一文了解｜高效率低能耗低排放生产绿色钢材

直接还原铁（DRI）因其可持续发展的优势而成为备受关注的绿色钢材原料。但直接还原铁的规模化生产取决于是否拥有合适的工艺设备。

目前全球钢铁行业的温室气体排放量约占总排放量的7%。为了实现《巴黎协定》的目标，钢铁行业必须在2050年前将CO2排放量（目前每年超过28亿吨）减少一半以上。

实现大规模减排并非易事，这将涉及一系列广泛的战略。其中，包括提高能源效率、采用风能和太阳能等可持续能源、探索在炼铁的初始阶段用氢气或沼气替代煤炭的可行性，以及扩大对数字化的投资，从而提高安全性、简化流程并延长机器的使用寿命。

最大限度减少排放的另一个关键因素是增加直接还原铁的使用。但直接还原铁的有效生产还取决于正确选择电机和变速驱动装置（VSD），从而为整个工艺链中的各种压缩机、风机和泵提供源源不断的动力。

当今和未来钢铁生产工艺

当今的钢铁生产主要采用两种炼钢工艺。最常见的是用高炉生产铁水，然后采用转炉炼钢（BF-BOF工艺）。这种工艺占全球钢产量的70%，每吨粗钢排放约1.8吨CO2。

更可持续的替代方案是使用竖炉直接还原铁矿石，该方案可以在矿石保持固态的情况下去除其中的氧。竖炉内的化学反应是在还原剂的参与下发生的，还原剂包括一氧化碳、天然气、氢气（或绿色氢气）。由于无需使用焦炭，CO2排放量大大降低。所得产品直接还原铁随后可用作电弧炉（EAF）原料，再次将其熔化冶炼成粗钢。

直接还原铁-电弧炉工艺约占全球粗钢产量的30%，如果使用天然气，每吨粗钢的CO2排放量约为1吨。电弧炉的另一个优点是可以快速启动和停止，使钢厂能够根据需求调整生产。最理想的情况是在直接还原铁生产过程中使用氢气代替天然气，在整个直接还原铁-电弧炉工艺中，每吨粗钢的CO2排放量可降至0.2吨，如果使用可再生能源生产氢气，CO2排放量甚至为零。

采用不同方法的情况大相径庭。例如，中国的钢产量约占世界总产量的50%以上，主要依赖于转炉炼钢（占90%，而电弧炉炼钢仅占10%）。在欧洲地区，电弧炉炼钢比例约为40%，而美国更高，达到约75%。

最大限度地提升驱动设备的能效

直接还原铁的生产需要大量气体，这些气体通过一系列电机驱动的压缩机和鼓风机进行输送。每台电机都提供了一个节约电能的机会，从而为减排做出贡献。变速驱动装置的另一个优势是可以对调节气体流量的电机进行更精细的控制。这种强化控制可提高最终产品的整体质量。此外，这些驱动器还能确保电机只消耗所需气体流量所需要的精确电量，从而以最佳效率水平运行。

最后，电机和驱动器需要特殊的构造程序、测试和认证，以确保安全运行。鉴于压缩机内的气体可能产生潜在的爆炸环境，因此，必须使用经过认证的IECZone2电机或符合NEC-CECDivision2标准的电机。

通过为操作员提供实时数据，数字连接的电机和可变静电放电装置具有额外的优势。这些数据可帮助操作员做出明智的维护选择，提高系统的整体效率和可靠性。

电机在离心式工艺气体压缩机（PGC）的运行中发挥着特别重要的作用。对于年产量为200万-250万吨的直接还原铁工厂来说，通常需要两台压缩机。这些压缩机的功率通常在8-15MW之间。这些压缩机与VSD相结合，可增强过程控制和无缝启动能力。如果没有可变速装置，气体流量调节将依靠入口导叶（IGV）阀。不过，这种方法在实现平稳的直接在线（DOL）电机启动方面会带来一系列过程控制挑战和复杂性。

电机还为离心式冷却气体压缩机（CGC）提供动力。在这种情况下，适合使用3-8MW的单个IECZone2电机。考虑到控制启动在此应用中的重要性，驱动装置的作用是促进无缝流程。

这些驱动器可实现逐步加速，使电机达到全速，而不会对供电网络造成电气干扰或对机械造成过度的机械应力。使用可变静止变速装置可实现对速度、流量和扭矩的精确控制。这可通过适应不断变化的条件来确保稳定的输出，从而保持运行的稳定性。

工艺气体（PG）加热器依赖于一个或两个风扇，如果该部件出现故障，整个设备就必须停止运行，因此可靠性至关重要。典型的安全区风扇电机功率范围从500kW到最大1MW。

而气体加湿器则使用5-6台离心水泵，每台水泵的功率范围在500-800kW之间。在这些应用中，通常仍使用控制阀和直接在线电机来调节流量，但VSD越来越受欢迎，因其能更好地控制流量。

CO2去除系统（也称为碳捕集系统）使用离心式或往复式压缩机来减少排放。捕获的CO2可储存起来或供其他企业（如食品饮料或化工行业）使用。如果直接还原铁生产设备转向使用氢气而不是天然气，则不再需要去除CO2，因为唯一的副产品就是水蒸气。

热态直接还原铁（温度超过600℃）通过由螺杆式气动输送压缩机（PTC）驱动的气动输送系统（PTS）输送到电弧炉。PTC通常使用一台2-3MW的Zone2直接在线电机。PTS使用氮气等非反应性载气来保持热态直接还原铁的质量。热态直接还原铁的热量可在熔炼车间回收，从而节约能源。

当熔炼车间无法使用时，可使用外部直接还原铁冷却器将产品储存为冷态直接还原铁，然后使用由电机和驱动器驱动的压块机将产品储存为热压块铁（HBI）。

电弧炉是一种通常用于通过电弧熔化废钢和直接还原铁的熔炉，所需的功率可能高达几百MVA。除尘风机和水冷泵等辅助部件均配有驱动装置，这些驱动装置旨在确保电机在整个冶炼过程中以指定速度运行。

此外，在炉体装料阶段等需要降低速度的情况下还可节约用电，这种功能有助于快速启动和关闭熔炉，最终提高生产率。

以上只是绿色钢铁生产中耗电量最大的几种应用。在现实的钢铁厂中，还有数十种（甚至数百种）不同的应用方式，中低压电机可以与VSD配对使用。

巴基斯坦的直接还原铁生产项目

位于巴基斯坦卡拉奇的Al-Tuwairqi钢铁公司直接还原铁工厂正试图让2000kW和6150kW的电机在直接还原铁生产中发挥重要作用，但联机需要巨大的启动电流，这可能会导致现场发电机的稳定性出现问题。

为了解决这个问题，运营商选择了一套ABBACS5000中压驱动系统，依次启动电机。这套驱动系统提高了电厂网络的可靠性，意味着电厂无需为启动电动机而提高汽轮机的等级。同时还降低了电厂的维护成本，并有望延长电网中其他电气和机械设备的使用寿命。

推动绿色钢材的发展

绿色钢材对于钢铁行业实现净零碳排放的全球目标至关重要。使用直接还原铁是生产绿色钢材的一种可行、有效的方法。这不仅体现在全球现有的运营工厂方面，从新宣布和计划安装的设备数量不断增加层面也可窥得一二。

为确保生产过程尽可能高效，操作人员不仅要考虑直接排放，还要考虑用电量，而改用高效电机和可变静止变速装置正是一种明智的解决方案。采用这种技术可以带来一系列好处：轧机更安全、生产效率更高、CO2排放更少，客户也能从更高质量产品中获益。

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