综述：基于直接还原（DRI）技术的电弧炉炼钢中生物质应用的全面综述

《International Journal of Hydrogen Energy》：Comprehensive review of biomass applications in DRI-based electric arc furnace steelmaking

DRI-EAF炼钢中生物质应用及优化策略的系统研究，分析未处理生物质的高挥发分对还原反应的促进机理，提出生物炭密度调控和浸没喷射技术解决碳损失与流动性问题，提出向低成本炭化生物质转型的战略。

　　

韩成进|魏光胜|朱荣|王启胜|肖德西

北京科技大学碳中和研究所，中国北京100083

摘要

本研究系统地回顾了生物质在直接还原铁（DRI）-电弧炉（EAF）炼钢过程中作为还原剂、渗碳剂和发泡剂的应用。分析表明，对于DRI生产而言，未经处理的生物质由于其含有的还原性挥发物而有效，前提是必须优化球团密度以延长气体在炉内的停留时间。相比之下，EAF工艺需要使用低挥发物含量且反应性可控的致密化生物炭，以防止碳损失并确保稳定的发泡效果。文章讨论了生物炭注射流动性差等技术挑战，并提出了包括浸没注射和压块参数优化在内的解决方案。最后，为了解决高固定碳生物炭生产成本的问题，本文建议转向高效利用低成本热解生物质。

引言

2023年，钢铁行业的碳排放量约为28亿吨二氧化碳（CO₂），占全球总碳排放量的约8% [1,2]，使其成为工业领域中碳排放最高的行业。因此，在“碳中和”的背景下，推动钢铁行业的绿色低碳转型具有重要意义 [[3], [4], [5]]。根据2023年的统计数据，使用直接还原铁（DRI）作为原料的电弧炉（EAF）炼钢的平均CO₂强度比高炉-转炉长流程炼钢路线低约0.89吨二氧化碳/吨钢 [6]。此外，使用全废钢作为原料的EAF炼钢的CO₂强度更低。因此，发展短流程炼钢是实现钢铁行业“碳中和”目标的必然选择 [[7], [8], [9]]。

基于直接还原铁的电弧炉（DRI-EAF）炼钢工艺消耗大量的含碳材料。例如，在DRI生产过程中，大量含碳材料被用作还原剂，将铁矿石还原为金属铁，后者成为EAF炼钢的主要原料。在EAF炼钢过程中，需要添加渗碳剂以加速废钢的熔化并调节熔融钢的碳含量。同时，引入发泡剂形成泡沫状渣层，以实现 submerged arc（埋弧）操作。这种做法增强了热屏蔽效果，保护了炉衬，提高了热效率，并稳定了电弧。因此，迫切需要探索替代碳源以减少DRI-EAF炼钢过程中的碳排放。

生物质资源是唯一具有“零碳”特性的可再生碳源 [[10], [11], [12], [13], [14]]。它们主要包括农业废弃物、林业残留物和城市有机废弃物等 [15,16]。由于生物质具有高挥发物含量、低能量密度和低密度等特性，通常需要经过预处理才能将其转化为燃料或生物炭，以满足替代碳源的要求。不同处理过程的成本各不相同 [17,[23], [24], [25]]，所得固体碳源的物理化学性质也有所不同。常见的预处理方法包括造粒 [18]、热解 [19]、气化 [21] 和水热碳化 [22]。

为了验证用不同生物质材料及其衍生物替代化石能源的可行性，并确定合适的替代技术，许多研究人员针对短流程炼钢中的三个主要碳消耗环节进行了广泛研究：DRI生产的还原剂、EAF炼钢的渗碳剂和发泡剂。

尽管现有文献 [17,[26], [27], [28], [29], [30], [31]] 已经回顾了生物质在钢铁行业中的应用研究，但仍然缺乏专注于DRI-EAF炼钢的综合性系统评价。为了保证本综述的系统性及透明度，采用了主题文献回顾方法。文献检索主要通过Web of Science和Scopus数据库进行，并辅以Google Scholar。在筛选过程中，我们重点关注了经过同行评审的期刊文章，并采用了“反向引用”方法以确保关键经典文献的纳入。

本研究全面整理了关于生物质资源在DRI-EAF炼钢中应用的报告和文献，重点关注三个核心替代途径：DRI生产的还原剂、EAF炼钢的渗碳剂和发泡剂。为了系统评估这些应用，本文探讨了以下三个研究问题。

问题1

如何有效利用未经处理的生物质中的挥发物进行DRI生产？

问题2

使用生物炭作为渗碳剂的关键限制因素和优化策略是什么？

问题3

生物质的物理化学性质如何影响其作为渣发泡剂的性能？注射方法有哪些改进措施？

最后，为了清晰展示研究的组织结构，研究框架在图1中以可视化形式呈现。该图展示了讨论从一般还原剂替代到EAF炼钢中特定应用（包括渗碳剂和发泡剂）的进展过程。

章节摘录

DRI生产的还原剂替代

Rio Tinto公司在澳大利亚投资了约2.15亿澳元，进一步评估其创新的低碳炼铁工艺BioIron?。该工艺已在德国的一个小型试验工厂成功测试，使用生物质和微波能量将铁矿石转化为金属铁，有望减少95%的碳排放。预计2026年将开始半工业规模的试验，目标是生产一吨直接还原铁

EAF炼钢中的替代

由欧盟资助的GreenEAF、GreenEAF2和RIMFOAM研究项目是目前已知关于生物质资源在EAF炼钢中应用的系统研究项目。

GreenEAF项目 [48,49]旨在探索在EAF生产过程中使用生物炭和生物质合成气的可行性。该项目的研究证实，将生物炭压缩成块状物作为渗碳剂在技术上是可行的

结论与展望

本文全面回顾了生物质资源在DRI-EAF炼钢中的应用。针对提出的研究问题，主要结论总结如下：

DRI的还原剂（问题1）：未经处理的生物质由于其高挥发物含量而显示出作为替代还原剂的巨大潜力，这有助于还原反应。分析表明，挥发物中的大分子有机化合物会逐渐分解为还原性气体（CO、H₂和CH₄）。

CRediT作者贡献声明

韩成进：撰写——初稿，概念构思。魏光胜：资金获取，概念构思。朱荣：监督，概念构思。王启胜：软件支持，资源协调。肖德西：可视化处理，软件应用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52322407、52274313、52293392、52074024）、中央高校基本科研业务费（FRF-TP-24-06C）以及江西省重点研发项目（20214BBG74005）和中国宝武低碳冶金创新基金会（BWLCF202108、BWLCF202201）的支持。