陈林权、叶锐
摘要：文章通过各种先进的电炉和炉后钢包加废钢的全氧燃烧预热装置的能耗和 CO2 排放量的计算，论述 了采用全氧燃烧预热废钢装置的优点。并详细介绍了各种工艺的冶炼能耗和 CO2 排放量对比，得出：炉后 加入废钢，采用全氧燃烧烘烤技术，能耗低、CO2 排放量低，而且废钢的收得率高，经济效益和社会效益显著，应该积极推广。并且比较“全氧+煤气”和“全氧+煤气+喷吹碳粉”两种工艺的优缺点。
关键词：废钢；钢包；全氧燃烧；烘烤；能耗；碳排放
1 概述
我国提出的“CO2 排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和”的目标，正在深刻地影响经济大势和钢铁产业走向，改变着人们的生活。2021 年 3 月 15 日，习近平总书记指出：“实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局。”
废钢是一种可以替代铁矿石的炼钢原料，也是一种再生资源。在高炉-转炉长流程钢铁
冶炼过程中，铁前工序（含炼铁）几乎占据整个冶炼能耗的 100%以上（因为转炉炼钢是负能耗）。故提高转炉冶炼的废钢比，减少铁水比，对节能降耗、减碳排放具有明显优势；也符合我国可持续发展战略；对建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。
为了节能降耗、减碳排放，各大钢厂加大了废钢的用量。统计 2010~2025 年国内转炉
废钢单耗变化情况见表 1、图 1。2020 年，国内先进企业，转炉的废钢比已经达到 25%以上。
2 能耗计算
2.1 UHP 电炉能耗计算（带余热回收，不带废钢连续预热）
2.2 UHP 电炉能耗计算（带废钢连续预热）
2.3 UHP 量子电炉能耗计算
2.4 炉后采用“全氧+转炉煤气”烘烤废钢能耗计算
2.5 炉后采用“全氧+转炉煤气+喷吹煤粉”烘烤废钢能耗计算
3 二氧化碳排放量计算
3.1 采用“全氧+转炉煤气”烘烤废钢
3.1.1 原始条件计算
120 t 转炉 2 座
转炉平均出钢量 110~120 t
钢包加废钢 8~10 t/包
钢包最大加废钢 12 t/包4
烘烤时间 8~12 min
氧气消耗 25 Nm3 /t
转炉煤气消耗 110 Nm3 /t
转炉煤气热值 4600 kJ/Nm3
煤气压力 10~15 kPa
烘烤温度 1000~1100 ℃
3.1.2 碳排放计算·
3.2 炉后采用“全氧+转炉煤气+喷吹煤粉”烘烤废钢
3.2.1 原始条件计算
120 t 转炉 2 座
转炉平均出钢量 110~120 t
钢包加废钢 8~10 t/包
钢包最大加废钢 12 t/包
烘烤时间 8~12 min
氧气消耗 25 Nm3 /t
转炉煤气消耗 70 Nm3 /t
转炉煤气热值 4600 kJ/Nm3
煤气压力 10~15 kPa
喷吹煤粉 11 kg/t
煤粉固定碳含量 80 %
煤粉热值 20915 kJ/Nm3
烘烤温度 1000~1100 ℃
3.2.2 碳排放计算
4 废钢烘烤与转炉、电炉生产能耗及碳排放量比较
由上表 8 可以看出
（1）高炉-转炉长流程生产吨钢碳排放为~2.2t/t，电弧炉生产吨钢碳排放量为~0.5t/t，电 炉短流程排放的碳约为长流程的 1/4；而钢包废钢烘烤增加的产量的吨钢碳排放量是216~263kg/t，因此钢包加废钢，采用“全氧+转炉煤气燃烧”烘烤废钢或“全氧+转炉煤气+喷 吹煤粉”燃烧烘烤废钢增加产量的碳排放量是最低的，应大力推广使用。
（2）高炉-转炉长流程生产吨钢消耗标煤 550~600kgce/t，电弧炉生产吨钢消耗标煤为48.7~56kgce/t，吨钢消耗标煤约为长流程的 1/12~1/10。而钢包废钢全氧烘烤增加的产量的吨钢能耗是 35.5~37.1kgce/t，因此钢包加废钢，采用“全氧+转炉煤气燃烧”烘烤废钢或“全氧+转炉煤气+喷吹煤粉”燃烧烘烤废钢增加产量的能耗是最低的，应大力推广使用。
作为能源消耗高密集型行业，钢铁行业是制造业 31 个门类中碳排放量最大的，占全国碳排放总量 15%左右。有专家介绍，近年来，尽管钢铁行业在节能减排上付出很大努力，碳排放强度逐年下降，但由于体量大和工艺流程的特殊性，碳排放总量控制压力仍十分巨大。电炉炼钢碳排放明显低于转炉炼钢碳排放量，而炉后采用全氧燃烧烘烤废钢进行冶炼，其碳排放量明显低于电炉，值得推广。
5 两种全氧燃烧烘烤废钢装置的比较
5.1 两种全氧燃烧烘烤废钢装置的优缺点
喷吹煤粉不仅可以降低煤气的消耗，而且可以降低废钢的氧化率。现场实测数据见表10：
5.2 分析和讨论
经分析，两种烘烤装置收得率不同的主要原因是（1）废钢含有铁锈；（2）废钢在烘烤时元素的氧化。
5.2.1 采用全氧+煤气烘烤废钢
生锈的废钢含有不少结晶水，其主要成分为 Fe2O3·2H2O、FeO，在冶炼中由于受热分解，将产生下列氧化反应：
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）
以上反应的发生，会造成废钢氧化的增加，降低废钢的收得率。
铁锈多不仅会导致钢液中的含氢量增加，直接影响钢的质量，而且会增加钢水氧化性。
5.2.2 采用全氧+煤气+喷吹煤粉烘烤废钢
采用喷吹煤粉烘烤废钢时，如上（2）~（9）的反应受到限制，并发生如下还原反应：
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，采用全氧喷吹煤粉烘烤废钢，不仅可以提高废钢的收得率，而且可以减少钢水中的含氢量，提高钢水的质量，而且降低钢水氧化性。
5.3 实际应用
到目前为止，该种“全氧燃烧烘烤废钢的设备”已先后用于（1）永锋 120t 钢包（转炉煤气）；（2）闽源 120t 钢包（转炉煤气）；3）甘肃兰鑫 100t 铁包高炉煤气）；（4）成实 80t钢包（天然气）；（5）都钢 70t 钢包（天然气）；（6）贵阳钢铁 60t（天然气）；（7）福建福华钢铁 100t（天然气）；（8）永洋 120t 钢包（转炉煤气）；（9）包钢集团钢管公司 120t 钢包、包钢集团薄板厂 210t 铁包、炼钢厂 100t 铁包，150t（转炉煤气）；（10）华菱涟钢集团 210t铁包（转炉煤气）等企业。这些企业均取得了良好的经济效益和社会效益。
6 经济效益
6.1 前提条件
计算的前提条件见表 11。
6.2 经济效益
某 120t 转炉炼钢厂采用了“全氧+转炉煤气+喷吹煤粉”烘烤废钢装置，使用后经 3 个月，每天多消化废钢 230t/d，每炉增加钢水量 8~10t/炉，预计每年为该企业消化废钢 8 万 t/a，创造经济效益约 5000 万元/a。
6.3 社会效益
以废钢为主要原料炼钢可节约矿产资源、能源、减少碳、氮氧化物排放，具有显著的环保效益和生态效益。
图 2 是天钢联合转炉炼钢 2017 年各月 NOX和 SO2 的排放情况。
NOX排放量随着废钢比的增加明显减少，由年初的 0.82kg/t 减少到年底的 0.36kg/t，下降了 0.46kg/t，平均降低 56.1%；每提高 1%废钢比，每吨钢降低 NOX排放 0.0199kg/t。
SO2 排放量随着废钢比的增加略有降低，由年初的 0.402kg/t 减少到年底的 0.302kg/t，下降了 0.1kg/t，平均降低 24.8%；每提高 1%废钢比，每吨钢降低 SO2 排放 0.0043kg/t。
图 3 是天钢联合转炉炼钢 2017 年各月吨钢 CO2的排放情况。CO2 排放量随着废钢比的增加明显减少，由年初的 1803kg/t 减少到年底的 1287kg/t，下降了 516kg/t，每吨钢降低 CO228.6%；每提高 1%废钢比，每吨钢降低 CO2 22.357kg。
