德国、日本：利用木炭、生物质和废塑料减排CO2

一般来说，“生物质”是指动物、植物和微生物通过生长和新陈代谢所产生的有机材料，工业应用主要是指木本生物质(硬木、软木、木块和锯屑)、农业残杆以及一些植物和食物残渣。原生物质的化学成分，尤其是物理和机械性能虽然不足以使其在钢铁业得到高效使用，但它适用于热处理过程的热解行为，如碳化或烘焙，进而通过碳化温度来影响CO2的排放量。而家庭和工业部门产生的废塑料除了作为含氢材料使用，具有环保效益之外，还起到有利于二次材料的回收并节约自然资源的作用。

目前，使用CCS(二氧化碳的捕集和封存)技术可从高炉炉顶煤气或直接还原工艺中脱除CO2。使用可再生或含氢能源也可减少CO2的排放。德国和日本学者分别对后一种方案进行试验研究后发现，生物质和废塑料在较短时间内可成功应用于传统高炉、炼焦和直接还原生产厂的装备上，并且不须进行大的改动和投资。

试验研究发现，通过高炉风口喷吹生物质、木炭和废塑料，可代替煤粉等还原剂。它们以固结物的形式加入高炉达到双重效果：第一，有利于稳定CO2含量或减少CO2含量。第二，提高了含碳炉料在高炉炉身的还原能力，进而降低高炉恒温带的温度，可有效提高气体利用率，降低还原介质的消耗。

近几年，通过改变FeO-Fe还原反应平衡点的方法来降低高炉碳消耗成为研究热点，而使用高反应性焦炭和固结的自还原团块矿被看作是实现这一目标的可行方案。其中，高反应性焦炭是在炼焦混煤时添加生物质、木炭或废塑料，并且自还原团块矿也可以添加这些物质。研究表明，在特定条件下使用高反应性炉料时，可通过降低恒温带的温度来降低碳消耗。

最近，国外学者对木炭在高炉风口回旋区和炉身条件下的情况作了进一步研究，他们采用各种分析仪器和中试设备进行了试验，并用模型预测了高炉操作参数、节焦潜力和CO2减排量。通过试验发现，木炭经过热处理加工后具有不同的结构和物性。随着高炉喷吹量的增加，木炭的转化率逐渐提高。由此来看，由于传统高喷吹比导致的氧气不足的问题可以通过喷吹木炭增加气孔内的氧促使其进一步气化来解决。

德国和日本学者为在含碳球团中有效使用废塑料，研究了废塑料的热分解反应及其与氧化铁中其他混合物的反应。通过已有的试验结果发现，含废塑料的氧化铁不仅可生产还原铁，还能将当地的固体废物转换成其他有用的气体。

此外，德国学者研究了来自德国废塑料回收系统、汽车碎片残渣和其他聚合体等废塑料的燃烧行为。日本学者研究了废塑料颗粒的燃烧特性并做了高炉喷吹的模拟试验，在德国和日本的数座高炉上进行了喷吹塑料的试验和试用，喷吹量达到了60千克～75千克/吨。同时，德国亚琛工业大学冶金研究所联合巴西曼内斯曼公司，在实验室和高炉上首次进行了喷吹木炭和木炭与粉矿混合物的研究。目前，喷吹木炭粉技术已被应用于巴西的微型高炉，在现代大型高炉上喷吹生物质或木炭的技术也正在开发过程中。

意大利：ENERGIRON技术可选择性地有效脱除CO2

在基于高炉冶炼的联合企业中，始终存在过剩的焦炉煤气、转炉煤气和高炉炉顶煤气，企业通常将这些煤气用于电厂发电。目前，有些钢铁联合企业使用这些现有的能源气体用于生产直接还原铁(DRI)，将其作为金属化炉料加入高炉，从而提高粗钢产量，减少化石燃料单耗。采用传统的高炉-转炉流程，即使在优化工艺流程的基础上，吨钢CO2排放量也有1.7吨～1.8吨。而用产自天然气、焦炉煤气和高炉炉顶煤气的DRI作为金属化炉料加入高炉或电炉，可显著降低CO2排放量。

ENERGIRON技术(新一代直接还原技术)的特点是采用灵活和无重整过程(ZR)的工艺配置，能够满足当下日益严格的环保要求。这一工艺流程的废气和废水排放量不仅低，而且易于控制。该技术与选择性CO2脱除系统的结合，可使CO2排放水平显著降低，而且通过捕获CO2，也为工厂提供了一个额外的收入来源。

通过生产实践发现，在用天然气作还原剂的DR-EAF(直接还原炉-电炉)流程中，基于无重整过程的ENERGIRON工艺生产的高碳DRI，可全部作为电弧炉的原料进行使用。因此，钢铁联合企业DR-EAF流程使用ENERGIRONZR方案可使超过一半的CO2气体被选择性脱除，这是一个具有巨大潜力的处理CO2的可选方案，可大大减少温室气体的排放量。

综上所述，ENERGIRONZR方案可以灵活使用不同来源的还原性气体(天然气、合成气、焦炉煤气)，且无须改变其基本的工艺配置。显然，就CO2排放而言，BF-BOF(高炉-转炉)和DR-EAF流程之间的本质区别在于使用了性质不同的能源。即便都是直接还原工艺，不同的工艺之间也存在很大区别：一些直接还原工艺，烟气未经选择性脱除CO2而直接排放，而应用ENERGIRON工艺的直接还原生产厂可以选择性脱除CO2。这些脱除的CO2可作商业用途或被隔离封存。据统计，对于使用天然气的ENERGIRON直接还原工厂，每吨DRI约有70千克碳(或250千克的CO2)被选择性脱除。

国外学者认为，不仅要比较BF-BOF和DR-EAF工艺流程的CO2排放量，而且要比较在市场上可行的其他直接还原方案。从球团工序到钢水产生，ENERGIRON工艺流程的CO2排放总量约为BF-BOF流程的60%，和其他可应用的直接还原技术相比也低10%。同时，在非选择性CO2排放方面，ENERGIRON工艺方案和BF-BOF流程相比，只有50%的CO2通过烟气排放，并且排放量比其他直接还原技术低30%。由此可见，在配有ENERGIRON工艺的炼钢流程中非选择性的CO2排放量显著减少。

在节能方面，这项技术现已成为市场上直接还原工艺中生产每吨DRI能耗最低的技术。通过整合操作压力，不仅整个工艺的能源使用效率被优化，降低了电耗，而且其高还原温度(1050℃以上)还改善了还原反应动力学条件，避免了还原竖炉外部的能源消耗。

更重要的是，得益于ENERGIRON工艺的特点，生产高金属化率、高碳含量的DRI产品(碳以碳化铁形式)，可为炼钢过程节约更多的能源。金属化率＞94%、典型碳质量分数为3.5%的产品从直接还原生产厂通过气动热装系统输送到EAF并加入其中。这将保留直接还原工艺(约600℃时)固有的能源，与加入冷DRI相比，每吨钢可以降低电耗约130千瓦时，使EAF通电时间缩短20%。

对于意识到应以减少CO2温室气体排放角度重新定义钢铁工艺的生产者而言，ENERGIRON技术能在生产DRI的同时获得作为工艺过程副产品的纯CO2。该技术不需要额外的热能或电能，可以实现可选择性排放CO2的“绿色”直接还原生产。

澳大利亚：应用能量和排放模型评估CO2减排方案

目前，钢铁工业正朝着大幅降低能源消耗和减少CO2排放的方向努力。因此，了解不同操作方案对节能减排的影响十分重要。其中，综合数学模型可以作为评估不同减排方案的有效工具。在很多工厂的发展规划中，各种技术和方案评价是以集成化、跨部门的方法为基础的，而并非局限于单元操作之内。为此，开发基于复杂流程图的建模平台和过程模拟，用于研究各种工艺方案对节能减排的综合影响是十分必要的。

博思格钢铁公司在澳大利亚肯布拉港钢厂(PKSW)采用了一种钢铁联合企业能量和排放模型(ISEEM)。该模型以PKSW钢厂的物料和能量平衡为基础，评估范围包括原料准备、高炉、炼钢、轧钢及其公辅设施。ISEEM是以AspenCustomModeller(ACM)为平台，使用一种目标定位过程建模语言，能列出系列方程，描述各个单元操作。使用该建模环境的优点是：第一，可以获取和利用最先进的工艺技术；第二，允许客户开发自有知识产权的模型。同时，该模型还可以模拟不同设备和操作条件下的各种方案，包括节能减排、技术评估、原料评价、工艺优化和设计等。此外，该模型融合了主要冶金工艺的详细计算过程或PKSW厂的工艺流程单元，包括高炉、转炉、烧结厂、蒸汽站和发电站等。对PKSW钢厂其他工序，使用了较为简单的固定和可变关系，例如轧钢厂、空分装置和焦炉等。

通过该模型评估的CO2总排放量和实测值之间的吻合度较高。一旦CO2排放量基准值确定，ISEEM即可用于方案评价。例如，研究降低板坯或热轧卷产量对CO2总排量有多大影响。在应用ISEEM评估各种方案之前，都需要通过模型验证，以确定适当的基准或基线。在这种情况下，相对于外部钢厂的数据，应首选内部基准。这主要是考虑到外部钢厂的基准可以用来协调因工厂边界、生产路线(包括内部循环)、电碳强度和产品种类、原燃料不同带来的问题。

该厂通过将ISEEM用于评估使用低品位矿石对CO2排放量的影响的生产实践表明，加入15%的针铁矿，将导致PKSW钢厂烧结厂产量降低6%，焦粉消耗增加2%，同时CO2总排放量增加0.17%。

最初，该模型的研究工作旨在制定研发规划和识别能应用于当前处理单元的节能减排技术。这就需要为研发工作建立目标、采用一套标准和指导方针。为确保比较和分析的合理性，制定一套统一的方法十分重要。此外，在建立模型之前，还须很多准备工作，包括确定每一个操作单元当前温室气体排放和能源利用现状，了解所使用数据的准确性。各单元当前操作和最佳实践或技术标准之间的差距，可以通过细节对标等手段确定。

目前，ISEEM已用于多种方案的评价，包括基准方案、工厂新方案、最佳和近似最佳水平的参数方案。根据工厂数据，ISEEM中的固定变量需要不断更新，其他参数值可用来验证模型。运行实践结果表明，ISEEM估算值和工厂数据较为吻合。

奥地利：一体化耐材方案有效促进炼钢过程节能减排

在目前欧洲能源价格上涨和CO2排放税成本高企的大环境下，提高能源利用效率和降低CO2排放量显得尤为重要。为此，奥地利奥镁公司提供了一系列多样化的解决方案，包括使用优质耐材内衬、优化内衬维护以及改进工艺等。其中，该公司用多个实例论证了在炼钢过程中，智能耐材方案对于提高能源利用效率和减少CO2排放所起到的作用十分明显。

该公司在电炉和转炉炉底使用含底吹气系统的一体化耐材产品，能加强熔池搅拌和加快反应速度，从而改善多项生产参数(包括电耗、处理周期、电弧稳定性和加快脱碳反应速率)。这对于能量和质量转换效率、成本和CO2排放等多方面都有着重要作用。经过计算流体动力学(CFD)优化的电炉和转炉出钢系统，是改善能源效率管理的另一个耐材解决方案实例。利用这些先进的系统，不但缩短了出钢时间，同时节约了能源损耗并扩大了产能。此外，还有一种节约能源的有效方式是优化钢包衬和使用耐材内衬包盖。该方法可减少热损失，降低转炉或电炉的出钢温度，同时降低LF炉中能量输入或化学反应热的需求。

从增强高炉(BF)、电弧炉(EAF)、碱性氧气转炉(BOF)、精炼炉(LF)以及炼钢过程中运输和浇铸用钢包的实用性、延长使用寿命的角度来说，先进的耐材技术发挥着重要作用，不仅可以通过加固内衬以延长停炉周期，而且还可以通过优化停炉方案来提高产量，从而达到降低耐材单耗成本、拆炉和砌筑人工成本以及减少烘烤和预热所需的能量的目的。因此，为了提高炉子利用率和降低吨钢成本，要不断发展耐材内衬技术以适应炼钢新技术。由此可见，对于一座高产节能的炉子，具有与之相适应的内衬工作寿命是非常重要的。

吨钢主要能耗是由高炉、转炉和使用辅助燃气烧嘴的电炉中的冶金化学放热反应提供的。在电炉和精炼炉中，电能是输入能量的主要来源。根据入炉原料情况和所应用的氧枪技术不同，电炉电耗大概为300千瓦时～600千瓦时/吨，电极消耗为1千克～3千克/吨。现代精炼炉吨钢升温电耗为0.35千瓦时～0.45千瓦时/开尔文，意味着15千瓦时～50千瓦时的电耗对应大约0.01千克/千瓦时的电极消耗。熔化升温所需的电能取决于化学反应释放能，包括铝、硅和碳的氧化等以及过程能源利用效率。

对于电炉短流程和高炉—转炉长流程两种炼钢工艺路线来说，吨钢CO2排放主要取决于入炉原料。采用现代化的高炉技术，CO2的最低排放量接近1.518吨/吨钢，在炼钢精炼还原反应中还有0.19吨～0.22吨/吨钢的CO2排放量。对于电炉短流程来说，直接CO2排放量从小于0.100吨/吨钢(使用优质废钢)到0.36吨～0.42吨/吨钢，甚至达0.44吨/吨钢(使用直接还原铁)。

因此，使用底吹系统是提高转炉和电炉能量转换效率的有效措施，采用先进的出钢技术可缩短出钢时间并减少相应的热损失。同时，使用高效隔热材料，减少钢包周转和处理过程中的能量损失，从而减少对精炼炉输入能或化学反应放热的需求。此外，优化耐材内衬，比如使用自硬性中间包喷涂料，可在连铸过程中进一步节能减排。

对于炼钢过程中提高质量和能量转换效率来说，使用优质耐材产品可以降低侵蚀速率并延长内衬工作寿命，从而提高炉子的利用率和产量。同时，优质内衬的有效隔热可降低热损并提高能源效率。考虑到能源价格和单位CO2排放量，使用优质耐材产品不管是从经济效益还是CO2平衡角度来看，都有着非常积极的意义。这些耐材方案总体节能潜力为14千瓦时～26千瓦时/吨钢，CO2减排潜力为2.2千克～8.7千克/吨钢。

编后：

如今，大范围的雾霾天气给全国空气质量控制带来严峻的挑战。在治理大气危机刻不容缓的情况下，积极践行低碳环保成为社会关注的热点，也是所有钢铁企业应肩负的责任和使命。但在全行业亏损的大背景下，再次加大对环保工作的投入力度，对钢铁企业来说无疑是一场阵痛。环保就一定只能付出高昂代价吗？通过国外钢铁企业的研究发现，有的技术可在达到环保标准的同时，为企业带来一定的经济效益。有的技术在实现低碳环保的同时也实现钢铁工业能源转换和大宗废弃物消纳处理的功能，有效促进了钢铁企业与社会的和谐发展。这些能够实现双赢或共赢的技术，正是目前国内钢铁企业应该去积极探索和研究的。以发展低碳经济为契机，带动产业结构的优化调整，推动全行业可持续发展已成为钢铁行业的必做课题和重要方向。