百年非高炉炼铁技术一直在持续改善和发展

周渝生

我国钢铁工业近三十年快速发展，由于与天然气相比，中国的焦煤资源十分丰富，焦炭价格便宜，中国的高炉炼铁流程工程及设备制造工业也十分成熟，比国外便宜很多，高炉流程的生产率、成本竞争力、设备利用率非常高，基建及城市化带动的钢铁市场产品需求量非常大，造成了中国庞大的炼铁工艺实际上被高炉炼铁垄断的局面。

2021年中国经济总量突破114万亿元RMB，稳居世界第二大经济体的地位。同时，我国的二氧化碳排放形势十分严峻，我国碳排放也进入“总量高、增量高”的历史阶段。我国2020年度二氧化碳排放量达98.94亿吨，约占全球总排放量的30.7%，位居世界第一，超过了美国+印度+俄罗斯排放量的总和，2019年中国人均二氧化碳排放量达9.21吨/人，超过世界平均水平，而且仍处于增长阶段。我国的单位GDP的二氧化碳排放量目前处于全球平均水平两倍左右的高位。这意味着中国的碳减排承诺对实现《巴黎协定》的全球目标有举足轻重的意义。也意味着我国在兼顾经济发展情况下，还需要做出特别巨大努力来降低碳排放。2020年9月22日，国家主席习近平代表中国承诺将采取更加有力的政策和措施，力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值，使中国单位GDP的CO2排放量比2005 年下降 60%-65%。努力争取2060年前实现碳中和；从碳达峰到碳中和，发达国家承诺用45～70年，中国承诺仅用30年，这是一个巨大的挑战。从我国粗钢产量与碳排放量的变化曲线可以看出，我国的碳排放量随着我国城市化比例提高、粗钢产量逐年增加而增加。

随着2030年实现碳达峰目标的最后敲定，钢铁行业的能耗双控向着碳排放总量和碳排放强度双控过渡已经成为必然，外部世界碳中和能力建设对我国的压力也在不断增加。欧盟碳边境调节机制即将生效。欧盟碳边境调节机制提案将涵盖进入欧洲碳市场中的电力、钢铁、水泥、铝和化肥5个领域产品。2025年前输入欧盟的上述产品需要履行排放报告义务，暂不征收费用。

如期实现钢铁企业产品的碳中和的紧迫性。目前中国还没有开始对化工、钢铁产品征收碳排放税，欧盟已经开始对中国出口产品的碳排放量进行统计，2022年5月19日碳关税文本在欧洲议会的环境委员会投票通过，欧盟碳关税的过渡期缩短为2年，从2025年开始对中国向欧盟出口的产品征收碳排放税，欧盟采用逐年减少一部分免征碳排放税，直至2025年完全取消免费配额，同时要求产品进口者对产品生产过程中产生的碳排放支付费用（生产产品的碳排放在中国，却要向欧盟交钱，实际上是打着减碳的旗号敲诈勒索中国）。初步分析显示，欧盟完全取消免费配额后，将造成我国出口欧盟的钢铁成本增加21%，而2025年以后，碳边境调节机制会导致中国向欧盟出口的钢铁产品及含有的金属部件的成本增加约25%，将严重压低中国钢铁产品在欧盟的竞争力，亟待发掘新的成本竞争优势。仅有碳排放较低的钢铁产品可以按照实际碳排放量征收碳边境调节税。另一方面，越来越多的使用钢铁产品的下游企业，将在钢铁产品采购中，要求钢铁生产企业提供低碳或零碳排放的钢材，钢铁企业实施碳减排是大势所趋，形势逼人。

      随着2030年的日益临近，产品生产过程中的碳排放以及CO2利用技术带来的碳中和比例将成为我国调控钢铁产能和税收的终极手段。于是，强化自身企业碳中和能力建设，如期实现钢铁企业产品的碳中和，已经成为事关每一个钢铁企业生死存亡的头等大事。

高炉炼铁流程的优势及减排二氧化碳能力有限的原因。现代高炉炼铁工艺流程经过近百年的革新和发展，近25年来使我国钢铁产量从年产1亿吨飞跃到10亿吨，连续多年超过其他国家炼铁产量的总和，达到全世界钢铁总产能的一半以上已成为常态，钢铁工业是我国工业现代化的功臣和表率，2021年我国重点大中型企业吨钢综合能耗、吨钢二氧化硫排放量较2015年分别下降4.7%、46%，总体达到世界先进水平，成为独一无二最有竞争力的钢铁生产力。

目前钢铁生产的能源约有75%直接或间接来自煤炭，钢铁产品的碳排放占全球能源系统排放量的7%。中国钢铁行业年碳排放量已达18亿吨，占全国碳排放总量的15％，占全国工业碳排放量的20％。
 

作为巨型竖炉型填充床反应器，高炉炼铁有几个严重的缺点，对入炉原料的理化性能要求很高，必须采用透气、透液性能良好的人造块矿及冶金焦炭等昂贵炉料，而人造块矿及焦炭的成本及能耗、环境污染物的排放量都很高，尤其是高炉炼铁流程生产每吨铁水的二氧化碳排放量高达2.0吨，面对“十四五”更趋严格的碳排放总量和强度“双控”要求，和2030年“碳达峰、碳中和”目标的压力，迫使人们急于寻找一种符合低碳时代要求的新炼铁技术来逐步代替或者革新高炉炼铁流程。

2022年2月，国家发改委、工信部等四部门联合发布《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》提出工作目标：即到 2025年，钢铁行业炼铁、炼钢工序能效标杆水平以上产能的比例必须达到 30%，能效基准水平以下产能基本清零，行业节能、降碳效果显著，绿色低碳发展能力大幅提高。《指南》提出两大工作方向:一是加强先进技术攻关，培育标杆示范企业。重点围绕副产焦炉煤气或天然气直接还原炼铁、高炉大富氧或富氢冶炼、熔融还原、纯氢冶炼等低碳前沿技术。

在COREX、FINEX的主体熔炼炉中，其熔化终还原部分的填充床均采用了与传统高炉的炉缸相同的结构，都有一个以焦炭和煤为主要燃料形成的焦铁柱（死铁层），死铁层在高达10-28m、质量达到上千吨的料柱的压迫下，底部浸没入炉渣和铁水中，甚至焦炭柱持续接触炉底，可以直接不断地向底层的铁水渗碳，使铁水达到碳饱和，1500℃的高温铁水中的碳又会快速将浮在其上面的熔融炉渣中的氧化亚铁（FeO）快速充分还原，使得炉渣中的（FeO）含量始终低于1%，从而使得COREX、FINEX的炉衬寿命与高炉一样，可以达到十五年以上。因此，它们都具有高炉相同的的炉体耐材长寿的优势；同时，与高炉下部一样，由于炉缸内死铁层存在有极强控制力的红热固体碳，炉内1000℃等温线以下的区域，无论在从风口喷吹氧气燃烧了多少含氢燃料，生成的CO2、H2O，以及炉渣中未还原的（FeO）都不可能稳定存在，都会被分解或还原成CO、H2或生成Fe3C。只有在炉内1000℃等温线以上区域，CO或H2才能对固态的铁矿石起到还原作用。传统高炉以焦炭和煤为主要燃料，焦炭和喷煤仍然占总燃料比的80%以上。因此，因为无论喷吹多少含氢燃料，传统高炉炉顶煤气的主要成分仍然是CO以及CO2，所以，高炉喷吹含氢燃料只能在这个低温区域起到还原效果，也很难大幅度降低高炉、COREX、FINEX的碳排放量。

煤气利用率可以用以下公式计算出来：煤气利用率=0.555-0.317XH2 ，还原煤气利用率与氢气的摩尔分数XH2呈直线关系。通常的高炉炉顶煤气的含氢量低于3%，先进高炉的煤气利用率可以达到50%左右。高炉喷吹绿氢时，由于氢气还原铁矿石是强吸热反应，氢气还原铁矿石会使煤气利用率降低；在同一个温度下高炉的煤气利用率会随着吹入高炉氢气量的增加而不断降低，随着氢气比例的提高，炉身上部的煤气利用率会逐步下降，由纯CO还原的煤气利用率由0.555，逐步降低到到纯氢还原的0.238。这意味着引入高炉的大量氢气将会从炉顶煤气中逸出炉外。虽然可以将其从炉顶煤气中分离出来，再次加压加热循环喷入高炉，但是从高炉煤气中提取氢气、加压、加热到900℃再循环喷吹进入高炉炉身，不仅增加了能耗、成本及碳排放，还需要增加建设循环利用氢气的设备投资，使高炉系统的工艺设备管理复杂化。业主也不可能为了提高氢气配入量而无限制地降低高炉的煤气利用率，使高炉炼铁的燃料消耗成本无限制地增加。由于喷吹含氢燃料只能在高炉炉身上部块状带直接还原起到减排CO2的作用，2013年日本在其COURSE 50项目试验操作中，曾经向试验高炉内大量喷吹氢气，试验结果表明，与不喷吹氢气条件的高炉相比，碳减排仅达9.4%。欧洲高炉喷吹含氢燃料的试验实践表明，高炉减排CO2的效果不超过11%，这也许这就是这一类炼铁炉的单独喷吹含氢燃料可以减少CO2排放量的上限。除非提高入炉原料中颗粒状废钢，或者使用一部分高金属化率的DRI炉料，同时通过CCUS利用一部分CO2+CO2生产一部分甲醇或甲烷燃料，才有可能达到减碳30%以上的目标。高炉操作专家通常会将煤气利用率控制在45%-53%，使能耗及成本的经济性达到业主期望的水平。

“十四五”更趋严格的能耗“双控”要求和“双碳”目标约束，促使钢铁行业将碳减排摆在更突出的位置。“做好碳达峰、碳中和工作”已经成为钢铁行业“十四五”的重点任务。中国钢铁协会何文波会长指出：“中国是世界最大的钢铁生产和消费国，中国钢铁具有完备、先进的钢铁生产体系，技术水平稳步迈入国际先进行列。由于与企业节能、环保、降本增效密切相关。加快推进低碳转型，早日实现碳达峰、走向碳中和，是行业转型升级、高质量发展的内在要求和必由之路。同时，我们也要客观、清醒的认识到，钢铁行业低碳转型是一个庞大的系统工程，发达国家提出要用20年实现的发展目标，规模庞大的中国钢铁工业不可能五年十年就能实现碳达峰、碳中和目标。对于目前还处于研究发展完善过程中，尚未产业化、还有一些不确定性的新工艺技术，不能盲目跟风、操之过急。不宜在没有统筹规划，评估落实发展条件及潜力的情况下，就提出几年之内减碳很多的不切实际的目标和指标。”

我们研究和发展非高炉炼铁技术的目的，在于摆脱短缺的焦煤资源对钢铁工业发展的羁绊，适应日益提高的环境保护要求、降低钢铁生产的能耗、碳排放量以及改善钢铁产品结构和提高质量和品质、解决废钢短缺及质量不断恶化的问题，并努力实现资源的综合利用。目前实现工业化生产的直接还原和熔融还原已成为世界炼铁工业不可或缺的组成部分，低碳氢冶金-非高炉炼铁新工艺已经成为钢铁工业亟待发展成功的重大前沿技术。

如果认真研究欧盟日本等发达经济体提出的非高炉氢冶金低碳炼铁发展方案，可以发现他们十分谨慎，近几年的试验方案大多是小规模的中试装置，有规模的试验或示范生产大都放在2030年前后。这不仅意味着氢冶金、低碳技术的发展有一个试验研究的成熟期，而且还有一系列与氢冶金低碳炼铁密切相关、但是又相互制约、限制的重要技术条件需要配合研究解决，例如廉价的低碳绿氢生产技术，设备作业率能达到95%的焦炉煤气、天然气重整技术、能够经济地利用CO2制造社会需要的消费品的CCUS工艺技术，这些相关技术的研究开发及成熟都需要时间和空间。

在目前的条件下，我国发展氢冶金直接还原铁工艺，还要面临一些工程难题需要研究解决。例如，

如何保障高效竖炉使用的铁品位＞67%氧化球团矿资源长期稳定地大量生产供应？

如何获得长期稳定供应的大量的氢气资源？

如何大幅度降低氢冶金必不可少的的二次能源氢气的制造成本？

如何降低生产单位海绵铁产品的氢气消耗量？

长流程钢铁企业为了实现碳中和，有哪些回收利用CO2低成本制造成受市场欢迎的产品CCUS工艺技术？

设备利用率较低的煤制气、COG-NG重整工艺设备与设备利用率高于95%的竖炉如何高效匹配运行？ 

2021年，我国粗钢产量已达10.35亿吨，进口铁矿石11.24亿吨，国产铁精矿2.85亿吨，炼钢用废钢消耗量达2.3亿吨，当年粗钢生产所需铁资源的61%依赖进口铁矿。钢铁产业需要资源产业的支撑，目前我国对国内外铁资源的自主开发力度，还远远不能适应我国钢铁工业的发展的需求。要学习日本和韩国的钢铁企业通过投资占有海外煤矿铁矿资源的股份参与操控铁资源及焦煤的价格及分享利润。我国钢铁产业要实现内外双循环，要从产业安全的高度重视解决好优质铁资源和能源的供应保障，才能达到供应量和原料成本受控，才能支撑低碳氢冶金钢铁生产发展。我国钢铁行业实现碳达峰、碳中和，传统炼铁工艺优化升级的解决途径在于推进低碳技术进步，核心是技术创新、技术突破和技术推广，目标是炼铁领域低碳工艺革新和数字化转型。

气基直接还原炼铁装置不需要象高炉配套建设的大规模的烧结、炼焦设备投资，也不需要焦炭、焦煤。因此，在以出产天然气的发展中国家为中心，蓬勃发展起气基竖炉炼铁的铁源设施。近年，钢铁企业对于低灰分的洁净铁源的需求量正在日益增大，部分企业已将直接还原铁作为废钢的优质替代品。由于HBI技术的开发，海上运输直接还原铁成为可能，开辟了世界范围的市场。由于最近的优质钢材需求量的增大，建设气基竖炉直接还原铁装置的需求也在日益高涨。

熔融还原炼铁工艺技术也一直在持续创新、不断成熟和向大型化的技术进步中发展。1980’年代美国和日本钢铁协会与政府合作斥巨资持续6-8年时间，先后完成了美国的AISI-DOE项目及日本钢铁协会的DIOS法攻关试验项目，在分别花费了1 亿多美元研发费用试验之后，日本完成了DIOS法大规模工业试验，美国在完成了预还原度、低预还原度（25%-30%）炉料-高二次燃烧率（30%-60%）铁浴熔融还原炼铁工业规模试验后，半途终止了研究项目。他们得出了比较一致的结论：由于铁浴中1500℃炉渣的(FeO)含量高达15%-50%，对炉衬耐火材料侵蚀速度达到了约2-3mm/h，炉衬寿命过短，设备作业率低下，由于煤气利用率低，其吨铁煤耗难于达到1000kg以下，运行成本居高不下，难以经济地生产铁水，目前这些问题在工程技术上难以解决。试验及生产实践的结果表明，相对比较而言，以目前最高产能达到130-150万吨铁水规模的的COREX、FINEX熔融还原为代表的较高预还原度-焦炭填充床熔融还原的工艺路线更加具有市场竞争力和生命力。

气基直接还原竖炉的直接还原铁的生产率一直在持续改善。近50年竖炉内的CO和H2利用率的提高幅度达25％以上，对竖炉的节能和单耗的改善贡献很大。依靠提高还原气体的温度、压力，以及对入炉原料质量的严格控制、促进竖炉内煤气流均匀分布、改善固－气接触等使还原气的消耗量逐步减少。上世纪70年代竖炉的还原气的温度通常仅780℃，到90年代提高至850℃，竖炉的生产率约提高了13％。到90年代后期，通过对原料球团施行水泥喷涂包覆，还原气的温度可提高到930℃，竖炉的生产率又进一步提高了约11％。这些改善是在没有变更直接还原竖炉的内部结构下实现的。由于HBI技术的开发成功，使得从海上运输直接还原铁成为可能，开辟了气基竖炉产品在全世界的销售市场。

上世纪90年代后期开始，竖炉技术进步的重点逐步放到了借助吹氧进一步提高竖炉还原层温度的技术。这项技术是将高纯度的氧气(12～20Nm3／tDRI)吹入高温还原气中，同时补吹少量甲烷，使入炉的工艺还原气的温度可提高到1000℃，随着工艺煤气的氢气含量进一步提高，竖炉的生产率约提高了20％，同时可节能5％。HYL法直接还原铁竖炉也在持续改进，2010年前后尝试着在小型竖炉工程设计中逐步取消了用水蒸气催化重整天然气工序，采用天然气直接加热到950℃，甲烷被加热分解约70%，入炉前补吹少量氧气，进入竖炉使煤气部分燃烧的零重整新工艺(HYL-ZR)，他们借助特别设计的弥散装置向加热后的工艺煤气管道中补吹少量氧气，使部分甲烷氧化分解生成高温工艺煤气高速喷吹进入竖炉，入炉时工艺煤气可被加热到约1010℃，在还原带下部有甲烷部分氧化-分解-重整-析碳等多个化学反应同时发生，在竖炉中甲烷再消耗约5%，同时煤气中一部分甲烷会与海绵铁发生析碳反应生成碳化铁。这项甲烷直接加热的自重整技术（ZR），首先在几座小型竖炉工程中得到了应用，由于不必增设水蒸气重整炉而较大幅度地降低了投资，也有节能的效果。甲烷自重整技术（ZR）虽然在钮科250万吨竖炉运行中受到一些挫折，但是经过大修改进总结经验，优化工艺参数，如果合理地控制操作压力和温度，可以实现安全生产。但是对于焦炉煤气采用自重整技术需要更加谨慎，由于焦炉煤气含有许多复杂的大分子有机物成分，需要更高温度或配合催化剂才能快速分解，竖炉中会有更多复杂的的化学反应竞争热量，炉内零重整环境可能会面临更复杂的情况，还需要做更多的研究，去探索其运行规律和更加安全有效的应用技术。

世界上第一座以COREX输出煤气作还原剂的大型MIDREX还原竖炉直接还原设备，以及用他们生产的铁水和海绵铁为原料电炉炼钢联合钢铁厂，1999年6月在南非撒旦那钢铁厂投产，该竖炉年产80万吨金属化率大于93％的DRI,与COREX铁水一起供该厂转电炉炼钢使用。该COREX生产的煤气94％用于生产1吨DRI，其余用于钢铁厂内生产用公辅热源。本项目的投产具有划时代的意义，证明直接还原竖炉可以不依赖天然气，可以主要使用含CO高于70％的煤制气来生产海绵铁（其H2/CO比例仅为0.3），该流程采用了一种专门技术加热竖炉的工艺煤气，有效避开了通常高CO含量煤气加热过程中必然发生的析碳反应。后来，印度安古尔也建成了两座相同工艺流程-相同生产能力的煤基COREX-MIDREX铁水-海绵铁联产工厂（参见图6、图7），可以消耗1吨煤生产出1t海绵铁+1t热铁水。