废钢－电炉炼钢流程和循环经济

    电炉炼钢生产技术进展概况
    随着电力工业的发展，用电做为主要能源的电弧炉炼钢于1900年应用于工业化生产，其主要功能是熔化废钢等冷炉料。由于电能是化学中性的，故在冶炼过程中允许采用化学手段实现氧化或还原性操作，从而具有更大的冶金灵活性。另一方面由于其经济性稍差，故早期电炉炼钢主要用于特殊钢的生产，直至1950年，电炉钢的比例仅为总钢产量的6.95％，习惯上认为电炉钢厂即为特殊钢厂。
    1950年以后，电炉炼钢所占份额迅速上升，主要原因有：①平炉炼钢为氧气转炉炼钢所代替，积累的废钢转由电炉炼钢流程来消化。②超高功率电弧炉炼钢技术成功应用，使电弧炉炼钢的效率大大提高，生产成本大幅度降低。③连铸、连轧技术的成功应用，废钢－电炉炼钢－连轧型的“小钢厂”迅速发展，占领长型材生产份额。
    世界电弧炉钢产量及其所占份额逐年变化情况如表1所示。可以看出，到2000年以后，电炉钢所占份额已超过33％，五十年间平均每年增长0.6个百分点。电炉钢的产量由1950年的1250万吨增长至2000年的2.8352亿吨，增长了22.7倍，平均每年增多542万吨，年递增6.4％。

表1 世界电炉钢的增长

    新中国成立以来，我国钢铁工业有了很大的发展，1996年钢产量超过1亿吨，居世界第一位。与之同时，电炉钢产量也同步快速增长，1990年以来的情况如表2所示。可以看出电炉钢所占份额在1993年达到最高值的23.2％，以后有所降低，近年来维持在15～17％之间的水平，这是因为我国钢的总产量增长特别快所造成的。我国电炉钢的产量实际上增长的很快，2004年约为1990年电炉钢产量的3.3倍，达到了4600万吨。而2004年居世界钢产量第五位、第六位和第七位的韩国、德国和乌克兰其全年钢总产量分别仅为4752万吨、4641万吨和3874万吨。

    废钢－电炉炼钢流程的资源特征
    现今大规模工业化钢铁生产主要有两类流程，其一是矿石－高炉炼铁－氧气转炉炼钢流程（OBBOFS，Ore－Blast－BOF－Steelmaking），这是传统的钢铁联合企业或称之为“长流程”；第二是废钢－电弧炉炼钢流程（SEAFS，Scrap－EAF－Steelmaking）即“小钢厂”或紧凑型短流程。就含铁原料特征而言，第一类生产流程（OBBOFS）的原料主要是来自铁矿石，一般再配加10～20％的废钢；而第二类生产流程（SEAFS）的原料主要是来自社会的废钢铁材料，一般需配加10～20％的冷生铁，近年来发展了配加一定量铁水的工艺，在我国的电炉钢生产中配加热铁水的比例估计平均可达到15～20％。
    两类钢铁生产流程就其资源特征与其在自然界和人类社会中的状况，可概括示意于图3。可以看出，第一类OBBOFS流程所依赖的资源是来自自然界的不可再生资源，其技术特征是铁元素的“提取”，是提供新鲜“血液”的“动脉”流程。然而从可持续发展的角度来分析，它本质上是依靠“损害”自然界来获取钢铁材料的一种流程；第二类SEAFS流程所依赖的资源是社会使用后的废弃物，其技术特征是废弃物中铁元素的回收再利用，是净化原有“血液”的“静脉”流程，从可持续发展的角度来分析，它本质上是依靠废弃物资源化的3R循环经济流程。
    十九世纪中叶钢的工业化生产以来，人类提取、制造了大量的钢铁材料，其数量远远超过此前人类历史积累量的千百万倍。表3列举了全世界及主要产钢国家钢的表观积累量，可以看出，自1870年1900年世界钢的表观积累量仅为2.94亿吨。1950年为48.6亿吨，到2000年达到了33.25亿吨，到2004年又增加了38.6亿吨。
    表3 钢的表观积累量（亿吨）

    按目前世界年产钢量10.5亿吨计算，十年以后、到2014年，全世界钢的总积累量还将增加105吨，达到近500亿吨。社会上积累的废钢如果不能有效的及时消化、回收、再利用，将造成巨量污染。在1950年以前，废钢的循环再利用主要是靠平炉炼钢过程，近五十年多来主要是靠电弧炉炼钢过程。
    废钢-电炉炼钢流程的能源特征
    传统的钢铁联合企业以碳为还原剂，从矿石中将铁元素由其氧化物中还原提取出来，与之同时以碳氧化反应释放出的热量为能源以获取反应和金属熔化所必需的高温，因之该过程消耗大量的煤－焦炭形式的还原剂和燃料，并且伴随着生产大量的室温气体－CO2，各种资料表明每生产一吨粗钢大约消耗0.7～1.0吨原煤，产生近两吨CO2气体。
    使用废钢做原料，无需从矿石中还原铁元素，这不仅大大减少了还原剂碳的消耗还大大减少了化学反应所需的能量的消耗，因此SEAFS流程的能耗和CO2气体的排放量相比减少很多。
    简单的化学计量平衡计算如表4；可以看出，仅还原铁的氧化物一项，每吨金属铁大约将消耗碳元素218～327kg，产生CO2气体793～1189kg。
    关于SEAFS和SBBOFS流程物耗、排放和能耗的工程数据很多。不难看出，仅就能耗和CO2排放而言，废钢－电炉炼钢流程SEAFS是节约型的、环境友好的流程。
    表4 铁和碳的化学计量平衡表

    中国废钢－电炉炼钢流程的发展前景
    下面将从需要和可能两个方面探讨中国废钢－电炉炼钢流程的废钢前景：
    1 废钢资源（可能性）
    充沛的废钢资源为电炉炼钢流程的发展提供了可能性，我国电炉炼钢产能增加一直受着废钢资源的制约。由前文表1～表3可以看出，在2004年我国钢产量超过了2.7亿吨，为全世界钢产量10.54亿吨的26％，但废钢积累量仅为全世界的7％。我国钢产量是美国的3倍，而废钢积累量仅为美国的36.7％（0.367倍），其反差近十倍，相比之下，我国是废钢严重短缺的因素。
    如果按现有格局不变，估计十年后的废资源状况，列成表5。可以看出，到那时，我国废钢资源状况将大大得到缓解，但仍低于世界平均值，尚需大量进口废钢，废钢来源必然是美国、日本和独联体国家。
    表5 废钢资源估计

    一般认为，钢材在投入使用后10～20年后将形成废钢需回收再生利用，考虑我国钢材大量用于建筑，回收期较长，取循环周期为18年，则可知1997～1998年生产的钢材将在2014年进入回收利用期，1998年我国钢材实际消费量约为是1.142亿吨（自产1.07亿吨，进口1242万吨），考虑到损失和回收率，可以认为到2014年以后我国年自产废钢可达到8000万吨左右。若每年进口废钢量仍维持为1000万吨左右，届时废钢资源的紧张程度有望大大缓解。
    2 铁矿石资源
    钢铁工业属资源和能源消耗密集型产业，铁矿资源是我国钢铁工业发展的最大瓶颈。
    我国已探明铁矿资源储量459亿吨，分布于29个省、市和自治区的1898个矿区，特点是分布广、品位低（平均32.7%，低于世界平均水平11个百分点）、共生矿多、杂质含量高、矿床小、可采储量（200多亿吨）比例低，达到经济开采规模的只有80多亿吨。
    我国重点矿山大部分是五、六十年代建成的，经过长期开采，已进入中后期，产能正在不断衰减，开采难度越来越大，成本不断增加。地方矿山是我国铁矿业的主力军，但受资源和技术条件限制，生产规模小，产能也难大幅度增加。2004年，全国生产铁矿石31010万吨（同比增长约22.5%）。
    由于我国铁矿石产量的增幅远远落后于炼铁能力的增长，现主要依赖进口，2004年，我国进口铁矿石2.08亿吨，同比增长40.5%。
未来我国矿石资源形势十分严峻，国内矿山产量只能支撑1亿吨左右生铁的需要。预计今后每年需要进口铁矿石量将超过3亿吨。
    3 能源结构调整的前景
    我国是富煤、缺油、少气的国家，煤、油、气资源储量分别占世界总储量的11％、2.4%和1.2%，这就决定了我国煤炭资源在一次能源中的重要地位。尽管我国煤炭资源比较丰富，但人均可采储量只有世界人均的54%。在可采储量中，炼焦所需的主焦煤和肥煤（约占炼焦煤的50~60%）分别只占5.81%和3.53%。
    2002年世界能源消费总量为94.05亿吨标准油（136.78亿吨标准煤），中国排序第二：年消费9.98亿吨标准油（14.51亿吨标准煤），占世界能源总消费量的10.609%。2003年中国能源消费总量为16.78亿吨标准煤；其中钢铁工业消耗2.74亿吨标准煤（含矿山、铁合金、焦化、耐材等行业），占中国能源总消费量的16%。
    中国以煤为主的能源结构，客观上造成了能源效率较低、污染较严重、产品能源成本高。
    中国煤炭大多属于中低硫煤和中灰煤。国际市场交易的动力煤，其热值比我国平均高25%，含硫量低25-40%，灰分含量低50%。
2003年钢铁工业消耗原煤1.8亿吨,占总量11.3%。我国钢铁工业依赖的主要能源（资源）-煤炭资源虽然比较丰富，但可用于钢铁生产的炼焦用煤仅占25%~27%。而炼焦用煤储量中，质量好的主焦煤仅占炼焦用煤的19%，肥煤仅占13%。
    我国能源结构之缺陷是废钢－电炉炼钢流程发展的重要障碍。随着全球技术的进步和我国经济的发展，能源结构亦将有所改善，特别是核电和风力发电、太阳能发电等非传统电力资源的开发，已为国内朝野之共识，届时电价、单位电能产生的CO2将大幅减少，将有利于废钢－电炉流程的发展。
    综上所述，发展废钢－电炉炼钢流程是符合循环经济发展钢铁工业的正确途径。由于世界废钢积累量的不断增加将促进电炉钢比重的持续上升，并且到2014年以后，我国废钢供应的紧张程度将趋于缓和，废钢－电炉炼钢流程将有长足的发展。因此随着能源技术的发展和我国能源结构的改善，废钢－电炉炼钢流程的绿色化程度与环境友好的优势将持续增长。

    [注] ：本文有关数据引自1995年至2004年的《中国钢铁统计》和参考文献[1]～[3]，由于统计口径不完全相同，各文献中的数据有一些出入，其差异不超过1％。