工程科学学报，第44卷，第X期 Direct Scrap steel reduce Blast furnace top gas circulation ron Crude emissions Iron Process Electric furnace short process technology Direet reduction ironmaking ore/pellets steel Shaft furnace Electric stove Carbon Raw material substitution zero Sintering technology ron nide Carbon Capture and utilization Carbon capture technology Blast furnace converter negative End Coke ove technology Carbon cycle technology Cross-industry co-production technology 图1钢铁碳中和技术路径分析 Fig.1 Path analysis of steel carbon neutralization technology 2.1碳减排 Coke and ore Blast furnace gas 2.1.1氧气鼓吹高炉炉顶煤气循环技术 我国粗钢生产流程结构以高炉一转炉长流程 为主，2019年长流程粗钢占比为89.8%.高炉作为 Separation 炼铁主要工序，其碳排放占高炉-转炉长流程碳排 放的67%6-刀.因此，若要实现钢铁行业碳中和的 目标，高炉是实现低碳排放的重要主体 我国高炉的热效率已达到95%以上，从降低 Coal- Powder 热消耗来降低间接碳减排的可能性已很小，但此 Oxygen 时副产物煤气仍具有较高的热值，氧气鼓吹高炉 Oxygen blast furnace 炉顶煤气循环工艺可实现煤气的回收和低碳排放 图2氧气鼓吹高炉炉顶煤气循环工艺 Fig.2 Oxygen blowing blast furnace top gas circulation process 的双重功能.该工艺的主要技术原理为空气被通 入的大量氧气所替代，炉内的主要煤气成分由之 和物料配比进行低碳实验.已实现第一阶段鼓风 前的N2、CO2和C0变为CO2和CO,采用变压吸 氧含量超过35%，高炉喷煤比超过200kgt,产能 附工艺对高炉煤气进行分离.工艺流程图如图2 提升40%.下一阶段将提高鼓风氧气体积分数至 所示.回收得到的高纯度CO可作为还原剂代替 50%,引入二氧化碳捕集技术实现煤气循环 焦炭，增加喷煤比，减少焦炭比，生产每吨粗钢排 2.1.2电炉短流程技术 放的二氧化碳的质量分数约降低30%.同时，对氧 电炉短流程炼钢工艺的原材料主要是废钢和 气高炉排放的二氧化碳进行捕集利用可进一步减 少量铁水，使用清洁能源电能为主要能源冶炼钢 少碳排放的质量分数约20%~30%.该工艺也存在 材.废钢经简单加工破碎或剪切、打包后装入电 以下问题：氧气与焦炭的反应过程为吸热反应，高 弧炉中，利用石墨电极与废钢之间产生电弧所发 浓度的冷态氧气与之前的热风空气相比需要消耗 生的热量来熔炼废钢，并配以精炼炉完成脱气、调 更多的燃料产生热量，随着燃料喷吹量和供氧量 成份、调温度和去夹杂等功能，得到合格钢水.由 的增加，鼓风带入的热量减少使得炉料和炉身供 于短流程炼钢省去了采矿、选矿、烧结球团和焦 热不足，大幅度降低了烧结可矿的还原脱碳过程. 化工艺流程，碳排放量大大减小，生产每吨粗钢约 瑞典LKAB公司在9m3试验高炉上进行喷吹 排放0.6tCO2因此，以短流程炼钢替代长流程 循环煤气的试验研究.试验高炉采用炉缸和炉身 实现炼钢生产结构调整，能够显著降低总体排放. 下部两排风口，炉缸风口循环煤气量为550m3t1 中国电炉短流程生产粗钢比例为10%左右， (1250℃)、炉身下部风口循环煤气量约为550m3t 远低于世界28.8%的平均水平例制约我国短流程 (1000℃)条件下，保持喷煤比为170kgt不变，焦 发展缓慢的原因主要有成本和技术两点：(1)短流 比由400~405kgt降至260~265kgt. 程炼钢成本高于长流程高炉炼钢.长流程炼钢成 新疆八一钢铁在430m3氧气高炉进行我国首 本约4200￥t,短流程炼钢成本约4900￥t10,其 个氧气鼓吹高炉工艺研究，按照不同氧浓度配比 成本的67%来自于废钢，而国际市场废钢价格高Iron ore/pellets Iron ore Direct reduce iron Shaft furnace Sintering Pellets Coke oven Blast furnace converter Electric stove Scrap steel Crude steel Crude steel Carbon emissions technology Process Blast furnace top gas circulation Electric furnace short process Direct reduction ironmaking Carbon capture technology Carbon cycle technology Cross-industry co-production technology Hydrogen metallurgical technology Electrolytic reduction technology Source End Process reengineering Raw material substitution Carbon Capture and utilization negative technology Carbon zero technology 图 1    钢铁碳中和技术路径分析 Fig.1    Path analysis of steel carbon neutralization technology 2.1    碳减排 2.1.1    氧气鼓吹高炉炉顶煤气循环技术 我国粗钢生产流程结构以高炉−转炉长流程 为主，2019 年长流程粗钢占比为 89.8%. 高炉作为 炼铁主要工序，其碳排放占高炉−转炉长流程碳排 放的 67% [6−7] . 因此，若要实现钢铁行业碳中和的 目标，高炉是实现低碳排放的重要主体. 我国高炉的热效率已达到 95% 以上，从降低 热消耗来降低间接碳减排的可能性已很小，但此 时副产物煤气仍具有较高的热值，氧气鼓吹高炉 炉顶煤气循环工艺可实现煤气的回收和低碳排放 的双重功能. 该工艺的主要技术原理为空气被通 入的大量氧气所替代，炉内的主要煤气成分由之 前的 N2、CO2 和 CO 变为 CO2 和 CO，采用变压吸 附工艺对高炉煤气进行分离. 工艺流程图如图 2 所示. 回收得到的高纯度 CO 可作为还原剂代替 焦炭，增加喷煤比，减少焦炭比，生产每吨粗钢排 放的二氧化碳的质量分数约降低 30%. 同时，对氧 气高炉排放的二氧化碳进行捕集利用可进一步减 少碳排放的质量分数约 20%～30%. 该工艺也存在 以下问题：氧气与焦炭的反应过程为吸热反应，高 浓度的冷态氧气与之前的热风空气相比需要消耗 更多的燃料产生热量，随着燃料喷吹量和供氧量 的增加，鼓风带入的热量减少使得炉料和炉身供 热不足，大幅度降低了烧结矿的还原脱碳过程. 瑞典 LKAB 公司在 9 m3 试验高炉上进行喷吹 循环煤气的试验研究. 试验高炉采用炉缸和炉身 下部两排风口，炉缸风口循环煤气量为 550 m3 ·t−1 (1250 ℃)、炉身下部风口循环煤气量约为 550 m3 ·t−1 (1000 ℃) 条件下，保持喷煤比为 170 kg·t−1 不变，焦 比由 400～405 kg·t−1 降至 260～265 kg·t−1 . 新疆八一钢铁在 430 m3 氧气高炉进行我国首 个氧气鼓吹高炉工艺研究，按照不同氧浓度配比 和物料配比进行低碳实验. 已实现第一阶段鼓风 氧含量超过 35%，高炉喷煤比超过 200 kg·t−1，产能 提升 40%. 下一阶段将提高鼓风氧气体积分数至 50%，引入二氧化碳捕集技术实现煤气循环. 2.1.2    电炉短流程技术 电炉短流程炼钢工艺的原材料主要是废钢和 少量铁水，使用清洁能源电能为主要能源冶炼钢 材. 废钢经简单加工破碎或剪切、打包后装入电 弧炉中，利用石墨电极与废钢之间产生电弧所发 生的热量来熔炼废钢，并配以精炼炉完成脱气、调 成份、调温度和去夹杂等功能，得到合格钢水. 由 于短流程炼钢省去了采矿、选矿、烧结/球团和焦 化工艺流程，碳排放量大大减小，生产每吨粗钢约 排放 0.6 tCO2 [8] . 因此，以短流程炼钢替代长流程 实现炼钢生产结构调整，能够显著降低总体排放. 中国电炉短流程生产粗钢比例为 10% 左右， 远低于世界 28.8% 的平均水平[9] . 制约我国短流程 发展缓慢的原因主要有成本和技术两点：（1）短流 程炼钢成本高于长流程高炉炼钢. 长流程炼钢成 本约 4200 ¥·t−1，短流程炼钢成本约 4900 ¥·t−1[10] ，其 成本的 67% 来自于废钢，而国际市场废钢价格高 Coke and ore Separation Oxygen CO CO2 Coal Powder Oxygen blast furnace Blast furnace gas 图 2    氧气鼓吹高炉炉顶煤气循环工艺 Fig.2    Oxygen blowing blast furnace top gas circulation process · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期