炼铁的基础上将二氧化碳排放量降低到最低水平的计划方案：在2020年之前生产1t钢铁排放的二氧化碳要比2007年~2009年平均下降9.0%。浦项钢铁公司计划分两步走。第一步是在2015年之前采用减排新设备和新技术进行废热气发电，使生产1t钢铁排放的二氧化碳平均减少3%；第二步是在2020年之前，采用不需要再加热的炼钢和热轧工艺技术，使生产1t钢铁排放的二氧化碳平均再减少6%。由此，到2020年浦项钢铁公司生产1t钢铁排放的二氧化碳量将由目前的2.18t降至1.98t。
3 低碳炼铁技术发展方向
由于在短期内，我国钢铁行业还很难改变以煤为主的能源结构和废钢资源不足的现状。在当前阶段，二氧化碳的减排主要依赖于在淘汰落后设备和技术的前提下，采用高新技术改造和不断优化生产流程，提高对副产煤气和余热、余能的回收利用率，从而进一步降低能源消耗，实现节能减排。
3.1 节能减排，发展循环经济是低碳经济第一步
中国工程院院长徐匡迪指出“节能、提效、减排，发展循环经济，是走向低碳经济的第一步”。基于我国的单位能耗与国际先进水平尚有15%~20%的差距这一现实，在2020年前，钢铁工业碳减排的主要对策是以节能减排为主；2020年~2030年，钢铁工业设备达到更新周期时，应考虑高炉煤气循环和焦炉煤气重整后喷吹，及H2、CO气体直接还原，将单位产能二氧化碳排放再降低10%~20%。
3.1.1 淘汰落后，实现装备大型化
高炉大型化具有生产效率高、降低消耗、节约人力资源、提高铁水质量、减少环境污染等突出优点。据不完全统计，落后的小高炉燃料比一般要比大高炉高30kg/t~50kg/t。小高炉（＜300m3）单位能耗比大型设备（≥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。落后和低水平工业装备能耗高，二次能源回收低，污染处理难度大。因此，加大淘汰落后和替代低水平工艺装备的力度是推进节能减排的难点，应严格市场准入，强化安全、环保、能耗、物耗、质量、土地等指标的约束作用，制定和完善行业准入条件和落后产能界定标准，加快淘汰炼铁落后产能。如果国家对钢铁企业开征碳税，将对炼铁生产装备、运行成本、生产规模和产品竞争力等产生深远的影响。因此钢铁工业尤其是炼铁要密切关注国家碳税政策制定的进展，及早编制低碳经济规划，研究和制定碳减排的实施方案。
3.1.2 降低高炉燃料比的技术
炼铁系统减少二氧化碳排放量的研究方向主要有：一是减少所需碳量，二是减少对碳的依赖。前者需要在现有高炉生产的基础上，进一步降低还原比（焦比和燃料比），后者需要开辟另外不含碳或者含碳少的还原剂。新的还原剂包括天然气和废塑料等。因为煤炭是一种二氧化碳排放量高的燃料，消耗每吨煤炭的碳排放量为0.7t，而天然气和塑料排放的二氧化碳较少，消耗每吨天然气的碳排放量为0.39t。
2006年世界钢铁协会公布世界各国家和地区高炉平均燃料比为543kg/t，我国高炉燃料比为555kg/t（见表2）。我国炼铁燃料比与国际先进水平的差距在40 kg/t以上，主要原因是我国高炉风温比国际先进水平低100℃~150℃，喷煤比与国际领先水平的差距在40kg/t左右，高炉入炉矿品位比国际先进水平低3%左右。我国焦炭灰分比工业发达国家高3%，含硫高约1.5%，是我国燃料比高的重要原因。同时炉料成分波动大是影响实现低燃料比的主要原因。
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3.1.3 低碳炼铁技术集成
低碳炼铁技术集成主要有干法熄焦技术(CDQ)、煤调湿技术(CMC)、高炉和焦炉添加废塑料、烧结余热回收（热风烧结或余热锅炉）或余热发电、高炉干式布袋除尘、煤气余压透平发电(TRT)、热风炉双预热和余热利用技术、高炉富氧喷煤技术、高炉煤气回收及综合利用、燃气-蒸汽联合循环发电机组（CCPP）等技术的应用，降低生产过程的单位产品能耗并提高资源的综合利用。
3.1.4 低碳炼铁技术的细节改进
①降低烧结机漏风率
改善烧结机和冷却机及相关的风流系统的密封装置，减少漏风率(烧结机漏风率：国际先进水平为10%~20%；国内为30%~50%)。采取低负压、低风量(烧结风量配备：日本为80%~ 85%；我国为100m3/m2~ 105m3/m2有效抽风面积)的“慢风烧结”工艺。烧透烧好，不追求产量，力求低能耗。另外，提高风机效率(国外平均水平为85%；国内平均为78%)和工艺风机调速，可降低电能消耗。
②合理的烧结返矿率
合理减少返矿(合理的返矿率在25%左右，但我国烧结机返矿率一般在40%~60%)，重复烧结率高大幅增加能耗。同时建立高水平的专家系统，精确烧结终点控制，实现自动化操作和管理，提高产品质量。
③脱湿鼓风
随着我国钢铁工业布局调整向沿海、沿江等地区建设大型高炉，大气湿度波动对大型高炉的影响不容忽视。高炉鼓风含湿量每降低1g/m3，综合焦比降低1kg/t，增加喷煤2.23kg/t，置换焦炭1.78kg/t，脱湿鼓风减少炉腹煤气量，有利于高炉顺行而增加产能0.1%~0.5%。另外，还可以节约鼓风机电耗，降低煤气消耗。
④煤粉、焦炭水分测定
水分含量的变化直接影响高炉炉温的控制，而炉温的上下波动不仅关系到生铁的含硫和含硅量、增大焦比和能源消耗，还直接影响高炉产量、使用寿命和生铁质量等经济技术指标。采用中子水分测定仪使入炉有效热能恒定，以稳定炉温，进而保证了高炉的稳定顺行，为高炉增产节焦创造了有利条件。
3.1.5 低碳炼铁技术创新
①预还原炉料技术
日本高炉使用预还原烧结矿，可大大减少还原剂比，使炼铁工序的碳消耗总量减少。如果烧结矿预还原率为70%，整个炼铁工序的消耗碳量可减少约10%以上。针对现有铁矿资源，为降低高炉还原剂比而开发的强化制粒等技术已经进行了工业应用。目前，烧结涂层制粒技术已经在日本JFE的两台烧结机上应用。高炉使用涂层制粒烧结技术生产的烧结矿，使焦比降低1.4%，利用系数提高1.0%。
②高炉炉顶煤气循环技术
高炉采用炉顶煤气循环技术的过程中，铁矿的还原全部由上部交换装置的煤气（温度低于900℃）来完成。这样不会发生高温下由于直接还原发展导致的碳消耗增加的现象。为了使铁矿石充分还原，必须把大量还原气体喷进炉身下部。脱碳后的炉顶煤气含有大量的一氧化碳和氢气，在加热到900℃后，喷进高炉炉身下部。理论模型计算表明，该工艺的焦炭用量为204kg/t，二氧化碳排放量（包括在二氧化碳洗涤器去除的部分）为1177kg/t，比常规高炉（二氧化碳排放总量约为1557kg/t）减少24%。
③高炉喷吹废塑料、焦炉煤气和天然气等
喷吹1kg废塑料，相当于1.2kg煤粉，而且使高炉冶炼每吨铁的渣量降低，喷吹废塑料100kg/t，可降低渣量30kg/t ~40kg/t。废塑料成分简单，含氢量是普通还原剂的3倍，高炉每喷吹1t废塑料可减排0.28t二氧化碳。德国不来梅钢铁公司、安赛乐米塔尔集团EKO钢铁公司等高炉喷吹废塑料，日本JFE钢铁在京滨厂和福山厂高炉喷吹废塑料，神户制钢在加古川高炉喷吹废塑料，新日铁成功在焦煤中试掺入1%~2%废塑料用于炼焦。2010年日本高炉、焦炉利用废塑料可望达100万t。
在20世纪80年代初，前苏联已在多座高炉上完成了喷吹焦炉煤气的试验研究，掌握了1.8m3~2.2m3焦炉煤气替代1m3天然气的冶炼技术，喷吹量达到227m3/t。20世纪80年代中期，法国索尔梅厂2号高炉开始进行喷吹焦炉煤气作业，喷吹量达21000m3/h，喷吹的焦炉煤气与焦炭的置换比为0.9kg/m3。1988年，马凯耶沃钢铁公司两座高炉固定喷吹焦炉煤气，喷吹量为95m3/t，并在短期内将喷吹量增至160m3/t。美国钢铁公司MONVALLEY厂的两座高炉（工作容积为1598m3和1381m3）自1994年起一直喷吹焦炉煤气，2005年的喷吹总量为14.16万t，喷吹量约65kg/t。喷吹焦炉煤气后，降低了天然气的喷吹量，消除了焦炉煤气的放空燃烧，降低了能源成本。
高炉喷吹天然气在北美钢铁企业的高炉上已经大量应用。
④高炉炉渣回收利用及余热发电
高炉渣是一种性能良好的硅酸盐材料，通过处理后可作为生产水泥的原料，由此可节约生产水泥原料45%，节约能源50%，并减少二氧化碳排放量44%。由此可见，充分而科学地利用好高炉渣具有很大的节能潜力。日本川崎钢铁公司和川崎重工公司于20世纪80年代联合设计了高炉渣干式造粒及余热回收装置；国内企业正在研究采用螺杆膨胀动力双循环技术，建设余热发电机组，回收冲渣热水的余热资源。
3.2 低碳炼铁技术未来发展
在实现低碳炼铁过程中，一方面要推广低碳炼铁集成技术，降低高炉炼铁的能耗水平；另一方面要寻求新的生产流程，做好技术储备，进一步降低二氧化碳排放量。我国大型高炉工艺的未来发展趋势：二氧化碳消减+节能+低成本，低碳炼铁技术未来发展如下：
3.2.1 液态低温炼铁技术
钢铁研究总院提出低温快速还原理论，通过提高低温下铁矿石的还原，降低炼铁能耗，实现无烧结、无焦化炼铁，降低炼铁能耗25%以上。日本在液态低温炼铁技术方面已取得一定进展，寻求高炉内反应过程的新突破，利用造块技术，重新处理铁矿石，将耗能大的高温火法冶金化学反应减少，可以降低高炉能耗50%，减少二氧化碳排放50%。
3.2.2 全氧高炉（无氮高炉）冶炼
该技术的特点是将鼓入的空气改为氧气，高炉炉顶煤气中的二氧化碳洗涤吸收后，剩余CO返回，从喷煤载体新一排风口送入，可大大降低二氧化碳排放。增加喷煤比，降低焦比。煤比大于300kg/t，焦比小于200kg/t。1986年，日本NKK公司第一次试验证明全氧高炉技术上是可行的。欧洲经过理论研究后，于2009年底开始LKAB中试试验。
3.2.3 带等离子加热装置的高炉冶炼
将部分炉顶煤气中的二氧化碳通过CO2和C反应生成CO。该反应是吸热高温反应，采用等离子加热至3400℃就可促使这一反应产生，产生的CO通过风口吹入，炉顶煤气中的二氧化碳与焦炭中的碳发生吸热反应转变为一氧化碳，火焰温度降至2150℃。另一部分炉顶煤气和无氮高炉一样进入洗涤器除去二氧化碳，然后被加热到900℃，通过第二排风口喷入高炉炉身下部。由于不再采用喷煤技术，仅用焦炭作骨架，通过模型计算，焦比降至235kg/t，总的二氧化碳排放量（包括二氧化碳洗涤器去除的部分）为785kg/t，比常规高炉二氧化碳排放总量减少51%。等离子高炉是二氧化碳排放最低的流程，但是电耗高，建议中长期核电、风能大量应用后，钢铁企业电能充足时考虑。
4 结论：
欧洲ULCOS和日本COURSE50的二氧化碳减排的技术路线图不同，欧洲的减排目标使现行工艺改进后节约碳消耗50%。而日本的目标是减排30%，使吨钢二氧化碳排放从1.64t降低到1.15t。但以上两个方案的核心技术都是对焦炉煤气进行重整，并将重整后的高H2煤气喷入高炉或用于直接还原。我国钢铁工业尤其是炼铁急需及早制定二氧化碳减排的路线图，并密切关注国家碳税政策制定的进展，及早编制低碳经济规划，研究和制定碳减排的实施方案。
节能减排是实现低碳炼铁的第一步。目前首要任务是发展循环经济，实现节能减排，缩小与德国、日本、韩国、北美等国家和地区的工序能耗差距（如加强余能、余热和余压等的回收利用，实现能源梯级利用）；二是实现低碳炼铁技术的集成和创新；三是注重低碳炼铁技术细节的改进（如关注降低烧结漏风率、脱湿鼓风、焦炭和煤粉水分的稳定等）。
加强对低碳炼铁技术（如炉顶煤气循环利用、纯氧高炉、基于氢还原的冶金工艺和液态低温炼铁等技术）的研发。
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