一、高爐煉鐵工藝環節
目前煉鐵工藝主要有高爐法、熔融還原法、直接還原法，最成熟的就是高爐法。近兩年熔融還原法也在不斷成熟發展，山東墨龍集團引進的Hismelt熔融還原冶煉工藝和寶鋼集團的歐冶爐工藝已經實現工業化，并在進一步完善提升之中。熔融還原的確是今后低碳煉鐵的一個重要方向，但不可否認的是：有很多技術環節還需進一步完善。
由于熱效率高及特殊的冶金反應環境頗受青睞，高爐法煉鐵在今后很長一段時間內， 仍將是采用最多的主流煉鐵工藝。冶金工程師正在試圖發揮它的優勢，挖掘它的潛能，規避它的缺點，不斷提升完善高爐冶煉冶煉工藝。下面重點分析一下高爐法煉鐵流程的降碳工作。
1、入爐料準備環節降碳
爐料準備主要涉及燒結和球團兩個工序，燒結工藝碳排放和污染物排放量最大，而球團工藝碳排放和污染物排放遠遠小于燒結工藝，這是由它們的工藝特點所決定的。
提高入爐料的球團比例，甚至全部采用球團礦，就會大大降低鐵前原料準備工序的能源消耗和污染物排放，該工藝目前限制性的環節是球團礦堿度低。為了保證高爐內最后的成渣堿度，必須要配備足夠的高堿度燒結礦，要想提高球團礦的入爐比例，必須解決堿性球團的生產問題。因此，堿性球團生產工藝開發意義重大。
堿性球團工藝技術的核心是結合劑的開發，該結合劑既要保證球團的低溫強度，又要保證燒結后球團的理化指標。
原料準備階段降碳最急需的技術就是堿性球團結合劑技術。熱風燒結和燒結礦余熱利用雖然也是降碳的好技術，但是與堿性球團技術相比，一個是改良，一個是革命。
2、高爐冶煉過程降碳
高爐冶煉過程碳排放主要有熱風爐燃燒排放CO2、工藝動力能耗折合的碳排放和高爐煤氣燃燒利用過程產生的碳排放。煤氣燃燒有些是工藝需要，更多是用于低效率的發電，這也是鋼鐵工藝實現碳中和需要解決的一個難點問題。
解決方案：
高爐如果采用O2+CO2氣體助燃，通過調整O2與CO2比例及配合噴煤調整爐缸溫度，就有可能取消熱風爐，這樣就可以解決熱風爐加熱燃燒產生的碳排放問題；
如果高爐采用O2+CO2氣體助燃，產生的高爐煤氣就主要由CO和CO2兩種氣體組成，這兩種氣體極易分離，分離出的CO用來做化工原料，不屬于碳排放，而且這種方式獲得的CO遠比目前煤化工制氣能耗低、成本低。分離出的CO2部分同O2參與高爐助燃，如果有部分剩余可以提供轉爐工藝使用。這樣高爐冶煉工序就基本沒有CO2直接排放了，僅剩制氧能耗和過程動力能耗折算的碳排放，如果將來這些能源都來自于綠電，高爐冶煉實現碳中和壓力就會減輕很多。
降低高爐過程能耗的關鍵還是提高高爐的利用系數降低焦比。目前，普遍采用的是高風溫助燃、提高鼓風動能、噴煤，高頂壓、優化布料制度等，這些技術我國都屬于世界領先水平。保證這些技術最佳效果的前提是順行，沒有順行就沒有產量，沒有產量所有指標都不可能好，所以保證高爐順行是最重要的。目前影響我國高爐順行存在的最大問題是高爐鋅、堿金屬化合物爐壁結瘤和結露物料糊堵。大家普遍關注爐壁結瘤，對于這些物質形成的物料結露糊堵還沒有引起足夠重視。
影響高爐順行的主要因素有入爐料質量、爐料透氣性和爐壁鋅、鉛、堿金屬化合物結瘤。入爐料質量受很多主客觀因素影響，解決的辦法是努力尋找成本和效益的平衡點；
爐料的透氣性受兩個因素影響，一是爐料各種環境下的理化強度，二是鋅、鉛、堿金屬化合物等低氣化點物質，在爐料表面結露、結瘤，造成物料粘結糊堵。物料粘結糊堵既增大了爐料阻力，還惡化了爐料的反應特性，加大了鼓風動能消耗，降低了冶金反應速度，嚴重影響了高爐利用系數；
爐壁結瘤直接影響冶煉順行。近幾年“固廢法”出臺后，為了處理鋼鐵粉塵，入爐料的鋅、鉛負荷和堿金屬負荷都在增加，導致高爐結瘤事故頻頻發生。給高爐降碳工作帶來很大問題。因此，高爐除鋅、鉛、堿金屬化合物等低沸點物質，將成為高爐冶煉順行降碳必須要解決的問題。
沈陽東大山匯環境科技有限公司開發了兩項專利技術，“一種高爐冶煉處理含鋅鋼鐵固廢技術及設備”、“解決高爐爐壁除堿金屬結瘤及爐料結露方法及設備”。這兩項專利技術都是通過高爐引流脫除回收氣態鋅、鉛、堿金屬化合物，不但解決了高爐順行問題，還可以回收高爐內高附加值的有色金屬及化合物?？梢院芎媒鉀Q上述阻礙高爐順行問題。
3、高爐渣余熱回收利用
高爐渣出爐時的溫度在1400℃以上，目前的處理工藝是水淬處理，不但高位熱能?損失巨大，而且還消耗了大量的水資源，水淬渣過程還伴生了大量的廢水、粉塵和含溶解物霧滴，這些含溶解物霧滴最后大部分變成了超細顆粒物，很多是PM2.5。鋼渣水淬過程是目前PM2.5排放強度最大的工業排放源。因此，熔融高爐渣處理是目前鋼鐵長流程工藝最受關注的環節。高爐渣的半干化控溫控壓處理余熱發電，將成為高爐冶煉綠色低碳的重要攻關突破點。如果該工藝能夠實現突破，不但可以回收大量熱能，而且還可以減少大量水消耗，同時也會減少很多污染物排放。
首鋼、沈陽東大山匯環境科技有限公司等公司在這方面也做了很多前期研究工作。
二、轉爐煉鋼工藝環節
從表面上看，煉鋼工序只投入了O2一種能源介質，但是從鐵鋼界面傳過來的鐵水不只是帶來了物理熱，還帶來了大量的化學熱，鐵水中所含的碳、硅、錳、磷、硫等，在轉爐吹氧煉鋼過程中大部分被氧化，會釋放出大量的熱能。如果回收利用得好，回收的能源量會遠大于氧氣及運行動力的能源消耗。
轉爐冶煉環節的主要能耗是氧氣，能源損失形式主要是轉爐尾氣及鋼渣、鋼水帶走的物理熱，還有轉爐冶煉前期和后期放散的CO化學能。廢鋼預熱過程能源利用率低，污染物排放量大，也是煉鋼環節節能的重點。
轉爐尾氣溫度在1200℃-1600℃，大量的高位熱能只是回收了少量蒸汽，1000℃左右的高位熱能用于蒸發水，不但浪費了大量的高位熱能，還浪費了大量的水資源。這是煉鋼環節能源浪費最大的環節。這個環節的節能將成為轉爐煉鋼工藝的最大節能降碳突破點。
轉爐煤氣現行的回收方式是“掐頭去尾”。頭尾轉爐煤氣由于氧氣超標，CO體積分數又過低，通常被認為沒有回收價值，通行的做法是點燃或直接放散。事實上，由于煤氣熱值過低根本無法點燃，因此，絕大多數企業將這部分無法回收的煤氣直接放散。這種看上去實屬無奈的做法，既浪費了大量能源，又造成了空氣污染，直接后果是擁有長流程鋼鐵冶煉的地區大氣環境中的CO嚴重超標。因而，“掐頭去尾”放散的轉爐煤氣成為環保治理的重點和難點。
按照目前的煤氣回收水平，預計CO排放量在20Nm³/噸鋼-30Nm³/噸鋼。按照全國每年生產轉爐鋼9億噸計算，因此排放的CO量為180億Nm³-270億Nm³，即每年放散2250萬噸-3375萬噸，如果最終CO全部轉化成CO2，相當于排放CO2 3535萬噸-5303萬噸。當然，CO對大氣的危害遠大于CO2。因此，無論從節能的角度考慮，還是從環保的角度考慮，這個環節的工藝改進都具有重大意義。
轉爐多消化廢鋼是煉鋼降低噸鋼能耗的最有效辦法，轉爐冶煉消化廢鋼能耗遠低于電弧爐冶煉，因此，很多鋼鐵企業都在想法設法在轉爐里多加廢鋼。廢鋼預熱是多加廢鋼最有效的辦法。但是目前廢鋼預熱過程能源利用率低，很多不到50%，而且預熱過程煙氣只是做了簡單的除塵，硝、二噁英等有機廢氣排放嚴重超標，根本沒有處理方案，存在很大的環保問題。再有目前的廢鋼預熱過程廢鋼燒損嚴重，很多工藝廢鋼燒損在8%-10%，浪費巨大。預計到我國“十四五”末期，我國轉爐冶煉消化廢鋼近3億噸，按此計算每年廢鋼燒損量將達到2400萬噸左右，這是多么驚人的數字？
1、轉爐尾氣余熱梯級利用及煤氣全程回收技術
為解決上述問題，沈陽東大山匯環境科技有限公司開發了“轉爐尾氣余熱梯級利用技術”，利用轉爐尾氣余熱干餾煤粉，通過干餾煤粉產生的揮發分再裂解，再裂解產物消耗掉轉爐煤氣中的氧氣，使爐氣基本做到全程回收煤氣，避免了CO放散。干餾煤粉后的爐氣基本是高溫煤氣，采用這種高溫煤氣做熱源，以豎爐形式預熱廢鋼，加熱廢鋼的同時冷卻了煤氣，煙氣無需水冷，節省了冷卻水消耗，煤氣預熱廢鋼不會有廢鋼燒損。同時還會獲得一部分干餾煤，為燒結工藝解決了部分綠色燃料。該工藝解決了煤氣放散能源浪費和環境污染問題，煙氣能源得到了梯度回收利用，節省了冷卻用水，避免了廢鋼預熱燒損，獲得了部分綠色燃料，可謂是一舉多得。
2、鋼渣調質半干法控溫控壓處理技術
鋼渣溫度都在1500℃左右，擁有大量的高位熱能，目前的鋼渣處理法，大部分熱量都白白浪費了，消耗了大量的水資源，同時還產生了很多臟水。采用半干法控溫控壓發電法處理，不但可以回收大量能源，還可以節省大量水消耗，避免產生廢水，避免顆粒物和超細顆粒物的排放。
鋼渣由于堿度高，處理后產物無法直接用于建材，需要做調渣預處理，降低其堿度，需要補充部分熱量。鋼渣前處理過程可以回收渣中鐵資源。這將是鋼渣處理的發展方向。
三、電弧爐冶煉
目前業界普遍認為電弧爐冶煉是綠色冶煉工藝，對此，我有不同意見。電弧爐短流程冶煉工藝碳排放比長流程碳排放低，這是事實，但這并不是因為電弧爐冶煉工藝本身能效高所致，而是因為它使用的原料是廢鋼，只有熔化廢鋼耗能，沒有高耗能的還原過程而已，所以冶煉能耗較低。評價它是否綠色，一定要把它與其它工藝做同類原料冶煉能耗、污染物排放進行比較。
我們來看一下電弧爐冶煉的能耗、能源利用率及排放情況。我國的主體電力目前仍然以燃煤發電為主，燃煤電廠平均能源轉化率僅為40%左右，當下電弧爐的能源利用率僅為60%左右，也就是說電弧爐的綜合能源轉化率僅在24%左右；有數據表明：2020年，電弧爐的能耗是240公斤標準煤/噸鋼，而長流程使用廢鋼做原料或豎爐熔化廢鋼，能耗應該在150公斤標準煤/噸鋼，如果采用轉爐煙氣余熱預熱廢鋼，能耗會更低?？梢?，從原料消耗上來看，電弧爐并不節能，也就是說，CO2排放并不會少。不僅如此，電弧爐在環保治理方面還有一個致命的弱點，就是煙氣中NOx目前還無法治理。電弧高溫，爐內進入的空氣大量被氧化，生成NOx，由于電爐間歇式工作，爐溫經常變化，傳統脫硝工藝根本沒有辦法解決。所以環保部門對此也沒有甚至是無法提出要求。
電弧爐冶煉存在的問題及解決方向：
1、目前我國的電力結構還是燃煤發電為主，發電的能源轉化率低制約了電弧爐的能效優化。應該采用一次燃燒熱能，替代部分電能。在熔化期采用噴煤、噴燃氣的一次燃燒熱能，減少電能消耗。
2、電弧爐的幾何尺寸先天不足，換熱時間太短，導致熱效率低。應該加強預熱回收，豎爐余熱廢鋼換熱條件是最佳的，可以大大提高余熱回收效率。因此，電弧爐尾氣豎爐廢鋼預熱是發展方向。
3、電弧爐冶煉的間歇性工作特點，導致傳統脫硝工藝無法運行。應該通過一次燃燒控制氣氛，用還原性氣體脫硝，然后再進行二次燃燒，解決燃氣逃逸。這種工藝既解決了NOx排放超標問題，也會大大降低廢鋼燒損。
電弧爐冶煉只有解決上述問題，才能稱得上綠色冶煉工藝。
在綠電沒有成為主體電力之前，有長流程存在的情況下，盡量采用長流程處理廢鋼，長流程處理廢鋼過程的碳排放遠低于目前的短流程。所以國家應該鼓勵轉爐多消化廢鋼，而不是盲目發展電弧爐。
DDSH電弧爐冶煉工藝
為解決電弧爐冶煉存在的上述問題，沈陽東大山匯環境科技有限公司開發了DDSH電弧爐冶煉工藝。通過一次燃燒熱能替代部分電能，通過控氧燃燒和二次燃燒解決NOx排放超標問題，通過豎爐廢鋼預熱，提高能源利用率。煙氣通過噴吹活性炭處理，使硫、二噁英等有機廢氣排放達標。不但提高了電弧爐冶煉的能源利用率，同時也解決了電弧爐冶煉煙氣排放超標問題。
