劉艷峰

（河鋼張宣科技技術中心， 河北 宣化 075100）

摘 要：鋼鐵行業碳排放占全國工業領域碳排放的 15%~20%，為了企業的生存和發展，必須采取降碳措施。我國是焦炭生產大國，焦爐煤氣資源豐富。鋼鐵企業利用焦爐煤氣生產直接還原鐵，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，建立低碳經濟發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]。

鋼鐵工業排放的 CO₂ 占人類總排放的 5%，約占工業 CO₂ 排放總量的 15%~20%^[2]。鋼鐵行業向低碳模式轉變是未來的發展趨勢，推進低碳冶金工藝研究和新能源開發利用事關我國鋼鐵行業生存發展，也是國家實現制造強國戰略的必然要求^[3]。

傳統的“高爐＋轉爐”流程所產生的 CO₂ 單位排放量，即使進行工藝優化，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]。

近年來我國焦炭產量逐年遞增，作為焦炭主要副產品的焦爐煤氣已經過剩^[5]。生產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，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（含上料、本體、排料）、工藝廢氣處理系統、CCUS系統、加熱爐系統、焦爐煤氣凈化及加壓系統、公輔系統組成。

焦爐煤氣作為氣源注入豎爐系統，經過重整制氫，形成合格工藝氣。工藝氣在豎爐內部與礦石發生反應，反應后產生的廢氣經過降溫、除塵、脫水、加壓、升溫后再次從豎爐中部注入，在系統中循環使用，還原廢氣中多余部分 CO₂ 經過 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的直接還原鐵，可替代廢鋼作為短流程鋼鐵生產用的原料。如果直接還原工廠距離用戶較遠，可以生產冷態 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，產生的 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，實現煉鐵過程由“碳熱還原”向“氫氣還原”變革，不同流程生產粗鋼排放的 CO₂ 量對比如表 2 所示^[8]。 傳統的“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”鋼鐵生產工藝，得益于其獨特的資源稟賦，發展起步早，技術已日趨成熟，單體規模也越做越大。無論是 MIDREX 還是 ENERGIRON 工藝，都有已建成投產的、年產能達到 250 萬 t 直接還原工廠。

據統計，2021 年全球直接還原鐵產量 1.192 億 t，比 2020 年的 1.081 億 t 增長 13.7%，從 2016 年開始，全球直接還原鐵產量約增長了 4 640 萬 t ^[9]，直接還原鐵在鋼鐵行業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，可以大規模生產，氣基直接還原工藝發展速度也會提高。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濟收益和碳減排效應，發展焦爐煤氣直接還原工藝還是很劃算的。

隨我國鋼鐵行業轉型升級，如果新的焦爐煤氣直接還原產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球團作為豎爐原料、原球團供料皮帶作為新直接還原產線的供料皮帶等等，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 產品難以達到設計指標^[10]。考慮 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，但產品屬于“灰氫”，即仍伴隨著一定的碳足跡。考慮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海綿鐵，比起使用焦爐煤氣制氫再用純氫生產海綿鐵，或使用綠電 - 電解水制氫、純綠氫生產海綿鐵，都更有現實意義。

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 1 t DRI 的成本為 389.8 元 /t DRI 左右。根據 MIDREX、PERED 工藝的生產統計數據，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 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 DRI 比使用天然氣經濟性更好。

我國缺乏天然氣，但是焦炭產量龐大，伴隨的焦爐煤氣已經過剩；發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

我國雖然是世界產鋼第一大國，但我國優質鋼、潔凈鋼的生產無論是數量、質量，還是品種方面與世界先進國家都有很大的差距，成為我國鋼鐵生產的短板，無法滿足我國經濟發展的需要，高鐵、飛機制造工業使用的關鍵構件、螺栓等大量優質鋼材配件仍需進口，嚴重影響我國裝備制造、國防等工業發展。

從冶金技術和裝備層面，我國具備生產優質鋼、潔凈鋼、超潔凈鋼的能力。當前，我國優質鋼材生產的主要問題之一是原材料純度不高。我國缺乏且難以進 口優質重廢鋼，以高爐鐵水、普通廢鋼為原料生產優質鋼材時，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品結構，提高鋼鐵產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工藝技術發展的主要方向。

實現氫能冶金替代傳統高爐的碳冶金，生產高品位、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，后續焦爐煤氣直接還原鐵生產工藝很可能成為國內非高爐煉鐵的主流工藝，其生產的高品質的直接還原鐵，可用于冶煉優質鋼、潔凈鋼、超潔凈鋼，以滿足國家經濟建設的需要。

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、利舊創新，投資、運行成本優勢顯著，碳減排效果明顯，是未來鋼鐵企業實現綠色低碳轉型發展的一條值得嘗試的道路。

參考文獻

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