劉艷峰
（河鋼張宣科技技術中心， 河北 宣化 075100）
摘 要：鋼鐵行業(yè)碳排放占全國工業(yè)領域碳排放的 15%~20%，為了企業(yè)的生存和發(fā)展，必須采取降碳措施。我國是焦炭生產(chǎn)大國，焦爐煤氣資源豐富。鋼鐵企業(yè)利用焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵，配合 CCUS 技術，噸鋼碳排放可以大幅降低，應用前景大為可觀。
關鍵詞：直接還原；氣基豎爐；焦爐煤氣；短流程
0 引言
控制 CO2 排放已在全球范圍內得到普遍共識，建立低碳經(jīng)濟發(fā)展模式和低碳社會消費模式，將成為應對氣候變化的根本途徑[1]。
鋼鐵工業(yè)排放的 CO2 占人類總排放的 5%，約占工業(yè) CO2 排放總量的 15%~20%[2]。鋼鐵行業(yè)向低碳模式轉變是未來的發(fā)展趨勢，推進低碳冶金工藝研究和新能源開發(fā)利用事關我國鋼鐵行業(yè)生存發(fā)展，也是國家實現(xiàn)制造強國戰(zhàn)略的必然要求[3]。
傳統(tǒng)的“高爐＋轉爐”流程所產(chǎn)生的 CO2 單位排放量，即使進行工藝優(yōu)化，也約為 1.6 t/t 鋼；而“直接還原豎爐 + 電爐”短流程排放量，可低至 0.25～0.5 t/t鋼，降幅明顯[4]。
近年來我國焦炭產(chǎn)量逐年遞增，作為焦炭主要副產(chǎn)品的焦爐煤氣已經(jīng)過剩[5]。生產(chǎn)運行的綜合性鋼廠中，大部分過剩的焦爐煤氣主要用作燃料燃燒或發(fā)電，能源使用的收益率較低[6]。
如果將過剩的焦爐煤氣用于直接還原鐵的生產(chǎn)，替代一部分使用焦炭的高爐煉鐵，不僅可以大幅度的減少噸鋼的碳排放，而且能源使用的收益率也將大幅提高。
1 工藝路線
焦爐煤氣作為還原氣的直接還原工廠由豎爐系統(tǒng)（含上料、本體、排料）、工藝廢氣處理系統(tǒng)、CCUS系統(tǒng)、加熱爐系統(tǒng)、焦爐煤氣凈化及加壓系統(tǒng)、公輔系統(tǒng)組成。
焦爐煤氣作為氣源注入豎爐系統(tǒng)，經(jīng)過重整制氫，形成合格工藝氣。工藝氣在豎爐內部與礦石發(fā)生反應，反應后產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過降溫、除塵、脫水、加壓、升溫后再次從豎爐中部注入，在系統(tǒng)中循環(huán)使用，還原廢氣中多余部分 CO2 經(jīng)過 CCUS 工序被分離提純收集，提純后 CO2 可進一步深加工制成工業(yè)級或食品級銷售。礦石從豎爐反應器上部裝入，在高溫條件下，H2 與球團中的 O 結合，礦石中鐵氧化物被還原為金屬鐵，形成直接還原鐵。
焦爐煤氣直接還原豎爐生產(chǎn)的直接還原鐵，可替代廢鋼作為短流程鋼鐵生產(chǎn)用的原料。如果直接還原工廠距離用戶較遠，可以生產(chǎn)冷態(tài) DRI 短暫存儲后，運輸至目的地；如果直接還原工廠距離用戶較近，可以采用氣力輸送直接熱裝電爐，成本也會大幅降低。由于工廠氣體形成閉路循環(huán)，產(chǎn)生的 CO2 被CCUS工序除掉，整個焦爐煤氣直接還原工廠 CO2 排放極低。焦爐煤氣直接還原工廠工藝流程如下圖 1 所示。
2 應用前景分析
2.1 焦爐煤氣利用不同途徑對比
我國焦爐煤氣主要用于燃料、化工、發(fā)電，有關單位對焦爐煤氣用于不同途徑進行對比，如表 1 所示[7]。經(jīng)過分析，焦爐煤氣用于直接還原鐵工藝，投資中等，效益非常高，可以節(jié)約焦炭，減少 CO2 排放，在配套有焦化廠的大型煉鋼廠中應用前景廣闊。
2.2 采用焦爐煤氣直接還原碳減排
焦爐煤氣為還原氣，代替長流程依賴的焦炭和煤，實現(xiàn)煉鐵過程由“碳熱還原”向“氫氣還原”變革，不同流程生產(chǎn)粗鋼排放的 CO2 量對比如表 2 所示[8]。 傳統(tǒng)的“高爐＋轉爐”流程 CO2 排放量為 1 600 kg/t 粗鋼，而利用獨立煉焦廠的焦爐煤氣直接還原鐵礦石，CO2 排放量為 780 kg/t 粗鋼，只有高爐煉鐵流程的48.7%。
2.3 發(fā)展焦爐煤氣直接還原工藝必要性
歐美國家“氣基直接還原豎爐 - 電爐”鋼鐵生產(chǎn)工藝，得益于其獨特的資源稟賦，發(fā)展起步早，技術已日趨成熟，單體規(guī)模也越做越大。無論是 MIDREX 還是 ENERGIRON 工藝，都有已建成投產(chǎn)的、年產(chǎn)能達到 250 萬 t 直接還原工廠。
據(jù)統(tǒng)計，2021 年全球直接還原鐵產(chǎn)量 1.192 億 t，比 2020 年的 1.081 億 t 增長 13.7%，從 2016 年開始，全球直接還原鐵產(chǎn)量約增長了 4 640 萬 t [9]，直接還原鐵在鋼鐵行業(yè)中的地位正逐步提升。
我國受限于天然氣資源匱乏，氣基直接還原工藝發(fā)展緩慢；如果采用焦爐煤氣進行直接還原，凈化后的焦爐煤氣直接注入豎爐，在爐內進行重整，形成合格的還原氣，可以大規(guī)模生產(chǎn)，氣基直接還原工藝發(fā)展速度也會提高。相比于天然氣，焦爐煤氣有雜質含量較高，成分波動較大的特點，但考慮到采用焦爐煤氣直接還原的巨大經(jīng)濟收益和碳減排效應，發(fā)展焦爐煤氣直接還原工藝還是很劃算的。
隨我國鋼鐵行業(yè)轉型升級，如果新的焦爐煤氣直接還原產(chǎn)線充分利用原有場地，利舊部分基礎和設施，如利用原回轉窯生產(chǎn)球團作為豎爐原料、原球團供料皮帶作為新直接還原產(chǎn)線的供料皮帶等等，成本會大幅下降，效益會顯著提升。
2.4 焦爐煤氣直接還原與純氫直接還原的比較
據(jù)分析，如果直接還原豎爐工藝全部采用氫氣作為還原氣，900 ℃純氫氣入爐與鐵礦快速發(fā)生還原反應后，溫度會迅速降低到 700 ℃以下，使豎爐中上部的還原反應速度迅速降低；除非大幅度提高作為載熱體入爐氫氣的流量，否則豎爐 DRI 產(chǎn)品難以達到設計指標[10]?？紤] H2 較高的制備成本，用 100％氫氣直接還原煉鐵的工藝，目前在經(jīng)濟上不是最佳選擇。
目前的制氫工藝中，焦爐煤氣制氫或煤氣化制氫，成本相對較低，但產(chǎn)品屬于“灰氫”，即仍伴隨著一定的碳足跡?？紤]全氫冶煉技術方面的不足，以及制氫的成本，直接采用焦爐煤氣生產(chǎn)海綿鐵，比起使用焦爐煤氣制氫再用純氫生產(chǎn)海綿鐵，或使用綠電 - 電解水制氫、純綠氫生產(chǎn)海綿鐵，都更有現(xiàn)實意義。
2.5 焦爐煤氣直接還原與天然氣直接還原的比較
根據(jù)梁之凱等人計算，直接還原使用焦爐煤氣單耗在 599.7 m3 /t DRI[11]；焦爐煤氣按市場價格 0.65元 /m3 ，生產(chǎn) 1 t DRI 的成本為 389.8 元 /t DRI 左右。根據(jù) MIDREX、PERED 工藝的生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，天然氣作為還原劑及燃料的消耗量平均約 350 m3 /t DRI，按天然氣最低價格 2 元 /m3 計算，則在國內利用管道天然氣生產(chǎn) 1 t DRI 的最低成本為 700 元 /t DRI 左右[12]。
使用焦爐煤氣直接還原生產(chǎn) DRI 比使用天然氣經(jīng)濟性更好。
我國缺乏天然氣，但是焦炭產(chǎn)量龐大，伴隨的焦爐煤氣已經(jīng)過剩；發(fā)展焦爐煤氣基直接還原工藝，順應我國能源基礎。
3 直接還原鐵應用的必要性
我國雖然是世界產(chǎn)鋼第一大國，但我國優(yōu)質鋼、潔凈鋼的生產(chǎn)無論是數(shù)量、質量，還是品種方面與世界先進國家都有很大的差距，成為我國鋼鐵生產(chǎn)的短板，無法滿足我國經(jīng)濟發(fā)展的需要，高鐵、飛機制造工業(yè)使用的關鍵構件、螺栓等大量優(yōu)質鋼材配件仍需進口，嚴重影響我國裝備制造、國防等工業(yè)發(fā)展。
從冶金技術和裝備層面，我國具備生產(chǎn)優(yōu)質鋼、潔凈鋼、超潔凈鋼的能力。當前，我國優(yōu)質鋼材生產(chǎn)的主要問題之一是原材料純度不高。我國缺乏且難以進 口優(yōu)質重廢鋼，以高爐鐵水、普通廢鋼為原料生產(chǎn)優(yōu)質鋼材時，鋼中殘留元素控制難度大，物料消耗量高，鋼水化學成分及鋼材質量的穩(wěn)定性難以保證。直接還原豎爐 - 電爐短流程技術是改善鋼鐵產(chǎn)品結構，提高鋼鐵產(chǎn)品質量的低碳綠色先進煉鐵方法，應該成為我國今后鋼鐵工業(yè)工藝技術發(fā)展的主要方向。
實現(xiàn)氫能冶金替代傳統(tǒng)高爐的碳冶金，生產(chǎn)高品位、低雜質的含鐵原料，用于短流程鋼鐵制造，可有效緩解我國優(yōu)質廢鋼供給量不足、質量不高的局面。
4 結論
1）由于我國缺少天然氣，且純氫氣、天然氣直接還原煉鐵的市場競爭力不如焦爐煤氣，后續(xù)焦爐煤氣直接還原鐵生產(chǎn)工藝很可能成為國內非高爐煉鐵的主流工藝，其生產(chǎn)的高品質的直接還原鐵，可用于冶煉優(yōu)質鋼、潔凈鋼、超潔凈鋼，以滿足國家經(jīng)濟建設的需要。
2）利用焦爐煤氣作為氣源進行直接還原，作為傳統(tǒng)高爐煉鐵的部分替代或補充，再配合 CCUS 等先進工藝，結合原有工廠資源整合、利舊創(chuàng)新，投資、運行成本優(yōu)勢顯著，碳減排效果明顯，是未來鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)綠色低碳轉型發(fā)展的一條值得嘗試的道路。
參考文獻
[1] 陳凌，張濤，郭敏，等.利用焦爐煤氣生產(chǎn)海綿鐵的前景分析[J]. 鋼鐵研究，2013，41（5）：56-59.
[2] 陳玉民，趙永椿，張軍營，等.甲烷自熱重整制氫的熱力學和動力學分析[J].燃料化學學報，2011，39（8）：633-640.
[3] 鄭少波.氫冶金基礎研究及新工藝探索[J].中國冶金，2012，22（7）：1.
[4] 高成亮，王太炎.利用焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵技術[J].燃料與化工，2010，41（6）：15-17.
[5] 日韓鋼鐵界推進氫還原煉鐵工藝技術開發(fā)[N].世界金屬導報，2020-02-04（F01）.
[6] 申曙光，張翠，秦海峰，等.氧氣與二氧化碳非催化重整焦爐煤氣[J].精細石油化工，2011，28（3）：57-61.
[7] 楊懷旺，申峻，劉振東，等.焦爐煤氣中富甲烷氣與二氧化碳催化轉化制合成氣[J].煤炭學報，2008，33（2）：205-209.
[8] 沙高原，劉穎昊，殷瑞鈺，等.鋼鐵工業(yè)節(jié)能與 CO2 排放的現(xiàn)狀及對策分析[J].冶金能源，2008（1）：3-5.
[9] 王麗麗.焦爐煤氣直接還原鐵礦石動力學研究[D].包頭：內蒙古科技大學，2011.
[10] 唐文武，周孑民.焦爐煤氣催化部分氧化轉化的實驗研究[J].金屬材料與冶金工程，2008（1）：22-24.
[11] 梁之凱，黃柱成，易凌云.焦爐煤氣豎爐法生產(chǎn) DRI 的煤氣用量及利用率[J].中國冶金，2017，27（11）：18.
[12] 李峰，儲滿生，唐玨，等.非高爐煉鐵現(xiàn)狀及中國鋼鐵工藝發(fā)展方向[J].河北冶金，2019（10）：8.