超低碳煉鐵技術路徑分析

朱慶山

（中國科學院過程工程研究所，多相復雜系統(tǒng)國家重點實驗室，北京100190）

2020年我國生產(chǎn)粗鋼10.65億噸，鋼鐵工業(yè)排放CO約17.5 億噸。鋼鐵工業(yè)低碳化及超低碳化（這里的碳指CO，下同）對我國2060 年碳中和總體目標的實現(xiàn)至關重要。我國鋼鐵工業(yè)減碳的途徑主要有三種。一是鋼鐵需求下降的自然減碳，據(jù)估計到2060 年我國鋼鐵的產(chǎn)量將從當前的超10 億噸降至6 億噸左右，產(chǎn)量大降必然使鋼鐵工業(yè)CO排放顯著下降。二是廢鋼用量增加減碳，當前我國鋼鐵的蓄積量約為100 億噸，廢鋼產(chǎn)生量約2 億噸，到2030年我國鋼鐵蓄積量將達約132億噸，廢鋼年產(chǎn)出量將達到3.2 億～3.5 億噸，預計到2060 年我國鋼鐵蓄積量將可超300億噸，年產(chǎn)大量廢鋼將可有效支撐全廢鋼電爐短流程煉鋼的大規(guī)模應用。由于存在較大的不確定性，文獻預測的2060 年我國電爐短流程鋼鐵比例在25%～70%。三是通過應用超低碳煉鐵技術減碳，主要包括兩個方面，①高爐-轉爐流程輔以CO捕集、利用及封存（CCUS）；②基于綠電的煉鐵技術，國內(nèi)對“氫冶金”路線（綠電電解水制氫-氫氣直接還原-電爐冶煉）討論較多，國外的規(guī)劃還包括電冶金技術。

2060年我國實現(xiàn)碳中和時鋼鐵工業(yè)CO的排放量主要由國家層面統(tǒng)籌分配，鋼鐵工業(yè)難以自行確定。一旦國家給鋼鐵工業(yè)確定了碳排放配額，鋼鐵行業(yè)就只能在該排放約束下，采用最佳的技術組合生產(chǎn)經(jīng)濟社會發(fā)展所需的鋼鐵。由于2060 年我國鋼鐵需求、廢鋼產(chǎn)生量、各種超低碳煉鐵技術發(fā)展均存在不確定性，當前只能基于假設來分析未來的情形。假設2060 年我國鋼鐵需求為6 億噸，其中50%由全廢鋼電爐綠電生產(chǎn)，假設1 噸鋼排放CO為0.2 噸，則生產(chǎn)這部分鋼鐵排放CO約0.6 億噸；若其余3億噸鋼全由高爐-轉爐流程生產(chǎn)，且高爐-轉爐流程優(yōu)化后的碳排放為1.5tCO/t 鋼，則生產(chǎn)3 億噸鋼排放CO4.5 億噸。這種情景下，2060 年我國鋼鐵工業(yè)碳排放將達到5.1 億噸，占屆時我國碳匯的約1/3，我國鋼鐵工業(yè)大概率不會獲得這么大的碳排放配額。由此可見，必須應用超低碳煉鐵技術，未來我國鋼鐵工業(yè)才能滿足國家碳中和的要求。由于高爐-轉爐-CCUS 路線主要依賴CCUS 減碳，其技術核心與煉鐵關系不大，本文將不討論該技術路線，而主要分析基于綠電的超低碳煉鐵技術路徑。通過比較不同技術路徑的電耗、技術可行性、技術難度等方面，預測各技術路徑的發(fā)展前景，為我國鋼鐵工業(yè)超低碳技術路線選擇提供參考。

1 氫氣還原煉鐵分析

氫氣直接還原煉鐵，即通常所說的氫冶金，是公認可實現(xiàn)超低碳煉鐵的路徑之一。根據(jù)反應器及操作狀態(tài)的不同，氫冶金也有幾種不同的技術路徑，下面將對各種技術路徑的原理、技術現(xiàn)狀、理論及實際電耗等進行分析。

1.1 氫氣直接還原煉鐵

氫氣直接還原煉鐵，是指采用氫氣還原固相鐵礦石（赤鐵礦、磁鐵礦等）生產(chǎn)直接還原鐵（direct reduced iron，DRI）的過程。這種條件下得到的直接還原鐵含有很多微孔，與海綿類似，也常稱為“海綿鐵”。海綿鐵活性很高，在空氣中很容易氧化/燃燒，為降低海綿鐵的氧化，通常將海綿鐵壓成塊狀產(chǎn)品，以降低其比表面積和反應活性。壓塊通常在650℃以上進行，也稱為熱壓塊（hot briquetted iron，HBI）。氫氣直接還原煉鐵反應過程可用式(1)和式(2)表示。

式(1)、式(2)所示的反應原理并不復雜，其熱力學及動力學規(guī)律也比較清楚。從工程應用角度分析，該反應有兩個顯著的特點，一是反應受化學平衡限制較大，圖1顯示溫度對式(1)H平衡轉化率的影響，600℃時H的平衡轉化率僅約53%，實際過程H需要循環(huán)利用，導致反應器中氣量的增加，往往需要加壓以降低反應器直徑；二是反應為吸熱過程，圖2 為反應熱隨溫度的變化，600℃時反應吸熱約639kJ/t Fe（35.8kJ/mol Fe），反應過程需大量供熱。從提高H平衡轉化率的角度，希望該反應在盡可能高的溫度下進行，但該反應的吸熱特性又會限制反應溫度的提高，因為實際過程往往只能通過鐵礦粉和H預熱來為反應供熱，而鐵礦粉和H的預熱溫度一般難超1000℃。

圖1 溫度對H2還原Fe2O3過程平衡轉化率的影響

圖2 溫度對H2還原Fe2O3過程反應熱的影響

盡管近些年“氫冶金”成為國內(nèi)外研發(fā)及討論的熱點，但實際上氫氣還原鐵研發(fā)歷史悠久，一點也不新。Web of Science 上可查到1935年H還原赤鐵礦的文章，過去幾十年H還原鐵礦石的文章及專利也非常多。除了實驗室研究外，也有中試及產(chǎn)業(yè)化研發(fā)。20 世紀70 年代，中國科學院化工冶金研究所（現(xiàn)中國科學院過程工程研究所）在郭慕孫院士的帶領下，對H還原赤鐵礦、釩鈦磁鐵礦進行了系統(tǒng)的實驗室及中試研究，于1971 年在河北滄州化肥廠進行100kg/d 及噸級氫氣還原鐵礦的中試試驗，發(fā)現(xiàn)加壓條件下產(chǎn)物的金屬化率（金屬鐵含量除以全鐵含量）是實驗室常壓數(shù)據(jù)的約2倍。在此基礎上，開展了攀西釩鈦磁鐵礦流態(tài)化氫氣直接還原研究，1973 年10 月在四川攀枝花召開的“釩鈦磁鐵礦選冶新流程科學規(guī)劃會議”上該方向被選定為非高爐煉鐵主要技術路線之一。在系統(tǒng)實驗室研究基礎上，與山東棗莊化學冶金研究所合作，在1978 年12 月至1979 年5 月間完成了噸級中試，采用≤20 目（≤200 目占46.9%）的釩鈦鐵精礦粉，以化肥廠銅洗氫氮混合氣（體積分數(shù)：H70%～80%，N20%～30%，CH0.4%）為還原氣，在600～750℃、2.5～4atm（1atm=101325Pa）下，對太和及紅格釩鈦磁鐵精礦進行了直接還原噸級中試研究。結果表明，添加2%～6%的MgO 可很好地防止還原過程出現(xiàn)失流，還原5～8h 后DRI 金屬化率可達85.3%～94.6%。

國外Outokumpu下屬的魯奇冶金公司從1993年開始研發(fā)名為Circored的氫氣直接還原技術，于1996年簽訂了在特利尼達（Trinidad）建立50萬噸/年直接還原鐵生產(chǎn)線合同，于1996 年9 月開工建設，1999 年3 月完成建設，1999 年5 月開始試生產(chǎn)HBI，其后對整個系統(tǒng)進行了優(yōu)化升級改造，從2001年3月開始進入正式生產(chǎn)階段。該系統(tǒng)使用天然氣重整制得的氫氣為還原介質，以0.1～2.0mm的Cacajas 鐵礦為原料，還原采用二級流化床。一級為循環(huán)流化床，反應溫度850～900℃，反應時間15～20min；二級為帶豎直擋板的鼓泡流化床，溫度630～650℃，反應時間30～40min。生產(chǎn)的HBI不含碳且金屬化率約93%，系統(tǒng)生產(chǎn)能力達到63.6t HBI/h，能耗約為11.5GJ/t HBI。該系統(tǒng)在生產(chǎn)了約13萬噸HBI后，于2001年11月因經(jīng)濟原因停產(chǎn)。Circored是已知唯一的采用“純”H規(guī)?；a(chǎn)直接還原鐵的系統(tǒng)。

雖然當前沒有采用“純”氫生產(chǎn)直接還原鐵的系統(tǒng)在運行，但采用CO+H混合氣體（其中H質量分數(shù)55%～80%）生產(chǎn)直接還原鐵的技術卻非常成熟，包括以豎爐為還原反應器的Midrex 技術和HYL技術、流化床為還原反應器的FIOR技術和FINMET技術，這些技術發(fā)源于有廉價天然氣的南美地區(qū)，有幾十年穩(wěn)定生產(chǎn)的實踐?；谪Q爐的Midrex和HYL技術，單套系統(tǒng)產(chǎn)能達250萬噸DRI/年，每年生產(chǎn)DRI 超過1 億噸，還原過程能耗在9.6～10.5GJ/t DRI，加上球團的造球和焙燒能耗，總體在10.5～11.5GJ/t?；诹骰驳腇IOR （fine iron ore reduction）技術從20世紀60年代開始開發(fā)，于1976年在委內(nèi)瑞拉建成了40萬噸/年的工業(yè)生產(chǎn)裝置，穩(wěn)定運行了幾十年，后與奧鋼聯(lián)合作，聯(lián)合開發(fā)了100萬噸DRI/年的FINMET系統(tǒng)，于2001年投入運行。另外，F(xiàn)INEX 熔融還原技術也以CO+H混合氣為還原劑，采用多級流化床還原鐵礦粉，產(chǎn)能達到200 萬噸/年，與Midrex 技術和HYL 技術的最大250 萬噸/年產(chǎn)能接近?？梢?，氣基鐵礦直接還原技術較為成熟，將CO+H混合氣體還原改成為純H還原并沒有特別大的障礙，兩者最主要的差別在于供熱需求的不同，因為CO 還原鐵為放熱反應，所以混合氣體還原時的供熱需求會低于純H還原，只需要對反應系統(tǒng)的熱量供給進行重新配置即可，這無論從原理還是工程實踐都沒有不可克服的障礙。

由此可見，氫冶金在技術上沒有大的問題，當前氫冶金未獲應用主要因為經(jīng)濟而非技術原因。綜合Midrex和HYL技術CO+H混合氣體還原生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及Circored純H還原能耗，可大致估算出氫冶金路線的H消耗約1150m/t鋼（標準條件下），進一步可估算出在H價格0.7CNY/m（標準條件下）時，氫氣直接還原-電爐流程的噸鋼成本與高爐-轉爐流程相當；而在電價0.6CNY/kWh 及電解水制氫電耗5.0kWh/mH（標準條件下）場景下，采用電解水得到的綠氫直接還原-電爐流程，噸鋼生產(chǎn)成本比高爐-轉爐流程高約一倍。

成本高是氫冶金應用面臨的主要障礙，降低成本也自然應成為未來氫冶金研發(fā)的主攻方向。未來氫冶金成本降低主要依賴三方面。一是光伏/風電價格降低，假設當前綠電上網(wǎng)電價為0.4CNY/kWh，若每年上網(wǎng)電價降低5%，40年后上網(wǎng)電價可降低至0.05CNY/kWh。假設屆時的過網(wǎng)費為0.2CNY/kWh，則到2060 年綠電用戶端價格達到0.25CNY/kWh 應可預期。二是電解水制氫效率的提升。25℃下水分解為氫氣和氧氣的理論電耗約2.93kWh/mH（標準條件下），電解水制氫實際效率受操作電流密度影響很大，當前堿性溶液電解水制氫電耗在5.0～5.5kWh/m（標準條件下）。除了堿性溶液電解水技術外，國內(nèi)外還在研發(fā)通過質子交換膜電解池（PEMEC）和固體氧化物電解池（SOEC）電解水/水蒸氣制氫技術，這些技術再經(jīng)過40 年左右的研發(fā)，未來電解水制氫電耗降低至4.0～4.5kWh/m（標準條件下）應該也可預期。三是提高H還原的效率，主要包括進一步提高還原反應效率和提升系統(tǒng)能量利用效率兩方面。提高反應效率最有效的辦法是使用細顆粒鐵礦粉，但現(xiàn)有的豎爐及流化床直接還原技術都無法直接使用0.1mm及以下的細鐵礦粉（豎爐還原技術主要使用經(jīng)磨礦-造粒-燒結后得到的8～16mm球團礦，而Circored、FINMET等流化床技術一般使用0.1～8mm 的鐵礦粉）。從原理上看，移動床操作的豎爐因壓降和氣體均布問題從原理上就無法直接使用細鐵礦粉，而流化床具有使用細鐵礦粉的潛力，但需要解決細鐵礦粉直接還原過程的失流難題。從這個角度分析，流化床似乎是進一步提高氫氣直接還原效率的希望所在。

為了便于橫向比較不同技術路徑的能耗，進一步估算了氫冶金路徑的理論電耗。假設未來氫還原的H消耗降低10%，則1噸鋼消耗H可降至約1035m（標準條件下），再假設電解水制氫電耗降至4.5kWh/m（標準條件下）、直接還原工段的電耗為120kWh/t鋼，廢鋼電爐煉鋼電耗約為400kWh/t鋼，與廢鋼相比，DRI 中含有大量脈石、金屬鐵含量低，造渣所需熱量會大于廢鋼電爐煉鋼，因此電耗會高于純廢鋼煉鋼，假設其為500kWh/t 鋼，則氫氣直接還原-電爐流程電耗約為5278kWh/t 鋼；若氫還原的H消耗能降低20%，則電耗可降低到約4760kWh/t鋼?？梢?，提高氫還原的H利用率對降低成本的影響巨大。

1.2 氫氣熔融還原

氫氣還原鐵礦石除了可以通過氣-固相反應實現(xiàn)外，還可通過氣-液相（熔融的氧化鐵）反應實現(xiàn)，即氫氣熔融還原煉鐵。氫氣熔融還原的優(yōu)勢在于：①由于反應溫度高，H的平衡轉化率可顯著提高，1600℃時H的平衡轉化率約85%（見圖1），可大幅提高還原過程的熱力學效率；②反應動力學大大加快，H還原熔融氧化鐵可在秒級完成，大幅提高單位體積反應器的生產(chǎn)能力；③可解決氣-固還原時細鐵礦粉黏結影響裝置順行的難題。氫氣熔融還原過程可用式(3)表示，為了后續(xù)估算電耗，在式中加入了作為造渣劑的CaO。

為了估算該過程的理論電耗，假設熔融過程的造渣劑為CaO（其他氧化物組合也可估算），質量分數(shù)為Fe(l)的10%。根據(jù)物質的焓變，很容易計算25℃的FeO(s)、H(g)和CaO(s)轉變?yōu)?600℃的Fe(l)、CaO(l)和HO(g)的焓變，約為4332MJ/t Fe。該過程所需的熱量可通過兩種途徑提供：①在熔池中燃燒H，按H的低熱值約10800kJ/m（標準條件下）計算，需燃H401m（標準條件下），再加上還原1t Fe所需的600mH（標準條件下），總計消耗氫氣1001m（標準條件下），按4.5kWh/mH估算（標準條件下），該過程共需綠電4504.5kWh/t Fe；②由綠電提供熱量，按3.6MJ/kWh 計算，加熱電耗為1203.3kWh，再加上電解水生產(chǎn)600m（標準條件下）還原H的電耗2700kWh，總計電耗約3903kWh/t Fe?？梢姡镁G電直接供熱電耗低于氫氣燃燒供熱，這是因為電解水制氫效率不到70%，而電直接加熱的效率高達90%。需要說明的是，上述估算中未考慮1600℃HO(g)熱量回收，假設將HO(g)的溫度從1600℃降至400℃，可回收熱量約1400MJ/t Fe，超過上述總熱的30%，所以在回收HO(g)顯熱后，實際過程電耗應該會遠低于上述數(shù)值。

文獻調研未發(fā)現(xiàn)有H熔融還原的中試或產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的報道，與此過程有些接近的是Hismelt熔融還原過程，可用于分析其技術可行性，該過程將粉狀鐵礦和煤用N載帶噴入熔池煉鐵，該技術原由力拓集團在澳大利亞開發(fā)，產(chǎn)能達到80萬噸/年，后轉讓給山東墨龍集團，墨龍集團成功實現(xiàn)60 萬噸級系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化運行。近期內(nèi)蒙古塞思普科技有限公司（建龍重工控股子公司）也建成并成功運行類似的30 萬噸級系統(tǒng)，將該過程的N噴吹改為H噴吹，似也沒有不可逾越的障礙。由此可見，H熔融還原煉鐵在技術應該具有實現(xiàn)的可能。

氫氣熔融還原的研究較少，只有奧地利、澳大利亞等國家的幾個團隊開展了H等離子體熔融還原FeO的實驗室研究，結果顯示：①采用H等離子體還原鐵礦煉鐵具有可行性，實驗室獲得了熔融還原鐵；②對熔融FeO的還原，H的還原速率比CO和固體碳還原高近2個數(shù)量級，比Fe-C熔體還原高約1個數(shù)量級，顯示出H熔融還原極高的還原效率。

上述分析表明，用電供熱的熔融H還原能效更高，但電加熱可能不容易實現(xiàn)。常規(guī)的電加熱一般采用石墨電極，但石墨電極在H熔融上很難適用，因1600℃左右的HO(g)會與石墨電極快速反應生成CO和H，如果采用石墨電極，熔池中H還原反應生成的HO(g)在熔池上部與石墨電極反應又會變回H，實際上變成了碳還原而非氫還原。如果能承受1600℃高溫的非碳惰性電極開發(fā)成功，則可解決上述電供熱問題。另外可采用等離子體、微波、感應等方式加熱，但這些方式加熱在規(guī)模上能否與煉鐵規(guī)模匹配尚待考察，按上述估算，煉1t鐵就需供熱1200kWh，對于一個百萬噸的煉鐵廠，鐵產(chǎn)量約125t/h，則需要約150MW 的等離子體、微波、感應加熱裝備。

2 電化學還原煉鐵分析

當有充足廉價的綠電時，還可通過電化學還原直接制鐵，其化學本質是鐵離子在電極上得到電子被還原為金屬鐵。根據(jù)電化學反應溫度、還原鐵的形態(tài)等因素，可將電化學制鐵分為熔融電化學電解和溶液電化學沉積兩類，其中溶液電沉積又可分為酸性溶液沉積和堿性溶液沉積，分別論述如下。

2.1 鐵氧化物熔融電解煉鐵

顧名思義，鐵氧化物熔融電解煉鐵是將氧化鐵加熱至熔化狀態(tài)，置于合適的電解質體系中，直接通電電解產(chǎn)生液態(tài)鐵的過程，類似于氧化鋁電解生產(chǎn)金屬鋁過程，熔融電解煉鐵工藝常被稱為MOE工 藝（molten oxide electrolysis）。MOE 是MIT 的Sadoway 教授于20 世紀90 年代初提出的從廢棄物中提取金屬的工藝，后來研發(fā)目標拓展至以月壤在月球上制取氧氣和鐵，該工藝研發(fā)一直獲美國能源部（DOE）和國家航空航天局（NASA）資助。MOE煉鐵可用式(4)來表示。

對此過程，也可通過焓變來計算其理論電耗，即由25℃FeO(s)獲得1600℃Fe(l)和O(g)，其焓變?yōu)?474MJ/t Fe，折合2631.6kWh/t Fe。由于存在高溫散熱等能量損失，實際電耗會遠高于上述理論值。對于實際過程的電耗估算，可參考惰性陽極氧化鋁電解過程，其效率約為50%，由此可大致估算氧化鐵熔融電解過程電耗約5263.2kWh/t Fe。

雖然熔融電解煉鐵與電解鋁相似，但因鐵熔點遠高于鋁，實際電解溫度要達到1600℃以上，超高溫給電解質體系及電極材料開發(fā)帶來了極大的挑戰(zhàn)。MIT團隊及其他為數(shù)不多的研究組對此進行了多年研究，其挑戰(zhàn)包括：①找到合適的電解質體系，必須在溫度≥1600℃下低揮發(fā)、高穩(wěn)定、FeO和FeO在其中有足夠的溶解度、鐵離子具有足夠的擴散速度、高的離子導電率、對鐵礦組成具有很強的適應性等，以避免需對鐵礦提純；②陽極材料，在溫度≥1600℃的電解質熔鹽中穩(wěn)定、抗高溫析氧氧化、高電子電導率等，目前使用的是銥鉑合金，正在開發(fā)鉻合金；③陰極材料，同樣需要在溫度≥1600℃熔鹽中穩(wěn)定、有較高的電導率，目前MIT專注于開發(fā)碳化物材料及鉑銠鉬合金。就目前的情況來看，這三方面開發(fā)難度都極大。

2.2 堿性溶液電沉積鐵

在歐盟超低CO煉鋼（ULCOS）計劃中，安排有堿性溶液電沉積鐵方向，將FeO顆粒彌散于NaOH溶液中，直接電解FeO顆粒，該過程的陰陽極反應如式(5)、式(6)所示，總反應如式(7)所示。

陰極反應

陽極反應

總反應

該過程的實質是在低溫下直接電解FeO固體顆粒，類似于礦漿電解，該過程存在的問題包括：①因FeO電子電導率很低，即使與陰極接觸，電阻也會比較大，不僅電子從電極傳導至FeO顆粒阻力比較大，電子在FeO顆粒中傳輸阻力也比較大。為了緩解此問題，研究者將FeO磨成細顆粒（如10μm 左右）；②FeO顆粒不帶電/帶電弱，不會在電場力的作用下在溶液中快速往陰極遷移，需要由外力輔助其遷移至陰極區(qū)，實驗研究時，往往采用攪拌或電極旋轉強化FeO顆粒流動；③去除鐵礦中雜質流程長，經(jīng)濟、環(huán)境成本高。為防止鐵礦中雜質在氫氧化鈉溶液中溶解而對電解質性能產(chǎn)生不利影響，需要對鐵礦進行除雜預處理。鐵礦中的雜質一般包括氧化硅、氧化鋁、氧化鈣等，這些雜質酸溶除雜較為困難；若采用堿溶除雜，就類似于從鋁土礦堿浸除雜制備氫氧化鋁過程，不僅流程長，還會產(chǎn)生類似“赤泥”的難處理固廢。

盡管存在上述問題，堿性溶液電沉積的優(yōu)勢也很明顯，包括：①電解理論電耗低，按式(7)，25℃下FeO(s)電解生成110℃（電解溫度）的Fe(s)和O(g)， 反 應 的Δ為6330MJ/t Fe， 折 合 電 耗1788.9kWh/t Fe，低于前述各過程的理論電耗；②在堿性環(huán)境電解，析氫反應過電位高，析氫較少，電解電流效率高，實驗研究表明，50%氫氧化鈉溶液110℃電解FeO（質量分數(shù)33%～40%），其電流效率可高達85%～95%。研究者根據(jù)實驗室小試結果估算的堿性溶液電解電耗約為3000kWh/t Fe，再加上電爐煉鋼的400kWh/t Fe，也僅3400kWh/t Fe左右，該數(shù)值遠低于氫冶金及MOE 的估算電耗。實際過程除了電耗外，鐵礦石除雜的能耗及成本也必須考慮。

2.3 酸性溶液電沉積鐵

電沉積鐵除了可以在堿性溶液實現(xiàn)外，酸性溶液中也可以實現(xiàn)，與電解金屬錳、鋅、銅類似，酸性溶液電沉積鐵研發(fā)歷史悠久，至少可追溯至20世紀初，以FeSO-FeCl為電解質溶液，對生鐵或鑄鐵精煉提純生產(chǎn)高純鐵，用于生產(chǎn)鍋爐爐管及電磁鐵的鐵芯。也有用FeCl溶液處理FeS，再電解FeCl溶液得到Fe(s)和FeCl，從而通過電解將FeS分解成為Fe 和S。挪威的Pyror 工藝則通過HSO處理硫鐵礦（FeS）得到FeSO和HS，對FeSO溶液電解沉積鐵的同時產(chǎn)生HSO和O，Orkla ASA 公司在1947—1957 年對FeSO溶液電沉積鐵進行了系統(tǒng)的小試及中試研究，于1957 年基本實現(xiàn)了8kg Fe/h中試系統(tǒng)的連續(xù)生產(chǎn)，共計生產(chǎn)了約150t 電沉積鐵。該中試過程的主要參數(shù)為：溫度75～80℃；電流密度250A/m；電壓3.75V；電流效率85%；電耗4250kWh/t Fe。最近南非西北大學的Badenhorst 等采用一種陰離子交換膜替代Pyror工藝中的滌綸膜，電流效率從85%提高95%，電耗降低至3530kWh/t Fe，展示了酸性溶液電沉積鐵低電耗優(yōu)勢。

由此可見，酸性溶液電沉積鐵技術上完全可行，只是由于無法與高爐煉鐵競爭，只在高純鐵生產(chǎn)上有些應用。在未來超低碳煉鐵場景下，酸性溶液煉鐵應當具有一定的發(fā)展空間，可采用的酸性體系主要為硫酸及鹽酸，考慮到未來鐵礦石酸解及電解，硫酸體系可能更適合。由于電解過程產(chǎn)酸，產(chǎn)生的硫酸可返回用于浸出鐵礦石，以實現(xiàn)硫酸的循環(huán)使用，實際過程只需補充損耗的硫酸。三價鐵及二價鐵硫酸體系電解方式如式(8)和式(9)所示。

可以計算，25℃下按式(8)反應，Δ=8112MJ/t Fe，折合2253kWh/t Fe，若按照Badenhorst 研究的電耗3530kWh/t Fe計算，酸性溶液電解鐵的總體效率可達約64%，再加上煉鋼的400kWh/t Fe，則酸性溶液電沉積鐵的電耗約為3930kWh/t鋼。

酸性溶液電沉積鐵技術上可行，電耗也不太高，而且還可進一步提高效率：①由于在酸性體系電解，且Fe在pH＞3 左右時就開始形成沉淀，所以電解過程中H濃度高，析氫副反應更容易發(fā)生，從而降低鐵析出反應效率；②基于同樣低pH原因，溶液中OH濃度比堿性電解低幾個數(shù)量級，陽極析氧過電位高。因此需要研究如何降低析氫副反應及降低陽極析氧過電位，以進一步提高效率，增強競爭力。

與堿性溶液電解類似，酸性溶液除雜成本也不容忽視。鐵礦石中的鈣、鎂、鋁等氧化物雜質，在硫酸浸出過程中也會進入溶液，這些雜質在電解前也必須予以去除，這將會產(chǎn)生可觀的成本。另外浸出渣及除雜渣也需進行無害化處理，以避免污染環(huán)境。

圖9中兩點為起終點，點1位于原始線狀河流中軸上，點2位于面狀河流中軸。在兩點間生成連通性路徑如圖中所示，該結果表明線面混合數(shù)據(jù)提取中軸所組成的單線河網(wǎng)具有完整的拓撲連通關系。

3 超低碳煉鐵路徑對比分析

3.1 電耗對比分析

表1列出前述幾種工藝的電耗值，需要說明的是表1中的電耗并非理論值，而是參考了相近流程效率/中試數(shù)據(jù)后的實際估算值。另外，各工藝得到的鐵形態(tài)不一，為了便于比較，都統(tǒng)一到熔融的鐵水。

表1 各種工藝路線煉鐵電耗

由表1 可見，堿性溶液電沉積工藝電耗最低，電熱式氫氣熔融還原和酸性溶液電沉積鐵次之，其估算電耗都在3900kWh/t 鐵水左右。若氫氣直接還原在現(xiàn)有基礎提高效率10%，其電耗近5300kWh/t鐵水，與氧化鐵熔融還原相當；若能提高還原效率20%，則總電耗可與氫供熱的氫氣融還原相當。

另外，氫還原工藝電耗基本可反映除物耗、人工、折舊外的主要運行成本，而電解/電沉積工藝除電耗外，還有可觀的除雜成本，對氧化鐵熔融電解及堿性溶液電沉積工藝，需要對鐵礦石進行預除雜提純，去除硅鋁鈣鎂等氧化物組分；而對酸性溶液電沉積鐵工藝，雖不必對鐵礦石進行預除雜，但浸出液則必須除雜，這些除雜成本并未反映在表1中。

3.2 應用前景分析

氫氣直接還原單從技術角度分析，可以認為是相對成熟的技術，能否獲得廣泛應用取決于與其他技術相比成本是否有競爭力。標準狀況下，現(xiàn)有技術的氫消耗約為1150m/t 鋼，按電解水4.5kWh/mH估算，電耗約為5695kWh/t鋼，其應用前景取決于未來其效率提升的程度。由于豎爐及流化床基DRI已生產(chǎn)和優(yōu)化了幾十年，進一步通過系統(tǒng)集成降低能耗空間可能不那么大，效率的提升似乎更多地依賴于提高反應效率，升高反應溫度可提高反應的熱力學效率，而動力學效率的提升則依賴于降低顆粒粒徑，這兩者都會加重本已存在的顆粒黏結問題。因此細鐵礦粉氫氣直接還原過程黏結規(guī)律，以及相應的強化方法開發(fā)，對氫氣直接還原過程效率的進一步提升至關重要，也是氫氣直接還原未來需著力突破的問題。

氫氣熔融還原技術尚未成形，還需大力發(fā)展。就現(xiàn)有技術條件，氫供熱的熔融還原似乎更容易實現(xiàn)，參考Hismelt 及轉爐煉鋼過程及裝備，應該可以開發(fā)成功氫氣供熱的氫熔融還原技術。電供熱方案可降低電耗，具有成本優(yōu)勢，其難點不在于還原過程，而在于在不使用石墨電極的情況下如何大規(guī)模地給熔池供電。

堿性溶液電沉積技術也處于開發(fā)的早期階段，因為運行溫度僅100℃左右，在電極材料等方面的開發(fā)難度遠低于MOE技術，但其面臨的FeO不導電，導致與電極接觸電阻高、離子及電子傳輸性差、在氫氧化鈉電解質溶液中傳輸能力差等問題，也很不容易解決，短期內(nèi)取得突破并獲得規(guī)?；瘧煤懿蝗菀住Ａ硗?，氧化鐵提純導致的成本增加很可能使其電耗低的優(yōu)勢喪失殆盡。

酸性溶液電沉積鐵實現(xiàn)起來技術難度不大，從已有的中試結果來看，其電耗也不高，顯示了很強的技術經(jīng)濟競爭力。為了進一步提高效率，一方面可通過研究減少析氫副反應的發(fā)生、降低陽極析氧過電位；另一方面似也可通過合理的工程設計，收集陰極產(chǎn)生的氫氣及陽極產(chǎn)生的氧氣，氫氣用于預還原鐵礦，氧氣可用于系統(tǒng)中需要氧氣的地方。對于一項新技術往往需要在應用過程中不斷優(yōu)化提升，才能逐步成熟，很多技術就因缺乏應用場景，而沒有足夠的試錯和優(yōu)化空間，導致技術發(fā)展緩慢。酸性溶液電沉積鐵工藝的優(yōu)勢在于先期可用于生產(chǎn)高純鐵，因高純鐵售價高，可使酸性溶液電沉積鐵在當前的環(huán)境下就具有一定的經(jīng)濟可行性，通過高純鐵的生產(chǎn)，不斷優(yōu)化提升，為其應用于普通鐵的生產(chǎn)奠定基礎，同時也可對其生產(chǎn)產(chǎn)能能否適應煉鐵的規(guī)模提供必要的信息。

4 結語

超低碳煉鐵技術是未來我國鋼鐵工業(yè)減碳必須擁有的技術，對我國碳中和目標的實現(xiàn)至關重要。當前國外也沒有成熟可用的超低碳煉鐵技術，各種技術路線也都處于研發(fā)階段，這方面我國與國外基本處于同一水平，應當加大產(chǎn)學研合作，努力開發(fā)出自主知識產(chǎn)權的超低碳煉鐵技術，避免未來再走引進-消化-吸收的老路。

由于未來四十年煉鐵及相關技術發(fā)展存在不確定性，超低碳煉鐵技術路線規(guī)劃既不宜因當前技術及經(jīng)濟不可行而否定某項技術路線，也不宜在未充分論證分析各種可能路徑的前提下，盲目選定某條技術路線，一條道走到黑。

本文基于未來綠電廉價充足場景，對綠電電解水制氫氣-氫氣直接還原和氫氣熔融還原、氧化鐵熔融電解、堿性及酸性溶液電沉積鐵等技術路線的理論電耗進行了分析。并在考慮實際能效的基礎上，對各工藝的實際電耗做了估算，進一步分析各種技術的成熟度、研發(fā)階段需突破的關鍵基礎與技術問題、突破難度等方面。結果顯示酸性溶液電沉積鐵、氫氣熔融還原和氫氣直接還原都具有較好的發(fā)展前景，有望在不同場景中獲得應用，而氧化鐵熔融電解及堿性溶液電沉積鐵技術取得突破難度較大，2060年不一定能夠用上。