高爐煉鐵與非高爐煉鐵技術(shù)比較
2018年重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)加大節(jié)能工作力度,采取綜合措施，為完成國家規(guī)定的節(jié)能減排目標(biāo)努力工作,實(shí)現(xiàn)了煉鐵系統(tǒng)工序能耗全面下降,為我國鋼鐵工業(yè)完成“十三五”節(jié)能目標(biāo)做出了貢獻(xiàn)。
2018年重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)煉鐵、球團(tuán)工序能耗,與上年相比均有所下降,詳見表1。
各工序能耗最高值與最低值相差懸殊,說明重點(diǎn)煉鐵企業(yè)之間生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展不平衡，各企業(yè)生產(chǎn)條件差異也較大，計(jì)算方法還有不一致的地方。企業(yè)進(jìn)行對標(biāo)活動(dòng)要進(jìn)行細(xì)致分析，才能得出正確的結(jié)論。企業(yè)存在差距，說明企業(yè)尚有一定的節(jié)能潛力，還要加大淘汰落后設(shè)備的工作力度。
//高爐煉鐵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)//
2018年全國重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)高爐煉鐵燃料比（部分企業(yè)未含小塊焦比）為536.43千克/噸，比上年度上升0.42千克/噸；入爐焦比為372.11千克/噸，比上年上升3.56千克/噸；噴煤比為139.12千克/噸，比上年下降2.89千克/噸。2018年重點(diǎn)企業(yè)高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)多項(xiàng)目在下降,具體情況見表2。
目前，我國煉鐵企業(yè)是多層次的，先進(jìn)與落后企業(yè)并存，處于不同發(fā)展水平階段。為促進(jìn)我國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，提升煉鐵企業(yè)的市場競爭力，我們應(yīng)當(dāng)加大力度推廣成熟、先進(jìn)、實(shí)用的煉鐵技術(shù)裝備。
//非高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展情況//
總體上，我國非高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展緩慢，沒有重大的新進(jìn)展，生產(chǎn)技術(shù)水平大大落后于國際先進(jìn)水平。近年來，我國還原鐵產(chǎn)量一直低于60萬噸/年。隧道窯直接還原鐵廠生產(chǎn)能耗高、污染物排放高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，要逐步淘汰。2007年國內(nèi)鋼鐵企業(yè)引進(jìn)了COREX，改進(jìn)了許多設(shè)計(jì)和工藝上的重大不足，現(xiàn)已基本上掌握了生產(chǎn)技術(shù)，達(dá)到了比較好的狀態(tài)，但仍有許多問題需要進(jìn)一步解決。表3為COREX生產(chǎn)情況。
近年來，我國建成了一批轉(zhuǎn)底爐。轉(zhuǎn)底爐是爐料在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的盤子上進(jìn)行加熱、還原的爐子，主要是依靠輻射傳熱，熱效率較低，靠盤底部面的加熱和還原氣氛均不充分，其產(chǎn)品的金屬化率低（一般在60%~80%），能耗高（熱效率最高50%），含F(xiàn)eO高，很難達(dá)到電爐需要的原料質(zhì)量。因此，產(chǎn)品金屬化率、工序能耗、生產(chǎn)成本與高爐相比均有不足之處。其主要問題是：產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)不到電爐生產(chǎn)要求的標(biāo)準(zhǔn)（直接還原鐵的質(zhì)量要求：H88級(jí)含鐵品位＞88%~90%，H90級(jí)含鐵品位應(yīng)大于90%~92%，H94級(jí)要求含鐵＞94%；金屬化率1級(jí)要求＞94%，2級(jí)＞92%，3級(jí)＞90%，4級(jí)＞88%；SiO2含量＜3%~7.5%）。含SiO2每升高1%，電爐煉鋼要多加2%的石灰，渣量增加30千克/噸，電爐多耗電18.5千瓦時(shí)/噸。
行業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，轉(zhuǎn)底爐處理含鐵塵泥是合理的，產(chǎn)品金屬化率低，給高爐用可降低焦比，不能給電爐用；如果用鐵礦石在轉(zhuǎn)底爐進(jìn)行還原，成本也高，工藝上行不通。如果用轉(zhuǎn)底爐處理釩鈦磁鐵礦，回收氧化鈦，雖能耗高，但經(jīng)濟(jì)性好。
非高爐煉鐵技術(shù)新進(jìn)展：2016年首鋼和山東墨龍HIsmeit工藝（使用鐵礦粉、煤粉、溶劑進(jìn)行噴吹；用含35%~40%的氧、1200攝氏度的熱風(fēng)進(jìn)行冶煉）生產(chǎn)運(yùn)行成功；2017年日產(chǎn)量、月產(chǎn)量達(dá)到原HIsmeit工廠過去歷史最高產(chǎn)量兩倍以上（單月最大產(chǎn)量50572噸/月），年底已生產(chǎn)25萬噸高純特種生鐵，爐襯僅有輕微侵蝕，壽命明顯延長。該工藝與高爐流程相比，環(huán)保指標(biāo)顯示：SOX排放減少90%，NOX排放減少40%，CO2排放減少20%，無二噁英產(chǎn)生。
現(xiàn)在，我國應(yīng)加強(qiáng)研究和跟蹤國內(nèi)外非高爐煉鐵技術(shù)新進(jìn)展，不要大規(guī)模推廣新建非高爐煉鐵設(shè)施，避免造成負(fù)面的影響。
//國外非高爐煉鐵技術(shù)進(jìn)展//
ENERGIRON 直接還原技術(shù)。
達(dá)涅利在阿聯(lián)酋阿布扎比的ENERGIRON 直接還原技術(shù)是一種氣基直接還原煉鐵工藝，即以原“HYL”直接還原工藝為核心，與達(dá)涅利工程技術(shù)相結(jié)合所形成的直接還原的成套技術(shù)。它是以入爐品位達(dá)67%（即SiO2+Al2O3＜4% ）的球團(tuán)礦和/或塊礦為原料，不能用粉礦，以天然氣裂解后的含有90%左右的H2 和CO 的煤氣為還原劑，通過在豎爐內(nèi)高溫1000攝氏度、干燥氣溫度（970攝氏度）、高壓（6bar）條件下，氣固兩相相向而行，完成傳熱和鐵礦石的還原反應(yīng)，最終生成溫度約700攝氏度的直接還原鐵，給電爐煉鋼供應(yīng)原料。
由于豎爐出來的煤氣進(jìn)行了蒸汽重整，脫除了CO2,其消耗量不應(yīng)很低。這樣可以估算ENERGIRON 工藝的工序能耗在350千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸～400千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸 范圍之內(nèi)。該技術(shù)是先進(jìn)、成熟、可靠的非高爐煉鐵技術(shù)。
韓國浦項(xiàng)FINEX技術(shù)。
原燃料使用情況。鐵礦石：入爐品位在61%，粒度在1毫米左右，用3種~4種礦石(巴西球團(tuán)約50%，品位65%；本溪磁鐵礦約30%；印度礦、新西蘭沙鐵)，添加白云石、石灰石與鐵礦石混均，再進(jìn)入預(yù)還原爐。
煤炭：灰分在6%~8%，動(dòng)力煤占約30%，煉焦煤占1/4，壓成14.57毫米的煤塊，要用約50千克/噸的小塊焦。
反應(yīng)爐（流化床）有4級(jí)。用脫除CO2的煤氣（熱值約為1400大卡/立方米）在流化床內(nèi)對鐵礦石進(jìn)行還原?？刂茽t內(nèi)溫度在720攝氏度~750攝氏度（生產(chǎn)時(shí)需要對反應(yīng)爐進(jìn)行補(bǔ)熱，要吹氧10立方米/噸），礦石還原度為60%~70%。這樣，可以保證礦粉不粘結(jié)，出礦溫度在750攝氏度，進(jìn)入直接還原鐵壓塊機(jī)，進(jìn)行壓塊。壓塊后還原鐵(溫度在650攝氏度)進(jìn)入熔融汽化爐。
熔融汽化爐情況。熔融汽化爐內(nèi)壓力45Bar，有26個(gè)~28個(gè)風(fēng)口，風(fēng)口直徑26厘米。爐內(nèi)礦床高度約7米，風(fēng)口區(qū)溫度可達(dá)3000攝氏度，料面下部溫度可達(dá)1050攝氏度。向爐內(nèi)吹氧的溫度在25攝氏度。加入熔融汽化爐內(nèi)的塊礦尚有30%~40%沒有在流化床內(nèi)還原，需要在熔融汽化爐內(nèi)完成還原。熔融汽化爐產(chǎn)煤氣量在1600立方米/噸~1700立方米/噸，渣鐵比為300千克/噸左右，灰鐵比在50千克/噸~60千克/噸。
工序消耗。
在上述原燃料質(zhì)量的前提下，最低原煤消耗為710千克/噸。其中包括約160千克/噸的煤粉，50千克/噸的小塊焦（按每噸焦1.4噸原煤計(jì)算），氧耗為450立方米/噸~480立方米/噸。
FINEX對原燃料質(zhì)量的要求比較苛刻，并且沒有完全擺脫對焦炭和焦煤的需求。我國缺少高質(zhì)量的爐料。
目前，F(xiàn)INEX消耗原煤指標(biāo)710千克/噸，是在礦品位61%、煤的灰分6%~8%、用50千克/噸小塊焦炭、450立方米/噸~480立方米/噸氧氣條件下實(shí)現(xiàn)的。如原燃料質(zhì)量下降，指標(biāo)還要惡化。浦項(xiàng)高爐燃料比在480千克/噸,入爐礦品位在57%。所以，F(xiàn)INEX能耗要比高爐高。
一般情況，F(xiàn)INEX投資要比高爐高。浦項(xiàng)新建設(shè)的200萬噸/年的FINEX設(shè)施投資約79億元。
FINEX風(fēng)口、熔化爐壽命低，遠(yuǎn)低于高爐的15年。FINEX供鐵能力和間斷性，對煉鋼、軋鋼會(huì)產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。
多年來，世界直接還原鐵產(chǎn)量小、占高爐鐵的比例較低，說明直接還原鐵生產(chǎn)還不是主體。
//熔融還原成本較高//
熔融還原在理論和生產(chǎn)實(shí)踐上，能耗和成本上比高爐高。原因如下：
一是高爐有熱風(fēng)爐，熔融還原設(shè)施沒有熱風(fēng)爐。高爐煉鐵所需的能源有78%來自碳素（焦炭和煤粉）燃燒，有19%來自熱風(fēng)，3%是爐料化學(xué)反應(yīng)熱。熱風(fēng)爐熱量是依靠燃燒高爐煤氣獲得的。熱風(fēng)爐的熱效率在80%以上。所以，高爐是個(gè)高效的煉鐵設(shè)施。熔融還原設(shè)施沒有熱風(fēng)爐，其產(chǎn)生的煤氣用于發(fā)電。煤氣發(fā)電，能源利用效率小于45%，是工序能耗比高爐高的主要原因。
二是高爐煉鐵鐵礦石有45%以上是間接還原。間接還原不需要能量，是放熱反應(yīng)，且反應(yīng)是在爐內(nèi)進(jìn)行。
熔融還原是利用多級(jí)流化床，實(shí)現(xiàn)鐵礦石的部分還原，需要一定的外來的能量。這樣，礦石還原的能量就要高。
目前，熔融還原還不能完全擺脫對焦炭的需求，焦化工序的能耗還要計(jì)入熔融還原的能耗。
高爐流程煉鐵能耗有優(yōu)勢。東北大學(xué)趙慶杰教授的不同工藝直接還原鐵能耗比較見表5。高爐流程產(chǎn)品是熱鐵水，直接還原產(chǎn)品是固態(tài)的海綿鐵，海綿鐵要變成熱鐵水需要能量，故高爐流程煉鐵在能源消耗上有優(yōu)勢。
2018年重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)高爐煉鐵平均工序能耗392.13千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸，有27個(gè)企業(yè)的高爐能耗低于390千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸；平均煉鐵燃料比為536.43千克/噸,平均入爐焦比372.11千克/噸。2018年沙鋼5800立方米高爐和中國寶武集團(tuán)寶鋼4號(hào)高爐燃料比為488千克/噸和489.57千克/噸，入爐焦比分別為317千克/噸和291.98千克/噸。2011年寶鋼COREX的能耗為593.87千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸。
表3~表6的數(shù)據(jù)表明高爐煉鐵工藝的能耗是低于COREX和FINEX；轉(zhuǎn)底爐的產(chǎn)品是固態(tài)，要進(jìn)行熔化是需要一定熱量的。
高爐煉鐵成本低。2017年，我國重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)鋼鐵企業(yè)平均高爐煉鐵成本是2017.97元/噸，有8家企業(yè)低于1900元/噸，太鋼的生鐵成本只有1656.96元/噸。這些高爐使用的原燃料質(zhì)量遠(yuǎn)低于熔融還原要求的質(zhì)量。如2018年，重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)高爐入爐品位57.42%，焦炭M40為87.64%，M10為6.01%，灰分為12.63%，硫分為0.82%；而EINEX使用礦石的品位是61%，煤的灰分在6%~8%等，所以高爐煉鐵的成本低。實(shí)踐表明，COREX和FINEX的生產(chǎn)成本是高于高爐煉鐵工藝的成本。
對高爐使用金屬化爐料要結(jié)合能源來源。理論上，高爐使用金屬化爐料生產(chǎn)，每提高金屬化率1%,可降低燃料比0.5%~0.6%。這里包括直接還原鐵、金屬化球團(tuán)礦和燒結(jié)礦等。但生產(chǎn)直接還原鐵、金屬化球團(tuán)礦和燒結(jié)礦消耗能量，如果利用鋼鐵聯(lián)合企業(yè)內(nèi)部的二次能源生產(chǎn)出來的這些產(chǎn)品，煉鐵系統(tǒng)的能耗會(huì)得到降低。如利用外來的能源生產(chǎn)這些產(chǎn)品，再加上高爐煉鐵的能耗，煉鐵系統(tǒng)的能耗和成本就要上升。歐美的部分高爐生產(chǎn)實(shí)踐已證明了這一點(diǎn)。
直接還原鐵所用原料含鐵品位要求：赤鐵礦＞66.5%，磁鐵礦＞67.5%，脈石（SiO2+Al2O3）含量＜3%～5%，有害雜質(zhì)含量少。直接還原鐵生產(chǎn)要求還原氣體中CO+H2＞90%,一般是天然氣。我國高品位鐵礦石少，天然氣資源不足（煤制氣成本高），故我國不適宜大力發(fā)展直接還原鐵生產(chǎn)。
美國、歐洲、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)不具備生產(chǎn)直接還原鐵的優(yōu)良條件，他們也沒有去追求過度發(fā)展直接還原鐵。我國缺乏直接還原鐵生產(chǎn)所需的良好條件，應(yīng)理性地對待這個(gè)問題，特別是要注意其經(jīng)濟(jì)性。
