高爐和轉爐長流程工藝由於嚴重依賴碳作為鐵礦石還原和熱能的來源,排放了大量二氧化碳,因此使用氫作為還原劑有望從根本上解決鋼鐵生產中的碳排放問題。在氫利用技術中,相對成熟的技術就是利用氫氣生產直接還原鐵並在電弧爐中煉鋼。氫基直接還原鐵生產設施的商業運營經驗,氫還原中試規模測試,以及在世界各地大規模實施的電弧爐項目,為該領域的發展提供了潛在的可持續性。隨著制氫和電弧爐開始利用綠色能源,無疑將有助於更大程度的碳減排。
為了讓氫基直接還原鐵/電弧爐(使用零碳電力)工藝逐步取代傳統的碳密集型長流程煉鋼工藝,迫切需要採用脫碳技術,儘管這類可持續煉鋼技術的前景廣闊,但也需要應對一系列的挑戰
球團礦供應面臨的挑戰為原料質量。在直接還原鐵生產中,豎爐的還原是通過固體和氣體之間的逆反應進行的,而堆放在豎爐內的鐵礦石向下移動,還原氣體向上運動。由於鐵礦石的透氣性和流動性很重要,故而主要使用球團礦原料。不同於普通高爐球團,直接還原球團生產所用的原料對鐵品位要求較高(66%或更),而對脈石含量要求較低。而對於高爐球團用原料,鐵品位為65%或更低。另外,當鐵品位降低,脈石增加時候可能會造成電弧爐的運行問題,這些問題包括因爐渣量增加造成更大的電耗和耐材損耗,以及因爐渣中形成FeO而導致鐵損增加。此外,在電弧爐煉鋼中,由於雜質元素的精煉能力較差,與長流程煉鋼相比,原料中的P和S含量受到嚴格限制。
為了擴大應用氫基直接還原鐵/電弧爐技術,確保獲得大量的直接還原球團是必要的,但礦業公司有限的產量可能會導致原料供應困難。相關數據顯示,儘管直接還原鐵產能不斷擴大,但2019年僅有少數礦業公司生產出總計1.28億噸高品質直接還原球團。因此,預計2050年將出現嚴重的直接還原球團供應短缺問題,屆時直接還原球團的潛在需求將達到2.9億噸,高爐球團的潛在需求將為3.05億噸。通過提升採礦作業的浮選能力可以改善球團原料質量,增加直接還原球團的供應,但可能會增加成本。隨著直接還原球團的需求增加,這也引發了對原料價格上漲的擔憂。為了使目前原料的使用多元化,業內正在開發一系列技術,其技術要點是,流化床還原法生產氫基直接還原鐵,這種方法直接利用鐵粉礦而不需要球團礦生產,同時使用較低品位的鐵礦石作為生產直接還原鐵的原料。因此,氫基直接還原鐵/電弧爐技術在替代現有工藝進行推廣的過程中,確保原料多元化的技術還有待突破。
氫還原面臨的挑戰為金屬化程度。除上述原料質量問題引起的直接還原鐵金屬化程度降低以外,氫還原的固有反應特性也可能使直接還原鐵的金屬化程度受到限制。韓國學者觀察了在特定溫度範圍內還原產生的鐵的形態特徵。在氫還原的最後階段,擴散阻力顯著降低了還原速率,阻止了完全金屬化。這一現象降低了氫還原的最終金屬化程度,還增加了電弧爐的電耗。值得一提的是,對於無碳電弧爐操作,很難進一步還原剩餘的鐵氧化物,導致鐵分以FeO的形式殘留在爐渣中。最後,直接還原鐵金屬化程度很可能成為限制技術競爭力的關鍵因素,因為它增大了電弧爐的能耗,從而降低生產率。因此,為了成功應用氫基直接還原鐵/電弧爐(零碳電力)工藝路線,需要開發一種全新技術,以消除那些阻礙鐵礦完全還原的不利因素。
電弧爐煉鋼面臨的挑戰為熔煉和能耗。對於氫還原工藝,無碳化提高了電弧爐熔煉溫度,由於其脈石含量高於廢鋼,這種原料並不利於電弧爐熔煉。此外,如果大量的直接還原鐵被投入電弧爐,很可能會形成未熔化的固體團簇,即所謂的「鐵堆」,從而延遲熔化,有可能因延長運行時間而降低生產率。因此,為了讓氫基直接還原鐵/電弧爐技術取代傳統長流程工藝,關鍵是開發一種大批量直接還原鐵的快速熔煉技術,同時開發一種增大熔體攪拌和最大限度地提高電力能效的技術。
電弧爐煉鋼面臨的挑戰為精煉能力和產品牌號。大多數高端產品,包括汽車外板和無取向電工鋼,都是通過長流程煉鋼工藝生產的。通過電弧爐路線生產的產品通常僅限於低牌號產品,主要原因是從廢鋼帶入的雜質元素會限制精煉能力,而且與轉爐相比,電弧爐中的流體流動也受到限制。在使用直接還原鐵而不是廢鋼的電弧爐中,可以通過減少雜質元素來生產高端產品。例如,在生產部分高品質汽車用鋼牌號時,美國紐柯公司等電弧爐鋼鐵製造商用直接還原鐵替代部分廢鋼作為鐵源,從而稀釋由廢鋼帶入的雜質元素。
在煉鋼和精煉過程中,在鋼包冶金爐(LMF)中的後續處理可以通過渣處理和真空脫氣來去除一些主要的雜質元素,但為了生產上述高端產品,需要嚴格控制從原料引入的雜質水平。另外,高端產品的生產也需要控制氮含量,由於氫基直接還原鐵不含碳,氮的溶解度可能會增加。因此,為了解決由低質量原料引入P和S,在電弧爐轉爐煉鋼中,有必要提高雜質元素的精煉能力。如果不能克服這一點,新工藝在高端產品生產能力方面可能會受到一定限制。
下游面臨的能源挑戰為煤炭衍生能源的缺乏。對於目前以煤為主要燃料的長流程煉鋼工藝路線,在煤煉焦過程中產生的大量焦爐煤氣(COG)主要用作加熱爐燃料,高爐產生的高爐煤氣可以用於發電,通常每生產1噸生鐵可產生約150-160Nm³的COG。不過,如果改用氫基直接還原鐵/電弧爐工藝路線,由於缺乏包括COG在內的煤炭衍生能源,將需要向現場加熱爐(包括下游加熱爐和發電設施)投入額外的外部能源。用氫氣取代煤炭作為還原劑,可以反映出二氧化碳減排的積極效果,不過,在沒有煤衍生能源的情況下,有必要考慮鋼廠下游工序和發電所需的額外外部能源投入。下游成型和軋製工序所需的無碳能源不僅是綜合鋼廠的問題,也會影響到短流程鋼廠。
在北歐地區,以HYBRIT項目為代表的、氫基直接還原鐵/電弧爐技術的開發正在順利進行,大多數項目都在100萬噸規模以上,因此,預計在未來可以很容易將相關技術實現商業化。不過,在亞洲和經合組織國家,鋼鐵生產大多采用長流程煉鋼工藝路線,而且集中了全球大部分產能,不僅設施規模巨大,設施轉型的難度相對複雜,而且可能會導致產量和工業競爭力下降。此外,需要確保大規模的商業氫氣供應,必須通過經濟和去碳化的途徑提供製氫和電弧爐運行所需的能源。對於HYBRIT項目而言,如果使其取代長流程工藝路線進行煉鋼,噸鋼二氧化碳排放量將降至25kg的水平,與此同時,也涉及噸鋼約3488千瓦時的電力消耗。
如果採用當前發電的二氧化碳排放係數0.5斤/千瓦時,則相當於1769斤/噸粗鋼的二氧化碳排放量(二氧化碳排放係數可能取決於發電來源和發電量的差異)。因此,如果未來不能保證電力的脫碳,與傳統鋼鐵生產工藝相比,二氧化碳革命性減排的潛力就變得不確定了。由於氫能和電能的脫碳以及這種能源的工業規模供應不僅限於鋼鐵行業,還必須在其他方面同時做出努力,主要包括社會基礎設施建設、相關產業之間的聯動和政策制定
最後,可以推測在直接還原鐵/電弧爐路線之外引入一條潛在的工藝路線的可能性。在最近的一項研究中,有學者提出了DRI-OSBF(開式渣浴爐)-轉爐工藝路線。 OSBF是一種類似於SAF(礦熱爐)的熔煉爐,在這種熔煉爐中,可以在後續熔煉過程中使用額外的碳還原劑對未還原的礦石進行額外還原。因此,未還原的直接還原鐵中的氧化鐵可以進一步還原。不過,OSBF的利用通常僅限於小規模的有色金屬生產,在大規模的黑色金屬生產上還需進行大量驗證。