实习 杨悦 朱晓波 7月11日，必和必拓发布《电熔炉低碳冶炼技术》研究报告，分析了电熔炉的运行原理及其在必和必拓最新发布的脱碳框架中可以发挥的作用。实际上，该报告建立在必和必拓与全球工程公司赫氏（Hatch）于3月23日签署的一项协议基础上。根据协议，双方将联合设计一座电熔炉中试装置，形成一条能够使用必和必拓西澳铁矿石生产钢铁，并有效减少二氧化碳排放的技术路线，同时该中试装置可为电熔炉炼铁工艺优化提升等提供助力。 报告指出，目前全球钢铁行业正在共同应对气候变化带来的挑战，且仍有多种待探索的路径及可采取的措施能够帮助钢铁行业最终进入绿色发展阶段。在此背景下，必和必拓有义务助力保障供应链的韧性，以便在全行业绿色转型过程中始终满足其全球客户的钢铁需求。在此过程中，主要供应链不仅要保持可靠性和灵活性，还要能以经济有效的方式实现温室气体的深度减排。 如何实现？必和必拓基于在钢铁冶炼工艺方面的广泛研究和专业知识，从4条最有望实现绿色转型发展的矿基钢铁冶炼工艺（指采用铁矿石冶炼钢铁，产生的温室气体较多）中选出了最有潜力的几条脱碳路径，包括：配备碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的“革新高炉”，直接还原铁+电熔炉工艺，直接还原铁+电弧炉工艺，电解电化学还原工艺。 报告强调，应用上述任何一条脱碳路径都需要大量的技术研发投入、较高的操作运行能力和充足的配套基础设施。钢铁行业需要认识到，不是所有的发展模式都有效。即便是对于有效的发展模式，钢铁企业在“何时采用”“在何地采用”“如何采用”“能在多大程度上采用这些技术”等方面，也必须因地制宜。因此，报告认为，对于钢铁企业来说，最谨慎的做法就是将上述几条路径都纳入考虑范围。 部署“革新高炉”且达到可观产量 需花费较长时间 报告认为，钢铁行业要想在本世纪30年代大幅降低矿基钢铁冶炼工艺的温室气体排放强度，减少高炉流程的碳排放是必不可少的一环。 高炉流程具有高效、可靠、规模化应用的优势，对铁矿石品位要求较为灵活，目前为全球范围内主要的钢铁冶炼流程（高炉流程在中国的使用比例较高，占比高达90%左右）。能够直接集成或应用到现有高炉的低碳技术，为钢铁行业近10年乃至未来10年的加速减排提供了重要契机。这些低碳技术能够充分利用钢铁行业已有的庞大资本存量，并避免低周转率。 报告认为，由于高炉流程是现有钢铁冶炼领域的“主角”，应用此类低碳技术就相当于“直接解决了主要矛盾问题”。钢铁行业要想在本世纪30年代，即在绝大部分高炉资产使用寿命期限内，大幅降低矿基钢铁冶炼工艺的温室气体排放强度，需重点开发和广泛部署配备碳捕集、利用与封存技术的“革新高炉”，以减少排放。虽然其他流程也很重要，但是高炉流程的“绿色改造”需要花费更长的时间才能达到较为可观的产量及应用规模。 目前，必和必拓已与全球领先的钢铁企业开展技术合作，积极推动高炉减排技术的发展，包括炉顶煤气循环、富氢喷吹和利用生物碳替代化石碳等。必和必拓表示，虽然并非所有技术在所有地区都具备商业可行性，但是其相信会有越来越多的高效碳减排技术成功应用于钢铁行业。此外，原燃料优化对上述技术的应用也有着重要的助力作用。为此，必和必拓目前正针对低灰炼焦煤应用、强化块矿利用、西澳铁矿粉用于球团矿生产等展开研发。 直接还原铁+电炉 需巨大可再生电力支撑 直接还原铁是指在低于铁矿石熔点的温度下，通过固态还原将铁矿石还原成金属铁的形态。报告指出，采用直接还原铁+电炉工艺非常有益于钢铁行业大量减少温室气体排放。 报告认为，与高炉不同，直接还原铁的生产不需要使用含碳焦炭，而是利用含氢气体将铁矿石还原为金属铁，由此降低二氧化碳排放强度。直接还原铁过程不发生熔化，而是在电炉采用电力进行，因而在经济可行的情况下，采用可再生电力电解生产的“绿氢”和进行电炉冶炼，可实现炼钢过程的“近零排放”，可钢铁行业仍需对此持谨慎态度。这是因为钢铁行业还需要克服重大的技术障碍，而且钢作为一种铁碳合金，必须在特定环节加入碳。 此外，报告指出，无论是电弧炉还是电熔炉，直接还原铁+电炉工艺都需要巨大的可再生电力供给量做支撑。据必和必拓估算，一座年产量为200万吨的直接还原铁工厂需要相当于一座小型核电站当量的可再生能源供应才能获得所需的氢气，再加上电炉冶炼所需的电力，一座直接还原铁工厂所需的可再生电力总量接近一个常规中型核电站的发电量（1兆瓦）。 电熔炉较电弧炉更具原料优势 必和必拓认为，电弧炉可主要用直接还原铁作原料，可是其适用运行范围较窄。作为一种“替代品”，必和必拓正在研究应用电熔炉。其认为电熔炉比电弧炉的性能更优且原料灵活性更高。必和必拓早期相关研究已证实电熔炉技术的可行性，并建议其客户认真考虑。近期，塔塔钢铁欧洲公司、蒂森克虏伯、奥、博思格、浦项制铁等企业纷纷加入到了必和必拓的电熔炉开发及应用队伍。 铁矿石主要由铁氧化物和其他杂质组成，要将铁矿石冶炼成钢铁，需经历还原、熔化、精炼。在高炉流程中，还原和熔化过程均在高炉内完成，而精炼则是在转炉中和精炼炉内进行。无论是电弧炉还是电熔炉，在直接还原过程中都只进行还原而不熔化，因而杂质仍保留在还原铁中，必须经过后续的熔化和精炼，才能去除这些杂质。 报告指出，目前主流的电弧炉设计以废钢为主要原料。电弧炉针对以电弧作为热源快速熔化废钢而设计和优化，对原料的质量要求较高。电弧炉炼钢不适用于铁矿石还原，无法将铁矿石转换成铁，因而铁矿石在进入电弧炉之前，必须首先将其“还原”（或者说“金属化”）成金属形态。来自高炉的铁水和直接还原的海绵铁均属于金属形态，可作为重要原料送入电弧炉，以稀释废钢中难以脱除的残余杂质，如铜、锡等。随着未来废钢供应量的增加，行业对能稀释废钢杂质的矿基金属化炉料的需求也将增加。此外，电弧炉用直接还原铁的铁矿石原料品位通常高于67%，脉石含量低于2.5%并含有少量的磷（其余主要是氧，即还原需要去除的部分）。为了降低电弧炉中的铁损，企业要尽可能提高直接还原铁的金属化率，且一般要与至少50%的废钢一起冶炼。 据能源咨询公司伍德麦肯兹（Wood Mackenzie）估计，目前全球只有大约3%的海运铁矿石符合上述高品位铁矿石的要求。必和必拓认为，开发新的矿山以满足钢铁行业绿色转型所需要的直接还原品位铁矿石（经过加工后的铁矿石），并不切合实际。钢铁行业亟待开发出“近零排放”的技术路径，不仅需要适应不同品位的铁矿石，而且需满足全球的钢铁产量需求。 据报告介绍，必和必拓正在进行一项选矿技术研发以提高铁矿石品位和回收率，目前其正评估在西澳大利亚皮尔巴拉地区金布巴矿区建设一座选矿厂的可行性。必和必拓认为，对于金布巴矿区和绝大部分皮尔巴拉地区的矿山而言，在可预见的未来实现所有出产的铁矿石达到现有直接还原等级并不现实。此外，必和必拓表示，其通过与拥有球团矿厂的中国客户合作研发，已经证明必和必拓的西澳铁矿石能够与多种类型的铁矿石混合生产球团矿，其质量与其他商业海运球团矿相当。 电熔炉或许可成为解锁直接还原用 铁矿石品位灵活性的关键 报告指出，与电弧炉不同，电熔炉设计专门冶炼直接还原铁，并可使用不同品位和形状的原料（如球团矿、粉矿、块矿、团矿），扩大了铁矿石原料的适用范围，包括必和必拓西澳铁矿的中等品位铁矿石（包含块矿、粉矿，以及球团矿、压块等）。 报告强调，采用直接还原铁+电熔炉工艺可以生产出高炉流程可生产的所有高质量产品。过去，由于主流的高炉流程具有强大的竞争力，所以电熔炉技术不太具备商业化的条件。如今，由于钢铁企业可利用电熔炉生产“近零排放”的钢铁，所以扭转了电熔炉的市场前景。 电熔炉究竟有什么特别之处？报告指出，与电弧炉一样，电熔炉的工作原理也是通过电极通电从而加热含铁炉料，可是其内部过程与电弧炉完全不同。电熔炉是连续运行，通过在炉内添加少量碳来形成“维持还原气氛”，并密封炉顶以避免空气进入，同时可以通过对电极的不同操作来改变电极周围的电弧、功率等。直接还原铁被不断送入电熔炉，在电极周围保有一层逐渐还原和熔化的固态原料，并漂浮在熔融金属和熔渣上。电熔炉炉膛的工作环境、熔渣化学反应的控制方式虽与高炉类似，但明显不同于电弧炉，其在确保炉膛正常运行的情况下，可以通过出铁孔定期排出铁水。 必和必拓表示，上述差异有望开辟出一条不仅用料灵活还能降低成本及温室气体排放强度的全新钢铁冶炼工艺路线，或许也可以成为解锁直接还原用铁矿石品位灵活性的关键。 深入行业碳减排 还需加强上下游协同合作 报告指出，如果直接还原铁+电熔炉工艺成功实现在行业内的规模化应用，那么直接还原铁+电熔炉工艺可逐步取代钢厂内温室气体排放密集的前端生产设施（包括高炉、烧结厂、炼焦炉等），且不会影响下游的精炼和加工等工序。这些都是钢铁企业制造并向最终用户交付大量成品钢的必备条件。因此，为了进一步推进全行业的碳减排，推广应用直接还原铁+电熔炉工艺，还需要进一步加强上下游的协同合作。 报告认为，在不放弃下游基础设施优势的前提下，钢铁企业也可以选择在更具经济效益的区域（如绿氢更便宜的区域）建造独立的直接还原铁厂或者直接还原铁+电熔炉综合性工厂。如此一来，直接还原铁和由电熔炉将含铁料熔化产生的铁水浇铸成的生铁均可再运输到企业现有的钢厂（上述生铁被送到钢厂后需重新熔化造成额外的能源消耗，钢企如果选择将综合性工厂建在钢厂附近，则可以避免这些消耗)。 必和必拓表示，电熔炉产生的铁水、熔渣与高炉类似，所以通过放宽之前适用于电弧炉的直接还原铁质量要求，有助于在上游形成协同效应，不仅能降低熔渣铁损，还能在下游精炼过程中除磷。由于生产直接还原铁需要达到90%以上的金属化率，所以其面临的最大技术障碍之一是物性（特别是黏结）改变。然而，如果是直接还原铁与电熔炉工艺组合，其金属化率可能只需达到80%~85%。 此外，必和必拓强调，电熔炉产生的熔渣与高炉的熔渣相似，所以可以作为水泥的替代品，不仅不需要进行处理，而且水泥生产本身就属于温室气体排放密集型活动，用炉渣替代水泥后，每生产1吨铁水，便可额外减少150千克~200千克的二氧化碳排放量。 必和必拓表示，虽然电熔炉的相关技术在其他冶金领域（如铁合金、钛、镍生产）已属于成熟技术，但是如何利用电熔炉技术减少用必和必拓皮尔巴拉矿区铁矿石在炼钢过程中的温室气体排放，如何规定操作要求，目前尚未得到充分论证，还需要上下游加强协同合作。必和必拓与赫氏联合设计的电熔炉中试装置将提供一个良好的试验平台，双方将合作开展系统性研究，降低风险，优化皮尔巴拉矿区铁矿石处理工艺。 《中国冶金报》（2023年07月21日 02版二版）
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