為了提高電爐的生產(chǎn)效率,作為對(duì)電力的補(bǔ)充,化石能源的使用持續(xù)增長(zhǎng)。但在電爐煉鋼法中原生能源的效率非常低,且僅限于廢鋼熔化階段。最新的研究結(jié)果表明,以原生能源為主要燃料的新式廢鋼煉鋼法有望取代電爐煉鋼法,并可大大減少二氧化碳的排放量以及節(jié)省能源成本。
上世紀(jì)末,由于平爐煉鋼基本上被淘汰,電爐煉鋼成為最主要的廢鋼煉鋼法。2006年電爐鋼已占世界鋼產(chǎn)量的40%左右。在過(guò)去的數(shù)十年中,為了提高生產(chǎn)能力,除了電能以外越來(lái)越多的化石能源用于電爐煉鋼。然而,在廢鋼未完全熔化的短期內(nèi)電爐中原生能源的有效利用時(shí)間范圍是有限的。在此期間內(nèi),不僅能量輸入的密度提高,出鋼-出鋼時(shí)間縮短,而且能量通過(guò)對(duì)廢鋼表面的傳熱而得以有效利用。這一事實(shí)引出的問(wèn)題是如何使用于廢鋼煉鋼輸入的能量(指用于生產(chǎn)鏈的總能量)利用優(yōu)于電爐煉鋼。
1電爐各種能源的最佳利用
電爐廢鋼煉鋼的3個(gè)階段的能耗:加熱、熔煉和過(guò)熱。絕大部分能源(約70%)用于第一階段,因?yàn)榇罅康膹U鋼表面需要傳熱,這是利用原生能源的最重要的前提。在這一前提下,化石能源加入電爐,熔化效果比僅用電能要好。只是在最后的過(guò)熱階段,化石燃料的效率低或是無(wú)效的。爐料熔化后其比表面積很低,原生能源的利用效果很差。這正是平爐被淘汰的原因之一。比較起來(lái),在此階段利用電爐才真正有意義。
在這些邊界條件下,反應(yīng)器必須設(shè)計(jì)成在前兩個(gè)階段利用原生能源,而在第三階段利用電能。
2電能的產(chǎn)生
目前,電爐所用電能主要來(lái)自原生能源。例如德國(guó)的電爐所用電能的來(lái)源是:核能占26%,褐煤占26%,煤占23%,再生能源占11%,天然氣占10%,水占2%,燃油和其他占2%。從這一統(tǒng)計(jì)可以看出,幾乎三分之二的電能來(lái)自化石能源。
煉鋼車間電能的產(chǎn)生和利用的轉(zhuǎn)換如下:原生能源→加熱→電能→冶煉加熱。在煉鋼車間之間無(wú)能量損失,原生能源轉(zhuǎn)換為熱。這是電爐的耗能情況,首先,能源在發(fā)電站轉(zhuǎn)換為熱能,后又轉(zhuǎn)換成電能。為同其他形式的轉(zhuǎn)換一樣,這兩個(gè)過(guò)程中的能量損失是由發(fā)電站的效率決定的?,F(xiàn)代化的發(fā)電站的效率不會(huì)高于40%~42%,德國(guó)的平均效率是36%,在其他國(guó)家甚至更低一些。
電能輸入煉鋼車間,又有損失,然后又轉(zhuǎn)換為熱能來(lái)煉鋼。如果三分之二的原生能源在進(jìn)入煉鋼車間之前不經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的損失,就可能將其熱能直接用于煉鋼。
3原生能源熔煉爐的概念
在逆流反應(yīng)器中,在加熱和熔化階段有效地利用原生能源是可能的,在反應(yīng)器的頂部如連續(xù)地加入廢鋼,通過(guò)化石燃料和氧的燃燒熔化為鋼水并達(dá)到液相線以上的出鋼溫度。在單獨(dú)的容器內(nèi)僅靠電來(lái)熔化固態(tài)材料并達(dá)到足夠的過(guò)熱實(shí)際上是不可能的??偠灾?,傳統(tǒng)電爐的熔化和加熱的時(shí)間是分開(kāi)的,利用原生能源的熔煉過(guò)程,這些階段也是分開(kāi)的。逆流反應(yīng)器是按照上述條件設(shè)計(jì)的熔煉爐,過(guò)熱熔煉爐是類似于鋼包爐的電弧爐。這一概念的特性是:
(1)熔煉電耗<530kWh/t;
(2)鋼的收得率>90%;
(3)熔煉爐的出鋼口與過(guò)熱爐的傾轉(zhuǎn)軸成直線排列。
這一設(shè)計(jì)概念多少類似于上世紀(jì)70年代和80年代曾做過(guò)的試驗(yàn)。
4單位能耗與傳統(tǒng)電爐一鋼包爐的比較
對(duì)主要利用化石能源、下游用過(guò)熱爐的原生能源熔煉爐熔化廢鋼的單位能耗進(jìn)行評(píng)估,搜集和整理了現(xiàn)有鋼廠的特征值。具體情況如下:
(1)國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)的研究數(shù)據(jù),包括約95座電爐;
(2)Stahlwerk Thiiringen鋼廠(Alfonso Gallardo集團(tuán))的電爐;
(3)Peiner Trager鋼廠(Salzgitter集團(tuán))的電爐。
將保存的數(shù)值用于原生能源熔煉爐。加熱能耗的相應(yīng)數(shù)字和鋼包爐的電極消耗來(lái)自相關(guān)的技術(shù)文獻(xiàn)。為了進(jìn)行直接的比較,將各種能源、電和氧轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生這些能所需要的原生能源。對(duì)能的轉(zhuǎn)換所用的單位能耗以及排放量進(jìn)行了比較。
1kWh的化石能產(chǎn)生1kWh的電能,目前德國(guó)的發(fā)電站的平均效率為36%,以此作為基數(shù),對(duì)各種生產(chǎn)線所需的單位能耗進(jìn)行了比較。研究了在熔煉1t廢鋼理論上所需用的最少的能。在鋼水溫度為1600℃時(shí),冶煉低合金鋼的耗能量是368kWh/t鋼。盡管發(fā)電站的效率進(jìn)一步提高對(duì)用原生能源冶煉法的效益影響不大,但在經(jīng)濟(jì)上仍頗具吸引力。
當(dāng)前,廣泛的議題產(chǎn)生于另一個(gè)重要方面,即對(duì)原生能源煉鋼法的評(píng)估涉及各種生產(chǎn)線產(chǎn)生的二氧化碳的排放量。有關(guān)研究表明,1kWh電的平均二氧化碳排放系數(shù)是0.2120kg/kWh。以此為基礎(chǔ),原生能源煉鋼法的單位二氧化碳排放約為30%,低于傳統(tǒng)生產(chǎn)線。
5電爐煉鋼法與原生能源法生產(chǎn)成本的比較
除了要考慮地區(qū)條件之外,還必須考慮當(dāng)?shù)氐哪茉闯杀?、化石燃料的可用性以及電力供?yīng)的穩(wěn)定性。
對(duì)純能源成本進(jìn)行了比較,結(jié)果表明,在電價(jià)為0.0447歐元/kWh時(shí),熔化廢鋼并達(dá)到過(guò)熱的費(fèi)用約為47歐元/t鋼水。在相同的能源成本下,電爐的生產(chǎn)成本接近40歐元/t鋼水。在原生能源的成本約為0.028歐元/kWh的條件下,在相同的能力下,原生能源煉鋼法的生產(chǎn)成本可達(dá)到32.50歐元/t鋼水,這還沒(méi)有考慮減少總能耗的二氧化碳的排放量。
結(jié)語(yǔ)
研究結(jié)果表明,以原生能源為主的廢鋼煉鋼法是一種有望取代電爐法的方法,此法可以大大減少二氧化碳的排放量、降低能源成本。在經(jīng)過(guò)充分的試驗(yàn)獲得成功后,SMS德馬克公司擬將此煉鋼法應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。