隨著平爐技術(shù)在上世紀不斷被淘汰，電爐煉鋼已經(jīng)成為一個主要的煉鋼生產(chǎn)工藝，2006世界電爐鋼產(chǎn)量約占粗鋼總產(chǎn)量的40％。

    為了提高電爐煉鋼的生產(chǎn)率，除了使用電能外，在過去的一些年電爐煉鋼中也越來越多地使用化石能源（煤、石油和天然氣），即利用安裝在爐壁上的燒嘴向爐內(nèi)噴入化石能源。然而，在電爐煉鋼過程中有效利用一次能源（化石能源）的時間范圍被限制到一個很短的期間段內(nèi)，不僅輸入的能源密度增加，使出鋼到出鋼時間縮短，而且通過廢鋼表面的熱傳導(dǎo)，能源得到了有效利用。這一過程必然提出了一個問題，即在以廢鋼為原料的電爐煉鋼中如何使輸入的能源(在生產(chǎn)鏈中利用的總能源)相比今天可以更好地得到利用。

    電爐中各種能源的最佳利用

    在電爐煉鋼中，能源在三個階段發(fā)揮不同的作用：一是加熱廢鋼；二是熔化廢鋼；三是過熱。在上述三個階段中，第一階段需要大量的能源（占總能源需求量的71％），在這一階段廢鋼呈固體狀態(tài)，具有較大的熱傳導(dǎo)表面，這是使用一次能源最重要的先決條件。根據(jù)這一前提，相比電弧的電能，一次能源可以更好地熔化廢鋼。在熔化的第二階段，所需能源占總能源的19％。在過熱的第三階段，所需能源占總能源的10％。

    只是在最后的過熱階段，利用一次能源的效率不高。已經(jīng)熔化的人爐原料的表面開始變得非常小，此時一次能源的利用很低。這是為什么平爐煉鋼工藝被廢棄的原因。相比之下，在這一階段使用電能效果更好。

    由于具有這些邊界條件，現(xiàn)在的問題就是如何設(shè)計一種反應(yīng)裝置，使前兩步過程可以使用一次能源和第三步是用電能。

    電能生產(chǎn)背景

    目前，用于電爐煉鋼的電能主要還是來自于一次能源。例如，2006年德國的電能除了一部分來自于水利發(fā)電、核能等以外，有約三分之二來自于一次能源。

    在發(fā)電站，一次能源首先轉(zhuǎn)換成熱能，然后再發(fā)電。這兩個轉(zhuǎn)換過程與其它的轉(zhuǎn)換過程一樣，必然帶來損失，損失量由發(fā)電效率確定。在比較先進的發(fā)電站中，效率一般不會高于40％--42％，在德國，發(fā)電的效率平均為36％，而其他國家這一指標甚至更低。

    用一次能源生產(chǎn)的電能被輸送到煉鋼車間，在煉鋼車間還有一定的損失，然后轉(zhuǎn)換成熱煉鋼。由于最初的一次能源在從最初形態(tài)轉(zhuǎn)換到煉鋼車間使用的熱能時會有三分之二的損失，因此，應(yīng)該找到一種直接在煉鋼車間以熱能的形式利用一次能源的方法。

    一次能源冶煉爐（PEM）概念

    在逆流反應(yīng)裝置中，在加熱和冶煉兩個步驟中應(yīng)該可以有效地利用一次能源。在以這種方式設(shè)計的反應(yīng)裝置，將被熔化的廢鋼是從頂部連續(xù)加入反應(yīng)裝置中，通過帶有氧的礦物燃料燃燒，廢鋼轉(zhuǎn)化成達到液相線以上出爐溫度的液態(tài)。

    在獨立的爐中，用電能不可能很好地使有固態(tài)原料的鋼水過熱?？梢赃@樣概述，傳統(tǒng)的電爐冶煉過程中是按時間分別進行廢鋼的加熱和熔化，而在一次能源冶煉工藝中這兩個步驟分別在不同的空間(爐子)進行。

    按照上述，熔化爐是一種逆流反應(yīng)裝置，而過熱爐是其需要的電力相當(dāng)于鋼包爐的電爐。一次能源冶煉爐(PEM)概念的特點如下：

    *熔化爐中的電力消耗小于530kWh／t鋼；

    *廢鋼收得率大于90％；

    *熔化爐出鋼口與過熱爐傾轉(zhuǎn)軸成直線排列。

    相比傳統(tǒng)電爐—鋼包爐流程的能源消耗

    為了評估和對比在一次能源爐中通過礦物能源熔化廢鋼和其后過熱爐中的能源消耗，特別選定了一些現(xiàn)有電爐的指標數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來自：

    *國際鋼鐵協(xié)會對95座電爐研究的數(shù)據(jù)；

    *德國圖林根鋼廠電爐數(shù)據(jù)（現(xiàn)屬于西班牙Alonso Gallardo集團）；

    *薩爾茨基特鋼鐵公司Peiner Trager鋼廠電爐數(shù)據(jù)。

    用于一次能源爐中的數(shù)據(jù)值是比較保守的數(shù)值，相應(yīng)的鋼包爐中的加熱能源和電極數(shù)值來自于相關(guān)技術(shù)文獻。為了可以直接進行各種能源數(shù)值比較，電力和氧氣被轉(zhuǎn)換成其產(chǎn)生時所需的一次能源，同時采用了電力和氧氣的轉(zhuǎn)換因數(shù)。發(fā)電的效率是以德國的36％為基礎(chǔ)。

    目前，1kWh電能產(chǎn)生的二氧化碳排放量為0.212噸，以此為基礎(chǔ)，一次能源冶煉工藝的二氧化碳排放量比傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝低30％，詳見表2。雖然未來電站發(fā)電的效率會有所提高，從而降低一次能源煉鋼工藝的效果，但其仍有很高的吸引力。

    傳統(tǒng)電爐與一次能源冶煉爐成本比較

    除了一些上述基本問題，如能耗、二氧化碳排放要考慮外，還要考慮一些地區(qū)性差異問題，能源成本問題、礦物燃料獲得性問題和電力供應(yīng)穩(wěn)定性問題等。

    以2005年德國電力價格為0.0775歐元／kWh和一次能源價格為0.028歐元／kWh為基礎(chǔ)計算，德國電爐熔化廢鋼和過熱鋼水的平均能源成本為47歐元／噸鋼，在相同條件下最佳節(jié)能爐能源成本結(jié)果為40歐元／噸鋼，而一次能源冶煉爐的能源成本僅為32.50歐元／噸鋼，如果考慮總能耗減少帶來的二氧化碳降低，則效益更大。

    結(jié)論

    上述數(shù)據(jù)顯示，主要利用一次能源的一次冶煉爐是替代傳統(tǒng)電爐的一種很好的選擇，它不僅減少二氧化碳排放，而且大幅度降低能源成本。在經(jīng)過多次試驗后，一次能源冶煉爐開發(fā)者決定盡快將該技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。