一般來(lái)說(shuō)，“生物質(zhì)”是指動(dòng)物、植物和微生物通過(guò)生長(zhǎng)和新陳代謝所產(chǎn)生的有機(jī)材料，工業(yè)應(yīng)用主要是指木本生物質(zhì)（硬木、軟木、木塊和鋸屑）、農(nóng)業(yè)殘桿以及一些植物和食物殘?jiān)?。原生物質(zhì)的化學(xué)成分，尤其是物理和機(jī)械性能雖然不足以使其在鋼鐵業(yè)得到高效使用，但它適用于熱處理過(guò)程的熱解行為，如碳化或烘焙，進(jìn)而通過(guò)碳化溫度來(lái)影響CO2的排放量。而家庭和工業(yè)部門產(chǎn)生的廢塑料除了作為含氫材料使用，具有環(huán)保效益之外，還起到有利于二次材料的回收并節(jié)約自然資源的作用。

目前，使用CCS（二氧化碳的捕集和封存）技術(shù)可從高爐爐頂煤氣或直接還原工藝中脫除CO2。使用可再生或含氫能源也可減少CO2的排放。德國(guó)和日本學(xué)者分別對(duì)后一種方案進(jìn)行試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)和廢塑料在較短時(shí)間內(nèi)可成功應(yīng)用于傳統(tǒng)高爐、煉焦和直接還原生產(chǎn)廠的裝備上，并且不須進(jìn)行大的改動(dòng)和投資。

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)高爐風(fēng)口噴吹生物質(zhì)、木炭和廢塑料，可代替煤粉等還原劑。它們以固結(jié)物的形式加入高爐達(dá)到雙重效果：第一，有利于穩(wěn)定CO2含量或減少CO2含量。第二，提高了含碳爐料在高爐爐身的還原能力，進(jìn)而降低高爐恒溫帶的溫度，可有效提高氣體利用率，降低還原介質(zhì)的消耗。

近幾年，通過(guò)改變FeO-Fe還原反應(yīng)平衡點(diǎn)的方法來(lái)降低高爐碳消耗成為研究熱點(diǎn)，而使用高反應(yīng)性焦炭和固結(jié)的自還原團(tuán)塊礦被看作是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的可行方案。其中，高反應(yīng)性焦炭是在煉焦混煤時(shí)添加生物質(zhì)、木炭或廢塑料，并且自還原團(tuán)塊礦也可以添加這些物質(zhì)。研究表明，在特定條件下使用高反應(yīng)性爐料時(shí)，可通過(guò)降低恒溫帶的溫度來(lái)降低碳消耗。

最近，國(guó)外學(xué)者對(duì)木炭在高爐風(fēng)口回旋區(qū)和爐身?xiàng)l件下的情況作了進(jìn)一步研究，他們采用各種分析儀器和中試設(shè)備進(jìn)行了試驗(yàn)，并用模型預(yù)測(cè)了高爐操作參數(shù)、節(jié)焦?jié)摿虲O2減排量。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，木炭經(jīng)過(guò)熱處理加工后具有不同的結(jié)構(gòu)和物性。隨著高爐噴吹量的增加，木炭的轉(zhuǎn)化率逐漸提高。由此來(lái)看，由于傳統(tǒng)高噴吹比導(dǎo)致的氧氣不足的問(wèn)題可以通過(guò)噴吹木炭增加氣孔內(nèi)的氧促使其進(jìn)一步氣化來(lái)解決。

德國(guó)和日本學(xué)者為在含碳球團(tuán)中有效使用廢塑料，研究了廢塑料的熱分解反應(yīng)及其與氧化鐵中其他混合物的反應(yīng)。通過(guò)已有的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含廢塑料的氧化鐵不僅可生產(chǎn)還原鐵，還能將當(dāng)?shù)氐墓腆w廢物轉(zhuǎn)換成其他有用的氣體。

此外，德國(guó)學(xué)者研究了來(lái)自德國(guó)廢塑料回收系統(tǒng)、汽車碎片殘?jiān)推渌酆象w等廢塑料的燃燒行為。日本學(xué)者研究了廢塑料顆粒的燃燒特性并做了高爐噴吹的模擬試驗(yàn)，在德國(guó)和日本的數(shù)座高爐上進(jìn)行了噴吹塑料的試驗(yàn)和試用，噴吹量達(dá)到了60千克～75千克/噸。同時(shí)，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)冶金研究所聯(lián)合巴西曼內(nèi)斯曼公司，在實(shí)驗(yàn)室和高爐上首次進(jìn)行了噴吹木炭和木炭與粉礦混合物的研究。目前，噴吹木炭粉技術(shù)已被應(yīng)用于巴西的微型高爐，在現(xiàn)代大型高爐上噴吹生物質(zhì)或木炭的技術(shù)也正在開(kāi)發(fā)過(guò)程中。

意大利：ENERGIRON技術(shù)可選擇性地有效脫除CO2

在基于高爐冶煉的聯(lián)合企業(yè)中，始終存在過(guò)剩的焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣和高爐爐頂煤氣，企業(yè)通常將這些煤氣用于電廠發(fā)電。目前，有些鋼鐵聯(lián)合企業(yè)使用這些現(xiàn)有的能源氣體用于生產(chǎn)直接還原鐵（DRI），將其作為金屬化爐料加入高爐，從而提高粗鋼產(chǎn)量，減少化石燃料單耗。采用傳統(tǒng)的高爐-轉(zhuǎn)爐流程，即使在優(yōu)化工藝流程的基礎(chǔ)上，噸鋼CO2排放量也有1.7噸～1.8噸。而用產(chǎn)自天然氣、焦?fàn)t煤氣和高爐爐頂煤氣的DRI作為金屬化爐料加入高爐或電爐，可顯著降低CO2排放量。

ENERGIRON技術(shù)（新一代直接還原技術(shù)）的特點(diǎn)是采用靈活和無(wú)重整過(guò)程（ZR）的工藝配置，能夠滿足當(dāng)下日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。這一工藝流程的廢氣和廢水排放量不僅低，而且易于控制。該技術(shù)與選擇性CO2脫除系統(tǒng)的結(jié)合，可使CO2排放水平顯著降低，而且通過(guò)捕獲CO2，也為工廠提供了一個(gè)額外的收入來(lái)源。

通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在用天然氣作還原劑的DR-EAF（直接還原爐-電爐）流程中，基于無(wú)重整過(guò)程的ENERGIRON工藝生產(chǎn)的高碳DRI，可全部作為電弧爐的原料進(jìn)行使用。因此，鋼鐵聯(lián)合企業(yè)DR-EAF流程使用ENERGIRONZR方案可使超過(guò)一半的CO2氣體被選擇性脫除，這是一個(gè)具有巨大潛力的處理CO2的可選方案，可大大減少溫室氣體的排放量。

綜上所述，ENERGIRONZR方案可以靈活使用不同來(lái)源的還原性氣體（天然氣、合成氣、焦?fàn)t煤氣），且無(wú)須改變其基本的工藝配置。顯然，就CO2排放而言，BF-BOF（高爐-轉(zhuǎn)爐）和DR-EAF流程之間的本質(zhì)區(qū)別在于使用了性質(zhì)不同的能源。即便都是直接還原工藝，不同的工藝之間也存在很大區(qū)別：一些直接還原工藝，煙氣未經(jīng)選擇性脫除CO2而直接排放，而應(yīng)用ENERGIRON工藝的直接還原生產(chǎn)廠可以選擇性脫除CO2。這些脫除的CO2可作商業(yè)用途或被隔離封存。據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于使用天然氣的ENERGIRON直接還原工廠，每噸DRI約有70千克碳（或250千克的CO2）被選擇性脫除。

國(guó)外學(xué)者認(rèn)為，不僅要比較BF-BOF和DR-EAF工藝流程的CO2排放量，而且要比較在市場(chǎng)上可行的其他直接還原方案。從球團(tuán)工序到鋼水產(chǎn)生，ENERGIRON工藝流程的CO2排放總量約為BF-BOF流程的60%，和其他可應(yīng)用的直接還原技術(shù)相比也低10%。同時(shí)，在非選擇性CO2排放方面，ENERGIRON工藝方案和BF-BOF流程相比，只有50%的CO2通過(guò)煙氣排放，并且排放量比其他直接還原技術(shù)低30%。由此可見(jiàn)，在配有ENERGIRON工藝的煉鋼流程中非選擇性的CO2排放量顯著減少。

在節(jié)能方面，這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)已成為市場(chǎng)上直接還原工藝中生產(chǎn)每噸DRI能耗最低的技術(shù)。通過(guò)整合操作壓力，不僅整個(gè)工藝的能源使用效率被優(yōu)化，降低了電耗，而且其高還原溫度（1050℃以上）還改善了還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件，避免了還原豎爐外部的能源消耗。

更重要的是，得益于ENERGIRON工藝的特點(diǎn)，生產(chǎn)高金屬化率、高碳含量的DRI產(chǎn)品（碳以碳化鐵形式），可為煉鋼過(guò)程節(jié)約更多的能源。金屬化率＞94%、典型碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的產(chǎn)品從直接還原生產(chǎn)廠通過(guò)氣動(dòng)熱裝系統(tǒng)輸送到EAF并加入其中。這將保留直接還原工藝（約600℃時(shí)）固有的能源，與加入冷DRI相比，每噸鋼可以降低電耗約130千瓦時(shí)，使EAF通電時(shí)間縮短20%。

對(duì)于意識(shí)到應(yīng)以減少CO2溫室氣體排放角度重新定義鋼鐵工藝的生產(chǎn)者而言，ENERGIRON技術(shù)能在生產(chǎn)DRI的同時(shí)獲得作為工藝過(guò)程副產(chǎn)品的純CO2。該技術(shù)不需要額外的熱能或電能，可以實(shí)現(xiàn)可選擇性排放CO2的“綠色”直接還原生產(chǎn)。

澳大利亞：應(yīng)用能量和排放模型評(píng)估CO2減排方案

目前，鋼鐵工業(yè)正朝著大幅降低能源消耗和減少CO2排放的方向努力。因此，了解不同操作方案對(duì)節(jié)能減排的影響十分重要。其中，綜合數(shù)學(xué)模型可以作為評(píng)估不同減排方案的有效工具。在很多工廠的發(fā)展規(guī)劃中，各種技術(shù)和方案評(píng)價(jià)是以集成化、跨部門的方法為基礎(chǔ)的，而并非局限于單元操作之內(nèi)。為此，開(kāi)發(fā)基于復(fù)雜流程圖的建模平臺(tái)和過(guò)程模擬，用于研究各種工藝方案對(duì)節(jié)能減排的綜合影響是十分必要的。

博思格鋼鐵公司在澳大利亞肯布拉港鋼廠（PKSW）采用了一種鋼鐵聯(lián)合企業(yè)能量和排放模型（ISEEM）。該模型以PKSW鋼廠的物料和能量平衡為基礎(chǔ)，評(píng)估范圍包括原料準(zhǔn)備、高爐、煉鋼、軋鋼及其公輔設(shè)施。ISEEM是以AspenCustomModeller（ACM）為平臺(tái)，使用一種目標(biāo)定位過(guò)程建模語(yǔ)言，能列出系列方程，描述各個(gè)單元操作。使用該建模環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)是：第一，可以獲取和利用最先進(jìn)的工藝技術(shù)；第二，允許客戶開(kāi)發(fā)自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模型。同時(shí)，該模型還可以模擬不同設(shè)備和操作條件下的各種方案，包括節(jié)能減排、技術(shù)評(píng)估、原料評(píng)價(jià)、工藝優(yōu)化和設(shè)計(jì)等。此外，該模型融合了主要冶金工藝的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程或PKSW廠的工藝流程單元，包括高爐、轉(zhuǎn)爐、燒結(jié)廠、蒸汽站和發(fā)電站等。對(duì)PKSW鋼廠其他工序，使用了較為簡(jiǎn)單的固定和可變關(guān)系，例如軋鋼廠、空分裝置和焦?fàn)t等。

通過(guò)該模型評(píng)估的CO2總排放量和實(shí)測(cè)值之間的吻合度較高。一旦CO2排放量基準(zhǔn)值確定，ISEEM即可用于方案評(píng)價(jià)。例如，研究降低板坯或熱軋卷產(chǎn)量對(duì)CO2總排量有多大影響。在應(yīng)用ISEEM評(píng)估各種方案之前，都需要通過(guò)模型驗(yàn)證，以確定適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)或基線。在這種情況下，相對(duì)于外部鋼廠的數(shù)據(jù)，應(yīng)首選內(nèi)部基準(zhǔn)。這主要是考慮到外部鋼廠的基準(zhǔn)可以用來(lái)協(xié)調(diào)因工廠邊界、生產(chǎn)路線（包括內(nèi)部循環(huán)）、電碳強(qiáng)度和產(chǎn)品種類、原燃料不同帶來(lái)的問(wèn)題。

該廠通過(guò)將ISEEM用于評(píng)估使用低品位礦石對(duì)CO2排放量的影響的生產(chǎn)實(shí)踐表明，加入15%的針鐵礦，將導(dǎo)致PKSW鋼廠燒結(jié)廠產(chǎn)量降低6%，焦粉消耗增加2%，同時(shí)CO2總排放量增加0.17%。

最初，該模型的研究工作旨在制定研發(fā)規(guī)劃和識(shí)別能應(yīng)用于當(dāng)前處理單元的節(jié)能減排技術(shù)。這就需要為研發(fā)工作建立目標(biāo)、采用一套標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)方針。為確保比較和分析的合理性，制定一套統(tǒng)一的方法十分重要。此外，在建立模型之前，還須很多準(zhǔn)備工作，包括確定每一個(gè)操作單元當(dāng)前溫室氣體排放和能源利用現(xiàn)狀，了解所使用數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。各單元當(dāng)前操作和最佳實(shí)踐或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之間的差距，可以通過(guò)細(xì)節(jié)對(duì)標(biāo)等手段確定。

目前，ISEEM已用于多種方案的評(píng)價(jià)，包括基準(zhǔn)方案、工廠新方案、最佳和近似最佳水平的參數(shù)方案。根據(jù)工廠數(shù)據(jù)，ISEEM中的固定變量需要不斷更新，其他參數(shù)值可用來(lái)驗(yàn)證模型。運(yùn)行實(shí)踐結(jié)果表明，ISEEM估算值和工廠數(shù)據(jù)較為吻合。

奧地利：一體化耐材方案有效促進(jìn)煉鋼過(guò)程節(jié)能減排

在目前歐洲能源價(jià)格上漲和CO2排放稅成本高企的大環(huán)境下，提高能源利用效率和降低CO2排放量顯得尤為重要。為此，奧地利奧鎂公司提供了一系列多樣化的解決方案，包括使用優(yōu)質(zhì)耐材內(nèi)襯、優(yōu)化內(nèi)襯維護(hù)以及改進(jìn)工藝等。其中，該公司用多個(gè)實(shí)例論證了在煉鋼過(guò)程中，智能耐材方案對(duì)于提高能源利用效率和減少CO2排放所起到的作用十分明顯。

該公司在電爐和轉(zhuǎn)爐爐底使用含底吹氣系統(tǒng)的一體化耐材產(chǎn)品，能加強(qiáng)熔池?cái)嚢韬图涌旆磻?yīng)速度，從而改善多項(xiàng)生產(chǎn)參數(shù)（包括電耗、處理周期、電弧穩(wěn)定性和加快脫碳反應(yīng)速率）。這對(duì)于能量和質(zhì)量轉(zhuǎn)換效率、成本和CO2排放等多方面都有著重要作用。經(jīng)過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)優(yōu)化的電爐和轉(zhuǎn)爐出鋼系統(tǒng)，是改善能源效率管理的另一個(gè)耐材解決方案實(shí)例。利用這些先進(jìn)的系統(tǒng)，不但縮短了出鋼時(shí)間，同時(shí)節(jié)約了能源損耗并擴(kuò)大了產(chǎn)能。此外，還有一種節(jié)約能源的有效方式是優(yōu)化鋼包襯和使用耐材內(nèi)襯包蓋。該方法可減少熱損失，降低轉(zhuǎn)爐或電爐的出鋼溫度，同時(shí)降低LF爐中能量輸入或化學(xué)反應(yīng)熱的需求。

從增強(qiáng)高爐(BF)、電弧爐(EAF)、堿性氧氣轉(zhuǎn)爐(BOF)、精煉爐(LF)以及煉鋼過(guò)程中運(yùn)輸和澆鑄用鋼包的實(shí)用性、延長(zhǎng)使用壽命的角度來(lái)說(shuō)，先進(jìn)的耐材技術(shù)發(fā)揮著重要作用，不僅可以通過(guò)加固內(nèi)襯以延長(zhǎng)停爐周期，而且還可以通過(guò)優(yōu)化停爐方案來(lái)提高產(chǎn)量，從而達(dá)到降低耐材單耗成本、拆爐和砌筑人工成本以及減少烘烤和預(yù)熱所需的能量的目的。因此，為了提高爐子利用率和降低噸鋼成本，要不斷發(fā)展耐材內(nèi)襯技術(shù)以適應(yīng)煉鋼新技術(shù)。由此可見(jiàn)，對(duì)于一座高產(chǎn)節(jié)能的爐子，具有與之相適應(yīng)的內(nèi)襯工作壽命是非常重要的。

噸鋼主要能耗是由高爐、轉(zhuǎn)爐和使用輔助燃?xì)鉄斓碾姞t中的冶金化學(xué)放熱反應(yīng)提供的。在電爐和精煉爐中，電能是輸入能量的主要來(lái)源。根據(jù)入爐原料情況和所應(yīng)用的氧槍技術(shù)不同，電爐電耗大概為300千瓦時(shí)～600千瓦時(shí)/噸，電極消耗為1千克～3千克/噸?，F(xiàn)代精煉爐噸鋼升溫電耗為0.35千瓦時(shí)～0.45千瓦時(shí)/開(kāi)爾文，意味著15千瓦時(shí)～50千瓦時(shí)的電耗對(duì)應(yīng)大約0.01千克/千瓦時(shí)的電極消耗。熔化升溫所需的電能取決于化學(xué)反應(yīng)釋放能，包括鋁、硅和碳的氧化等以及過(guò)程能源利用效率。

對(duì)于電爐短流程和高爐—轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程兩種煉鋼工藝路線來(lái)說(shuō)，噸鋼CO2排放主要取決于入爐原料。采用現(xiàn)代化的高爐技術(shù)，CO2的最低排放量接近1.518噸/噸鋼，在煉鋼精煉還原反應(yīng)中還有0.19噸～0.22噸/噸鋼的CO2排放量。對(duì)于電爐短流程來(lái)說(shuō)，直接CO2排放量從小于0.100噸/噸鋼(使用優(yōu)質(zhì)廢鋼)到0.36噸～0.42噸/噸鋼，甚至達(dá)0.44噸/噸鋼(使用直接還原鐵)。

因此，使用底吹系統(tǒng)是提高轉(zhuǎn)爐和電爐能量轉(zhuǎn)換效率的有效措施，采用先進(jìn)的出鋼技術(shù)可縮短出鋼時(shí)間并減少相應(yīng)的熱損失。同時(shí)，使用高效隔熱材料，減少鋼包周轉(zhuǎn)和處理過(guò)程中的能量損失，從而減少對(duì)精煉爐輸入能或化學(xué)反應(yīng)放熱的需求。此外，優(yōu)化耐材內(nèi)襯，比如使用自硬性中間包噴涂料，可在連鑄過(guò)程中進(jìn)一步節(jié)能減排。

對(duì)于煉鋼過(guò)程中提高質(zhì)量和能量轉(zhuǎn)換效率來(lái)說(shuō)，使用優(yōu)質(zhì)耐材產(chǎn)品可以降低侵蝕速率并延長(zhǎng)內(nèi)襯工作壽命，從而提高爐子的利用率和產(chǎn)量。同時(shí)，優(yōu)質(zhì)內(nèi)襯的有效隔熱可降低熱損并提高能源效率?？紤]到能源價(jià)格和單位CO2排放量，使用優(yōu)質(zhì)耐材產(chǎn)品不管是從經(jīng)濟(jì)效益還是CO2平衡角度來(lái)看，都有著非常積極的意義。這些耐材方案總體節(jié)能潛力為14千瓦時(shí)～26千瓦時(shí)/噸鋼，CO2減排潛力為2.2千克～8.7千克/噸鋼。

編后：

如今，大范圍的霧霾天氣給全國(guó)空氣質(zhì)量控制帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在治理大氣危機(jī)刻不容緩的情況下，積極踐行低碳環(huán)保成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，也是所有鋼鐵企業(yè)應(yīng)肩負(fù)的責(zé)任和使命。但在全行業(yè)虧損的大背景下，再次加大對(duì)環(huán)保工作的投入力度，對(duì)鋼鐵企業(yè)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一場(chǎng)陣痛。環(huán)保就一定只能付出高昂代價(jià)嗎？通過(guò)國(guó)外鋼鐵企業(yè)的研究發(fā)現(xiàn)，有的技術(shù)可在達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，為企業(yè)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。有的技術(shù)在實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)能源轉(zhuǎn)換和大宗廢棄物消納處理的功能，有效促進(jìn)了鋼鐵企業(yè)與社會(huì)的和諧發(fā)展。這些能夠?qū)崿F(xiàn)雙贏或共贏的技術(shù)，正是目前國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)應(yīng)該去積極探索和研究的。以發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)為契機(jī)，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，推動(dòng)全行業(yè)可持續(xù)發(fā)展已成為鋼鐵行業(yè)的必做課題和重要方向。