邢奕等：钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 5 且限制优质废钢出口，这是制约我国短流程炼钢 2.1.3直接还原技术 发展的主要原因.另外，国内短流程电耗高和工业 直接还原是指以气体、液体或者非焦煤为能 电价高，我国全废钢冶炼吨钢电耗和工业电价分 源与还原剂，在低于铁矿石和氧化球团矿软化温 别为400kw-ht和0.64￥(kwh),而国外发达国 度下进行还原得到固态金属铁的炼铁工艺，其产 家这一数值约为280kWh和0.45￥(kW-h),国 品称为直接还原铁，可作为电炉炼钢的优质原料 内短流程相对国外吨钢成本要高130￥.(2)国 (简称DRI))主要工艺原理如图4所示，铁矿石 内废钢稳定性差和短流程炼钢技术存在技术难 经过球团工序或者氧化熔融处理得到氧化球团， 题.分拣技术不过关导致无法控制废钢成分，回收 随后依次进入气基还原竖炉、电炉融化和精炼连 原则为按照废钢的质量和轻薄简单划分.2020年 续铸轧分别转化为直接还原铁、钢水和成品钢材， 我国废钢资源总量达到2.1亿t,钢铁行业消耗主 其中在电炉和精炼连铸连轧工序伴随有废钢产 要为电炉原料、高炉增产和转炉热平衡.而短流 生.直接还原铁技术优势在于采用其它还原剂代 程炼钢由于技术原因无法控制钢材中Cu、Zn、 替焦煤，完全省去焦化工艺，掺杂部分高品位铁精 Pb、P、N和H等杂质元素，加上国内废钢质量参 矿和球团矿减少球团工艺占比，碳排放量为相同 差不齐，造成国内短流程炼钢只能应用于型材、棒 产量高炉炼铁工艺的80%~85%直接还原铁工 线材和少量不锈钢等低端产品，限制电炉短流程 艺有以下优点：(1)扩大了对能源的利用范围.直 在我国大规模应用 接还原炼铁可以完全不用焦炭，因此可用各种非 电炉按照加料方式可分为竖炉和横炉，未来 煤焦、燃料油、气体燃料、电能等代替日益缺乏的 主要发展方向为废钢预热和连续加料.目前，竖炉 冶金焦.(2)扩大了原料的适应性.直接还原铁有 主要包括Quantum电炉、ECOARC电炉和Sharc 的可处理品位很低的贫矿，有的使用品位极高的 电炉-l2 Quantum电炉通过废钢料槽升降小车代 铁精矿，可直接用矿粉作原料.(3)改善产品的质 替天车料篮加料，预热温度在600℃以上，世界投 量.直接还原铁有害杂质少，可作为电炉废钢冶炼 产和在建的Quantum电炉约有11座，其中土耳 良好的稀释原料，生产高产品质量的特种钢、洁净 其、孟加拉和墨西哥各1座，中国8座；ECOARC 钢和优质钢.目前电炉炼钢一般参杂30%~50% 电炉预热温度在800℃以上，可将预热过程产生 的直接还原铁原料) 的二愿英全部处理掉，世界投产和在建的ECOARC 直接还原技术按照所用还原剂的不同可分为 电炉约有9座，其中日本5座、中国2座、韩国和 气基（天然气）和煤基两种工艺.前者的炉型包括 泰国各1座：Sharc电炉为直流供电电炉，采用双竖 竖炉、流化床和反应罐流程，后者的炉型包括回转 炉式生产，我国河钢石钢引进130t电炉2座，土耳 窑和竖炉流程.气基直接还原技术的主导工艺有： 其运行1座l00t电炉.Consteel电炉为连续水平 Midrex法和HYL/Energiron法等，煤基直接还原工 加料式电炉实现了布料、废钢预热、连续加料和 艺主要有Fastmelt工艺、ITmk3工艺和Iron Dynamics 平熔池冶集成在一个设备中完成（图3），在我国应 工艺.2019年全球直接还原铁年度产量为1.081 用最为广泛.自2017年以来企业新上的电炉设备 亿吨，全球直接还原炼铁技术以气基为主，气基还 85%以上为连续水平加料，其最大优点为冶炼过 原产量占总产量的75.8%.从生产技术上来看，Midrex 程中可不开炉盖连续加入废钢，能量不间断输入 工艺的直接还原铁产量占总产量的60.9%，回转 避免了巨大的能量损失，吨钢电耗可降低30 窑工艺直接还原铁产量占总产量的24% l00kWh.但Consteel电炉水平烟道尾气预热温度 中国直接还原铁的市场需求量巨大，2020年 较低，约为400℃，此温度为产生二嗯英的高峰区 需求量在1500万吨以上.中国大部分铁矿石来自 间，需要考虑二愿英治理问题 进口，2020年上半年直接还原铁进口量约为 Scrap preheating Flat bath smelting 130万吨.国内直接还原炼铁技术仍处在起步阶 Batching Continuous feeding 段，主要受还原气体天然气少分布不均制约，但我 国煤炭资源较为丰富，可利用该优势发展煤基直 接还原技术和煤制气-竖炉直接还原技术.对于煤 基直接还原技术，我国曾建煤基回转窑直接还原 图3 Consteel电弧炉 铁生产线7条，年产能约65万吨.随世界铁矿石 Fig.3 Consteel electric arc furnace 价格上升依靠进口球团生产DRI出现亏损，同时且限制优质废钢出口，这是制约我国短流程炼钢 发展的主要原因. 另外，国内短流程电耗高和工业 电价高，我国全废钢冶炼吨钢电耗和工业电价分 别为 400 kW·h/t 和 0.64 ¥·(kW·h)−1，而国外发达国 家这一数值约为 280 kW·h·t−1 和 0.45 ¥·(kW·h)−1，国 内短流程相对国外吨钢成本要高 130 ¥·t−1 . （2）国 内废钢稳定性差和短流程炼钢技术存在技术难 题. 分拣技术不过关导致无法控制废钢成分，回收 原则为按照废钢的质量和轻薄简单划分. 2020 年 我国废钢资源总量达到 2.1 亿 t，钢铁行业消耗主 要为电炉原料、高炉增产和转炉热平衡. 而短流 程炼钢由于技术原因无法控制钢材 中 Cu、 Zn、 Pb、P、N 和 H 等杂质元素，加上国内废钢质量参 差不齐，造成国内短流程炼钢只能应用于型材、棒 线材和少量不锈钢等低端产品，限制电炉短流程 在我国大规模应用. 电炉按照加料方式可分为竖炉和横炉，未来 主要发展方向为废钢预热和连续加料. 目前，竖炉 主要包 括 Quantum 电炉 、 ECOARC 电 炉 和 Sharc 电炉[11−12] . Quantum 电炉通过废钢料槽升降小车代 替天车料篮加料，预热温度在 600 ℃ 以上，世界投 产和在建的 Quantum 电炉约有 11 座 ，其中土耳 其、孟加拉和墨西哥各 1 座，中国 8 座 ；ECOARC 电炉预热温度在 800 ℃ 以上，可将预热过程产生 的二噁英全部处理掉，世界投产和在建的 ECOARC 电炉约有 9 座，其中日本 5 座、中国 2 座、韩国和 泰国各 1 座；Sharc 电炉为直流供电电炉，采用双竖 炉式生产，我国河钢石钢引进 130 t 电炉 2 座，土耳 其运行 1 座 100 t 电炉. Consteel 电炉为连续水平 加料式电炉实现了布料、废钢预热、连续加料和 平熔池冶集成在一个设备中完成（图 3），在我国应 用最为广泛. 自 2017 年以来企业新上的电炉设备 85% 以上为连续水平加料，其最大优点为冶炼过 程中可不开炉盖连续加入废钢，能量不间断输入 避免了巨大的能量损失 ，吨钢电耗可降低 30～ 100 kW·h. 但 Consteel 电炉水平烟道尾气预热温度 较低，约为 400 ℃，此温度为产生二噁英的高峰区 间，需要考虑二噁英治理问题. Batching Scrap preheating Continuous feeding Flat bath smelting 图 3    Consteel 电弧炉 Fig.3    Consteel electric arc furnace 2.1.3    直接还原技术 直接还原是指以气体、液体或者非焦煤为能 源与还原剂，在低于铁矿石和氧化球团矿软化温 度下进行还原得到固态金属铁的炼铁工艺，其产 品称为直接还原铁，可作为电炉炼钢的优质原料 （简称 DRI） [13] . 主要工艺原理如图 4 所示，铁矿石 经过球团工序或者氧化熔融处理得到氧化球团， 随后依次进入气基还原竖炉、电炉融化和精炼连 续铸轧分别转化为直接还原铁、钢水和成品钢材， 其中在电炉和精炼连铸连轧工序伴随有废钢产 生. 直接还原铁技术优势在于采用其它还原剂代 替焦煤，完全省去焦化工艺，掺杂部分高品位铁精 矿和球团矿减少球团工艺占比，碳排放量为相同 产量高炉炼铁工艺的 80%～85% [14] . 直接还原铁工 艺有以下优点：（1）扩大了对能源的利用范围. 直 接还原炼铁可以完全不用焦炭，因此可用各种非 煤焦、燃料油、气体燃料、电能等代替日益缺乏的 冶金焦. （2）扩大了原料的适应性. 直接还原铁有 的可处理品位很低的贫矿，有的使用品位极高的 铁精矿，可直接用矿粉作原料. （3）改善产品的质 量. 直接还原铁有害杂质少，可作为电炉废钢冶炼 良好的稀释原料，生产高产品质量的特种钢、洁净 钢和优质钢. 目前电炉炼钢一般掺杂 30%～50% 的直接还原铁原料[15] . 直接还原技术按照所用还原剂的不同可分为 气基 (天然气) 和煤基两种工艺. 前者的炉型包括 竖炉、流化床和反应罐流程，后者的炉型包括回转 窑和竖炉流程. 气基直接还原技术的主导工艺有： Midrex 法和 HYL/Energiron 法等，煤基直接还原工 艺主要有 Fastmelt 工艺、ITmk3 工艺和 Iron Dynamics 工艺. 2019 年全球直接还原铁年度产量为 1.081 亿吨，全球直接还原炼铁技术以气基为主，气基还 原产量占总产量的75.8%. 从生产技术上来看，Midrex 工艺的直接还原铁产量占总产量的 60.9% [16] ，回转 窑工艺直接还原铁产量占总产量的 24%. 中国直接还原铁的市场需求量巨大，2020 年 需求量在 1500 万吨以上. 中国大部分铁矿石来自 进 口 ， 2020 年 上 半 年 直 接 还 原 铁 进 口 量 约 为 130 万吨. 国内直接还原炼铁技术仍处在起步阶 段，主要受还原气体天然气少分布不均制约，但我 国煤炭资源较为丰富，可利用该优势发展煤基直 接还原技术和煤制气–竖炉直接还原技术. 对于煤 基直接还原技术，我国曾建煤基回转窑直接还原 铁生产线 7 条，年产能约 65 万吨. 随世界铁矿石 价格上升依靠进口球团生产 DRI 出现亏损，同时 邢    奕等： 钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 · 5 ·