陳林權、葉銳
摘要：文章通過各種先進的電爐和爐后鋼包加廢鋼的全氧燃燒預熱裝置的能耗和 CO2 排放量的計算，論述 了采用全氧燃燒預熱廢鋼裝置的優點。并詳細介紹了各種工藝的冶煉能耗和 CO2 排放量對比，得出：爐后 加入廢鋼，采用全氧燃燒烘烤技術，能耗低、CO2 排放量低，而且廢鋼的收得率高，經濟效益和社會效益顯著，應該積極推廣。并且比較“全氧+煤氣”和“全氧+煤氣+噴吹碳粉”兩種工藝的優缺點。
關鍵詞：廢鋼；鋼包；全氧燃燒；烘烤；能耗；碳排放
1 概述
我國提出的“CO2 排放力爭于 2030 年前達到峰值，努力爭取 2060 年前實現碳中和”的目標，正在深刻地影響經濟大勢和鋼鐵產業走向，改變著人們的生活。2021 年 3 月 15 日，習近平總書記指出：“實現碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，要把碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局。”
廢鋼是一種可以替代鐵礦石的煉鋼原料，也是一種再生資源。在高爐-轉爐長流程鋼鐵
冶煉過程中，鐵前工序（含煉鐵）幾乎占據整個冶煉能耗的 100%以上（因為轉爐煉鋼是負能耗）。故提高轉爐冶煉的廢鋼比，減少鐵水比，對節能降耗、減碳排放具有明顯優勢；也符合我國可持續發展戰略；對建設資源節約型、環境友好型社會具有重要意義。
為了節能降耗、減碳排放，各大鋼廠加大了廢鋼的用量。統計 2010~2025 年國內轉爐
廢鋼單耗變化情況見表 1、圖 1。2020 年，國內先進企業，轉爐的廢鋼比已經達到 25%以上。
2 能耗計算
2.1 UHP 電爐能耗計算（帶余熱回收，不帶廢鋼連續預熱）
2.2 UHP 電爐能耗計算（帶廢鋼連續預熱）
2.3 UHP 量子電爐能耗計算
2.4 爐后采用“全氧+轉爐煤氣”烘烤廢鋼能耗計算
2.5 爐后采用“全氧+轉爐煤氣+噴吹煤粉”烘烤廢鋼能耗計算
3 二氧化碳排放量計算
3.1 采用“全氧+轉爐煤氣”烘烤廢鋼
3.1.1 原始條件計算
120 t 轉爐 2 座
轉爐平均出鋼量 110~120 t
鋼包加廢鋼 8~10 t/包
鋼包最大加廢鋼 12 t/包4
烘烤時間 8~12 min
氧氣消耗 25 Nm3 /t
轉爐煤氣消耗 110 Nm3 /t
轉爐煤氣熱值 4600 kJ/Nm3
煤氣壓力 10~15 kPa
烘烤溫度 1000~1100 ℃
3.1.2 碳排放計算·
3.2 爐后采用“全氧+轉爐煤氣+噴吹煤粉”烘烤廢鋼
3.2.1 原始條件計算
120 t 轉爐 2 座
轉爐平均出鋼量 110~120 t
鋼包加廢鋼 8~10 t/包
鋼包最大加廢鋼 12 t/包
烘烤時間 8~12 min
氧氣消耗 25 Nm3 /t
轉爐煤氣消耗 70 Nm3 /t
轉爐煤氣熱值 4600 kJ/Nm3
煤氣壓力 10~15 kPa
噴吹煤粉 11 kg/t
煤粉固定碳含量 80 %
煤粉熱值 20915 kJ/Nm3
烘烤溫度 1000~1100 ℃
3.2.2 碳排放計算
4 廢鋼烘烤與轉爐、電爐生產能耗及碳排放量比較
由上表 8 可以看出
（1）高爐-轉爐長流程生產噸鋼碳排放為~2.2t/t，電弧爐生產噸鋼碳排放量為~0.5t/t，電 爐短流程排放的碳約為長流程的 1/4；而鋼包廢鋼烘烤增加的產量的噸鋼碳排放量是216~263kg/t，因此鋼包加廢鋼，采用“全氧+轉爐煤氣燃燒”烘烤廢鋼或“全氧+轉爐煤氣+噴 吹煤粉”燃燒烘烤廢鋼增加產量的碳排放量是最低的，應大力推廣使用。
（2）高爐-轉爐長流程生產噸鋼消耗標煤 550~600kgce/t，電弧爐生產噸鋼消耗標煤為48.7~56kgce/t，噸鋼消耗標煤約為長流程的 1/12~1/10。而鋼包廢鋼全氧烘烤增加的產量的噸鋼能耗是 35.5~37.1kgce/t，因此鋼包加廢鋼，采用“全氧+轉爐煤氣燃燒”烘烤廢鋼或“全氧+轉爐煤氣+噴吹煤粉”燃燒烘烤廢鋼增加產量的能耗是最低的，應大力推廣使用。
作為能源消耗高密集型行業，鋼鐵行業是制造業 31 個門類中碳排放量最大的，占全國碳排放總量 15%左右。有專家介紹，近年來，盡管鋼鐵行業在節能減排上付出很大努力，碳排放強度逐年下降，但由于體量大和工藝流程的特殊性，碳排放總量控制壓力仍十分巨大。電爐煉鋼碳排放明顯低于轉爐煉鋼碳排放量，而爐后采用全氧燃燒烘烤廢鋼進行冶煉，其碳排放量明顯低于電爐，值得推廣。
5 兩種全氧燃燒烘烤廢鋼裝置的比較
5.1 兩種全氧燃燒烘烤廢鋼裝置的優缺點
噴吹煤粉不僅可以降低煤氣的消耗，而且可以降低廢鋼的氧化率。現場實測數據見表10：
5.2 分析和討論
經分析，兩種烘烤裝置收得率不同的主要原因是（1）廢鋼含有鐵銹；（2）廢鋼在烘烤時元素的氧化。
5.2.1 采用全氧+煤氣烘烤廢鋼
生銹的廢鋼含有不少結晶水，其主要成分為 Fe2O3·2H2O、FeO，在冶煉中由于受熱分解，將產生下列氧化反應：
Fe2O3·2H2O→Fe2O3+2H2O （1）
H2O+Fe→FeO+H2 （2）
2FeO+H2O→Fe2O3+H2 （3）
3Fe2O3+2H2O→2Fe3O4+2H2 （4）
2Fe+3H2O→Fe2O3(s)+3H2 （5）
3Fe+4H2O→Fe3O4(s)+4H2 （6）
2Fe+O2→FeO （7）
Si+O2→SiO2 （8）
2Mn+O2→2MnO（9）
以上反應的發生，會造成廢鋼氧化的增加，降低廢鋼的收得率。
鐵銹多不僅會導致鋼液中的含氫量增加，直接影響鋼的質量，而且會增加鋼水氧化性。
5.2.2 采用全氧+煤氣+噴吹煤粉烘烤廢鋼
采用噴吹煤粉烘烤廢鋼時，如上（2）~（9）的反應受到限制，并發生如下還原反應：
H2O+C→CO+H2 （10）
Fe2O3+C→2FeO+CO（11）
FeO + C → Fe + CO（12）
Fe2O3+3C→2Fe+3CO（13）
3Fe2O3 +H2→2Fe3O4+H2O（14）
Fe3O4+ H2→3FeO+H2O （15）
FeO +H2→Fe+H2O（16）
3Fe2O3+CO→2Fe3O4+CO2 （17）
Fe3O4+CO→3FeO+CO2 （18）
FeO+CO→Fe+CO2 （19）
因此，采用全氧噴吹煤粉烘烤廢鋼，不僅可以提高廢鋼的收得率，而且可以減少鋼水中的含氫量，提高鋼水的質量，而且降低鋼水氧化性。
5.3 實際應用
到目前為止，該種“全氧燃燒烘烤廢鋼的設備”已先后用于（1）永鋒 120t 鋼包（轉爐煤氣）；（2）閩源 120t 鋼包（轉爐煤氣）；3）甘肅蘭鑫 100t 鐵包高爐煤氣）；（4）成實 80t鋼包（天然氣）；（5）都鋼 70t 鋼包（天然氣）；（6）貴陽鋼鐵 60t（天然氣）；（7）福建福華鋼鐵 100t（天然氣）；（8）永洋 120t 鋼包（轉爐煤氣）；（9）包鋼集團鋼管公司 120t 鋼包、包鋼集團薄板廠 210t 鐵包、煉鋼廠 100t 鐵包，150t（轉爐煤氣）；（10）華菱漣鋼集團 210t鐵包（轉爐煤氣）等企業。這些企業均取得了良好的經濟效益和社會效益。
6 經濟效益
6.1 前提條件
計算的前提條件見表 11。
6.2 經濟效益
某 120t 轉爐煉鋼廠采用了“全氧+轉爐煤氣+噴吹煤粉”烘烤廢鋼裝置，使用后經 3 個月，每天多消化廢鋼 230t/d，每爐增加鋼水量 8~10t/爐，預計每年為該企業消化廢鋼 8 萬 t/a，創造經濟效益約 5000 萬元/a。
6.3 社會效益
以廢鋼為主要原料煉鋼可節約礦產資源、能源、減少碳、氮氧化物排放，具有顯著的環保效益和生態效益。
圖 2 是天鋼聯合轉爐煉鋼 2017 年各月 NOX和 SO2 的排放情況。
NOX排放量隨著廢鋼比的增加明顯減少，由年初的 0.82kg/t 減少到年底的 0.36kg/t，下降了 0.46kg/t，平均降低 56.1%；每提高 1%廢鋼比，每噸鋼降低 NOX排放 0.0199kg/t。
SO2 排放量隨著廢鋼比的增加略有降低，由年初的 0.402kg/t 減少到年底的 0.302kg/t，下降了 0.1kg/t，平均降低 24.8%；每提高 1%廢鋼比，每噸鋼降低 SO2 排放 0.0043kg/t。
圖 3 是天鋼聯合轉爐煉鋼 2017 年各月噸鋼 CO2的排放情況。CO2 排放量隨著廢鋼比的增加明顯減少，由年初的 1803kg/t 減少到年底的 1287kg/t，下降了 516kg/t，每噸鋼降低 CO228.6%；每提高 1%廢鋼比，每噸鋼降低 CO2 22.357kg。
