1 前言

一般来说，减少工业源头尤其是炼钢产生的CO2排放的必要性已得到广泛认可，但很少有人注意到，将铁矿石和煤/焦炭从资源地运往世界各地主要炼钢中心的运输过程中产生的额外CO2排放。

例如，加拿大开采的所有铁矿石中约有90%出口用于生产钢铁，如果这些矿石被运输到中国，生产成钢铁产品后，再出口到北美，那么运输过程中产生的CO2排放量实际上是生产过程中产生CO2排放量的两倍。

人们在替代碳作为主要还原剂方面进行了大量的研究和开发，尽管这种必要的努力需要数年才能取得成果，不仅需要对新的钢铁基础设施进行重大投资，还需要对氢气生产进行重大投资。此外，由于目前氢基炼铁的目标主要集中在直接还原技术上，这将限制可经济利用的铁资源的数量。

NSGI钢铁公司正在研究一种炼铁炉设计，该设计可用于减少运输部分并消除原材料选矿步骤，包括采用已知技术进行炼焦、造球和烧结，同时继续开发更长期的技术解决方案。

2 讨论

2.1 货运CO2排放

关于炼钢各个环节的CO2排放有大量的数据，但关于整体运输来源的CO2排放数据却少得多。表1显示了英国一项研究中典型的货运CO2排放量。

下面以加拿大的一种普通矿石为例对此观点进行说明。该矿石经由铁路运往圣劳伦斯，然后通过海运运往中国，最后作为成品运回北美西海岸，假设钢材装运基数为100万吨。货运途中包括一些任意距离，从矿山到港口的铁路距离为500km，海运航线为36000km，钢厂位于中国港口。

在这个例子中，从采矿到成品钢材的CO2总排放量不是通常所说的2.5t/t，而是6 t/t。显然，在人们必须不断努力减少钢铁生产对碳的需求的同时，也必须给予运输环节更大的重视。注意，本分析仅考虑铁矿石的运输，为了进行完整的分析，还应将煤和/或焦炭的运输包括在内。

NSGI钢铁公司正在研究于开发一种可扩展的炼铁炉，可以根据矿山或第一港口位置的需要而设定尺寸。显然，铁水来源离源头更近，炼钢就会随之而来。同样，地区就业的长期社会经济效益将为资源丰富的地区带来重大利益。

2.2 炼铁炉设计

NSGI钢铁公司认识到，钢铁生产的现代趋势已经集中于大型设施的发展，这些设施通常更靠近市场，而非资源，“规模经济”导致炼铁炉越来越大，当这些炼铁炉需要长时间和高成本的维修时，会产生巨大的资本成本和后勤问题，所以在设计炼铁炉时便采取了模块化方式。这样无论是连接到矿山还是位于港口，炼铁炉都可以随时调整大小以满足当地的需求。此外，该公司还决定采用自还原压铁块技术，从而避免造球和/或烧结步骤，减少高温硬化产生的CO2。利用自还原压块方法有效地将从装料到铁水浇铸的还原过程缩短至30min。

该公司还致力于非冶金焦炭工艺，在许多高炉项目和Tecnored开发中进行了大量工作，选择设计了一种新的炼铁炉，这种炼铁炉可以最大限度地发挥新旧炼铁炉的优势。

炼铁炉采用圆形截面，这样，耐火材料在高温下可以保持稳定，且炉壳设计在温度和压力条件下可保持其形状。该炼铁炉将连续铸造，因此不需要深炉膛。其典型横截面，如图1所示。

2.3 NSGI炉

炼铁炉容量可根据当地条件进行调整，在此阶段，设想铁产能为50万吨/年，并可利用多座炼铁炉增加产能。该炼铁炉被设计可接受多种燃料/还原剂选择，还原剂预期是固体碳，混合到自还原压块中。这种碳可以是煤、石油焦或生物质，也可以根据当地的供应情况进行组合。该公司的研究还处于对碳回收技术中回收的碳进行评估的早期阶段。燃料源也可以是类似的各种来源，亦可根据需要压制成块。该公司目前正在开发一种由天然气提供热能的炼铁炉方案，并预期对电加热热风进行评估。燃料的选择将根据当地条件而定。举例来说，魁北克的球团厂主要使用重油进行固结，通过协作开发，将取消重油而采用炼铁炉废气进行固结；同样，NSGI炉也可以使用与球团设施相同的原料以及在球团生产过程中产生的超细粉，最终使两个设施更清洁、更高效地运行。除了传统铁矿石和铁精矿之外，还可以评估任何具有经济竞争力的铁源，包括轧机氧化铁皮、矿山尾矿和湿法冶金过程中产生的含FeO的废料。

2.4 NSGI CO2

当使用碳作为能源和还原剂时，其产生的CO2与高炉的非常相似，但NSGI公司的研究已经消除了对原料固结处理的需要，从而减少了CO2和其他污染物的排放，此外也不需要冶金煤，并避免了炼焦过程中的污染排放。当使用生物质和/或回收炭时，归因于生物质的装入碳部分被视为是抵消。该公司还结合了一项创新的碳捕集技术，将CO2转化为碳，然后将其回收到压块原料中，这有可能使该工艺完全实现碳中和。

在制定整体经济发展的协同方法时，该公司认识到需要尽可能地与其他工业运营合作，例如，在水泥生产中使用炉渣副产品，将减少水泥厂的碳足迹，每使用1吨炉渣，就会减少1吨CO2排放。利用工艺废气作为其他工业过程的替代燃料，将进一步抵消CO2总排放量，因为它只能计算一次。随着再生炭的循环利用，碳捕集技术的进一步发展，不仅有可能使炼铁工艺脱碳，而且有可能实现负CO2净排放。

2.5 铁合金

由于这种炼铁炉可调整至小尺寸，在这一点上，该公司认为，对于某些产品来说，5-10 t/h的运行是比较经济的，目前的实验室测试已经证明了该炼铁炉可用于镍铁生产，该公司还在继续评估锰铁的应用，锰铁具有悠久的高炉生产历史。按照镍铁10t/h的产能计算，预计总投资约为5000万美元，更重要的是，CO2排放量大大低于印度尼西亚目前的最佳实践操作，据报告后者每吨镍铁的CO2排放量为35吨。

之所以如此高，部分原因是电弧炉运行所需的电力全部来自煤炭。采用NSGI法产生的CO2排放量如表3所示。若完全以生物质和炉渣为计，新增的CO2排放量实际上为零。如果再加上碳捕集，便可实现显著的净负碳足迹。

图2显示了目前全球镍铁生产商的“同类最佳”CO2排放量，不同生产商之间的显著差异在于距离资源的远近，韩国、日本和中国工厂的CO2总排放中包含了大量的运输因素。注意，排放量以吨镍为基准。

如表3所示，采用NSGI炉生产FeNi的碳排放与生产Fe的碳排放数据基本一致，考虑到每吨镍的CO2排放量，如果不考虑潜在碳排放额，在铁合金中含30%镍的情况下，其CO2排放量将为5.3t/t。

2.6 电池金属的回收利用

炼铁炉规模的进一步发展有望成为从废电池中回收Fe、Ni、Mn以及其他潜在重要元素的选择。目前，虽然电池回收已成为一项重要的事业，但大多数回收商只能在政府补贴下才能运营下去，因为几乎没有材料能得到有效回收。使用传统分离和粉碎方法可以轻易地分离出钢成分和“黑粉”。“黑粉”的成分随电池的性质而变化。碱性电池含有Mn和Zn，镍镉电池正如其名所示。

把“黑粉”与铁矿石混合，炼铁炉将根据电池类型生产出镍铁或锰铁，并将Zn和Cb分离到工艺废气中，在那里冷凝以做进一步净化并回收。

实验室试验已经证实了此法的有效性，接下来还将进行进一步的论证试验，以确定工艺的效率和经济性。

3 结语

1） NSGI钢铁公司开发了一种简单、经济高效的炼铁炉，可适于各种生产能力范围。2）该炉可利用多种原材料，包括其他工业过程中产生的废料。3） 取消了原料选矿步骤（包括对冶金焦炭的需求），加工过程中产生的CO2总排放量得以显著减少。4）应用于铁合金生产时，工艺过程中的CO2减排总量非常可观。5）经济地回收电池金属并将其循环利用于钢铁生产，是现有回收技术的重大改进。6）该公司需要继续评估减排炼钢CO2的所有方案，但同时也应认识到，一种解决方案不会适用于所有操作。