从技术装备看我国电炉炼钢降碳潜力

为全面评估我国电炉短流程炼钢发展现状和存在的问题，分析发展趋势、方向和路径，中国钢铁工业协会组织行业力量开展了专题研究，并按照“努力将会员企业的诉求转化为行业专业意见，将行业专业意见转化为政府的政策选项”的要求，为推进我国电炉短流程炼钢绿色低碳和高质量发展提出有关政策建议。本篇主要论述我国电炉短流程炼钢的技术装备情况，分析我国电炉短流程炼钢的降碳潜力。

一、我国电炉短流程炼钢技术装备情况

01 我国电炉炼钢工艺及典型技术

电炉短流程炼钢相比传统高炉—转炉长流程炼钢，具有设备简单、占地小、投资少、建设周期短、原料适应性强、生产组织灵活、冶炼温度可控等优势，加之废钢供应量逐步增加、电炉大型化和超高功率化及冶炼工艺强化，并与不断发展完善的炉外精炼、连铸技术配套，电炉短流程炼钢生产效率得到大幅提升，使得电炉炼钢工艺在更多钢材品种生产中得到应用。目前，电炉炼钢常用的典型技术主要包括高效低成本冶炼技术、智能化技术、流程优化技术等。未来，随着世界范围内低碳发展的要求越来越高，以及我国关于节能环保低碳等政策实施，我国电炉炼钢将更加注重绿色低碳、高效低成本和智能化升级方面的提升，围绕产品高端化、工艺绿色化、流程智能化等方面着重研发推广绿色低碳电炉原料应用、可再生能源大比例渗透电炉流程设计、电炉绿色低成本冶炼、电炉装备高效智能、电炉生产高品质钢等技术。

02 我国电炉装备发展和应用概况

2017年以前，我国95%的电炉为传统的开盖顶加料式电炉。近年来，国内主要建设和应用的炉型为废钢水平连续加料预热电炉（Consteel电炉），并陆续引进建成了Quantum电炉（量子电炉）、Ecoarc电炉（生态电炉）、Sharc电炉（西马克竖井电炉）等一些竖井预热电炉；中冶赛迪、中冶京诚等也设计研发了CISDI-AUTOARC（废钢阶梯加料预热）、CERIS-ARC（废钢水平加料+竖井预热）等新型废钢预热电炉。从实践情况看，国内在产的康斯迪水平连续加料等新型电炉的指标已经接近或达到世界先进水平，尤其在高效生产方面并不逊色于同吨位的转炉水平。

从电炉装备结构来看，我国电炉平均炉容仅为68吨，限制类装备占比较高，100吨以下电炉装备数量占比约为80%，100吨及以上电炉约占全部电炉数量的20%。50吨、70吨、100吨三种炉容电炉数量最多，合计数量约占全国电炉数量的40%。从与国外对比看，据不完全统计，如表1所示，美国110座电炉，平均炉容为113吨；德国18座电炉、韩国34座电炉，平均炉容均为100吨左右；日本59座电炉，平均炉容为84吨；土耳其37座电炉，平均炉容为112吨。同时，各国均存在一定量的小型电炉，以德国为例，统计18座电炉中有6座小于50吨的电炉，主要应用于特钢生产。

03 我国电炉短流程产能置换装备

近年来，受政策导向和行业低碳转型发展需要，我国电炉炼钢发展势头较快。根据各地产能置换公告，2016年—2022年计划新建的炼钢产能中27%为电炉产能，合计1.1亿吨左右，截至目前，已有50%左右产能建成投产；用于置换退出的炼钢产能中17%为电炉产能，合计7500万吨左右，相当于净增电炉产能3500万吨左右。未来3年~5年，企业还将建设电炉产能约5000万吨，平均每座电炉公称容量为98吨，电炉装备大型化发展趋势明显；分地区看，华北地区产能约为1700万吨，华东地区产能约为1450万吨，西南地区产能约为800万吨。

04 电炉装备主要设备制造商情况

目前，国内业绩较好的电炉装备制造厂有长春电炉、长春兴海、无锡东雄、中冶赛迪等，国外有达涅利、特诺恩、普瑞特、西马克等。从市场份额看，据不完全统计，2017年至今，我国新建和在建的电炉中，进口电炉占34%，100吨及以上电炉主要为进口电炉。客观来说，目前国内电炉装备制造企业在炉型大型化、电炉与辅助设备集成化方面取得了长足进步，特别是70吨~80吨电炉在冶炼周期、冶炼电耗、电极消耗等各项生产指标数据上达到甚至优于进口电炉设备水平，但在自动化检测、二级模型自动控制方面仍然任重道远；国内制造企业在自动化装备及检测、二级模型智能控制、装备技术可靠性等核心技术的研发方面，以及在稳定性、作业率、高端产品冶炼能力等方面与国外大型冶金装备制造企业水平仍有一定差距。据调研了解，国外引进的电炉设备本体造价基本在7000万元～8000万元，国产电炉设备为3000万元左右，价格差距并不悬殊，受品牌认可度等因素影响，大型钢铁企业更倾向于引进国外电炉，小型钢铁企业则更多使用国产电炉设备。

因此，建议将限制类电炉炼钢装备的标准由“公称容量30吨以上100吨（合金钢50吨）以下”修改为“公称容量30吨以上100吨（合金钢50吨，全废钢和直接还原铁冶炼70吨）以下”。主要有以下三方面理由：一是有利于与炼钢—连铸—棒线材轧机等生产流程匹配，也有利于推广和发展直接还原铁+电炉工艺。二是国内电炉制造企业生产的水平加料电炉与同类进口装备比较不分上下，且固定资产投入产出最为经济。三是避免70吨以上电炉因被执行差别电价而加大生存压力。同时，企业若在政策引导下实施扩容改造，易变相造成扩能风险。

二、我国电炉短流程炼钢降碳潜力分析

01 电炉冶炼的节能及环保优势

与高炉—转炉长流程相比，我国电炉短流程炼钢吨钢能耗降低50%，固废、废气、二氧化碳排放量分别减少96%、78%、73%；颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放量，比即使完成超低排放改造的长流程企业也分别降低70%、85%、75%以上，具有显著的节能环保优势。在节能方面，据近期调研，电炉短流程炼钢平均工序能耗达到54.1千克标准煤/吨钢，综合电耗379千瓦时/吨钢，能效达到基准水平的产量占89.9%，达到标杆水平的产量占42.6%。随着Consteel电炉应用范围持续扩大及其他新型电炉推广，我国电炉企业节能水平将进一步提升。在环保方面，相比长流程而言，电炉短流程实施超低排放改造点位少、投资低，环保运行成本更有优势。电炉企业在治理颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、二噁英排放等方面成效显著，但在治理无组织排放方面还缺少成熟经验。目前，全国约有60%的电炉短流程企业正在实施超低排放改造，其中有4家企业完成全工序超低排放改造，2家企业完成部分工序超低排放改造。

注：调研企业样本数量有限，相关数据仅供参考。本表中热兑铁水电炉的平均铁水比为63.5%。

02 长、短流程炼钢碳排放的对比

根据课题组初步测算，2021年我国长流程企业吨钢碳排放量约为1.8吨（碳排放核算边界到钢坯工序），其中约70%以上来自炼铁系统；电炉炼钢企业吨钢碳排放量约为0.68吨（碳排放核算边界同样到钢坯工序），53%来自生铁、31%来自电力消耗。在电炉炼钢企业中，兑50%铁水的电炉炼钢企业平均吨钢碳排放量约为1.13吨，约75%以上碳排放来自铁水；全废钢电炉炼钢企业吨钢碳排放量约为0.36吨，约75%以上碳排放来自电力消耗；全直接还原铁电炉冶炼工艺吨钢碳排放强度约为0.98吨。当前，行业、企业和专家等对长流程炼钢和短流程炼钢使用废钢是否同样降碳，认识不同、角度不同、立场不同，所持观点还有一定的分歧。经课题组综合各方意见，得出如下结论：

（1）无论长、短流程，使用废钢均有利于二氧化碳排放强度降低，对不同钢种而言，长流程工艺在不需要外部热源情况下通常废钢比为10%~20%。废钢本身是一种载能资源，无论长、短流程，应用废钢均可以有效降低碳排放强度。对不同钢种而言，一般长流程中使用废钢比例为10%~20%，若转炉废钢比继续提高，碳排放强度会降低，但考虑到铁水的碳排放，长流程碳排放强度仍高于短流程；而且多加废钢需要额外热源进行补热，包括废钢预热、配加补热剂（碳质或硅质）等，还会增加碳排放，另外目前二噁英问题在转炉中没有解决的措施。

（2）在保证转炉出钢量不变的情况下，提高废钢比有利于企业降低碳排放。目前，在企业实际生产中，长流程企业为降低单位碳排放量，常采用多“吃”废钢的方式，这将减少铁水用量，由于钢产量不变，碳排放强度和总量均会降低，这是目前我国为达到下游用户低碳钢要求普遍采取的措施。近期，国内一些先进长流程企业正在积极开展转炉大废钢比生产汽车钢等低碳钢。

（3）长流程工艺在不减少铁水量情况下提高废钢比（超过20%），碳排放强度会降低，但碳排放总量会增加。在保证入炉铁水量不变的情况下，转炉大幅度提高废钢比，这是铁水产量不足及钢材市场形势好的时候企业常采用的模式，事实上是变相地增加粗钢产量。在不考虑铁水自身显热和潜热的情况下，转炉熔化1吨废钢的成本为30元/吨~50元/吨，而电炉需要300元/吨~350元/吨，两者成本差为300元/吨左右。由此可见，现阶段转炉用废钢成本竞争力远高于电炉，一定程度上制约了短流程的发展。长流程的碳排放主要在铁、烧、焦等铁前系统，虽然额外多加废钢（超过20%），长流程的碳排放强度降低了，但总的碳排放量在增加。

由此得出结论，长、短流程使用废钢都有利于降低吨钢碳排放强度。长流程的废钢比对不同钢种而言，控制在10%~20%较为合理，若继续提高废钢比，虽然会降低碳排放强度，但由于长流程碳排放主要在铁前系统，长流程碳排放强度和碳排放总量总体大于电炉短流程。因此，鼓励引导废钢资源流向全废钢电炉短流程，逐步调整全行业的铁素资源结构、产品结构和流程结构，有利于中国钢铁工业在国际低碳竞争中赢得主动，有利于实现我国钢铁工业碳中和的总体战略目标。

03 “近零碳排放钢”发展情况及趋势

“近零碳排放钢”是指采用绿色清洁能源冶炼低碳或微碳原辅材料，通过“非涉碳”冶炼技术生产钢坯，从而实现冶炼过程近零碳排放。目前，钢铁行业研究形成了系统能效提升、资源循环利用、流程优化创新、冶炼工艺突破、产品迭代升级及捕集封存利用6条低碳发展技术路径。在此基础上，发展“近零碳排放钢”可进一步归纳为氢还原冶炼技术、加大废钢使用量和节能降耗等主要路径。据估算，2022年，全球“近零碳排放钢”需求量在2000万吨以上，而供给量不到200万吨；2030年需求量将扩大至1亿吨左右，约占全球钢材需求总量的5%。当前，“近零碳排放钢”冶炼技术尚处于研发试验阶段，一些企业已在研究利用电炉生产汽车板等高端钢材产品，但由于政策引导力度不足，各企业未形成有效合力。发展“近零碳排放钢”要做好顶层设计，制定和完善专项规划和政策体系，建立健全高质量的标准体系，加大核心技术研发力度，加强创新项目风险评估，进一步加快推进电炉炼钢的EPD（环境产品声明）认证等工作。

作者 中国钢铁工业协会电炉短流程炼钢发展研究课题组

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