钢铁行业碳减排技术应用与展望

论述了中国钢铁行业推行碳减排技术的重要意义,从多角度阐述了钢铁行业各类高效碳减排技术在国内外的应用情况及效果。首先分析了短流程炼钢工艺电弧炉炉容大型化趋势、烟气余热回收技术、废钢预热工艺和废钢供应情况;然后分别剖析了高炉富氢冶炼、富氢-气基竖炉和纯氢-气基竖炉工艺3个主要的氢冶炼工艺;之后介绍了碳捕集、利用与封存技术。最后,结合中国钢铁企业现状,展望了钢铁行业在大力推进直接还原铁技术和短流程炼钢生产工艺的情况下,未来高品质钢材低碳化、绿色化冶炼的发展之路。     

走向21世纪的炼铁技术

本文介绍一种通过磁场换各来取代原有的直流电机中电刷换向，从而获直流电机特性的新型电机。     

Shift From Coke to Coal Using Direct Reduction Method and Challenges

 Ironmaking involves the separation of iron ores. It not only represents the first step in steelmaking but also is the most capital intensive and energy intensive process in the production of steel. The main route for producing iron for steelmaking is to use the blast furnace, which uses metallurgical coke as the reductant. Concerns over the limited resources, the high cost of coking coals, and the environmental impacts of coking and sinter plants have driven steelmakers to develop alternative ironmaking processes that can use non coking coals to reduce iron ores directly. Since the efficiency and productivity of modern large capacity blast furnaces will be difficult to surpass, blast furnaces will continue to retain their predominant position as the foremost ironmaking process for some time to come. The alternative ironmaking processes are therefore expected to play an increasingly significant role in the iron and steel industry, especially in meeting the needs of small sized local and regional markets. It is likely that the importance of direct reduced iron (DRI) and hot metal as sources of virgin iron will continue to increase, especially in the developing countries where steelmaking is, and will be, primarily based on electric arc furnace (EAF) minimills. Consequently, the challenges that are faced by the new technology have to be embraced.     

Application of the triad of blast furnace,oxygen converter,and electric arc furnace for reducing of carbon footprint

Carbon footprint is the mass of carbon formed in the full cycle of manufacturing one kind or another product. This carbon is included in greenhouse gases. During production of iron and steel are generated carbon monoxide and greenhouse gases: methane, and carbon dioxide. Methane and carbon monoxide burn to carbon dioxide by secondary energy resources. By this means, the carbon footprint by the production of iron and steel has determined by the weight of carbon dioxide formed in this production. As results of analysis of the processes of manufacture of iron and steel, it has revealed that the tandem of blast furnace with electric arc furnace is characterized by a lower value of integrated emissions of CO₂ than the tandem of blast furnace with an oxygen converter. It was proposed to process of the cast iron made by one blast furnace, then in the oxygen converter, and, at last, in one or more electric arc furnaces. Moreover, the electric arc furnace is loaded by 30% of iron produced in blast furnace, and the remaining 70% are complemented by metal scrap. In the oxygen converter is loaded, the part of cast iron (75–85%), that remained after processing in the arc furnace. The converter is applied the metal scrap for full loading. Calculations of total emission of carbon dioxide for different triads of these units are made. Simultaneous use of oxygen converter with electric arc furnaces for cast iron smelting (obtained from one blast furnace) helps to reduce reliably the emission of carbon dioxide to 20% as it is follows from these calculations. This suggests that such a triad of used units conforms to green technology. Example of the use of mentioned triad is for a full load of the converter applied to metal scrap. The calculations total emissions of carbon dioxide for different triads of these units were performed. From these calculations it follows that the simultaneous use of oxygen converters after electric arc furnaces for smelting iron (obtained from one blast furnace), it helps to reduce the emission of carbon dioxide to 20%. This suggests that this triad of used units conforms to green technology. An example of using this triad is in the Magnitogorsk Iron and Steel Works, where along with the oxygen converter, electric arc furnaces with the use of locally produced electricity at burning fuel of secondary energy resources from units, in which the fuel is burnt. This practice can be recommended for a number of other metallurgical enterprises.     

多位一体不锈钢冶炼在太钢的生产与实践

通过分析太钢不锈钢原料铬镍生铁、高碳铬铁、铁水等的特性以及研究了原料中Si、C元素优化使用,采用中频炉、电弧炉、转炉、AOD等工序进行多种组合,开发了300系、400系钢种多条不同组合的不锈钢工艺路线,形成了多位一体不锈钢生产工艺。生产实践表明,400系不锈钢采用180 t转炉脱磷铁水+50 t中频炉熔化高碳铬铁预熔液兑入AOD冶炼的工艺,铬收得率提高2.47%,硅铁消耗降低5.5 kg/t,石灰消耗降低10 kg/t,300系不锈钢采用160 t电弧炉+2×50 t中频炉熔化预熔液兑入AOD冶炼工艺,铬收得率提高2.2%,电极消耗降低1.8 kg/t,大幅降低了冶炼成本。     

废塑料在钢铁行业的应用现状及建议

塑料制品在工业及民用中的不断普及,大量废塑料的回收利用已成为一个重要研究课题。冶金行业具有消纳废塑料的设备和技术优势,国内外对此已开展了积极研究。对废塑料在钢铁行业中的应用的相关研究进行了综合分析,从高炉炼铁、焦化、电炉冶炼、直接还原铁生产等几个方面对废塑料的消纳技术状况进行了总结,可为促进废塑料在钢铁行业中的应用提供参考。     

电炉炼钢钢铁原料的现状分析与展望

 电炉炼钢作为短流程的核心工艺,具有铁元素循环利用率高、能源消耗低及环境效益良好的特点,推动电炉炼钢健康发展符合中国实现“碳达峰”、“碳中和”目标对钢铁绿色发展的要求。电炉炼钢入炉的钢铁原料种类较转炉多且结构灵活,并且对电炉冶炼的工艺过程控制有直接的影响。为创造充分挖掘和发挥电炉炼钢优势的良好起始条件,针对目前电炉炼钢的主要入炉钢铁原料的情况和特点,从其生产储备、工艺过程操作、能源消耗、环境保护等方面入手,分析了废钢、铁水和直接还原铁作为主要原料的使用现状及优缺点,并着重对比分析了直接还原球团特点和技术指标,为探究和优化合理的电炉炼钢入炉钢铁原料结构提供了理论依据。从资源消耗、环境保护等方面考虑,废钢和直接还原球团将成为今后短流程炼钢的主要原料。结合钢铁循环利用技术和产业专业化的逐渐成熟,以及更加绿色环保的氢冶金技术的发展,废钢综合回收利用技术、高品位洁净球团生产技术、氢气竖炉直接还原技术将会是未来电炉入炉钢铁原料生产技术的发展方向,配套新型高效智能电弧炉冶炼技术将会是未来短流程炼钢的发展方向。     

100t电炉炼钢添加海绵铁的生产试验

以安钢100t电炉炼钢添加海绵铁的生产试验为依据,对海绵铁的性能及其与电弧炉冶炼过程中的关系作了全面论述,在电炉炼钢过程中添加海绵铁是降低炼钢成本、减低电炉钢水中有害残余元素含量、提高钢水纯净度、生产特殊钢的重要途径。     

煤制气直接还原铁两段串联流程估算

为了降低直接还原铁能耗,根据试验数据研究了煤制气直接还原铁两段串联流程。串联流程中第一段竖炉用煤制气粗煤气余热和含碳球团冶炼直接还原铁,含碳球团以焦粉、半焦粉或无烟煤粉为还原剂,铁精矿、无机黏结剂混合后加压制作,电炉熔化直接还原、脱硫和生产水渣。串联流程中第二段竖炉以第一段净化后的炉顶煤气为第二段直接还原铁还原气,以氧化球团为原料。结果表明,煤制气直接还原铁两段串联流程估算能耗为394.8kg/t;与铁水比可比能耗为487.8kg/t,比高炉低41.2kg/t,生产过程中产生的污染物和温室气体排放低于高炉,接近天然气直接还原铁。     

氢冶金技术的发展溯源与应用前景

围绕“以氢代碳”对钢铁工业中实现碳减排工艺进行了梳理和溯源。实现碳减排的途径需要发展以氢气作为还原剂的氢冶金工艺。目前世界主要钢铁产区发展了从高炉喷吹燃料工艺到高炉富氢冶炼工艺、从非焦冶炼工艺到全氢直接还原工艺等两大氢冶金技术路线。从各国远景规划来看,发展氢基直接还原工艺及电炉炼钢短流程是氢冶金技术的重要方向。同时在低成本绿氢技术突破前,使用焦炉煤气等灰氢是中国从“碳代替”到“氢冶金”的重要过渡。     

小型钢铁联合生产线

一个由箱式烧经机－氧气高炉－直流电弧炉－水平连铸组成的钢铁联合生产线可提供一个适合于小型钢铁厂的合理生产模式。此生产模式解决了用高炉生铁供电炉炼钢的难题以及机械化烧结作业和轧钢开坯的设备选型问题。     

电弧炉用替代废钢的金属炉料的进展

直接还原铁、铁水、冷生铁、脱碳粒铁、碳化铁、复合金属料等替代部分废钢作为电弧炉金属炉料，不仅可解决目前废钢供应短缺，也有利于稀释废钢中有害残余元素，提高钢的质量，是电弧炉冶炼优质钢的必要条件。文中介绍了电弧炉用各种金属炉料的特点和使用效果。     

高炉使用铁焦的㶲分析

 中国钢铁生产主要以高能耗和高排放的高炉-转炉长流程为主,节能减排压力较大。因此,积极研发高炉低碳炼铁技术,促进高炉工序CO₂减排尤为重要。铁焦是将含铁原料加入适宜的煤中,经焦化或炭化后成型的新型碳铁复合炉料,其高反应性可以显著降低热储备区温度、降低碳消耗,高炉使用适量的铁焦可实现一定程度的节能降碳。基于现场生产数据,采用㶲分析理论,建立高炉使用铁焦的㶲平衡模型,探索铁焦添加量对高炉物料消耗及能量利用效率的影响。结果表明,高炉使用铁焦后,炉内间接还原得到发展,碳利用率提高,炉内灰分量降低,冶炼单位生铁的碳素消耗和炉渣量均会降低,与未使用铁焦相比,高炉使用114 kg铁焦后,吨铁碳素消耗降低25.95 kg,渣量降低11.28 kg。此外,铁焦内部的金属铁仅需熔化,节省还原所需的㶲量,焦炭和鼓风带入㶲会显著降低,因此高炉冶炼吨铁消耗的总㶲量降低,同时,炉内传热也得到改善,内部㶲损失有效降低,与未使用铁焦相比,高炉使用114 kg/t铁焦后,目的㶲效率由46.14%提高至48.87%,热力学完善度由87.46%提高到88.02%。在此条件下,高炉吨铁的内部㶲损失降低192.63 MJ,实现节能6.57 kg(标煤)。     

近零碳排电弧炉炼钢工艺技术研究及展望

 中国钢铁工业碳排放占全国总排放比例达16%,减少钢铁工业碳排放是中国政府实现“碳达峰、碳中和”承诺的重要抓手。在碳中和背景下,全球钢铁行业正加速推动技术革新以降低碳排放。提出近零碳排电弧炉炼钢新工艺,从能量来源碳近零、冶炼过程碳近零、原料生产碳近零3个层面开展技术创新,以实现炼钢工序碳近零。在能量来源碳近零方面,提出利用太阳能、风能及谷电等能源昼夜交替补充,能量有效存储及释放、微型智能电网及电弧炉优化供电,实现绿色能源的直接高效利用;在冶炼过程碳近零方面,提出利用氢能烧嘴、无碳发泡剂、CO₂-Ar动态底吹脱氮、熔池内O₂-CaO喷吹脱磷及系统能效评价等关键技术实现非涉碳冶炼;在原料生产碳近零方面,提出利用绿氢直接还原炼铁及相关配套技术、绿电等离子热风窑炉配合碳捕集工艺等大幅降低原辅料生产过程碳排放。对电弧炉炼钢过程能量输入、冶炼涉碳及原料带碳的吨钢坯二氧化碳排放进行了衡算,并结合上述关键技术减碳能力分析,计算预测该近零碳排电弧炉炼钢新工艺最终极限碳排放可降低到64 kg/t(钢)。因此,开展近零碳排电弧炉炼钢工艺研究,加速其工业落地应用,将有助于促进中国钢铁工业创新发展和绿色低碳发展。     

直接还原技术进展及其在中国的发展

近年来,全球直接还原铁(DRI/HBI)产量和需求逐年增加,表明直接还原技术是钢铁工业不可缺少的组成部分,有助于炼铁生产摆脱焦煤资源短缺的羁绊,降低钢铁生产能耗,提高钢铁产品质量和品质。气基竖炉生产规模不断增大,成为主要的生产工艺;竖炉直接还原铁热装热送技术的发展进一步降低了工序能耗。回转窑、隧道窑等工艺在特定地区迅速发展,但很难成为直接还原铁生产的主流。我国具备发展直接还原生产的资源条件和技术基础,煤制气—气基竖炉技术是可能的主要发展方向。     

130 t直流电弧炉喷吹过程的优化模拟

在当今经济健康发展的背景下,电弧炉炼钢凭借其污染小、流程短和产品多样的特点,已逐渐成为各大钢铁企业大力发展的对象,在整个钢铁生产的地位比以往的每个时候都要重要,而电弧炉熔池的流动状态会直接影响电弧炉的冶炼效果,这主要与氧枪喷吹强度和布置方式有关.为研究不同工况条件下电弧炉流场的变化,为大型电弧炉选取最合适的工艺参数,以...     

“双碳”背景下低碳排炼钢流程选择及关键技术

“碳达峰”、“碳中和”是一个总体的宏观概念,为中国未来经济与环境发展提供了笼统的理论框架与基本理念。基于“双碳”目标的深度解析,中国钢铁行业处于“碳锁定”状态,只有同时进行技术和制度变革才能实现“碳解锁”。结合当前钢铁工业生产结构、冶炼原材料供应、冶炼能源、节能减排水平以及CO₂排放现状,给出了合理的碳达峰时间及峰值。未来二三十年中国钢铁生产主要流程依然是长流程和短流程并存,氢冶金技术还难以进行工业生产,提升全废钢短流程炼钢的比例是降低碳排放的主要措施。从长远来看,长流程中炼铁工艺由碳还原逐渐向氢还原是大势所趋,炼铁工序的产品将由原来的高碳铁水转变为低碳铁水或直接还原铁（DRI）,具有较高脱碳的转炉炼钢就没有明显优势,发展电弧炉炼钢流程是必然选择。但实现“碳中和”还要依靠氢冶金,碳捕集、利用与封存技术的发展和应用,以及制度的变革。基于近年在全废钢电弧炉相关方面的理论研究、装备开发与实践的深入研究,针对全废钢电弧炉冶炼工艺存在的问题,开发了一系列关键技术,实现在全废钢条件下满足当前连铸生产工艺节奏以及钢液质量的控制,为全废钢电弧炉的发展提供理论支持。      

联合钢厂采用无碳排放的ENERGIRON直接还原方案减少温室气体的排放

在基于高炉冶炼的联合企业中,始终有一些过剩的焦炉煤气、转炉煤气和高炉炉顶煤气,通常这些煤气用于电厂发电。另一种替代方法是使用这些现有的能源气体生产直接还原铁(DRI),将其作为金属化炉料加入高炉,提高粗钢产量,以减少化石燃料单耗。优化利用主要的化石燃料可以显著降低吨钢CO2排放量。采用传统的BF-BOF流程,即使在优化工艺流程的基础上,吨钢CO2排放量也有1.7～1.8t左右。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,却可显著降低CO2排放量。     

气基竖炉直接还原炼铁流程重构优化

直接还原铁比较纯净、成分稳定,是电炉炼钢的优质原料。中国焦化行业产生大量焦炉煤气,适宜发展以焦炉煤气为还原气的竖炉直接还原炼铁流程,现有工艺主要有Midrex工艺和HYL-ZR工艺。为了解决Midrex工艺和HYL-ZR工艺所存在的问题,通过流程功能分析,提出气基竖炉直接还原重构优化流程,主要工序包括焦炉煤气压缩、TSA预处理、PSA脱碳、PSA提纯CH₄、富氢气加热、竖炉直接还原炼铁等。该流程不仅净化焦炉煤气,而且可分离CH₄,使还原气中H₂与CO的比例达到8,并省去CH₄重整环节,提高炉内直接还原效率。该流程前端与焦化工序连接,后端与电弧炉连接,不仅有利于钢铁联合企业资源优化配置,而且可以生产天然气,提高能源利用效率。     

炼铁新技术及基础理论研究进展

从炼铁新技术及基础理论研究方面介绍了烧结球团提质降耗新技术、焦炭在高炉内行为解析研究、高炉喷吹清洁燃料技术、高炉长寿技术、高炉炼铁数据建模技术以及冶金尘泥再处理技术。从基础研究出发,提出了目前最具有潜力的炼铁新技术;然后在国家碳中和战略的大背景下,综述了目前国际上的非高炉炼铁技术研究进展,为我国低碳炼铁发展提供依据;最后从最新微观研究手段出发,介绍了目前炼铁研究领域在微观尺度的研究进展,多尺度综合调控研究高炉炼铁过程机理,为未来低碳炼铁发展方向提供思路。