一、引言 高炉-转炉（BF-BOF）长流程工艺由于严重依赖碳作为铁矿石还原和热能的来源，排放了大量二氧化碳，因此使用氢作为还原剂有望从根本上解决钢铁生产中的碳排放问题。在氢利用技术中，相对成熟的技术就是利用氢气生产直接还原铁（DRI），然后在电弧炉（EAF）中炼钢。氢基直接还原铁生产设施（MIDREX、ENERGIRON等）的商业运营经验，氢还原中试规模测试，以及在世界各地大规模实施的电弧炉项目，为该领域的发展提供了潜在的可持续性。随着制氢和电弧炉开始利用绿色能源，无疑将有助于更大程度的碳减排。 为了让氢基直接还原铁/电弧炉（使用零碳电力）工艺逐步取代传统的碳密集型长流程炼钢工艺，迫切需要采用脱碳技术，尽管这类可持续炼钢技术的前景广阔，但也需要应对一系列的挑战（图1）。
二、球团矿供应面临的挑战——原料质量 在直接还原铁生产中，竖炉的还原是通过固体和气体之间的逆反应进行的，而堆放在竖炉内的铁矿石向下移动，还原气体向上运动。由于铁矿石的透气性和流动性很重要，故而主要使用球团矿原料。不同于普通高炉球团，直接还原球团生产所用的原料对铁品位要求较高（66%或更高），而对脉石含量要求较低。而对于高炉球团用原料，铁品位为65%或更低。另外，当铁品位降低，脉石增加时候可能会造成电弧炉的运行问题，这些问题包括因炉渣量增加造成更大的电耗和耐材损耗，以及因炉渣中形成FeO而导致铁损增加。此外，在电弧炉炼钢中，由于杂质元素的精炼能力较差，与长流程炼钢相比，原料中的P和S含量受到严格限制。 为了扩大应用氢基直接还原铁/电弧炉技术，确保获得大量的直接还原球团是必要的，但矿业公司有限的产量可能会导致原料供应困难。相关数据显示，尽管直接还原铁产能不断扩大，但2019年仅有少数矿业公司生产出总计1.28亿吨高品质直接还原球团。因此，预计2050年将出现严重的直接还原球团供应短缺问题，届时直接还原球团的潜在需求将达到2.9亿吨，高炉球团的潜在需求将为3.05亿吨。通过提升采矿作业的浮选能力可以改善球团原料质量，增加直接还原球团的供应，但可能会增加成本。随着直接还原球团的需求增加，这也引发了对原料价格上涨的担忧。为了使目前原料的使用多元化，业内正在开发一系列技术，其技术要点是：流化床还原法生产氢基直接还原铁，这种方法直接利用铁粉矿而不需要球团矿生产，同时使用较低品位的铁矿石作为生产直接还原铁的原料。因此，氢基直接还原铁/电弧炉技术在替代现有工艺进行推广的过程中，确保原料多元化的技术还有待突破。 三、氢还原面临的挑战——金属化程度 除上述原料质量问题引起的直接还原铁金属化程度降低以外，氢还原的固有反应特性也可能使直接还原铁的金属化程度受到限制。韩国学者观察了在特定温度范围内还原产生的铁的形态特征。在氢还原的最后阶段，扩散阻力显著降低了还原速率，阻止了完全金属化。这一现象降低了氢还原的最终金属化程度，还增加了电弧炉的电耗。值得一提的是，对于无碳电弧炉操作，很难进一步还原剩余的铁氧化物，导致铁分以FeO的形式残留在炉渣中。最后，直接还原铁金属化程度很可能成为限制技术竞争力的关键因素，因为它增大了电弧炉的能耗，从而降低生产率。因此，为了成功应用氢基直接还原铁/电弧炉（零碳电力）工艺路线，需要开发一种全新技术，以消除那些阻碍铁矿完全还原的不利因素。 四、电弧炉炼钢面临的挑战——熔炼和能耗 对于氢还原工艺，无碳化提高了电弧炉熔炼温度（4.3%C-Fe：1403K/纯铁：1811K），由于其脉石含量高于废钢，这种原料并不利于电弧炉熔炼。此外，如果大量的直接还原铁被投入电弧炉，很可能会形成未熔化的固体团簇，即所谓的“铁堆”，从而延迟熔化，有可能因延长运行时间而降低生产率。因此，为了让氢基直接还原铁/电弧炉技术取代传统长流程工艺，关键是开发一种大批量直接还原铁的快速熔炼技术，同时开发一种增大熔体搅拌和最大限度地提高电力能效的技术。 五、电弧炉炼钢面临的挑战——精炼能力和产品牌号 大多数高端产品，包括汽车外板和无取向电工钢，都是通过长流程炼钢工艺生产的。通过电弧炉路线生产的产品通常仅限于低牌号产品，主要原因是从废钢带入的杂质元素会限制精炼能力，而且与转炉相比，电弧炉中的流体流动也受到限制。在使用直接还原铁而不是废钢的电弧炉中，可以通过减少杂质元素来生产高端产品。例如，在生产部分高品质汽车用钢牌号时，美国纽柯公司等电弧炉钢铁制造商用直接还原铁替代部分废钢作为铁源，从而稀释由废钢带入的杂质元素。 在炼钢和精炼过程中，在钢包冶金炉（LMF）中的后续处理可以通过渣处理和真空脱气来去除一些主要的杂质元素，但为了生产上述高端产品，需要严格控制从原料引入的杂质水平。另外，高端产品的生产也需要控制氮含量，由于氢基直接还原铁不含碳，氮的溶解度可能会增加。因此，为了解决由低质量原料引入P和S，在电弧炉转炉炼钢中，有必要提高杂质元素的精炼能力。如果不能克服这一点，新工艺在高端产品生产能力方面可能会受到一定限制。 六、下游面临的能源挑战——煤炭衍生能源的缺乏 对于目前以煤为主要燃料的长流程炼钢工艺路线，在煤炼焦过程中产生的大量焦炉煤气（COG）主要用作加热炉燃料，高炉产生的高炉煤气可以用于发电，通常每生产1吨生铁可产生约150-160Nm³的COG。不过，如果改用氢基直接还原铁/电弧炉工艺路线，由于缺乏包括COG在内的煤炭衍生能源，将需要向现场加热炉（包括下游加热炉和发电设施）投入额外的外部能源。用氢气取代煤炭作为还原剂，可以反映出二氧化碳减排的积极效果，不过，在没有煤衍生能源的情况下，有必要考虑钢厂下游工序和发电所需的额外外部能源投入。下游成型和轧制工序所需的无碳能源不仅是综合钢厂的问题，也会影响到短流程钢厂。 七、一般性问题 在北欧地区，以HYBRIT项目为代表的、氢基直接还原铁/电弧炉技术的开发正在顺利进行，大多数项目都在100万吨规模以上，因此，预计在未来可以很容易将相关技术实现商业化。不过，在亚洲和经合组织国家，钢铁生产大多采用长流程炼钢工艺路线，而且集中了全球大部分产能，不仅设施规模巨大，设施转型的难度相对复杂，而且可能会导致产量和工业竞争力下降。此外，需要确保大规模的商业氢气供应，必须通过经济和去碳化的途径提供制氢和电弧炉运行所需的能源。对于HYBRIT项目而言，如果使其取代长流程工艺路线进行炼钢，吨钢二氧化碳排放量将降至25kg的水平，与此同时，也涉及吨钢约3488kWh的电力消耗。 如果采用当前发电的二氧化碳排放系数0.5kg/kWh，则相当于1769kg/t粗钢的二氧化碳排放量（二氧化碳排放系数可能取决于发电来源和发电量的差异）。因此，如果未来不能保证电力的脱碳，与传统钢铁生产工艺相比，二氧化碳革命性减排的潜力就变得不确定了。由于氢能和电能的脱碳以及这种能源的工业规模供应不仅限于钢铁行业，还必须在其他方面同时做出努力，主要包括社会基础设施建设、相关产业之间的联动和政策制定 最后，可以推测在直接还原铁/电弧炉路线之外引入一条潜在的工艺路线的可能性。在最近的一项研究中，有学者提出了DRI-OSBF（开式渣浴炉）-转炉工艺路线。OSBF是一种类似于SAF（矿热炉）的熔炼炉，在这种熔炼炉中，可以在后续熔炼过程中使用额外的碳还原剂对未还原的矿石进行额外还原。因此，未还原的直接还原铁中的氧化铁可以进一步还原。不过，OSBF的利用通常仅限于小规模的有色金属生产，在大规模的黑色金属生产上还需进行大量验证。
