钢铁行业是世界第二大排放CO2的产业部门，其排放量相当于世界总排放量的7%-9%。这主要是从目前的炼铁设备高炉（BF）排出的。另一方面，钢铁材料兼备长寿命和可持续性，而且废钢还可以装入电弧炉（EAF）循环利用。EAF工艺的CO2排放量比高炉工艺低很多，主要是来自电网的排放量。但是，仅靠EAF来满足钢铁需求，废钢量（2050年的预测值是每年9亿吨）远远不够，因此铁矿石仍将长期是主要原料。为了将以铁矿石为中心生产的CO2排放量控制在中至低水平，有两种方法最有希望。一个是运用二氧化碳捕集与利用或封存（CCUS）设备的高炉法。另一个是直接还原法。在过渡期内，使用天然气作为还原剂，在扩大规模和确认可行性后使用低碳氢（见图1）。与目前主要的生产方法高炉法相比，氢基直接还原法可减少约90%的CO2排放量。但是，即使是氢基直接还原法，为了冶金目的也需要碳，这些碳源可以考虑使用生物炭等可再生资源。

从高炉法转变到直接还原法，需要对可利用的铁矿石进行详细评价。目前用于高炉操作的典型铁矿石会产生大量炉渣，因此不能完全适用于直接还原炉和其下游的EAF，所以需要采用电炼铁炉（Smelter）和BOF转炉相结合的新型“两步工艺”。

联合钢铁厂要实现净零碳排放转型，必须将快速见效的短期对策和实现净零碳排放的长期对策结合起来。

01

短期对策——优化工艺、增加废钢配比

钢铁厂需要巨额投资，其设备寿命超过50年。因此，现有钢铁厂的转型，比如从高炉法向直接还原法的转变，也必须符合这样的生命周期。如果采用需要扩大规模和引入实机之前经验证的新技术，转型需要更长的时间。但另一方面，如果向大气中持续排放CO2引起了气候变化，越晚采取对策，需要减少的CO2排放量就会越多。因此，不仅是新技术，对现有工艺路线的优化也值得投资。一些优化的路线将在未来数年甚至数十年继续使用。在现有工艺的优化方面，已有大量经过验证的解决方案，并且可以在短期内实施，因此可以提前实现减排CO2第一步。

扩大转炉中废钢的利用是用于减少CO2排放量的现有工艺优化的一个例子。

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在以高炉铁水为基础的炼钢工序，比以废钢为基础的工序排放的CO2要多得多（见图1）。对此，通过增加转炉中的废钢配比，减少铁水配比，现有的联合钢铁厂也可以减少CO2排放量。

为了增加废钢配比，开发了改善转炉能量平衡的工具（L2工艺模型和工艺优化、废钢预热喷枪、双流二次燃烧喷枪和复合喷吹转炉等）。通过组合这些工具，转炉废钢配比最大可以增加到30%。为了进一步提高废钢配比，在底吹气体的基础上，还开发了一种特别的转炉，具有高效利用转炉内工艺气体的喷枪，并在韩国浦项钢铁公司的浦项厂成功进行了试验，该工艺被称为Jet Process®。

02

长期对策——使用低品位铁矿石的“两步工艺”

优化现有生产路线是减排CO2的第一步。可减排量根据优化前的排放量而不同，但一般在20%-30%之间。这项减排是重要的第一步，但还不足以实现气候目标，因此需要替代现有高炉法的工艺。

与运用CCUS设备的高炉法一起，直接还原法的CO2排放量大幅减少，作为替代以高炉为中心的炼铁工艺的方法，目前是最有希望的。现在的直接还原炉使用的是竖炉，在竖炉内通过还原气体还原铁矿石球团。虽然现在使用天然气作为还原剂，但将来应该会采用低碳氢。在还原工序结束后，将直接还原铁（DRI）直接提供给EAF，或进行压块以使其能够运输，然后在运输目的地装入BF、BOF、EAF使用。

为了进行收益性高的EAF生产，最好使用脉石成分少的高品位DRI。因为能够抑制EAF中的炉渣产生量，并且能够削减电力消耗量、削减助熔剂和降低铁损，从而改善成品率。然而，作为高品位DRI原料的高品位铁矿石的数量有限。最近海上贸易的铁矿石大部分品位较低，这些都用于高炉生产。低品位铁矿石的脉石成分是高品位铁矿石的2倍以上。当脉石成分量多时，为了在EAF中提高炉渣碱度并进行适当的造渣，助熔剂消耗量会增加。这是使用低品位铁矿石进行EAF生产时炉渣产生量增加的原因，即EAF生产成本实际增加的原因。

对于用这种低品位铁矿石生产的DRI的处理，可以考虑使用“两步工艺”。第一步是在电炼铁炉，只进行熔化和最终还原，第二步是在（BOF）转炉，进行所有的冶炼工序和精炼。通过将工艺分为两部分，第一步在电炼铁炉可以有效地分离金属和炉渣，生成像高炉水淬渣那样适合水泥产业使用的炉渣。表1中示出了该“两步工艺”与仅使用EAF的“一步工艺”的详细比较。

“两步工艺”需要两种设备作业，因此会导致作业成本增加。与仅使用EAF的“一步工艺”相比，这种劣势需要通过低成本处理低品位铁矿石来弥补。假设两种不同品位的铁矿石，分别用“一步工艺”和“两步工艺”进行成本计算，计算结果如图2所示。主要是由废钢和DRI构成的原料成本，以及由电、助熔剂和煤气构成的转换成本。此计算以实际欧洲价格为准（高品位DRI 300欧元/吨，低品位DRI 247欧元/吨，电力80欧元/MWh，废钢330-354欧元/吨，石灰70欧元/吨，白云石75欧元/吨，煤70欧元/吨）。

从这一比较中可知，如果铁矿石品位提高，转换成本降低，这是因为电力消耗量和化学消耗量等减少。相反，如果铁矿石品位下降，DRI生产成本也会下降。EAF的生产容易受到炉渣产生量，也就是铁矿石品位的影响，这对转换成本也有很大影响。这一趋势在实际市场中得到了很好的反映，今天使用EAF的所有钢厂都依赖于高品位DRI，并接受这种装入材料的额外成本。因为电炼铁炉的作业不受炉渣产生量的影响，所以DRI生产成本占主导地位。因此，如果在电炼铁炉中使用由低品位铁矿石生产的DRI，对总成本将更有利。这些趋势表明，对于铁矿石的品位水平，存在最适合“两步工艺”处理的低品位区域和更适合用EAF处理的高品位区域。

“两步工艺”的废钢配比有限。这是因为电炼铁炉不能处理废钢，而且电炼铁炉的铁水碳含量低，在BOF中熔炼废钢的能量有限。而EAF在原料配比率方面更具灵活性，可以应对广泛的DRI装入率。对于两个不同的废钢价格，降低DRI配比，提高废钢配比时的计算结果见图2。

2.1 现有联合钢铁厂的转变——电炼铁炉的引进

对于现有联合钢铁厂来说，“两步工艺”是一个有前途的选择。第二步可以使用现有的BOF，而且在使用时只需进行轻微的改造。最重要的改造是BOF吹炼方案的修改。与高炉铁水相比，电炼铁炉的铁水含碳量和含硅量较少，所以需要缩短吹炼时间，并降低废钢配比。由于输送系统、循环时间、铸造序列、工艺认证和质量管理等其他重要项目不受影响，因此，“两步工艺”可容易在现有联合钢铁厂实施。

图3显示了由现有联合钢铁厂向绿色钢铁厂转变最具希望的两种方案，以及可能实现的CO2减排量。也有钢厂在继续生产目前使用的低品位铁矿石的同时，投资“两步工艺”。另一方面也有钢厂签订高品位铁矿石的长期供应合同，改为EAF生产的情况。

即使是“两步工艺”，为了提高废钢配比，也可以考虑追加设置EAF和感应炉等废钢熔化设备（见图3）。

2.2 电炼铁炉的设计

电炼铁炉采用模块式设计，具有灵活性，可满足广泛的装入原料。虽然首号机使用竖炉还原球团的可能性最大，但将来使用HYFOR （Hydrogen-based Fine Ore Reduction：氢基粉矿石还原）和Finored（直接还原工艺）等工艺处理的粉状DRI，以及在其他地方生产并压块化的低品位DRI的使用也备受期待。电炼铁炉具有还原性气氛和气密运转的特点，也适用于包括粉尘、氧化铁皮、炉渣等副产品在内的铁源的回收利用。在设计和试验阶段，考虑了可能装入的所有原料。概要见图4。

电炼铁炉的还原性氛围是通过调整铁水中所含碳量来适应下游的BOF作业。电炼铁炉所需碳的添加量取决于所装入DRI的碳含量和金属化率。如果装入碳含量非常少的氢基DRI，则需要添加更多的碳。在电炼铁炉中对炉渣进行碱度调整及其处理，以提高炉渣冷却处理时的玻璃化率，从而优化了在水泥工业中的应用。关于炉渣冷却处理，初期计划采用湿式系统（水淬处理），但将来有可能采用干渣粒化技术。

在电炼铁炉中通过有效的还原和长时间的处理，可以生成含铁量少的炉渣，因此在炉渣量非常多的情况下也可以得到高成品率。该炉渣的组成能够带来适当的电阻，因此仅通过电阻加热就可以进行电炼铁炉生产。为了提高生产率，促进装入原料的熔炼，也考虑使用短电弧，也就是所谓的刷弧（Brush arc）作业。每根电极的投入电量和每浴面积的投入电量比传统的EAF要少很多。采用矩形炉设计，内部尺寸最大为36m×14m，在同一直线上设置6根电极，电炼铁炉的产能为150万吨DRI/年。在增加整个工厂处理量的情况下，可以由多个电炼铁炉并行运转，例如将两座电炼铁炉和一座直接还原炉组合。

作为一个案例，在图5中示出了一座电炼铁炉和一座直接还原炉的组合。通过验证的热DRI输送系统连接两座设备。由于用鱼雷罐车出铁，因此可以使用炼铁厂现有的基础设施设备进行铁水运输和处理。

03

结 语

使用低碳氢的直接还原法被认为是比今天的高炉法能够大幅减少CO2排放量的有前途的替代方法。此外，也需要考虑原材料。特别是对铁矿石的研究尤其重要，但目前使用的铁矿石几乎都是低品位的，因此需要“两步工艺”。这是一种将熔炼、还原用电炼铁炉和精炼用BOF相结合的工艺，期待用于现有的联合钢铁厂。电炼铁炉不仅可以广泛应用球团、粉矿、压块化DRI等原料，也可以应用副产品。