在全球钢铁工业陷入低迷、困惑之际，如何走出钢铁业的“寒冬”是人们思考的问题。用世界的眼光，从长远与当前相结合的角度，理性分析全球钢铁发展的挑战、机遇和趋势，对探索我国钢铁发展新方向具有重要意义。
1 全球直接还原电炉炼钢工艺正步入成熟期
直接还原电炉炼钢工艺步入成熟期的主要标志如下。
（1）世界直接还原铁产量大7000万-8000万吨
世界直接还原铁产量从20世纪70年代的80万吨提高到2014年的7455万吨，增长了进100倍。特别是进入21世纪，直接还原铁产能的发展更为迅速，北美到2016年后将释放产能1200万-1500万吨，印度直接还原铁产能将达到4000万吨，成为世界直接还原产能最大的国家。专家预测，2020年全球直接还原电炉炼钢的产量在总量将占总产量的16%。
（2）气基竖炉直接还原铁生产技术发展方兴未艾。
两种典型直接还原技术竞争、融合、相向发展。当今世界上有两种典型的直接还原铁生产工艺，及MIDREX工艺和HYL工艺。这两种工艺属于气基竖炉生产工艺，两种技术具有各自的特点和优势，它们推动着全球直接还原电炉炼钢工艺的发展。
1）MIDREX工艺
MIDREX工艺中天然气在热裂解过程发生重整反应，如（1）式和（2）式。
CH4+H2O=CO+3H2 (1)
CH4+CO2=2CO+2H2 (2)
这种反应在装有纯镍的重整器中进行，并喷入大量水蒸汽，发生水煤气反应（如（1）式），增加还原性气体产率，降低气体原料消耗。依此原理，还原过程的水不外排，返回原料气中增湿，还原过程中产生的CO2，不进行回收，同样返回原料气中，经过大容量重整装置，将H2O和CO2重整为H2+CO。这种工艺流程在印度JSW直接还原铁厂已有多年的践行，不仅简化装备流程，还大大改善了工厂的生态环境，这是MIDREX工艺技术优势之一。
MIDREX工艺在竖炉内发生还原反应，见（3）式和（4）式。
Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O (3)
Fe2O3+3CO=2Fe +3CO2 (4)
由此可见，重整反应和还原反应分别在两个设备中进行，重整过程消耗纯镍，这对镍短缺的国家和地区，增加了额外的负担。
2）HYL-ZR工艺
HYL-ZR工艺最大的特点之一是在重整过程中不加纯镍催化剂，而是利用还原反应器中纯铁作催化剂，催化铁精矿的还原反应。在还原反应器中同时发生三种化学反应。
1重整反应：CH4+H2O=CO+3H2，CH4+CO2=2CO+2H2
2还原反应：Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O ，Fe2O3+3CO=2Fe +3CO2
3渗碳反应：Fe2O3+3H2= 2Fe+3H2O
这三种反应在高温（1050℃）、高压（6巴）的条件下进行，故产生DRI高质量（DRI的金属化率达94%-96%）、高碳（DRI的碳含量达4%-6%）和高效的生产效率。可以实现产品高质量、高金属收得率、低能耗、低水耗、低排放的生产效果。
3）直接还原装置单模块生产规模不断扩大，为大型联合钢铁厂生产直接还原铁，创造大型装备能力的条件。
近年来，有直接还原电炉炼钢工艺不断成熟和发展，带动了直接还原装置的单模块生产能力不断扩大。工业化投产装置统计表明，还原装置生产能力由原来的年产20万吨，发展到50、100、160、200、250万吨，并在挑战300万吨，这意味着直接还原技术具有挺进大型传统钢铁企业的可能性。美国纽柯钢铁公司引进250万吨直接还原装置于2013年12月顺利投产，为全球大型钢铁厂生产直接还原铁开辟先河。另外，美国钢铁公司将永远关闭240万吨高炉，用160万吨电弧炉炼钢所代替。
4）制约直接还原发展的资源问题实现突破。
实验证明，直接还原入炉炉料的适应性有较大的提升，如铁矿球团矿、块矿、配合高炉球团入炉，均可生产出高质量的DRI。制约气基竖炉直接还原发展是气体资源问题，用页岩气代替天然气生产直接还原铁，推动着直接还原铁的生产发展。
实践证明，对当代直接还原工艺和设备，不进行任何的改动，采用焦炉煤气和煤制气完全可以生产高质量的直接还原铁，从而开辟了直接还原工艺新的气体资源，使天然气短缺地区生产直接还原铁成为可能。特别是利用焦炉煤气生产直接还原铁，将是大型钢铁企业的一次能源和创新。
5）直接还原工艺与电炉炼钢合理结合、整合，将使当代炼钢技术发生了1+1大于2的效应，特别是热直接还原铁热送到电炉不仅缩短、简化了炼钢流程，而且大大降低电炉电耗。
2 直接还原电炉炼钢工艺挑战传统高炉工艺
由于直接还原电炉炼钢工艺日趋成熟，大有挑战高炉工艺之势，特别是前者显现出的优势，对后者提出多方面挑战。
首先是环保减排倒逼效应。众所周知，当今的钢铁企业污染严重工序集中于炼铁、烧结、焦化，这三个工序产生的污染占整个钢铁联合企业的85%-90%以上，特别被世界卫生组织公认的致癌物（二恶英）全部发生在烧结和焦化工序。据统计，PM2.5 80%-90%发生在以上三个工序，而钢铁企业中M2.5发生量占全部工业企业的15%以上。因此在钢铁制造流程中，取消以上三个工序，成为钢铁企业治理污染颠覆性思路。经研究，直接还原电炉炼钢工艺流程可全部或部分取消以上三个工序。
其次是提质增效效应。当今钢铁企业普遍面临的问题是钢铁产品质量低，不能满足供给侧需求，造成市场低迷，当然钢铁的生产成本高也是市场不畅原因之一。直接还原工艺生产的铁是纯净铁，采用直接还原铁为原料，进行电炉炼钢，可以生产高纯净钢。资料表明，全球70%的纯净钢是由纯净铁、电炉炼钢生产的。由此不难看出，高炉流程向直接还原电炉工艺转换是当今高炉企业体质增效的重要途径。
第三，直接还原电炉炼钢具有成本优势。国外资料显示，典型钢铁厂高炉吨铁的生产成本要高于气基直接还原电炉炼钢生产成本。因此，直接还原电炉炼钢工艺可以提高钢铁工业流程效能，大大降低吨铁生产成本。
另外，去年钢铁工业的产能过剩，倒逼钢铁厂减产、停产。从某种意义而言，钢铁的减产、停产，又为大型钢铁厂的技术改造，转型升级创造了条件和机遇。
3 聚焦全球直接还原电炉炼钢的发展挑战未来
通过多全球钢铁工业发展方式的剖析，不难看出，世界钢铁工业正沿着新的创意路线图前行。
（1）直接还原电炉炼钢短流程工艺将占更大的市场份额。
预计未来的10年，由于“页岩气革命”引发直接还原工艺革命，直接还原铁产量将占全球铁产量的16%，届时直接还原铁产量将达到2.0亿吨。表1显示出未来北美气基直接还原铁项目。
表1 北美气基直接还原铁项目
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公司名称
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设备建设地
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年产能，万吨
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启动时间
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纽柯钢铁公司
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路易斯安娜州
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250
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3013年
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纽柯钢铁公司
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路易斯安娜州
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250
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2015年以后
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奥钢联
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德克萨斯州
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200
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2016年
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博恩格钢铁公司
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俄亥俄州
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100
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2016年以后
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埃萨钢铁公司
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明尼苏达州
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250
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2016年以后
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美国钢铁公司
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明尼苏达州
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160万吨电弧炉
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2016年以后
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直接还原铁+电炉炼钢工艺是未来炼钢重要的发展方向。用100%的直接还原铁或50%的热高炉铁，在电炉中炼钢，可以实现提高能源利用率和资源利用率的效果。
由于缺乏炼焦煤资源，印度炼钢工业优先发展直接还原炼铁，印度直接还原铁产量达3500万吨，高炉铁为3500-4000万吨。进度钢铁协会谋划的未来钢铁生产发展方式为50%高炉铁+50%直接还原铁+电炉炼钢短流程生产工艺，经钢铁长流程与短流紧密整合，以应对钢铁技术的新挑战。
（2）球团加直接还原铁炼铁技术将得到进一步发展。
球团+直接还原铁是未来炼铁技术发展方式之一，即铁精矿100%生产球团矿，用100%的球团生产直接还原铁，这样可以减少高炉炼铁对焦炭的依赖，化解高炉炼铁高能耗、高成本、高污染的困惑。在美国电力炼钢中，使用65%-70%直接还原铁作为熔化废钢的稀释剂，可生产出高等级、高附加值的钢材，直接还原铁中高碳含量还有化解电炉 炼钢有氮危害的功能。
（3）世界传统钢铁厂中，高炉炼铁的长流程仍占霸主地位。天然气资源富裕的国家和地区直接还原电炉炼钢短流程工艺发展迅速，但受到天然气资源及价格的制约，寻找大量的高化学能的气体资源代替天然气，成为直接还原铁生产的重要课题之一。高炉炼铁长流程的炼焦生产过程中产生大量的、高化学能的焦炉煤气，为直接还原铁生产提供大容量的氢气资源，为天然气缺少地区生产直接还原铁构建了新的发展路线。
（4）根据不完全统计，中国焦炉煤气的发生量每年可达2000亿立方米。众所周知，焦炉煤气中含氢为60%-62%，是高化学能的还原剂，应作为炼铁过程的原料而不是作为加热过程的燃料使用。氢气的热值低，仅为天然气的三分之一，作为燃料使用，效率太低。在我国钢铁生产过程中，焦炉煤气全部或部分用于生产直接还原铁，将大大提高焦炉煤气的利用效率，推动我国直接还原电炉炼钢短流程的进步和发展。因此，我国未来钢铁业应该发展高炉炼铁长流程+焦炉煤气直接还原电炉炼钢短流程整合流程。
（5）直接还原技术是氢冶金在炼铁过程的应用。经研究，氢的还原潜能是CO的11倍。氢在矿石中的渗透速度是CO的5倍。故氢冶金的还原效率和速率大大高于碳冶金，用焦炉煤气生产直接还原铁，是氢冶金炼钢的可行实践，将大大提高炼铁装备的效率，降低炼铁过程的能耗和CO2排放量。
（6）氢冶金的基本原理是Fe2O3+3H2= 3Fe+2H2O，从反应式中可以看出，反应后的产品是铁+水，不是铁+CO2。因此，理论上可以大大减少CO2的排放。氢冶金是炼铁过程，它可以降低CO2排放量，理论上的突破，推动未来绿色钢铁的发展。
（7）国外资料显示，与高炉铁相比，直接还原铁生产成本降低40%，节能30%，CO2排放量减少38%。
4 结语
近年，由于页岩气生产技术的突破，引发美国能源结构的变革，进而引领直接还原电炉炼钢工艺新发展。用页岩气代替天然气生产直接还原铁可大大降低生产成本。用同样生产规模进行比较，直接还原铁生产工艺CO2排放量是高炉工艺的1/3，设备投资额是高炉的一半。从而引起美国气基直接还原铁装置超常规的发展，美国气基直接还原电炉炼钢工艺发展趋势不能不给钢铁大国—中国，带来启迪和启发。
摘选自《世界金属导报》2016年第9期
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