低碳冶金技術的發展趨勢與未來

　　發展現狀與趨勢

　　在全球積極推進碳減排和碳中和的背景下，國內外為數眾多的鋼鐵企業開始研究探索低碳冶金、超低碳冶金、非碳冶金或氫冶金的前沿技術課題。以日本、瑞典、德國、韓國等工業發達國家為代表，相繼開展此項研發工作：有的是在原有高爐煉鐵工藝的技術上進行改進創新，力圖實現碳-氫耦合冶金(如日本COURSE50);有的是創建全新工藝流程，以“綠氫”為能源研發新的冶金工藝，完全擺脫碳冶金的技術路線;有的是在已有技術的基礎上進行再創新，從傳統的煤基碳素還原轉變為氣基氫還原或碳-氫耦合還原。我國部分鋼鐵企業和研究機構也相繼開展了低碳冶金或氫冶金的試驗探索和工程研究工作，氫-氧高爐、全氧高爐、焦爐煤氣-合成氣豎爐直接還原，甚至是基于HIsmelt鐵浴法的熔融還原工藝裝置，都在開展工業化應用的前期試驗或者已經實現工業化初步應用。

　　據有關機構測算，我國鋼鐵工業碳排放量占碳排放總量的15%~18%，是制造業中碳排放量最高的行業。面對日益嚴峻的生態環境保護形勢，鋼鐵工業面臨著巨大的碳減排壓力，迫切需要開發能夠顯著降低CO2排放的突破性低碳冶金技術，以滿足碳達峰和碳中和的政策要求。與此同時，我國作為世界上最大的粗鋼生產國和消費國，2020年粗鋼產量已達到10.65億噸，占全球粗鋼產量的57%，碳排放量占全球鋼鐵碳排放總量60%以上，鋼鐵工業碳減排的重要性和急迫性刻不容緩。我國目前鋼鐵制造流程，仍是以高爐+轉爐的傳統“長流程”工藝結構占主導地位。2020年我國高爐生鐵產量達到8.88億噸，轉爐生產粗鋼比率約占90%;鋼鐵制造流程能源結構“高碳化”，煤和焦炭等碳素消耗占能源總量近90%。

　　全球范圍內，目前已有許多國家和鋼鐵企業對低碳冶金技術，特別是氫冶金技術進行了戰略布局，而且呈現出迅猛發展態勢。我國應積極探索和統籌規劃適合我國國情的低碳冶金和節能減排技術路線圖，對未來技術研發方向和發展目標進行系統科學的戰略謀劃，面對世界百年未有之大變局，承擔起鋼鐵大國的責任擔當。

　　發展目標與路徑

　　面向未來，以高爐為核心的煉鐵系統協同優化和動態有序、協同連續、精準高效運行，是我國高爐煉鐵技術的發展重點。必須加強現代大型高爐以穩定順行為基礎的工程運行理念，建立系統性、全局性的工程思維模式，不片面追求所謂“極低成本”和個別技術指標的“領先”，擯棄不講客觀、不論條件的盲目攀比。

　　遵循鋼鐵冶金制造流程的基本規律，科學認識高爐冶煉過程的動態運行規律，不斷總結提升，加強知識管理，做好卓越煉鐵工程師的培養，造就基礎扎實、經驗豐富、視野開闊的領軍人才，形成具有企業特色的現代化大型高爐煉鐵生產、管理的工程思維和工程理念。到21世紀中葉，高爐低碳煉鐵的主要技術路徑應當包括：

　　(1)在常規高爐使用固體碳素燃料(焦炭+煤粉)的條件下，降低碳素燃料消耗是減少CO2排放最直接、最有效的技術措施。因此，到2030年前后，我國高爐燃料比應普遍降低到520kg/t以下;一大批裝備精良的高爐燃料比應低于500kg/t;部分先進高爐應將燃料比降低到480kg/t以下;領先高爐燃料比應降低到470kg/t甚至更低。

　　(2)進一步加強精料技術研究，探索并構建以球團礦為主的新型或新一代爐料結構，降低鐵前工序和煉鐵全流程的碳素消耗和污染物排放。

　　(3)繼續推進高風溫、富氧噴煤等關鍵共性技術的再創新，進一步降低高爐碳素燃料消耗，減少CO2排放;積極采用富氫燃料噴吹、爐頂煤氣循環/噴吹、高富氧冶煉、H2-CO耦合還原、CO2脫除再利用(CCUS)等新興技術，在現有技術基礎上，通過高爐煉鐵關鍵技術突破，賦予高爐煉鐵新的生命力;

　　(4)加強現代大型高爐操作規律的研究，建立動態有序、協同連續、精準高效的現代高爐運行理念，以高爐生產長期穩定順行為基礎，不斷改善、優化、提升大型高爐的操控水平，建立鐵前工序信息物理系統(CPS)和數字化協同管控;實現料場、燒結、球團、焦化、高爐等多工序智能化協同和集成控制，提高全流程生產效能、實現節能減排;構建料場、燒結、球團、焦化、高爐煉鐵系統一體化集成智能管控平臺著重解決不同工序的界面技術優化問題，實現全流程的智能化動態管控。

　　(5)進一步加強高爐運行過程的爐體維護，采取有效技術措施延長高爐壽命，為高爐高效長壽、安全穩定運行奠定技術基礎，不斷穩定并提高鐵前工序的設備服役穩定性和壽命周期，將成為未來高爐煉鐵流程的本構優勢。

　　(6)發揮既有資源優勢，開展低碳綠色煉鐵新技術的探索研究。依托國內、國外兩種資源，結合我國鐵礦粉加工制備工藝特點，開發新型爐料技術。開發應用低硅球團礦或低硅燒結礦，使高爐渣量降低到200kg/t~300kg/t，燃料比降低到470kg/t~500kg/t，進而可以實現CO2排放減少20%以上。

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