使用一次性新能源的新电炉炼钢工艺

    随着平炉技术在上世纪不断被淘汰，电炉炼钢已经成为一个主要的炼钢生产工艺，2006世界电炉钢产量约占粗钢总产量的40％。
　　为了提高电炉炼钢的生产率，除了使用电能外，在过去的一些年电炉炼钢中也越来越多地使用化石能源（煤、石油和天然气），即利用安装在炉壁上的烧嘴向炉内喷入化石能源。然而，在电炉炼钢过程中有效利用一次能源（化石能源）的时间范围被限制到一个很短的期间段内，不仅输入的能源密度增加，使出钢到出钢时间缩短，而且通过废钢表面的热传导，能源得到了有效利用。这一过程必然提出了一个问题，即在以废钢为原料的电炉炼钢中如何使输入的能源(在生产链中利用的总能源)相比今天可以更好地得到利用。
　　电炉中各种能源的最佳利用
　　在电炉炼钢中，能源在三个阶段发挥不同的作用：一是加热废钢；二是熔化废钢；三是过热。在上述三个阶段中，第一阶段需要大量的能源（占总能源需求量的71％），在这一阶段废钢呈固体状态，具有较大的热传导表面，这是使用一次能源最重要的先决条件。根据这一前提，相比电弧的电能，一次能源可以更好地熔化废钢。在熔化的第二阶段，所需能源占总能源的19％。在过热的第三阶段，所需能源占总能源的10％。
　　只是在最后的过热阶段，利用一次能源的效率不高。已经熔化的人炉原料的表面开始变得非常小，此时一次能源的利用很低。这是为什么平炉炼钢工艺被废弃的原因。相比之下，在这一阶段使用电能效果更好。
　　由于具有这些边界条件，现在的问题就是如何设计一种反应装置，使前两步过程可以使用一次能源和第三步是用电能。
　　电能生产背景
　　目前，用于电炉炼钢的电能主要还是来自于一次能源。例如，2006年德国的电能除了一部分来自于水利发电、核能等以外，有约三分之二来自于一次能源。
　　在发电站，一次能源首先转换成热能，然后再发电。这两个转换过程与其它的转换过程一样，必然带来损失，损失量由发电效率确定。在比较先进的发电站中，效率一般不会高于40％--42％，在德国，发电的效率平均为36％，而其他国家这一指标甚至更低。
　　用一次能源生产的电能被输送到炼钢车间，在炼钢车间还有一定的损失，然后转换成热炼钢。由于最初的一次能源在从最初形态转换到炼钢车间使用的热能时会有三分之二的损失，因此，应该找到一种直接在炼钢车间以热能的形式利用一次能源的方法。
　　一次能源冶炼炉（PEM）概念
　　在逆流反应装置中，在加热和冶炼两个步骤中应该可以有效地利用一次能源。在以这种方式设计的反应装置，将被熔化的废钢是从顶部连续加入反应装置中，通过带有氧的矿物燃料燃烧，废钢转化成达到液相线以上出炉温度的液态。
　　在独立的炉中，用电能不可能很好地使有固态原料的钢水过热。可以这样概述，传统的电炉冶炼过程中是按时间分别进行废钢的加热和熔化，而在一次能源冶炼工艺中这两个步骤分别在不同的空间(炉子)进行。
　　按照上述，熔化炉是一种逆流反应装置，而过热炉是其需要的电力相当于钢包炉的电炉。一次能源冶炼炉(PEM)概念的特点如下：
　　*熔化炉中的电力消耗小于530kWh／t钢；
　　*废钢收得率大于90％；
　　*熔化炉出钢口与过热炉倾转轴成直线排列。
　　相比传统电炉—钢包炉流程的能源消耗
　　为了评估和对比在一次能源炉中通过矿物能源熔化废钢和其后过热炉中的能源消耗，特别选定了一些现有电炉的指标数据，这些数据来自：
　　*国际钢铁协会对95座电炉研究的数据；
　　*德国图林根钢厂电炉数据（现属于西班牙Alonso Gallardo集团）；
　　*萨尔茨基特钢铁公司Peiner Trager钢厂电炉数据。
　　用于一次能源炉中的数据值是比较保守的数值，相应的钢包炉中的加热能源和电极数值来自于相关技术文献。为了可以直接进行各种能源数值比较，电力和氧气被转换成其产生时所需的一次能源，同时采用了电力和氧气的转换因数。发电的效率是以德国的36％为基础。
　　目前，1kWh电能产生的二氧化碳排放量为0.212吨，以此为基础，一次能源冶炼工艺的二氧化碳排放量比传统生产工艺低30％，详见表2。虽然未来电站发电的效率会有所提高，从而降低一次能源炼钢工艺的效果，但其仍有很高的吸引力。
　　传统电炉与一次能源冶炼炉成本比较
　　除了一些上述基本问题，如能耗、二氧化碳排放要考虑外，还要考虑一些地区性差异问题，能源成本问题、矿物燃料获得性问题和电力供应稳定性问题等。
　　以2005年德国电力价格为0.0775欧元／kWh和一次能源价格为0.028欧元／kWh为基础计算，德国电炉熔化废钢和过热钢水的平均能源成本为47欧元／吨钢，在相同条件下最佳节能炉能源成本结果为40欧元／吨钢，而一次能源冶炼炉的能源成本仅为32.50欧元／吨钢，如果考虑总能耗减少带来的二氧化碳降低，则效益更大。
　　结论
　　上述数据显示，主要利用一次能源的一次冶炼炉是替代传统电炉的一种很好的选择，它不仅减少二氧化碳排放，而且大幅度降低能源成本。在经过多次试验后，一次能源冶炼炉开发者决定尽快将该技术应用于工业生产。