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钢铁生产中，铁水脱硫（HMD）的需求受到环保和原料变化的共同推动。环保机构提出的可持续发展目标要求降低炼钢过程的CO₂排放，这将增加对废钢的依赖，而废钢通常含有较多硫、磷等杂质。
使用废钢作为原料，脱硫需求也会提高，由此引出一个问题：电石、镁和石灰，哪一种脱硫剂的综合成本*低？判断经济性，需要分析电石、镁、石灰与钢中硫及其他杂质的反应，仅比较采购单价并不充分。
本文介绍脱硫机理和工艺，对比各类药剂的性能数据，*后分析综合成本。先从基础问题开始。
为什么要脱除钢中的硫？
硫会改变钢材的物理特性，是钢液中的一种杂质，脱除后有助于获得“洁净钢”。钢中硫可能引起热脆性、焊接性能下降、耐腐蚀性降低，以及SO₂排放等问题。因此，可以通过不同反应机理和药剂去除这一不需要的元素。
脱硫机理与工艺配置
脱硫原理
目标是高效脱除熔融金属中的硫，其初始质量含量通常为0.02%～0.06%。加入反应剂后，杂质会进入顶部炉渣，便于去除，或者以气体形式离开体系。
脱硫需要关注脱除百分比（效率）、硫化物容量，以及反应剂与金属之间的传质。不同炉渣的硫化物容量不同，也就是容纳硫的能力不同。硫移动的固有速率以扩散系数表征，1350°C时约为1.2×10⁻⁸ m²/s。
化学反应
石灰（CaO）
CaO + [S] → CaS + [O]
石灰与硫反应生成硫化钙，并释放氧。但反应较慢，因为会迅速形成致密层，例如2CaO·SiO₂，阻碍进一步反应。向熔融金属添加石灰没有额外的附带收益。
电石（CaC₂）
CaC₂ + [S] → CaS + 2[C]
电石与硫反应，也像石灰一样生成硫化钙。但它释放的碳会在颗粒周围形成石墨层，限制扩散；这一影响可以通过控制粒度管理。电石的附加优势是释放热量，帮助维持熔融金属温度。
镁（Mg）
Mg + [S] → MgS（固体）
镁与硫的反应远快于另外两种。镁在1090°C汽化，硫化物在气相中成核。该反应向熔融金属提供热量，并尽量减少渣量。
性能与效率数据
镁：效率*高，可在不到5分钟内脱除85%～95%的硫。
电石：电石颗粒可实现65%～90%的脱除率，但结果对粒度较敏感。使用11.8 μm颗粒，可使脱除率达到90%。
石灰（KR）：效率*低，在10～20分钟内脱除50%～70%的硫。
通过浸入式喷枪将粉尘喷入熔融金属时，反应剂颗粒与金属的接触时间很短，约0.4秒；采用2～10 mm电石时，时间增加到20～40秒。为便于比较，以下均以粉尘形式考虑。与喷入深度有关的穿透率β，通常为23%～29%。
脱硫工艺
KR（Kanbara Reactor，机械搅拌法）：使用石灰，以100 rpm旋转搅拌器混合，耗时10～20分钟。渣量较高，但药剂成本低。工艺需控制混合物碱度，并限制固体损失带来的铁损。
MMI（Magnesium Mono-Injection，镁单剂喷吹）：喷入镁颗粒，耗时不到5分钟。镁在1090°C形成蒸气，反应迅速，整个过程渣量少。主要缺点是回硫，即硫重新进入铁水。
复合喷吹：使用镁与石灰混合粉料，通过氮气等惰性气体喷入熔融金属；气泡增强混合。
鱼雷罐复合喷吹：鱼雷罐将高炉铁水运至炼钢车间。以惰性气体将电石和石灰混合料共同喷入铁水，进行混合和脱硫，放热反应可减轻温降。
三类药剂的特性与操作
1. 石灰（CaO）
成本和用途：价格*低，150美元/吨，也是KR工艺的主要药剂。
缺点：生成厚渣，可能造成0.5%～2.5%的明显铁损。
反应动力学：反应较慢，受2CaO·SiO₂等层状产物限制。
性能：简单CaO工艺的基础脱硫率为50%～70%，但采用强搅拌和助熔的现代优化工艺，例如KR，可经常实现超过初始铁水硫含量90%的脱除率。
2. 电石（CaC₂）
成本和用途：用于经济性较好的复合喷吹混合料，价格为380美元/吨。
反应动力学：颗粒周围的石墨壳层会限制脱硫，但选择合适粒度后效率较高。文中分析认为2～10 mm*适合兼顾效果与成本，颗粒可沉至钢包底部。
安全：主要风险是遇水剧烈反应，生成乙炔。
3. 镁（Mg）
成本和用途：价格*高，为2,270美元/吨，用于MMI工艺中低于10 ppm的超低硫目标。
反应动力学：反应*快，能够达到更高脱除率。
损失：渣量和铁损较小，但因沸腾容易出现药剂损失。
局限：高碳金属，例如HIsarna工艺铁水，可能因石墨阻挡反应而降低效率。
| 指标 | 石灰 | 电石 | 镁 |
|---|---|---|---|
| 脱除率（%） | 50～70 | 65～90（细颗粒90） | 85～95 |
| 耗时（分钟） | 10～20 | 5～12 | 少于5 |
| 每吨渣量（kg） | 10～15 | 8～12 | 少于5 |
| 铁损（%） | 2～3 | 低于1 | 低于1 |
| 温降（°C） | 25～40 | 15～25 | 提供热量 |
| *终硫含量（ppm，初始400） | 100～200 | 10～50 | 低于10 |
成本分析
评价药剂，应比较价格、消耗量，以及铁损、能量损失等工艺代价。只看采购成本容易误判。以下依据Schrama, F. N. H.（2021）《21世纪钢铁生产中的脱硫》（Desulphurisation in 21st century iron- and steelmaking）的成本模型，结合2025年第三季度的价格，分析不同工艺中的石灰、镁和电石。分析前请注意以下说明。
成本模型与数据来源说明
药剂消耗、铁损、温降代价，以及磨损／氮气成本，直接取自代尔夫特理工大学Schrama（2021）论文。论文中多数工业数据来自Tata Steel IJmuiden钢厂2017～2020年的运行条件。
其他钢厂的实际成本，会因当地铁水成分、设备设计、药剂品质、人工及能源价格而不同。根据文中引用，相对排序“镁*低→复合喷吹→电石+石灰→KR石灰*高”及各项代价的量级，已在多家欧洲、亚洲联合钢厂得到验证，但**美元/吨铁水数值应作为参考，不能视为普遍适用。
价格（仅采用IMARC Group）
石灰：150美元/公吨，生石灰报告，2025年第三季度。
电石：380美元/公吨，电石报告，2025年10月。
镁：2,270美元/公吨，镁报告，2025年第三季度。
药剂消耗：Schrama（2021），第8.4.2、8.5.1节
| 工艺 | 石灰（kg/tHM） | CaC₂（kg/tHM） | Mg（kg/tHM） |
|---|---|---|---|
| KR石灰 | 12～15 | — | — |
| MMI镁 | — | — | 0.6～0.8 |
| 镁+石灰复合喷吹 | 4～5 | — | 0.3～0.4 |
| 电石+石灰混合料 | 4～6 | 6～8 | — |
附加成本因素：Schrama（2021）
| 因素 | 数值 | 来源 |
|---|---|---|
| 铁损（KR石灰） | 25 kg/tHM | 第3章，第61页 |
| 铁损（其他） | 8 kg/tHM | 第3章，第62页 |
| 温降（石灰） | 30°C | 第2章，第30页 |
| 温降（电石） | 15°C | 第2章，第30页 |
| 温降（镁） | 净值0°C | 第2章，第30页 |
| 铁价格 | 420美元/公吨 | 第8章，第164页 |
| 温降成本 | 0.045美元/°C | 第8章，第165页 |
| N₂+磨损（KR） | 1.25美元/tHM | 第8章，第165页 |
| N₂+磨损（MMI／复合喷吹） | 0.55～0.80美元/tHM | 第8章，第166页 |
逐项成本计算（每吨铁水，tHM）
| 工艺 | 药剂成本 | 铁损 | 温降 | 磨损／N₂ | 环保 | 合计 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| KR石灰 | 13.5 kg×150美元/1000=2.03美元 | 25 kg×0.42美元=10.50美元 | 30°C×0.045美元=1.35美元 | 1.25美元 | 0.25美元 | 15.38美元 |
| MMI镁 | 0.7 kg×2,270美元/1000=1.59美元 | 8 kg×0.42美元=3.36美元 | 0.00美元 | 0.55美元 | 0.15美元 | 5.65美元 |
| 镁+石灰复合喷吹 | （4.5 kg×150美元+0.35 kg×2,270美元）/1000=1.47美元 | 3.36美元 | 10°C×0.045美元=0.45美元 | 0.80美元 | 0.15美元 | 6.23美元 |
| 电石+石灰混合料 | （5 kg×150美元+7 kg×380美元）/1000=3.41美元 | 3.36美元 | 15°C×0.045美元=0.68美元 | 1.00美元 | 0.30美元 | 8.75美元 |
2025年成本汇总（仅采用IMARC与Schrama）
| 工艺／药剂 | 药剂 | 铁损 | 温降 | 磨损／N₂ | 环保 | 合计（美元/tHM） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| KR石灰 | 2.03 | 10.50 | 1.35 | 1.25 | 0.25 | 15.38 |
| MMI镁 | 1.59 | 3.36 | 0.00 | 0.55 | 0.15 | 5.65 |
| 镁+石灰复合喷吹 | 1.47 | 3.36 | 0.45 | 0.80 | 0.15 | 6.23 |
| 电石+石灰混合料（鱼雷罐） | 3.41 | 3.36 | 0.68 | 1.00 | 0.30 | 8.75 |
连续铁水脱硫（CHMD）的节约效果
Schrama（2021）第8章、第167页指出：“连续脱硫使药剂用量减少10%～15%、铁损减少50%、磨损减少20%。”
| 工艺 | 间歇成本 | CHMD成本 | 节约 |
|---|---|---|---|
| 电石+石灰（鱼雷罐→CHMD） | 8.75美元 | 7.44美元 | 减少15% |
| 镁+石灰复合喷吹 | 6.23美元 | 5.30美元 | 减少15% |
*终比较（仅采用IMARC与Schrama）
| 药剂／工艺 | 成本排名 | 合计（美元/tHM） | 适用情况 |
|---|---|---|---|
| MMI镁 | 第1 | 5.65 | 超低硫、快速处理 |
| 镁+石灰复合喷吹 | 第2 | 6.23 | 兼顾成本与性能 |
| 电石+石灰（CHMD） | 第3 | 7.44 | 脱磷、HIsarna、热量、连续流程 |
| 电石+石灰（鱼雷罐） | 第4 | 8.75 | 间歇鱼雷罐中的高磷铁水 |
| KR石灰 | 第5 | 15.38 | 没有喷枪时 |
采用电石+石灰的CHMD复合喷吹工艺，电石初始采购价为380美元/公吨，与镁相比具有价格竞争力。
结语：如何选择更经济的方案
综合比较三类药剂后，文中分析认为电石和镁*具成本优势。MMI镁工艺的综合成本估计为每吨钢5.65美元；电石采购单价较低，综合成本仅比MMI镁工艺高1.8～3美元/tHM，因此也是很好的选择。
镁也存在使用难点，例如1090°C的较低沸点可能引起汽化和烟气，带来安全风险。相比之下，文中分析认为电石还有增强钢材、避免脆性的优势；电石密度较高，更安全、易于控制，并认为其渣量低于纯镁药剂。
电石（CaC₂）具有较低风险和较低初始成本，是工业企业可考虑的选择。采用串联反应器的连续HMD（CHMD）被视为未来发展方向。由于药剂消耗下降、铁损降低至1%以下，预计总体运行成本比间歇工艺降低10%～15%。
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