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以技術(shù)創(chuàng)新為抓手,多措并舉推進電爐煉鋼可持續(xù)發(fā)展

2023-12-08 09:59:00

  為什么要發(fā)展電爐煉鋼短流程?
  力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和是我國政府做出的重大戰(zhàn)略決策,也是向國際社會做出的莊嚴承諾。自改革開放以來,我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅速,粗鋼產(chǎn)量從1978年的3178萬噸(占世界的4.4%),到1996年首次突破1億噸大關(guān),達10124萬噸(占世界的13.5%),成為世界第一產(chǎn)鋼大國,再到2020年突破10億噸,達10.53億噸(占世界的56.7%)。雖然近3年產(chǎn)量略有下降,2022年仍然達到10.13億噸(占世界的約54%)。我國鋼鐵工業(yè)依然嚴重依賴煤基化石能源,碳排放量大,占全國碳排放總量的16%左右,僅次于電力和交通。因此,有效降低鋼鐵生產(chǎn)過程中的碳排放已成為鋼鐵行業(yè)乃至國家亟待解決的重大問題。
  電爐鋼比低是造成我國鋼鐵行業(yè)碳排放量大、能耗高、污染重的重要原因之一。在全球范圍內(nèi),電爐鋼產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比例已從20世紀50年代初的7.3%提高到32%~35%。其中,伊朗、土耳其、美國、印度等國家的電爐鋼占比均超過了50%,高者甚至超過了90%。中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示,2022年,中國電爐鋼產(chǎn)量占粗鋼總產(chǎn)量的比重為9.7%,遠低于30%的世界平均水平。與長流程相比,全廢鋼電爐短流程噸鋼能耗約降低50%,固廢排放約減少96%,廢氣排放約減少78%,碳排放約減少73%,大氣污染物排放總量約減少90%。參照西方工業(yè)化發(fā)展歷程,如果保持鋼鐵總量不變,到2035年,我國電爐鋼比例提高到30%,可以實現(xiàn)二氧化碳減排約15%,發(fā)展電爐短流程的節(jié)能減排優(yōu)勢非常明顯。此外,短流程還具備即開即停、生產(chǎn)高效靈活、可作為城市廢棄物消納中心等優(yōu)點。因此,注重發(fā)展以廢鋼為主原料電爐煉鋼短流程是實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略決策之一。
  為什么我國電爐煉鋼短流程發(fā)展困難?
  雖然在2015年至2017年間,打擊“地條鋼”的政策落實有力,廢鋼資源出現(xiàn)短時間的相對富裕,同時國家出臺鼓勵電爐短流程發(fā)展的相關(guān)政策,新建電爐數(shù)量出現(xiàn)快速增長,電爐鋼產(chǎn)量也增長較快。但總體而言,廢鋼資源仍然短缺,價格處于高位,我國電爐鋼生產(chǎn)效益低,甚至出現(xiàn)電爐煉鋼行業(yè)整體虧損的局面。自去年以來,我國電爐煉鋼開工率不足50%,電爐短流程的發(fā)展舉步維艱。困難來自哪里?筆者認為有以下幾個方面:
  首先,廢鋼資源相對不足,全廢鋼電爐煉鋼成本高。雖然我國鋼鐵積蓄量已經(jīng)超過120億噸,但由于我國的鋼材主要用于基礎(chǔ)設(shè)施和住房建設(shè),鋼材回收周期長且困難,真正變成可用廢鋼的量其實并不多,且增長緩慢。
  據(jù)我的鋼鐵網(wǎng)提供的數(shù)據(jù),2022年全國廢鋼鐵資源總量為25978萬噸,同比減少1784萬噸,降幅為6.43%。其中,社會廢鋼資源量為23972萬噸,鋼廠自產(chǎn)廢鋼2006萬噸。而這幾年我國廢鋼的資源量基本保持在2.6億噸左右,并沒有明顯的增長。按照目前每年2.6億噸廢鋼計算,假設(shè)轉(zhuǎn)爐廢鋼比為20%,則9億噸轉(zhuǎn)爐鋼要消耗1.8億噸廢鋼,電爐用廢鋼量只有0.8億噸,無法支撐1億噸電爐鋼的廢鋼需求,這迫使我國電爐鋼廠大量采用兌鐵水工藝,鐵水比在30%~80%不等。
  由于廢鋼價格居高不下,再加上電力緊張和價格高位運行,全廢鋼電爐煉鋼的生產(chǎn)成本要比長流程高出200元/噸~500元/噸,沒有市場競爭力。而轉(zhuǎn)爐采用高廢鋼比從經(jīng)濟上更有優(yōu)勢,使全廢鋼電爐煉鋼短流程失去市場競爭力。如果2030年廢鋼產(chǎn)量能達到3.5億噸,長流程粗鋼產(chǎn)量降低到7億噸,轉(zhuǎn)爐廢鋼比仍然按20%計算,則可供電爐的廢鋼量為2.1億噸,則全廢鋼電爐鋼產(chǎn)量可以達到2億噸,占比達到22%。但實際上,2030年廢鋼產(chǎn)量可能不到3億噸,這樣全廢鋼電爐鋼產(chǎn)量占比在18%左右。而據(jù)不完全統(tǒng)計,我國目前有423座電爐,粗鋼產(chǎn)能約為2.18億噸,即使不新建電爐也可以滿足2億噸產(chǎn)量的需求。因此,在轉(zhuǎn)爐“吃廢鋼”的情況下,目前電爐產(chǎn)能呈現(xiàn)“明顯過?!保陆姞t短流程鋼廠要慎重決策。
  其次,我國電力短缺、電價較高。我國在發(fā)展短流程的進程中,拉閘限電和電價過高是困擾電爐鋼廠的兩大問題,斷續(xù)供電和晝夜時段差價使電弧爐不能連續(xù)運行,導致技術(shù)指標和經(jīng)濟效益的下降。美國當初在發(fā)展電爐短流程時得益于充足而廉價的電力。雖然由于目前全球能源供應(yīng)緊張,歐美工業(yè)電價也在持續(xù)上漲,我國工業(yè)電價與歐美國家相比總體價格相差不多,而對于核電和水電充足的國家,再加上政策優(yōu)惠,其總體電價要低于我國,還加上鋼材價格比我國高,廢鋼價格又相對便宜,國外電爐煉鋼短流程與長流程相比是有競爭力的。
  再次,廢鋼循環(huán)過程中有害殘余元素的不斷富集,容易造成鋼中銅、錫、鉛、砷、銻、鉍含量超標。上述殘余元素引起鋼材“熱脆”,不僅導致熱軋開裂,還會惡化鋼的性能,導致以廢鋼為主原料的電爐煉鋼短流程的鋼材產(chǎn)品質(zhì)量與以鐵水為主原料的長流程相比處于劣勢,尤其是薄板類產(chǎn)品很難用全廢鋼來生產(chǎn)。另外,合金廢鋼中鎳、鈮、鉬、鎢、鈷、錸等稀貴元素進入電爐后不僅造成資源浪費,而且會導致鋼材性能下降。盡管廢鋼分類、加工處理技術(shù)的發(fā)展在一定程度上可以減少有害殘余元素進入鋼中,廢鋼中添加直接還原鐵、生鐵和鐵水也可以在一定程度上稀釋殘余元素的含量,但廢鋼對鋼材產(chǎn)品冶金質(zhì)量的影響仍然不可忽視,也是阻礙電爐煉鋼短流程發(fā)展的重要因素之一。
  如何通過技術(shù)創(chuàng)新提升電爐煉鋼短流程的綠色化水平和競爭力?
  一直以來,電爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展主要圍繞“節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)率”目標,在成本和效率兩個方面與長流程競爭。
  廢鋼預熱—連續(xù)加料技術(shù)是現(xiàn)代電弧爐煉鋼的重要特征,當前國內(nèi)外許多冶金設(shè)備制造公司依據(jù)康斯迪電弧爐和豎式電弧爐理念研發(fā)了多種新型廢鋼預熱—連續(xù)加料電弧爐,如基于水平連續(xù)加料理念研發(fā)的達涅利電弧爐(FASTARC);基于豎式加料理念研發(fā)的西馬克電弧爐(SHARC)、日本生態(tài)電弧爐(ECOARCTM)以及普瑞特電弧爐(Quantum)等;同時還衍出階梯進料型電弧爐,如中冶賽迪綠色智能電弧爐(CISDI-AutoARCTM),以及獨立于電弧爐的廢鋼預熱—連續(xù)加料系統(tǒng)?,F(xiàn)代電爐煉鋼采用廢鋼連續(xù)加料工藝,冶煉過程不開爐蓋,爐內(nèi)主要進行熔化和升溫過程,采用大留鋼、平熔池冶煉操作,經(jīng)預熱后的廢鋼連續(xù)加入到預留鋼液的電爐內(nèi),通過“電弧加熱鋼液—鋼液加熱廢鋼”的間接加熱方式實現(xiàn)廢鋼升溫及熔化,大大提升了冶煉效率,大幅降低能耗。電爐冶煉周期已經(jīng)普遍達到40分鐘以內(nèi),甚至接近30分鐘,與轉(zhuǎn)爐的節(jié)奏相當。全廢鋼電弧爐煉鋼的冶煉電耗普遍小于350千瓦時/噸鋼,最低小于260千瓦時/噸鋼。
  在上世紀80年代到90年代,通過引進、消耗和再吸收國外技術(shù),我國也發(fā)展了超高功率電弧爐及其相關(guān)配套技術(shù)。近10多年來,大型超高功率電弧爐設(shè)備和工藝技術(shù)逐漸實現(xiàn)國產(chǎn)化,尤其廢鋼預熱—水平連續(xù)加料技術(shù)得到廣泛的推廣應(yīng)用,主要技術(shù)指標達到了國際先進水平,同時也引進了國外大部分先進的爐型。
  在過去的半個多世紀,國內(nèi)外電爐煉鋼技術(shù)都有了長足的進步,有力促進了電爐短流程生產(chǎn)的發(fā)展。但是,迄今為止的電爐煉鋼設(shè)備和工藝本質(zhì)上沒有大的改變,仍存在固有缺點和短板,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:一是對電網(wǎng)沖擊和污染嚴重,需投資較大的功率因素補償和諧波吸收裝置;二是二噁英污染、噪聲污染和煙塵量大(尤其吹氧脫碳時)等環(huán)保問題的治理成本很高;三是耗氧量大,消耗大量電能,并產(chǎn)生大量二氧化碳;四是廢鋼、電極、耐材等原輔材料,以及電力和污染治理成本高等各種因素導致短流程生產(chǎn)成本高;五是終點鋼水氧、氮含量明顯高于轉(zhuǎn)爐長流程,不利于生產(chǎn)潔凈鋼。
  因此,亟須開發(fā)新一代綠色生態(tài)電爐,比如氫等離子電爐,其主要特征包括:一是采用全密閉爐體結(jié)構(gòu),實現(xiàn)冶煉過程氣氛可控(氧化、還原和中性氣氛),改變了現(xiàn)有電弧爐不密封導致大氣進入爐內(nèi),煙氣和熱量向爐外散發(fā),噪聲大、煙塵大和火光大的現(xiàn)象,進而可有效防止金屬損失大、大氣對鋼液的污染(鋼液氧含量和氮含量高)、熱量損失大和煙塵污染重等一系列問題;二是采用直流供電和中空石墨電極噴吹含氫氣體實現(xiàn)氫等離子體加熱,取代利用石墨電極產(chǎn)生電弧的傳統(tǒng)加熱方式,具有無污染、噪聲小、能量利用率高等優(yōu)勢;三是采用豎井式結(jié)構(gòu)高溫廢氣和輔助燒嘴對廢鋼進行連續(xù)預熱,用推鋼機實現(xiàn)廢鋼連續(xù)加料,使廢鋼預熱溫度超過1000攝氏度,避開二噁英生成的溫度,排出的煙氣進入短流程鋼廠的整個廢氣處理系統(tǒng)進行處理和利用;四是采用氫氣豎爐生產(chǎn)的無碳純凈DRI(直接還原鐵)和廢鋼作為主要原料,結(jié)合底吹含氧氣體和噴吹石灰粉,實現(xiàn)少渣冶煉脫磷操作;五是在原材料比較純凈的條件下,充分利用氫等離子體高效精煉能力,不吹氧煉鋼,用“氫氣煉鋼”代替“氧氣煉鋼”,實現(xiàn)鋼水的脫硫、脫氧和脫氮,后續(xù)基本無需添加沉淀脫氧劑,實現(xiàn)低氧高潔凈出鋼,達到“零夾雜物”和“零碳排放”的效果,配合后續(xù)工藝進行高附加值的超潔凈特殊鋼生產(chǎn),實現(xiàn)短流程煉鋼的綠色化、高端化和高效益三者統(tǒng)一。
  我國電爐短流程鋼廠的發(fā)展路徑是什么?
  由于廢鋼資源的相對短缺及電爐煉鋼成本較高,我國大規(guī)模發(fā)展全廢鋼電爐煉鋼的時機尚不成熟,電爐煉鋼比例顯著提升至少要在2030年以后,甚至是2035年后。這取決于3個因素:一是預計我國仍然需要8年~10年后才有比較充足的廢鋼資源;二是預計2030年后我國鋼鐵總需求將減少到8億噸以下,部分長流程鋼廠關(guān)閉,減少了轉(zhuǎn)爐廢鋼的用量;三是綠色發(fā)展促進城市鋼廠的建設(shè),電爐短流程工藝可以消納城市周邊產(chǎn)生的廢鋼、棄電、城市中水等社會廢棄物,促進鋼企與城市和諧共存。那么,現(xiàn)階段和今后我國電爐短流程鋼廠如何發(fā)展呢?筆者認為可以有以下幾種途徑。
  第一,多渠道尋找可以替代廢鋼的鐵素資源。直接還原鐵、熱壓鐵塊(HBI)和高爐鐵水是目前最常見的替代品。熱裝鐵水是目前“中國式電爐”的主要特點,雖然不是發(fā)展方向,但確實是目前電爐生存的無奈之舉。我國由于缺少天然氣,大規(guī)模發(fā)展氣基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵條件仍然不具備。因此,鼓勵我國鋼鐵企業(yè)走出去,在天然氣和鐵礦資源相對豐富的國家建設(shè)直接還原鐵工廠,并將產(chǎn)品進口到我國作為電爐煉鋼的原料。另外,鋼鐵塵泥、赤泥、銅渣、不銹鋼冶煉廢渣、油漆桶、汽車輪胎等固體廢棄物,以及鉛鋅鐵礦、高鋁鐵礦、釩鈦鐵礦等多金屬共生礦都屬于鐵素資源,但直接用于高爐原料或煉鋼原料工藝難度大、不經(jīng)濟。寶武環(huán)科在原有國外引進的轉(zhuǎn)底爐基礎(chǔ)上做了一系列工藝技術(shù)和裝備創(chuàng)新,可以用于不同金屬組元的還原和分離,并將生產(chǎn)出的直接還原鐵經(jīng)電爐熔分后的鐵水可以作為電爐的原料,也是解決當前廢鋼資源不足的有效途徑,并同時實現(xiàn)有價金屬的綜合利用和固廢的綠色化處理,經(jīng)濟和環(huán)境效益顯著。
  第二,發(fā)展短流程城市鋼廠。我國在發(fā)展電爐短流程的過程中,可以借鑒美國Minimill鋼廠的發(fā)展經(jīng)驗,將鋼廠布局在城市周邊。一方面靠近來自城市的廢鋼資源和其他含鐵固體廢棄物,另一方面可以利用生物質(zhì)裂解爐處理城市垃圾和農(nóng)業(yè)秸稈等生物質(zhì)原料產(chǎn)生一氧化碳和甲烷等還原性氣體,以及其他低價碳素資源等作為轉(zhuǎn)底爐的還原劑,并利用廢氣和余熱發(fā)電,建立智能微電網(wǎng)能源管控系統(tǒng),充分利用夜間電網(wǎng)棄電或清潔能源發(fā)電,使電爐起到調(diào)節(jié)城市電網(wǎng)負荷的作用,實現(xiàn)綠色化和能源的高效利用,降低煉鋼成本,促進鋼企與城市和諧共存。這種城市鋼廠,以螺紋鋼、線材為主要產(chǎn)品,規(guī)模以約100萬噸/年為宜。
  第三,發(fā)展氫氣豎爐—新型綠色電爐為核心的高品質(zhì)特殊鋼短流程生產(chǎn)線。發(fā)展氫冶金是鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)碳中和的有效途徑,甚至是終極解決方案。但是目前氫冶金發(fā)展的最大障礙是生產(chǎn)成本太高,無論是采用富氫還是純氫,從經(jīng)濟上都無法與以焦炭為主的高爐煉鐵工藝競爭。然而,氫冶金生產(chǎn)的高純凈直接還原鐵是生產(chǎn)純凈鋼和高端特鋼的最佳鐵源材料,氫氣豎爐以高品位氧化球團為爐料,經(jīng)過氫氣還原得到的DRI,成分近乎于純鐵。以此作為煉鋼原料,無需吹氧脫碳,可直接通過配置一定比例的清潔廢鋼和鐵合金冶煉高品質(zhì)特殊鋼,因而不需要添加傳統(tǒng)的脫氧劑,剩余少量的雜質(zhì)則用氫等離子電爐進行脫氧和精煉,再用電渣重熔或真空電弧重熔等特種冶金工藝,可以實現(xiàn)鋼材的“零夾雜物”,大幅度延長高端特殊鋼的服役壽命,比如航空航天、高端裝備用高端軸承鋼、齒輪鋼、彈簧鋼、高強鋼等,顯著提升鋼材的附加值,實現(xiàn)生產(chǎn)特殊鋼高質(zhì)量和高效益的統(tǒng)一。
  第四,在廢鋼資源和清潔電力相對豐富條件下,最終實現(xiàn)我國鋼鐵工業(yè)以電爐短流程為主導。據(jù)鋼協(xié)等相關(guān)機構(gòu)估計,2035年我國廢鋼資源將可能達到4億噸,此時電爐煉鋼短流程的大發(fā)展才真正開始,預計到2050年我國廢鋼資源量將達到約5.5億噸,粗鋼產(chǎn)量約8億噸,以廢鋼為主原料配以氫冶金生產(chǎn)的直接還原鐵作為補充原料的短流程電爐鋼比將超過70%,長流程生產(chǎn)的粗鋼占比將不超過30%。因此,電爐煉鋼短流程的發(fā)展是將一個緩慢的過程,應(yīng)該積極穩(wěn)妥地發(fā)展,避免一哄而上。在今后相當長的時間內(nèi)仍然應(yīng)該發(fā)展長流程的節(jié)能減碳技術(shù),確保我國鋼鐵工業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。
  結(jié)語
  電爐煉鋼短流程其低碳冶金的本質(zhì)是以廢鋼為主要原料,通過廢鋼的高質(zhì)循環(huán)利用有望實現(xiàn)低碳甚至零碳的鋼鐵生產(chǎn)。然而,電爐煉鋼短流程的發(fā)展取決于3個條件:一是充足且相對廉價的廢鋼資源;二是價格適當且充足的電力資源;三是電爐煉鋼技術(shù)的顯著進步,促使其生產(chǎn)成本和環(huán)境保護方面與長流程有競爭優(yōu)勢。所以,電爐短流程的發(fā)展是一個漸進的過程,需要10年甚至更長時間的不斷努力。在相當長的一段時間內(nèi),富氫高爐+高廢鋼比轉(zhuǎn)爐的長流程將是電爐短流程有力的競爭者,也是鋼鐵生產(chǎn)向低碳化發(fā)展的重要貢獻者。
  采用氫冶金生產(chǎn)的直接還原鐵以補充廢鋼資源的不足并稀釋廢鋼中的有害雜質(zhì)元素,采用非化石能源的綠色能源發(fā)電(光伏、風能、潮汐能、地熱、水電和核電等)供給電爐煉鋼,發(fā)展不噴碳粉、少吹氧或者不吹氧的全密閉的新型綠色電爐,比如氫等離子電爐,以氫冶金煉鋼代替氧氣煉鋼,真正做到電爐“近零碳”煉鋼,實現(xiàn)電爐短流程的高效、低耗、低成本和高質(zhì)量生產(chǎn),將是今后的發(fā)展方向。
  在全球“雙碳”背景下,我國現(xiàn)有電爐煉鋼迎來了新的發(fā)展機遇,同時也面臨著資源、能源和成本的挑戰(zhàn)。如何從技術(shù)、裝備、原料、工藝等多方面入手,突破制約電爐煉鋼短流程發(fā)展的瓶頸,是未來我國冶金工作者面臨的光榮而艱巨的重大任務(wù)。
姜周華(作者系東北大學冶金學院特殊鋼冶金研究所所長、教授)

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網(wǎng)

編輯:張雨恬

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