脱碳之路 第七期：电熔炉低碳冶炼技术
2023/07/31
2023年3月23日，必和必拓与全球工程公司赫氏（Hatch）签署了一项协议，双方将联合设计一座电熔炉（Electric Smelting Furnace，该装置旨在展示一条能够使用必和必拓西澳铁矿（WAIO）进行钢铁生产并降低二氧化碳排放的技术路线，同时该中试装置对电熔炉炼铁工艺优化提升、减低风险提供大力支持，并为考虑采用电熔炉技术的客户提供有益借鉴及支持。在本期脱碳之路系列文章中，我们分析了电熔炉的运行原理及其在我们最新的钢铁脱碳框架中可以发挥的重要作用。
全球钢铁产业链体量巨大，每年生产将近20亿吨1的钢铁制品并广泛应用于建筑、汽车、大型家电、风力涡轮机以及其他许多相关的商品和基础设施领域中。如今，全球钢铁行业正在共同应对气候变化带来的挑战，但具体脱碳路径仍尚不明确。我们在本系列文章的第六期中曾讨论过，目前仍有多种待探索的路径及可采取的措施能够帮助钢铁行业最终进入绿色阶段，也就是在我们钢铁脱碳框架下提出的可以广泛实现的 "近零排放钢材 "2的阶段。在此背景下，我们必须全力维持供应链的韧性，以便在能源转型过程中始终满足全球的钢铁需求。
在向最终绿色阶段的转型过程中，占主导地位的供应链，不仅需要保持可靠性和灵活性，也要能以经济有效的方式实现温室气体的深度减排。
基于必和必拓在钢铁冶炼工艺方面的广泛研究和专业知识，我们从四条最有望实现绿色阶段的矿基钢铁工艺，确定了潜在的脱碳路径（注意：矿基钢铁冶炼是指从铁矿石中冶炼钢铁，其产生的温室气体较高；相反，采用废钢冶炼钢铁产生的排放较少，但受限于废钢的供应）。矿基钢铁冶炼的四条工艺路线包括：
• 配加碳捕集、利用与封存（CCUS）的革新高炉
• 直接还原铁与电熔炉
• 直接还原铁与电弧炉
• 电解电化学还原
任何一条上述的钢铁行业脱碳路线，都需要大量技术研发、操作运行能力和基础设施。同时，我们也需要认识到不是所有的发展都能奏效，对于能够奏效的部分，钢铁企业何时能采用、在何地采用、如何采用以及能在多大程度上采用这些技术也必须因地制宜。因此，最审慎的做法就是将上述四条工艺路线都考虑在内。
路线1：钢铁行业要想在本世纪30年代大幅降低矿基钢铁生产过程中的温室气体排放强度，减少高炉流程的碳排放是必不可少的一环。
目前，必和必拓已与领先钢铁企业开展技术合作，积极推动高炉减排技术的发展。这些技术包括炉顶煤气循环、碳捕集、利用与封存（CCUS）、富氢喷吹和利用生物碳替代化石碳等。虽然并非所有技术在所有地区都具备商业可行性，但我们相信会有越来越多的高效碳减排技术可用于钢铁行业。
同时，原燃料优化对这些技术的应用也有着重要的推动作用。为此，我们正针对低灰炼焦煤应用、强化块矿利用、西澳铁矿粉用于球团矿生产等领域进行研发与合作。
除此以外，必和必拓并未忽略尚处于早期发展阶段但减排潜力较大的技术。我们正在投资新兴电解炼钢技术的研发，一旦取得成功，将会开辟出一条全新的工艺路线（路线4：电解电化学还原），这其中包括波士顿金属熔融电解技术和Electra低温点解术。但一条全新的炼钢工艺要想得到广泛应用，需要面临在多个地点/地区具备实现商业可行性的挑战，在此基础上，这些技术还需要具有与高炉匹配的利用系数，并能与现有生产工艺相集成，才能推动这些技术的大规模应用。
在本期，我们将重点介绍两条可能的工艺路线：即直接还原铁（DRI）+电弧炉（EAF），以及直接还原铁（DRI）+电熔炉（ESF），这两条路线有望取代即将退役的高炉或行程新的矿基钢铁产能。
使用皮尔巴拉地区铁矿生产的海绵铁，典型的电弧炉和电熔炉冶炼周期。4、5、6
直接还原铁工艺路线能够促进炼钢行业的电气化发展。
直接还原铁（DRI）是指在低于铁矿石熔点的温度下，通过固态还原将铁矿石还原成金属铁的形态。采用直接还原铁（DRI）电炉工艺路线非常有益于大幅降低温室气体排放，与高炉不同，直接还原铁（DRI）的生产不需要使用含碳焦炭，而是利用含氢气体将铁矿石还原为金属铁，由此降低二氧化碳排放强度。目前，这些含氢气体主要来自化石燃料7，但未来其有可能采用100%氢气；此外，直接还原铁过程不发生熔化，而是在电炉过程采用电力进行，因而在经济可行的情况下，采用可再生电力电解生产的“绿氢”和进行电炉冶炼，可实现炼钢过程的近零排放，但我们须对此持谨慎态度。这是由于，我们还需要克服重大的技术障碍且钢作为一种铁碳合金，必须在特定环节加入碳。此外，这条路径需要巨大的可再生电力，我们在脱碳之路第二期文章中曾提到，一座年产量200万吨的直接还原铁（DRI）工厂需要相当于一座小型核电站当量的可再生能源供应，才能获得所需的氢气；再加上电炉冶炼所需的电力，那么一座直接还原铁 (DRI) 工厂所需的可再生电力总量接近一个常规中型核电站的发电量（1兆瓦），也就是说，要取代目前正在运行的所有高炉流程，将需要约1000个同等规模的发电厂。
目前，电弧炉是直接还原铁（DRI）的主要用途，但其的适用运行范围较窄；作为一种替代工艺，必和必拓正在研究电熔炉，其比电弧炉性能更优且原料灵活性更高8。必和必拓前期相关研究已证实电熔炉技术的可行性并建议客户进行认真考虑。目前，我们正在与赫氏联合设计一套电熔炉中试装置。
近期，欧洲塔塔钢铁公司、蒂森克虏伯公司、奥钢联公司、博思格公司和韩国浦项钢铁公司等企业也纷纷投入电熔炉的开发。
图1：在必和必拓钢铁脱碳框架下，四条矿基炼钢工艺的潜在绿色阶段发展技术路径。
使用皮尔巴拉地区铁矿石的潜在钢铁冶炼技术路径
1. 本文引述的“近零排放钢材”这一术语是由国际能源署定义，并在非营利组织ResponsibleSteel制定的“国际标准V2.0”（“近零”性能4级阈值）中予以采用。国际能源署（2022年），《七国集团成员国实现重工业净零排放》，国际能源署，巴黎，许可：CC BY 4.0。
2. 除上述工艺组合外，其他工艺组合有可能实现绿色阶段转型，包括直接还原铁工艺的化石碳捕集、利用与封存（CCUS）。
铁矿石主要由铁氧化物和其他杂质组成，要将铁矿石冶炼成钢铁，需经历如下步骤：
• 还原
• 熔化
• 精炼
在高炉流程中，还原和熔化过程均在高炉内完成，而精炼则是另外的转炉（BOF）中进行；在电熔炉和电弧炉流程中，直接还原过程只进行还原而不熔化，因而杂质仍保留在还原铁中，必须经过后续熔化和精炼，才能去除这些杂质。
目前主流的电弧炉设计以废钢为主要原料。
电弧炉针对以电弧作为热源快速熔化废钢而设计和优化，并对原料的质量要求较高。
电弧炉炼钢不适用于铁矿石还原，无法将铁矿石转换成铁，因而铁矿石在进入电弧炉之前，必须首先将其“还原”（或者说“金属化”）成金属形态；来自高炉的铁水和直接还原的海绵铁均属于金属形态，可作为重要原料送入电弧炉，以稀释废钢中难以脱除的残余杂质，如铜和锡。随着未来废钢供应量的增加，对能稀释废钢杂质的矿基金属化炉料的需求也将会增加。
电弧炉用直接还原铁（DRI）的铁矿石原料，其品位通常高于67%，脉石含量低于2.5%并含有少量的磷（其余主要是氧，即还原需要脱除的部分）。为了减少电弧炉中的铁损，要尽可能提高直接还原铁的金属化率，且一般要与至少50%的废钢一起冶炼。
据Wood Mackenzie估计，只有约3%的海运铁矿石符合上述高品铁矿石的要求。
而开发新的矿山，以满足钢铁行业绿色转型所需求的直接还原（DR）品位铁矿石（经过加工后的铁矿石），也不切合实际。
钢铁行业亟待开发出近零排放的技术路径，不仅必须适应不同品位的铁矿石，还需满足全球的钢铁产量需求。
必和必拓正在进行一项选矿技术研发以提高铁矿石品位和回收率，目前我们正评估在金布巴矿区建设一座选矿工厂的可行性，但对于金布巴矿区和绝大部分皮尔巴拉地区的矿山而言，在可预见的未来实现所有出产的铁矿石达到现有的直接还原等级并不现实。证实必和必拓铁矿石用于球团矿生产：在某些市场存在这样一种看法，认为皮尔巴拉矿区出产的铁矿石无法生产球团矿。然而，通过与拥有球团厂的中国客户合作研发，我们已经证明，必和必拓的西澳铁矿石能够与多种类型的矿石进行混合生产球团（铁矿石使用及钢厂的常规操作），其质量与其他商业海运球团相当。在中试规模，我们还使用 西澳铁矿成功生产了能满足高炉和直接还原铁冶炼要求的球团。通过向客户分享这一工艺，我们不仅为使用必和必拓铁矿石的高炉冶炼开辟了碳减排路径，也为基于球团矿的竖炉直接还原海绵铁技术提供了新的选择，其亦是目前主流的海海绵铁生产技术。
图2：皮尔巴拉矿区选矿和现存生产直接还原用铁矿矿区的回收率示意曲线（矿床平均值的示意图），箭头表示开采出来的铁矿石在选矿过程中沿曲线变化的方向。
电熔炉：解锁直接还原用铁矿石品位灵活性的关键？
与电弧炉不同，电熔炉设计专门冶炼直接还原铁，并可使用不同品位和形状的直接还原铁（例如球团矿、粉矿、块矿或团矿），其大幅扩大了铁矿石原料的适用范围，包括必和必拓西澳铁矿的中等品铁矿石，包含块矿和粉矿等天然形状和球团矿、压块等。更重要的是，电熔炉工艺还可以生产高炉流程所有的高质量产品。过去，由于主流的高炉流程强大的竞争力，导致电熔炉技术不太具备商业化的条件，但如今，由于可利用电熔炉生产近零排放的矿基钢铁，彻底改变了这项技术的市场前景。
那么，电熔炉究竟有什么特别之处，让它看起来如此“神通广大”？与电弧炉一样，电熔炉的工作原理也是通过电极通电而加热含铁炉料，但其内部过程与电弧炉完全不同。电熔炉是连续运行，通过在炉内添加少量碳10来形成维持还原气氛，并密封炉顶以避免空气进入，同时通过对电极的不同操作来改变电极周围的电弧、功率和相关的冶金过程。直接还原铁不断被送入熔炉，在电极周围保持一层逐渐还原和熔化的固态原料，并漂浮在熔融金属和熔渣上。电熔炉炉膛的工作环境、熔渣化学反应的控制方式与高炉类似，明显不同于电弧炉，在确保炉膛正常运行的情况下，通过出料孔定期排出铁水和熔渣。
这些差异可能听起来非常微妙，但却有望开辟出一条不仅灵活而且能低成本降低温室气体排放的全新钢铁冶炼工艺路线。
图3：高炉和直接还原铁工艺路线的典型工作范围
上下游协同合作
如果成功规模化应用，那么直接还原铁+电熔炉（即DRI-ESF）的工艺路线可逐步取代钢铁厂内温室气体排放密集的前端生产设施，包括高炉、烧结厂和炼焦炉等，而不会影响下游的精炼和加工工艺以及相关的基础设施，这些都是制造并向最终用户交付大量成品钢铁产品的必备条件。
或者在不放弃下游基础设施优势的前提下，也可以选择在更具经济效益的位置（例如绿氢更便宜的区域）建造独立的直接还原铁工厂或者直接还原铁+电熔炉的综合性工厂，直接还原铁和由电熔炉产生的铁水浇筑成生铁均可再运输到现有的钢铁厂（请注意，这些原料被送到钢铁厂后需要重新熔化，这就需要额外消耗能源，而如果选择将综合性工厂建在钢厂附近，就可以避免这种额外消耗)。
电熔炉产生的铁水和熔渣与高炉类似，所以通过放宽之前适用于电弧炉的直接还原铁质量要求，有助于在上游形成协同效应，不仅能降低熔渣铁损，还能在下游精炼过程脱除磷。生产直接还原铁面临的最大技术障碍之一使其物性（特别是粘结）改变，因其需要达到90%以上的金属化率，但如果直接还原铁与电熔炉的工艺组合（而不是直接还原铁+电弧炉的工艺组合），其金属化率可能只需达到80%-85%，从而可以完全避免这些问题。
电熔炉产生的熔渣与高炉熔渣相似，因此可以作为水泥的替代品，不仅不需要进行处理，而且水泥生产本身就属于温室气体排放密集型产业，所以如果将电熔炉产生的炉渣作为水泥的替代品，那么每生产一吨铁水，可额外减少150-200千克二氧化碳排放。11
加快推进中试示范项目
电熔炉的相关技术在其它冶金领域（例如铁合金、钛和镍生产）已属于成熟技术，但如何利用电熔炉技术降低必和必拓皮尔巴拉矿区铁矿石炼钢过程中温室气体排放，如何定义冶金、工程和操作要求，目前尚未得到充分论证。为了在降低矿基钢铁冶炼的温室气体排放强度方面充分发挥电熔炉的作用，我们必须向业内人士展示这项技术的巨大潜力，推动其在业内的广泛应用。凭借必和必拓在钢铁行业的悠久历史，以及在矿基钢铁冶炼领域的深厚积累，我们有独特优势助力推动这些目标的实现。
必和必拓与赫氏联合设计的电熔炉中试装置提供一个良好的试验平台，开展系统性研究，降低风险及优化皮尔巴拉矿区铁矿石处理工艺。同时，该项目也是从实验室测试到未来实现商业规模应用的一个关键里程碑。
脚注
1. 2022年全球粗钢总产量为18.9亿吨（来自世界钢铁协会数据）。
2. 本文引述的“近零排放钢材”这一术语由国际能源署定义，并在非营利组织ResponsibleSteel制定的“国际标准V2.0”（“近零”性能4级阈值）中予以采用。国际能源署（2022年），《七国集团成员国实现重工业净零排放》，国际能源署，巴黎，许可：CC BY 4.0。
3. worldsteel.org/steel-topics/statistics/world-steel-in-figures-2023, 国际钢铁协会
4.文中所陈述的直接还原铁、废料、助熔剂和碳电荷率等指标仅用于说明之目的，被认为是利用高效炉将皮尔巴拉矿区铁矿石冶炼成直接还原铁的典型数据。电弧炉在废钢利用率方面灵活度最高，本文其他部分也讨论了一些关键的性能利弊。
5. 来自电弧炉的钢水可直接进行铸造。来自电熔炉的铁水跟高炉的铁水类似，在铸造前需要精炼成钢水。这个步骤通常是在碱性氧气转炉（BOF）中完成，但也可在电弧炉中完成。
6. 电弧炉熔渣中的铁损大部分是还原后被二次氧化的铁，另一部分较小的损失是悬浮在熔渣中的金属液滴。
7. 转化天然气或气化煤，这种气体混合物的主要成分是氢气和一氧化碳，还有少量的二氧化碳、甲烷和水蒸气。氢含量一般为55%左右。
8. 两种最主要的电熔炉是埋弧炉（SAF）和开式渣浴炉（OSBF），后者更适合炼钢。电熔炉有时也被称为还原电炉（虽然从技术上说，它是一个熔炉，但它既能还原，又能进行熔化）。
9. 即使铁矿石已完全采用氢基还原，但因为铁产量有所损失，整个价值链的碳排放有所放大。这是由于熔剂煅烧产生的排放增加，上游的范围3排放（采矿和物流）增加，而且当电炉的电力来源不是100%可再生的情况下，范围2的排放也会增加。
10. 据估计，每生产一吨粗钢，约产生0.05-0.08吨碳，相当于排放0.18-0.29吨二氧化碳。
11. 我们假设每生产一吨硅酸盐水泥即会排放0.6吨二氧化碳，而电熔炉每生产一吨铁水会产生250-330公斤熔渣，所以水泥与熔渣的替代比约为1:1。
