本報實習(xí)記者 楊悅 記者 朱曉波
7月11日，必和必拓發(fā)布《電熔爐低碳冶煉技術(shù)》研究報告，分析了電熔爐的運行原理及其在必和必拓最新發(fā)布的脫碳框架中可以發(fā)揮的作用。實際上，該報告建立在必和必拓與全球工程公司赫氏（Hatch）于3月23日簽署的一項協(xié)議基礎(chǔ)上。根據(jù)協(xié)議，雙方將聯(lián)合設(shè)計一座電熔爐中試裝置，形成一條能夠使用必和必拓西澳鐵礦石生產(chǎn)鋼鐵，并有效減少二氧化碳排放的技術(shù)路線，同時該中試裝置可為電熔爐煉鐵工藝優(yōu)化提升等提供助力。
報告指出，目前全球鋼鐵行業(yè)正在共同應(yīng)對氣候變化帶來的挑戰(zhàn)，且仍有多種待探索的路徑及可采取的措施能夠幫助鋼鐵行業(yè)最終進(jìn)入綠色發(fā)展階段。在此背景下，必和必拓有義務(wù)助力保障供應(yīng)鏈的韌性，以便在全行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型過程中始終滿足其全球客戶的鋼鐵需求。在此過程中，主要供應(yīng)鏈不僅要保持可靠性和靈活性，還要能以經(jīng)濟(jì)有效的方式實現(xiàn)溫室氣體的深度減排。
如何實現(xiàn)？必和必拓基于在鋼鐵冶煉工藝方面的廣泛研究和專業(yè)知識，從4條最有望實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的礦基鋼鐵冶煉工藝（指采用鐵礦石冶煉鋼鐵，產(chǎn)生的溫室氣體較多）中選出了最有潛力的幾條脫碳路徑，包括：配備碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)的“革新高爐”，直接還原鐵+電熔爐工藝，直接還原鐵+電弧爐工藝，電解電化學(xué)還原工藝。
報告強調(diào)，應(yīng)用上述任何一條脫碳路徑都需要大量的技術(shù)研發(fā)投入、較高的操作運行能力和充足的配套基礎(chǔ)設(shè)施。鋼鐵行業(yè)需要認(rèn)識到，不是所有的發(fā)展模式都有效。即便是對于有效的發(fā)展模式，鋼鐵企業(yè)在“何時采用”“在何地采用”“如何采用”“能在多大程度上采用這些技術(shù)”等方面，也必須因地制宜。因此，報告認(rèn)為，對于鋼鐵企業(yè)來說，最謹(jǐn)慎的做法就是將上述幾條路徑都納入考慮范圍。
部署“革新高爐”且達(dá)到可觀產(chǎn)量
需花費較長時間
報告認(rèn)為，鋼鐵行業(yè)要想在本世紀(jì)30年代大幅降低礦基鋼鐵冶煉工藝的溫室氣體排放強度，減少高爐流程的碳排放是必不可少的一環(huán)。
高爐流程具有高效、可靠、規(guī)模化應(yīng)用的優(yōu)勢，對鐵礦石品位要求較為靈活，目前為全球范圍內(nèi)主要的鋼鐵冶煉流程（高爐流程在中國的使用比例較高，占比高達(dá)90%左右）。能夠直接集成或應(yīng)用到現(xiàn)有高爐的低碳技術(shù)，為鋼鐵行業(yè)近10年乃至未來10年的加速減排提供了重要契機。這些低碳技術(shù)能夠充分利用鋼鐵行業(yè)已有的龐大資本存量，并避免低周轉(zhuǎn)率。
報告認(rèn)為，由于高爐流程是現(xiàn)有鋼鐵冶煉領(lǐng)域的“主角”，應(yīng)用此類低碳技術(shù)就相當(dāng)于“直接解決了主要矛盾問題”。鋼鐵行業(yè)要想在本世紀(jì)30年代，即在絕大部分高爐資產(chǎn)使用壽命期限內(nèi)，大幅降低礦基鋼鐵冶煉工藝的溫室氣體排放強度，需重點開發(fā)和廣泛部署配備碳捕集、利用與封存技術(shù)的“革新高爐”，以減少排放。雖然其他流程也很重要，但是高爐流程的“綠色改造”需要花費更長的時間才能達(dá)到較為可觀的產(chǎn)量及應(yīng)用規(guī)模。
目前，必和必拓已與全球領(lǐng)先的鋼鐵企業(yè)開展技術(shù)合作，積極推動高爐減排技術(shù)的發(fā)展，包括爐頂煤氣循環(huán)、富氫噴吹和利用生物碳替代化石碳等。必和必拓表示，雖然并非所有技術(shù)在所有地區(qū)都具備商業(yè)可行性，但是其相信會有越來越多的高效碳減排技術(shù)成功應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)。此外，原燃料優(yōu)化對上述技術(shù)的應(yīng)用也有著重要的助力作用。為此，必和必拓目前正針對低灰煉焦煤應(yīng)用、強化塊礦利用、西澳鐵礦粉用于球團(tuán)礦生產(chǎn)等展開研發(fā)。
直接還原鐵+電爐
需巨大可再生電力支撐
直接還原鐵是指在低于鐵礦石熔點的溫度下，通過固態(tài)還原將鐵礦石還原成金屬鐵的形態(tài)。報告指出，采用直接還原鐵+電爐工藝非常有益于鋼鐵行業(yè)大量減少溫室氣體排放。
報告認(rèn)為，與高爐不同，直接還原鐵的生產(chǎn)不需要使用含碳焦炭，而是利用含氫氣體將鐵礦石還原為金屬鐵，由此降低二氧化碳排放強度。直接還原鐵過程不發(fā)生熔化，而是在電爐采用電力進(jìn)行，因而在經(jīng)濟(jì)可行的情況下，采用可再生電力電解生產(chǎn)的“綠氫”和進(jìn)行電爐冶煉，可實現(xiàn)煉鋼過程的“近零排放”，可鋼鐵行業(yè)仍需對此持謹(jǐn)慎態(tài)度。這是因為鋼鐵行業(yè)還需要克服重大的技術(shù)障礙，而且鋼作為一種鐵碳合金，必須在特定環(huán)節(jié)加入碳。
此外，報告指出，無論是電弧爐還是電熔爐，直接還原鐵+電爐工藝都需要巨大的可再生電力供給量做支撐。據(jù)必和必拓估算，一座年產(chǎn)量為200萬噸的直接還原鐵工廠需要相當(dāng)于一座小型核電站當(dāng)量的可再生能源供應(yīng)才能獲得所需的氫氣，再加上電爐冶煉所需的電力，一座直接還原鐵工廠所需的可再生電力總量接近一個常規(guī)中型核電站的發(fā)電量（1兆瓦）。
電熔爐較電弧爐更具原料優(yōu)勢
必和必拓認(rèn)為，電弧爐可主要用直接還原鐵作原料，可是其適用運行范圍較窄。作為一種“替代品”，必和必拓正在研究應(yīng)用電熔爐。其認(rèn)為電熔爐比電弧爐的性能更優(yōu)且原料靈活性更高。必和必拓早期相關(guān)研究已證實電熔爐技術(shù)的可行性，并建議其客戶認(rèn)真考慮。近期，塔塔鋼鐵歐洲公司、蒂森克虜伯、奧鋼聯(lián)、博思格、浦項制鐵等企業(yè)紛紛加入到了必和必拓的電熔爐開發(fā)及應(yīng)用隊伍。
鐵礦石主要由鐵氧化物和其他雜質(zhì)組成，要將鐵礦石冶煉成鋼鐵，需經(jīng)歷還原、熔化、精煉。在高爐流程中，還原和熔化過程均在高爐內(nèi)完成，而精煉則是在轉(zhuǎn)爐中和精煉爐內(nèi)進(jìn)行。無論是電弧爐還是電熔爐，在直接還原過程中都只進(jìn)行還原而不熔化，因而雜質(zhì)仍保留在還原鐵中，必須經(jīng)過后續(xù)的熔化和精煉，才能去除這些雜質(zhì)。
報告指出，目前主流的電弧爐設(shè)計以廢鋼為主要原料。電弧爐針對以電弧作為熱源快速熔化廢鋼而設(shè)計和優(yōu)化，對原料的質(zhì)量要求較高。電弧爐煉鋼不適用于鐵礦石還原，無法將鐵礦石轉(zhuǎn)換成鐵，因而鐵礦石在進(jìn)入電弧爐之前，必須首先將其“還原”（或者說“金屬化”）成金屬形態(tài)。來自高爐的鐵水和直接還原的海綿鐵均屬于金屬形態(tài)，可作為重要原料送入電弧爐，以稀釋廢鋼中難以脫除的殘余雜質(zhì)，如銅、錫等。隨著未來廢鋼供應(yīng)量的增加，行業(yè)對能稀釋廢鋼雜質(zhì)的礦基金屬化爐料的需求也將增加。此外，電弧爐用直接還原鐵的鐵礦石原料品位通常高于67%，脈石含量低于2.5%并含有少量的磷（其余主要是氧，即還原需要去除的部分）。為了降低電弧爐中的鐵損，企業(yè)要盡可能提高直接還原鐵的金屬化率，且一般要與至少50%的廢鋼一起冶煉。
據(jù)能源咨詢公司伍德麥肯茲（Wood Mackenzie）估計，目前全球只有大約3%的海運鐵礦石符合上述高品位鐵礦石的要求。必和必拓認(rèn)為，開發(fā)新的礦山以滿足鋼鐵行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型所需要的直接還原品位鐵礦石（經(jīng)過加工后的鐵礦石），并不切合實際。鋼鐵行業(yè)亟待開發(fā)出“近零排放”的技術(shù)路徑，不僅需要適應(yīng)不同品位的鐵礦石，而且需滿足全球的鋼鐵產(chǎn)量需求。
據(jù)報告介紹，必和必拓正在進(jìn)行一項選礦技術(shù)研發(fā)以提高鐵礦石品位和回收率，目前其正評估在西澳大利亞皮爾巴拉地區(qū)金布巴礦區(qū)建設(shè)一座選礦廠的可行性。必和必拓認(rèn)為，對于金布巴礦區(qū)和絕大部分皮爾巴拉地區(qū)的礦山而言，在可預(yù)見的未來實現(xiàn)所有出產(chǎn)的鐵礦石達(dá)到現(xiàn)有直接還原等級并不現(xiàn)實。此外，必和必拓表示，其通過與擁有球團(tuán)礦廠的中國客戶合作研發(fā)，已經(jīng)證明必和必拓的西澳鐵礦石能夠與多種類型的鐵礦石混合生產(chǎn)球團(tuán)礦，其質(zhì)量與其他商業(yè)海運球團(tuán)礦相當(dāng)。
電熔爐或許可成為解鎖直接還原用
鐵礦石品位靈活性的關(guān)鍵
報告指出，與電弧爐不同，電熔爐設(shè)計專門冶煉直接還原鐵，并可使用不同品位和形狀的原料（如球團(tuán)礦、粉礦、塊礦、團(tuán)礦），擴(kuò)大了鐵礦石原料的適用范圍，包括必和必拓西澳鐵礦的中等品位鐵礦石（包含塊礦、粉礦，以及球團(tuán)礦、壓塊等）。
報告強調(diào)，采用直接還原鐵+電熔爐工藝可以生產(chǎn)出高爐流程可生產(chǎn)的所有高質(zhì)量產(chǎn)品。過去，由于主流的高爐流程具有強大的競爭力，所以電熔爐技術(shù)不太具備商業(yè)化的條件。如今，由于鋼鐵企業(yè)可利用電熔爐生產(chǎn)“近零排放”的鋼鐵，所以扭轉(zhuǎn)了電熔爐的市場前景。
電熔爐究竟有什么特別之處？報告指出，與電弧爐一樣，電熔爐的工作原理也是通過電極通電從而加熱含鐵爐料，可是其內(nèi)部過程與電弧爐完全不同。電熔爐是連續(xù)運行，通過在爐內(nèi)添加少量碳來形成“維持還原氣氛”，并密封爐頂以避免空氣進(jìn)入，同時可以通過對電極的不同操作來改變電極周圍的電弧、功率等。直接還原鐵被不斷送入電熔爐，在電極周圍保有一層逐漸還原和熔化的固態(tài)原料，并漂浮在熔融金屬和熔渣上。電熔爐爐膛的工作環(huán)境、熔渣化學(xué)反應(yīng)的控制方式雖與高爐類似，但明顯不同于電弧爐，其在確保爐膛正常運行的情況下，可以通過出鐵孔定期排出鐵水。
必和必拓表示，上述差異有望開辟出一條不僅用料靈活還能降低成本及溫室氣體排放強度的全新鋼鐵冶煉工藝路線，或許也可以成為解鎖直接還原用鐵礦石品位靈活性的關(guān)鍵。
深入行業(yè)碳減排
還需加強上下游協(xié)同合作
報告指出，如果直接還原鐵+電熔爐工藝成功實現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)的規(guī)模化應(yīng)用，那么直接還原鐵+電熔爐工藝可逐步取代鋼廠內(nèi)溫室氣體排放密集的前端生產(chǎn)設(shè)施（包括高爐、燒結(jié)廠、煉焦?fàn)t等），且不會影響下游的精煉和加工等工序。這些都是鋼鐵企業(yè)制造并向最終用戶交付大量成品鋼的必備條件。因此，為了進(jìn)一步推進(jìn)全行業(yè)的碳減排，推廣應(yīng)用直接還原鐵+電熔爐工藝，還需要進(jìn)一步加強上下游的協(xié)同合作。
報告認(rèn)為，在不放棄下游基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)勢的前提下，鋼鐵企業(yè)也可以選擇在更具經(jīng)濟(jì)效益的區(qū)域（如綠氫更便宜的區(qū)域）建造獨立的直接還原鐵廠或者直接還原鐵+電熔爐綜合性工廠。如此一來，直接還原鐵和由電熔爐將含鐵料熔化產(chǎn)生的鐵水澆鑄成的生鐵均可再運輸?shù)狡髽I(yè)現(xiàn)有的鋼廠（上述生鐵被送到鋼廠后需重新熔化造成額外的能源消耗，鋼企如果選擇將綜合性工廠建在鋼廠附近，則可以避免這些消耗)。
必和必拓表示，電熔爐產(chǎn)生的鐵水、熔渣與高爐類似，所以通過放寬之前適用于電弧爐的直接還原鐵質(zhì)量要求，有助于在上游形成協(xié)同效應(yīng)，不僅能降低熔渣鐵損，還能在下游精煉過程中除磷。由于生產(chǎn)直接還原鐵需要達(dá)到90%以上的金屬化率，所以其面臨的最大技術(shù)障礙之一是物性（特別是黏結(jié)）改變。然而，如果是直接還原鐵與電熔爐工藝組合，其金屬化率可能只需達(dá)到80%~85%。
此外，必和必拓強調(diào)，電熔爐產(chǎn)生的熔渣與高爐的熔渣相似，所以可以作為水泥的替代品，不僅不需要進(jìn)行處理，而且水泥生產(chǎn)本身就屬于溫室氣體排放密集型活動，用爐渣替代水泥后，每生產(chǎn)1噸鐵水，便可額外減少150千克~200千克的二氧化碳排放量。
必和必拓表示，雖然電熔爐的相關(guān)技術(shù)在其他冶金領(lǐng)域（如鐵合金、鈦、鎳生產(chǎn)）已屬于成熟技術(shù)，但是如何利用電熔爐技術(shù)減少用必和必拓皮爾巴拉礦區(qū)鐵礦石在煉鋼過程中的溫室氣體排放，如何規(guī)定操作要求，目前尚未得到充分論證，還需要上下游加強協(xié)同合作。必和必拓與赫氏聯(lián)合設(shè)計的電熔爐中試裝置將提供一個良好的試驗平臺，雙方將合作開展系統(tǒng)性研究，降低風(fēng)險，優(yōu)化皮爾巴拉礦區(qū)鐵礦石處理工藝。
《中國冶金報》（2023年07月21日 02版二版）
