“近零碳排放”电弧炉炼钢工艺，为钢铁工业趋近碳中和定技术基础

2020年中国政府提出“碳达峰、碳中和”国家战略，力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。作为中国主要基础产业和碳排放大户，中国钢铁行业将排放近18亿2021年碳排放量约占全国总排放量的16%。 减少钢铁行业碳排放是中国政府承诺“碳达峰、碳中和”的重要出发点。

未来，我国钢材需求仍将保持旺盛。 钢铁行业在快速发展的同时，也将持续面临巨大的碳减排压力。 电弧炉短流程炼钢的碳排放量是传统长流程炼钢的1/3。 发展短流程炼钢对钢铁行业碳减排具有重要意义； 但即使采用电弧炉短流程炼钢，每吨废钢坯的碳排放量仍为400～500kg。 钢铁行业如何在此基础上进一步减少碳排放，对于钢铁行业实现碳中和至关重要。 在这篇文章中，作者提出了一种“近零碳排放”的电弧炉炼钢工艺。 新工艺从冶炼过程近零碳、能源近零碳、原料生产近零碳三个方面进行研发。 其目标是最终炼钢过程的碳含量接近于零，为钢铁行业迈向碳中和奠定技术基础。

1技术思路

“近零碳排放”电弧炉炼钢是指利用绿色清洁能源，通过“非碳相关”冶炼技术冶炼低碳或微碳原辅材料并生产钢坯，从而实现炼钢过程中二氧化碳的近零排放。 近零碳排放炼钢的技术构成如图1所示。绿色清洁能源是指在生产过程中使用不排放二氧化碳的能源，包括太阳能、风能、核能、氢能和谷电（注：有些谷电不计算碳排放）等，这些能源不再利用碳的氧化。 热反应可以从源头上阻止CO2的产生和排放。 低碳或微碳原辅材料是指原辅材料的生产过程不涉及或很少涉及含碳反应，从而从原辅材料的来源和含碳量上减少CO2排放。 “非碳相关”冶炼技术是指在炼钢生产中完成不涉及碳使用的冶金任务，包括熔池脱磷、钢水脱气、泡沫渣形成、辅助能源等，生产钢材钢坯成分和温度合格，实现炼钢生产“近零碳”，炼钢过程碳排放量减少80%以上，碳排放总量低于64公斤/吨。

2 国内外研究现状

国内外许多学者针对清洁能源在钢铁生产过程中的应用进行了研究。 文献认为，直接利用风能和太阳能互补技术，可以实现1600℃以上的熔化温度，可以熔炼各种金属。 文献报道了利用太阳能对成品钢材进行表面和变质处理，以提高钢材的耐蚀性、硬度等理化性能。 太阳能还可以直接发电用于电炉炼钢、电解铝、镁、电解精炼铜、铅等。 微波和等离子体作为清洁能源在冶金过程中的应用已有文献报道。 笔者多年探索绿色能源来源，研究了直接利用太阳能光伏发电、储能供电及输电等问题，直接提供炼钢所需能源，设计制作了光伏炼钢标称容量为 1 kg 的概念炉。 共产出合格钢水约25公斤，实现太阳能直接炼钢。

3 能源供应碳几乎为零

能源供应近乎零碳，是指利用不产生CO2排放的外部能源，如太阳能、风能、核能、氢能等，将其转化为电力。 这部分绿色电力如果在炼钢过程中得到有效利用，就可以从能源中获得。 实现近零碳排放的目标。

我国幅员辽阔，太阳能资源丰富。 据测算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50×1018kJ。 全国年太阳辐射总量达335～837 kJ/(cm2·a)，中值为586 kJ/(cm2·a)。 理论储量为2.4万亿吨标准煤/年。 尤其是我国北部和西部地区，大部分地区年平均辐射剂量在每平方米5000兆焦耳以上。 与同纬度的美国接近，比欧洲和日本优越得多。 利用太阳能完成冶金任务是完全可行的。 太阳能、风电等技术将为我国能源供应战略安全、减少环境污染做出贡献。

经过多年对非碳炼钢能源问题的探索，直接利用太阳能的光伏发电可以为炼钢所需的能源提供储能、供电和传输，实现太阳能资源的利用。 近年来，我国光伏产业发展迅速。 掌握了万吨级多晶硅、晶硅电池成套工艺。 光伏设备国产化率和光伏电池板性能不断提高。 单片容量已达到500W大关，价格不断下降，光伏利用技术也日趋成熟。

风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。 它是一种清洁能源。 我国10m高度风能资源总储量为32.26亿千瓦，其中实际可开发风能资源储量为2.53亿千瓦。 中国北方风力资源丰富。 昼夜3~4m/s的风电比例达90%以上，非常适合建立风力发电机组进行风力发电。 随着技术的不断发展，利用风力发电的成本已经降低很多，单台风电机组的装机容量逐渐扩大，利用效率不断提高。

通常光伏发电和风力发电是互补的。 阳光强的时候，风就比较弱，所以当阳光不足、天黑的时候，风就会发挥作用。 光伏和风电都是受天气影响较大的新能源。 所发出的电力无法稳定供应给用户直接使用。 储能系统通常用于能量存储和调节。 储能产业近年来发展迅速，手段多样，包括物理储能（如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等）、电化学储能（如钠硫电池、液流电池、铅酸电池等）、锂离子电池、镍镉电池、超级电容器等）、电磁储能（如超导电磁储能等）和相变储能（如如冰蓄冷、熔盐等）。 这些储能方式各有特点，可以应用于不同的场景。

由于电弧炉电力需求变化快、消耗电量大，因此要求储能系统具有比容量大、输出效率高、循环寿命长的特点。 综合考虑，采用目前较为成熟的锂离子电池或新开发的空气压缩储能技术结合风能、太阳能发电对电弧炉持续充电最为合理。

由风光互补发电系统供电、储能系统调节的电弧炉微电网可以充分利用风能和太阳能的互补优势。 在使用清洁能源的同时，他们可以获得较低的成本，保证电弧炉的顺利生产。 绿色电源及电弧炉电气系统如图2所示。该方法经济可行。 光伏、风电、谷电三种能源的平均成本为0.2~0.3元/(kW·h)，降低了电弧炉生产的能源成本，实现了电弧炉炼钢生产的高效化。 “近零碳能源供应”的目标。

4 冶炼过程碳含量接近于零

传统的电弧炉冶炼工艺离不开“碳”。 供电、供氧、泡沫渣发泡、脱磷、脱硝等作业均依赖于碳相关反应，从而产生碳排放。 近零碳冶炼工艺的核心是无碳炼钢冶炼工艺操作，即在无碳条件下完成炼钢的冶金任务，包括熔池脱磷、钢液脱气、泡沫渣形成等，以及辅助能源的改善。 图3为解决非碳冶炼的研究内容，包括电能的高效利用、氢氧燃烧器的特点、脱磷理论体系和气源搅拌等。该研究内容由国家自然科学基金委员会. 目前，部分研究成果已得到实践验证，取得了良好的冶金效果。

4.1 氢气燃烧器

氢氧簇射氧枪使用的燃烧介质完全不含碳元素，采用清洁能源——氢能。 因此，氢氧簇射流氧枪熔炼废钢过程中不会产生CO2排放。 氢能作为清洁、高效、可持续的新能源，可用于电弧炉炼钢过程中的供给能源和辅助熔炼，将显着减少冶炼碳排放。

传统的集束射流技术是通过在中心超音速射流周围包裹高温“伴流”来解决供电不足、炉内冷区等问题。 “行进流”由极细的高温火焰形成，充当主氧气流的“包络线”，隔绝环境气体对其的影响，使主氧气流保持真空状态类状态，形成一定距离内不衰减的结构。 簇射流。

氢氧簇射流熔炼的目的也是为了加快电弧炉炼钢的步伐，降低生产成本。 研究表明，由于氢氧集束射流采用的氢气燃烧是无碳化学能源，与传统使用甲烷和乙烷的集束射流相比，氢气点火能更低，火焰稳定性好，可燃流量高，满足炼钢要求。 寒冷地区生产提速和补充热量的要求（图4）。 在喷嘴出口附近，氢气和氧气可以快速反应。 通常用射流衰减k值来描述射流衰减情况。 k特征值是喷射速度无量纲量(vx/ve)和喷射距离无量纲量(H/De)的乘积。 速度的无量纲量（vx/ve）反映了距氧枪出口一定距离处的实际射流速度（H/De）与出口射流速度相比的变化。 氢气有利于助熔，其 k 值为 61.5，而甲烷的 k 值为 65.1。 k值反映了不同气体燃烧条件下射流轴向速度衰减的程度。 k的值与喷射气体的密度和环境的密度有关。 k值越大，轴向速度衰减越快； k值越小，轴向速度衰减越慢。 在相同质量流量燃烧条件下，循环氢射流亚音速段轴向速度衰减慢于循环甲烷射流亚音速段轴向速度，这表明氢氧团簇射流也具有良好的燃烧性能。喷气性能。

4.2 无碳发泡剂

电弧炉冶炼过程中，废钢熔化后，电弧容易暴露在熔液表面，强烈的电弧辐射影响水冷炉墙和耐火材料的寿命。 因此，埋弧作业需要采用泡沫渣。 良好的泡沫渣操作，在渣层中形成大量的CO气体泡沫，使泡沫渣厚度达到弧长的2.5~3.0倍，完全屏蔽电弧，并能减少电弧对炉子的辐射顶部和炉壁，延长电弧炉炉衬的寿命，提高电弧炉的热效率。

传统电弧炉冶炼时，将碳粉或碳化硅粉喷入熔池，同时吹入氧气，形成强烈的碳氧反应，向渣层提供大量CO气泡。 这是促进泡沫渣形成的主要手段。 传统的发泡剂需要大量的CO气泡，并且必须含有大量的碳。 冶炼过程中添加发泡剂相当于重新引入碳源，产生新的碳排放。

针对上述问题，开发和使用新型无碳或生物质发泡剂，可以在炉渣中形成大量分散的微气泡，且具有良好的稳定性； 不仅满足钢水脱磷的需要，而且发泡剂中不含碳元素。 目前研究的无碳发泡替代品主要有生物质粉、盐或注气发泡。 生物质粉主要由各种生物质资源制成，包括植物、微生物等，以及动物和植物、微生物产生的废物作为食物。 此外，CO2也可用作发泡气体。 由于它采用回收的方式参与CO2循环，因此该过程不涉及碳排放。

研究了生物质碳和无碳发泡剂与电弧的覆盖效果，建立了电弧炉能效评价体系（图5）。 开发了泡沫渣监测系统，可以实时调节泡沫渣对电弧的覆盖效果。 保持电弧稳定性，实现电弧加热在线能效智能评估，提高电热效率。 提出了调节电弧长度、提高其能量利用率的方法，并探索了空心电极喷粉供电工艺以稳定电弧。

4.3 全废钢清洁冶炼技术

废钢等电弧炉使用的冶炼原料一般氮含量较高，高温电弧电离N2导致钢液容易吸收氮。 但整个冶炼过程中熔池内缺乏CO反应，难以有效控制氮含量，导致全废电弧炉难以稳定生产高质量低氮钢。 这是实现碳中性钢铁生产必须克服的清洁钢铁冶炼问题。 研究发现，熔池注入CO2的脱硝反应速率是Ar的9.6倍。 还证实CO2反应生成的CO是O2的1.8~2.1倍。 增加CO是钢水脱硝的重要推动力，因此开发电弧炉CO2-Ar动态底吹技术及装备系统（图6）采用CO2-Ar动态混合喷射的底吹供气方式，实现稳定电弧炉冶炼钢液氮含量的控制。 在工业应用中，全废电炉冶炼时终点氮质量分数由0.005 8%降低到0.004 3%，低氮钢产品质量显着提高。

传统的渣钢界面由于反应较深，脱磷困难，限制了电弧炉生产超低磷和优质钢。 从热力学角度看，脱磷、脱气与脱碳没有直接关系。 与脱碳相关的是熔池搅拌动力学条件的改善。 笔者研究了熔池中O2-CaO喷吹脱磷技术（图7）。 通过改变传统的渣钢界面反应脱磷方法，利用熔渣颗粒直接反应进行快速深度脱磷，解决了快速深度脱磷的关键。 技术挑战。 在50t电弧炉上进行了工业试验，实现了无碳脱磷。 所有废钢冶炼结束时磷质量分数降低至0.009%，钢材消耗降低6.3 kg/t，电能消耗降低10 kW·h/t。

5、原料生产碳含量近乎于零。

电弧炉冶炼需要使用各种主辅原材料，在冶炼消耗过程中也会间接产生碳排放。 要实现近零碳排放，采用非碳相关原材料生产技术是减少原材料碳排放的关键之一。 目前主要有氢基直接还原炼铁、辅料生产绿色电气化、等离子热风窑、含碳原料能耗降低等技术。

直接还原铁化学成分稳定，杂质含量低。 当废钢资源不足时，可以替代废钢作为电弧炉炼钢的原料。 但我国传统的直接还原铁生产是以煤为原料的直接还原工艺，产品质量差、能耗高、污染高。 最理想的满足碳中和的直接还原铁生产工艺是氢基直接还原铁生产工艺。 氢气是一种理想的还原剂，其还原产物是水。 还原过程中不产生CO2排放。 氢基直接还原炼铁技术与光伏制氢等绿色制氢技术相结合，可以实现直接还原炼铁过程中近零排放的目标。 笔者研究了氢基直接还原铁在电弧炉中的最终还原及电炉冶炼技术。 虽然还有很多具体的生产和冶炼问题需要解决，其中包括少渣氢基直接还原铁冶炼以及低碳氢基直接还原铁的“冰山”。 “氢基直接还原铁存在熔炼问题、热装输送等困难，但目前低碳高效生产存在技术可能性。

电弧炉炼钢的原料中，石灰、白云石等都是需要在窑炉中煅烧生产的原料。 工业炉的加热方式通常采用常规化石能源+空气燃烧加热。 这个过程会产生大量的碳排放。 电弧炉在使用上述原材料的同时，也间接造成了碳排放。 碳中和导致了工业炉高能等离子加热装置的发展。 当使用绿色电力代替传统化学能时，等离子热风窑结合碳捕获工艺，可以在石灰、白云石等窑烧原料生产过程中实现二氧化碳零排放。 此外，在炼钢用铁合金生产中，还可以利用绿色电力进行冶炼。

在电弧炉炼钢生产中，一些含碳原材料的消耗是不可避免的，例如石墨电极和含碳耐火材料的损耗。 含碳原料可以通过技术创新减少部分原料的碳消耗。 例如，高导抗氧化涂层和空心电极喷涂技术是目前正在研究的电极低碳保护技术。 与喷涂技术相结合，可以将电极氧化损失减少 35%。 。 开发低碳或微碳低导热材料，在耐火材料干燥和烧成过程中采用微波干燥、等离子热风窑煅烧等方法，可减少其生产和使用过程中的碳排放20%以上%。

6 炼钢最终碳排放分析

结合新设计的近零碳排放5t中试电弧炉的设计，对电弧炉炼钢“废钢→钢坯”过程进行碳排放分析。 如图8所示，对能量输入、冶炼碳带和原料带进行了分析。 已核算每吨钢坯的二氧化碳排放量。 如果能源输入全部为绿色电力，吨钢碳排放量将从213公斤减少到12公斤； 冶炼过程涉及的碳将从每吨钢125公斤减少到8公斤，原材料碳排放量将减少。 所涉及的技术发展是最大的限制因素。 吨钢碳排放限额从72公斤下降到仅44公斤（减碳有限，但潜力最大）。 基于目前所有可能的技术，最终碳排放限值将达到64公斤/吨（钢）。 如果轧钢过程完全依靠绿色电力运行，短期炼钢过程中生产的吨钢碳排放量将大幅降低，全过程碳排放量将降低至66公斤/吨（钢） ，见表1。

7 展望

国家2060年实现碳中和的目标已经确定，钢铁行业碳减排任重而道远。 在全球钢铁行业加速推进低碳技术创新的背景下，本文提出一种基于全废电弧炉炼钢的近零碳排放电弧炉炼钢新工艺。 从生产碳接近零的三个层面分析该工艺的研发技术路径。 结合研究团队前期在绿色电源、氢能燃烧器、无碳发泡、氢基直接铁还原等相关研究基础上的研究基础，对该工艺的可行性进行了分析，指出基于就现有可能的技术而言，最终精炼钢过程的碳排放极限将达到64公斤/吨（钢）。

例如，如果中国2060年可能的钢铁产量为8亿吨，如果80%采用近零碳排放生产，钢铁行业的碳排放总量将下降到现有碳排放的10%以下。 因此，将进行近零碳排放的冶炼。 钢铁技术研究具有重要意义。

引用这篇文章

朱荣，魏广生，张宏进。 近零碳排放电弧炉炼钢技术研究与展望[J]． 钢铁，2022，57（10）：1-9。 朱荣，魏广生，张宏进。 近零碳排放电炉炼钢研究与展望[J]. 钢铁，2022，57(10)：1-9。

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