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时间:2020-03-31

与高炉流程相比,竖炉直接还原铁—废钢电炉流程的流程短,单套设备产能可达到年产250万吨,节能和减排CO2、SO2、NOx效果显著,是钢铁工业摆脱焦煤资源和烧结工艺的羁绊、实现绿色低碳的一项先进的炼铁技术,是我国直接还原炼铁技术的主要发展方向之一,也是传统钢铁产业转型升级的一条途径。  直接还原铁需求将有大增长  近10年来,我国的钢产量平均年增长率达到7.5%~16%,我国的钢铁蓄积量也以16%以上的年增长率迅速增加。据专家预测,到2015年我国的钢铁蓄积量将达到90亿吨。随着钢产量增长速度放缓和废钢铁产生量的增加,钢铁料消耗及转炉与电炉的比例会向着废钢铁比重增大的方向变化。若2015年废钢单耗按200千克/吨、粗钢产量按7.5亿吨计算,炼钢废钢需求量将达1.5亿吨;若2020年废钢单耗按300千克/吨、粗钢产量按8亿吨计算,炼钢废钢需求将达2.4亿吨。使用废钢的比例上升后,对纯净的铁源直接还原铁的需求将有爆发性增长。  受到资源的制约,我国直接还原铁(DRI)产量不到全球直接还原铁产量的1.5%,也不到全国高炉生铁产量的千分之二。目前我国DRI的产量不足80万吨,废钢比逐渐提高将推动中国DRI的发展。根据中国废钢铁应用协会估计,近期我国DRI的市场需求量为1500万吨~2000万吨。因此迫切须要充分利用国内资源,大力发展非高炉炼铁技术,加快发展我国的直接还原产业,提高短流程电炉炼钢的比例,降低钢铁流程的产品综合能耗,促进钢铁工业可持续发展。  发展适应国情的直接还原工艺  近几年处理大型高炉无法使用的含锌、铅和碱金属高的钢铁厂含铁尘泥的转底炉工艺在中国发展较快。转底炉的共性缺点是生产率不高,炉内的氧化性气氛使产品再氧化及原料杂质含量高,使其产品的金属化率等指标不容易达到市售DRI产品的标准,转底炉的铁产品高回收率、低成本渣铁分离技术还不成熟,因此很难受到广泛重视。但是煤基转底炉直接还原技术不用焦炭、烧结矿,可以完全使用非炼焦煤,可以直接处理传统高炉炼铁流程很难利用的各类低品质难选的含铁资源,如含硅、铝、镁、钛等量很高的氧化物,含铁45%~50%的难选且难还原的赤铁矿、钒钛磁铁矿、有色金属冶炼含铁废渣(炼铜渣、赤泥、硫酸渣等),在国内众多的低品质含铁资源综合利用工程中有较好的推广应用前景。  由于我国天然气储量和产量难以满足经济的发展要求,发展煤制天然气是一条缓解我国天然气供求矛盾的有效途径。煤制天然气具有清洁、高效等优点,美国、丹麦等许多的国家在几十年前就开始大力发展煤合成天然气产业,2008年韩国浦项投资9亿美元建设煤制天然气项目。在市场需求和天然气价格大幅上涨的拉动下,以及政府部门的大力支持下,大量投资流向煤制天然气工程,煤制天然气的技术也不断发展成熟,我国目前正在建设、2016年陆续投产的煤炭深加工煤制天然气示范项目产量将达700亿立方米/年以上。  根据我国的资源状况,直接还原铁产业应该首先发展与大型直接还原竖炉装置有效联接的低成本煤制气工艺(包括甲烷化),尽早建设形成30万吨/年~200万吨/年DRI的煤制气大型竖炉直接还原无焦炼铁生产示范线;其次应进一步开发、完善处理低品质难选矿或难选含铁废渣的煤基转底炉技术装备,使其能够低成本、低能耗地生产出合格的废钢替代品。  大型气基竖炉直接还原法具优势  近几年中国钢铁工业的发展遇到很大困难。以经济效益为中心、以市场需求为导向,控制产品总量,降低生产成本,提高产品竞争力成为中国钢铁业的主要发展方向。  尽管近几年吨钢能耗、水耗、固废等排放量指标有所改善,但由于总产量不断增长,资源、环境、生态负荷的约束已经很大。钢铁节能减排,清洁生产,最大限度地减少SO2、NOx、CO2和烟粉尘排放,构筑绿色产业体系,是我国钢铁企业转型升级的主要目标。  在国家产业升级、节能减排的大背景下,目前众多的高耗能企业徘徊在生死线边缘,急于寻求一种清洁生产的新工艺技术来升级、改造传统产业,大型煤制气竖炉直接还原工艺为钢铁企业实现绿色生产提供了一种选择。  生产经验表明,高功率电炉冶炼时炉料中搭配30%~50%直接还原铁,可提高生产率10%~25%,提高作业率25%~30%,比高炉—转炉流程可多减排CO240%~65%,钢材的物理性能明显提高。  根据文献报道,阿联酋钢铁公司(ESI)的年产160万吨DRIEnergiron(新一代直接还原技术)竖炉,其DRI产品含碳约2%~3%,DRI生产能力较电炉高10%左右。由于竖炉年作业率为90%,该厂的电炉在一段时间内必须完全使用冷DRI冶炼。在90%热DRI+10%冷DRI和100%冷DRI两种原料条件下,其天然气竖炉直接还原的工序能耗分别为61.91千克标煤/吨和98.32千克标煤/吨,其电炉的平均工序能耗为65.55千克标煤/吨,与我国宝钢股份公司的150吨电炉相当。  ESI公司Energiron工艺的吨钢综合能耗为铁矿石至钢水的能源消耗,应包括竖炉、电炉和球团工序的能耗。ESI直接还原竖炉部分的工序能耗为380.71千克标煤/吨。根据物料平衡计算,每吨钢消耗1143千克DRI,则每吨钢水消耗的DRI的能耗折算为435.15千克标煤。ESI的天然气竖炉—电炉短流程炼钢工艺的吨钢综合能耗为500.7千克标煤。再计入球团生产工序的能耗(以30千克标煤计),则竖炉—电炉短流程炼钢工艺的吨钢综合能耗为548千克标煤,比2012年《中国钢铁工业年鉴》报告的全国重点钢铁企业的平均吨钢综合能耗(603千克标煤)低9%。  根据煤化工专家介绍,在煤制天然气成本中,原材料和燃料动力费用所占比例约为60%,如果采用单位天然气发生量投资最低,氧耗、电耗最低的碎煤固定床加压气化工艺建设煤制天然气项目,在煤矿坑口使用含税价格为170元/吨褐煤,煤制天然气的生产成本为1.06元/立方米(已扣除副产品收入0.468元/立方米)。如果采用含税价为340元/吨的高硫煤、次烟煤在钢铁厂生产煤制天然气,其单位成本约为1.28元/立方米,再采用燃气—蒸汽循环热电联供机组发电,1立方米天然气可发电4千瓦时,电价可以控制在0.32元/千瓦时以下。通常大型竖炉—电炉短流程炼钢工艺生产每吨钢须消耗天然气约370立方米,耗电约420千瓦时。如果钢铁企业能够掌控一部分廉价煤炭资源,就能控制煤制天然气的生产成本,也就能够保证煤制天然气—竖炉—电炉炼钢生产的成本竞争力持平或超过传统钢铁流程,同时获得天然气代替焦炭、原煤的环境效益。  目前在我国富产煤炭的东北、华北、西北的大多数钢铁企业,若政府支持钢铁企业与煤炭生产企业的部分产能整合,通过天然气管网形成原煤—天然气—钢铁产业链,就能够建成大型煤制天然气—生产DRI—煤气发电—电炉联产和短流程钢铁企业,有助于为传统大型钢铁联合企业转型、升级换代和钢铁产品清洁生产提供一种模式,减少或完全摆脱钢铁厂对焦化、烧结两个最大污染源的依赖。  竖炉直接还原炼铁不需要焦炭和烧结矿,产品品质优良,可以自用也有大量外销的市场。高炉炼铁最大的优势是单台设备的年产能可达到300万吨,受到大型钢铁企业的青睐。为了在产能上能够与传统高炉相媲美,2011年初美国纽柯钢铁公司开始建设年产250万吨DRI的天然气竖炉,预计2013年底投产。2013年7月,奥钢 联与西门子签约,投资5.5亿欧元在美国德克萨斯州休斯敦建设年产200万吨HBI(热压铁)的直接还原竖炉,计划2016年投产。可以预见,10年内竖炉直接还原法就可能实现单台设备年产300万吨DRI。在中国的内蒙古或辽宁西部可能出现由钢铁企业出资、与采煤企业合营的煤化工企业,在煤矿坑口生产低成本的煤制天然气,通过天然气管道输送到环渤海的钢铁厂,建设采用大型直接还原竖炉生产海绵铁、采用电炉炼钢、实现发电自给的新型短流程绿色钢铁企业的示范工程,可代替一部分目前使用焦炭、烧结矿的钢铁产能。

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钢是当今人类社会和经济活动的重要材料,已渗透至人们生活的方方面面。全球面临着不断提高能源利用效率、保护环境等严峻挑战,钢材的更广泛应用仍是解决材料问题的关键。2017年,全球钢产量已达16.747亿吨,较2016年增长2.8%。未来,世界钢产量将保持持续增长的观点已是行业内外的共识。

然而,未来支撑钢生产的铁元素来源则存在相当的不确定性。传统高炉炼铁面临的节能环保及原燃料适应性压力,各种非高炉炼铁工艺的成熟可靠性、新炼铁方法开发前景,以及废钢的循环使用量等,都将影响各自在未来炼钢的铁源供应中的比重及供给的持续性。

本文将着重探讨有关高炉炼铁工艺的发展及未来适应性,并分析废钢使用量对高炉炼铁的影响,以期抛砖引玉,与行业专家同仁共谋我国炼铁健康发展良策。

各种炼铁工艺的发展状况及未来适应性

高炉炼铁工艺

在过去的20余年里,我国高炉炼铁生产的快速发展,带动了全球高炉生铁产量的大幅度增加。2017年,全球高炉生铁的产量达11.748亿吨,我国则占其中的60.5%,达7.108亿吨。

国外高炉生铁总量一直在4.5亿吨的规模徘徊。然而,这种总量的不变并非代表着各国生产的稳定,而是一些发达国家生铁产量的下降和一些发展中国家生铁产量的增加,是一个综合平衡的结果,详见图1。例如,欧洲的总产量已由1989 年的1.442亿吨降低到2017年的1.065亿吨,北美的总产量由6790余万吨降低到2017年的3291.5万吨,其中美国由5097.8万吨降低到2233.5万吨。而印度的产量则由1989年的1219万吨增加至2017年的6597.7万吨;韩国由1484.6万吨增加至4674.4万吨。

上述国内外高炉生铁产量的变化状况,除反映了高炉生产工艺总产量的稳定增长外,也反映出各国和各地区的变化受多种内外因素的影响,如废钢供应、国内经济发展,以及区域市场竞争等,存在需要深入研究的内在驱动力。

直接还原工艺

直接还原铁作为优质的电炉炼钢原料,一直有很好的市场需求量。而全球由各种直接还原工艺生产的直接还原铁DRI在经历了几十年的艰苦发展后,2016年已达7276万吨。

在2016年的直接还原铁生产中,气基直接还原工艺生产的比例仍在增加,达到82.5%,煤基回转窑的比例下降至17.5%。5个直接还原铁生产大国是:印度1847万吨,伊朗1601万吨,沙特589万吨,俄罗斯570万吨,墨西哥531万吨,五大生产国的产量占总量的70.6%。

纵观直接还原工艺的发展历史及现状,可以看出,直接还原工艺中的煤基直接还原工艺因生产规模小、效率低以及产品质量差,竞争力较差,发展较慢。气基直接还原虽具有较高的效率,但因以天然气为能源,发展空间和前景有限。对于用煤制气直接还原工艺,工艺的成熟性和经济性仍须严峻考验。

熔融还原工艺

据报道,近年来世界熔融还原铁的总产量在600万吨/年左右,未有大的突破。在3种已工业化的熔融还原工艺中,Corex 工艺除了宝钢一座C3000装置从上海搬迁至新疆八钢投产外,未有新的建设项目。Finex工艺于2014年1月在韩国浦项投产200万吨/年的装置后,虽有多个计划的项目,但未见实质启动。Hismelt工艺在澳大利亚的工业示范装置已被搬迁到我国山东,并于2017年投产,成为近几年熔融还原工艺发展的新动向。一些新的熔融还原工艺,如Hisana工艺,仍在研究开发中,但其开发力度大大减弱,进度也放缓。

分析熔融还原工艺的发展能够认识到,以克服高炉使用焦炭和块状炉料的弊端为目标的各种熔融还原工艺,在经过很长一段时间的开发和应用热潮后,一些工艺虽证明了原理的可行性,但无法体现在生产运行方面比高炉炼铁更突出的优势。此状况的一个核心问题是,为避开使用焦炭和块状炉料所采取的各种新的工艺流程和方法,都在过程能量利用率和工艺及设备条件等方面付出了额外代价。尤其是各个工艺在能量利用效率方面都很难与高炉竞争,仅生产供给炼钢用的普通铁水,其经济价值难以体现。

各工艺对未来发展的适应能力及高炉炼铁工艺的定位

未来社会发展对钢铁生产流程提出了两大挑战,一是能量消耗最低,二是CO2排放最少。国外研究了“高炉+转炉”“Finex+转炉”“直接还原竖炉+电炉”3种流程中的能耗和CO2排放情况。3种流程中均配加25%的废钢。得出的结论如下:

一是包括煤气发电的能量转换在内,“直接还原竖炉+电炉”流程的净能耗最高,“高炉+转炉”流程的净能耗最低。参见图2。

二是“高炉+转炉”和“Finex+转炉”流程的直接CO2排放量相当,约1700kg/t钢水,而“竖炉+电炉”流程的直接CO2排放为600kg/t钢水,仅为前两者的35%。但当包括间接CO2排放时,“竖炉+电炉”的CO2总量为1200kg/t钢水,是前两者的65%。参见图3。

综上所述,高炉炼铁工艺在产量规模和全球普及程度上绝对领先,在适应未来发展要求上,从净能耗的角度看占据优势,但在CO2的排放上不及直接还原工艺。但考虑到竖炉工艺的发展局限性和熔融还原的经济性等问题,在世界范围内,高炉炼铁仍将是未来最主要的炼铁工艺。结合我国的资源条件和炼铁发展状态,高炉炼铁仍将是可预见的最适应未来发展的可靠炼铁生产工艺。

废钢,高炉炼铁的宿敌?

在各种炼铁工艺中,虽然高炉炼铁最适合未来发展,但却存在一个最大威胁甚至是宿敌——废钢。废钢炼钢在吨钢能耗和CO2排放量方面的优势,已完胜用高炉铁水炼钢。未来炼钢的废钢使用量将决定高炉炼铁的生产规模。事实上,全球钢铁,特别是北美和欧洲的发展过程,已证实了这种发展趋势。

国外状况

根据国外统计,2014年,在全球炼钢使用的18.43亿吨金属料中,高炉铁水占63.8%,废钢占31.7%,直接还原铁4.1%,熔融还原0.4%。铁与钢比为0.71,扣除我国则为0.55,即国外接近一半的钢不是用铁水生产的,其中主要是用废钢。2017年全球包括我国在内,铁钢比为0.71,铁钢产量差距是5.0亿吨。这种情况在美国表现得更为突出。2017年美国产钢8164万吨,而高炉铁水仅为2233.5万吨,铁钢比低到只有0.27。

未来世界的钢产量将在16亿吨的基础上继续保持甚至增长,但随着全球废钢供应的增加,高炉铁水比例将相对钢产量逐渐下降或铁水产量绝对下降,这应该是一个必然的趋势。

我国状况

我国钢铁的发展过程也正在验证这个趋势。我国是铁钢比高的国家,而且铸造铁比例高曾长期使铁的产量大于钢的产量,铁钢比大于1。近年来,钢、铁产量均大幅度增长,铁钢比开始出现下降的趋势,从1996年的1.05降低到2017年的0.85,而这种铁钢比变化带来的钢和铁产量差已由1996年的-500万吨,拉大到2017年的1.21亿吨。

铁钢比变化的主要内在原因,正是炼钢废钢使用量的不断增加。如2001年的废钢使用量为4000万吨,2016年则达到9010万吨。特别是在2017年,随着国家全面取缔“地条钢”生产,加之炼铁环保限产及停产,使大量废钢流入正规炼钢生产流程,据报道,全年总的废钢消费量达到1.4亿吨。

未来高炉炼铁生产

在钢铁生产节能减排以及废钢供应量不断增加的大趋势下,全球的高炉炼铁产量与钢产量之间的差距会继续扩大,高炉铁水的总产量会稳中有降。当然这不排除个别地区一段时期的高炉铁水产量增加。

对于我国来说,随着经济从高速增长转变为中速稳定发展,以及一些国家不断加重的贸易保护主义造成的我国钢材出口量下降,预计在未来一段时间,我国钢产量将保持基本稳定,炼钢对铁源的需求也将保持基本不变。

在这种情况下,炼钢废钢的使用量将决定着高炉生铁的产量。我国的钢铁积蓄量已超过80亿吨,废钢供应量超过1.5亿吨/年,而且持续增加。有专家预测,到2020年,我国废钢供应会达到2.7亿吨。炼钢使用废钢相较于使用高炉铁水具有的节能减排优势,在当今我国严格要求钢铁生产节能环保的大环境下,更显得突出。如果上述废钢供应量得以实现,而且质量得以保证,随着电炉减少吃铁水,新建电炉以及新流程电炉投产和转炉增加废钢比,我国高炉炼铁产量开始逐步下降将是大概率事件。

当然,根据我国现有的炼铁生产规模和经济竞争性,以及废钢的供应量,在各种综合因素的影响下,在相当长一段时间内,高炉炼铁虽会产量下降,但仍将保持其巨大的生产规模。

高炉炼铁工艺未来发展趋势的分析

面对废钢对高炉炼铁生产的冲击,高炉工艺本身需要不断地完善,进一步提高能量利用率,降低CO2排放,特别是降低生产成本。在现有巨大存量生产规模条件下,高炉工艺如能继续保持生命力,高炉—转炉流程仍将具有足够的竞争力,并为企业赢得生存和发展条件。

高炉炼铁工艺需要自我完善

高炉吃废钢或直接还原铁,建立“四元”高炉炉料结构概念

建议将废钢纳入高炉的炉料结构中,形成“烧结矿+球团矿+块矿+废钢”的“四元”高炉入炉原料结构概念,并作为提升高炉炼铁流程的适应能力、提高竞争力的一个重要的措施。当废钢回收成本下降,供应充足,价格降低,或企业正常高炉生产受到限制时,此措施更有吸引力。废钢作为含金属铁的物料,加入高炉使用将带来炼铁能耗的大幅降低和CO2排放的显著减少。高炉吃废钢等金属料在国外已有很多的实践。我国一些钢厂也尝试用各种方法在高炉炼铁中使用废钢,甚至许多厂是从铁沟加入,以期增加产量,降低成本。很显然,这种急功近利的做法存在许多问题,不是行业长期健康发展所提倡的。

提出将废钢纳入高炉炉料系统中,建立“四元炉料结构”的理念,是希望从高炉炼铁工艺的角度出发,建立废钢种类及品质分析评价体系,确定适合于高炉使用的废钢质量标准,以及高炉使用含废钢炉料的操作方法,以期实现高炉使用废钢价值的最大化,扩大废钢的使用量,提升高炉炼铁的竞争力。

高炉炼铁流程优化

高炉炼铁流程包括焦化、造块、高炉热风炉、高炉本体、高炉喷煤、煤气净化、渣处理等多个工序,是一个极其复杂的过程。高炉炼铁流程的优化是提高各相关工序之间的匹配程度,以达到最佳的综合效果。可开展的改进工作举例如下:

一是不断降低返矿量,实现无返矿炼铁。不断降低返矿量一直是行业努力的方向。国外先进企业已达到140kg/t烧结矿的水平。某国外高炉甚至将高炉槽下的返矿全部加入高炉,实现高炉零返矿。我国平均的返矿量仍较高,一些企业的总返矿量高达500kg/tFe~800kg/tFe。设想降低返矿量的终极目标是实现无返矿炼铁,即返矿全部入高炉,其中,1mm的颗粒矿部分从炉顶加入高炉,≤1mm的粉尘部分可采取风口喷吹或冷压块的方式使用。实现无返矿炼铁工艺的关键,在于高炉接收颗粒矿的能力。研究发现,高炉炉顶加料可允许的铁料粒度下限是0.2mm。实际高炉通过对炉料RDI性能的改进以及综合布料和煤气流控制,能够接纳大量小于5mm的颗粒矿。

二是全焦入炉。全焦入炉是将焦化生产的全部焦炭及焦炉煤气全部用于高炉,实现炼铁的焦炭成本最小化。工作的重点是焦粉入炉和焦炉煤气喷吹。

研究认为,焦粉可以全部在高炉得到使用,且经济价值显著。焦粉入炉的工艺流程是将焦粉进一步筛分,其中的颗粒部分与入炉铁料混合,从高炉炉顶加入;而粉末部分则加到喷吹原煤中,经制粉和喷吹系统,与煤粉一起喷入高炉。

焦炉煤气喷吹是将焦炉煤气加压后,通过高炉风口喷入,从而起到降低焦比和煤比的作用。研究表明,焦炉煤气用于高炉喷吹,与其他多个用途相比,具有明显的优势:能量利用率高,能发挥其含氢量高的特点,改善高炉还原过程,降低高炉固体燃料比效果好,高炉混喷焦炉煤气喷吹量大,且调节灵活方便,是能量优化的最佳方案。国外的焦炉煤气喷吹实践和国内开展的多次工业试验及应用,已证明其经济价值。对于仍存在焦炉煤气不同程度放散现象的企业,高炉混喷是杜绝此现象的最佳手段。

三是高炉复合喷吹。风口喷吹已是高炉燃料输入的重要组成部分。高炉复合喷吹是根据资源条件的变化,改变喷吹物料的组成,实现高炉最佳喷吹效果,代表了高炉喷吹的技术发展方向,也是高炉炼铁流程中喷吹工序与高炉工序优化结合的重要内容。我国在高炉混喷方面有很大的发展潜力,在混喷燃料的种类上也有多种选择,除了混喷焦炉煤气外,天然气、焦油、废塑料、废油等在某些特定条件下都可成为混喷的选择。对于现代高炉,应配备灵活的混喷系统,以体现其适应不同时期不同燃料条件的能力,持续保持最佳的喷吹经济效益。

四是热风炉高效送风。热风炉高效送风是在热风炉稳定送风的基础上,进一步优化鼓风组成和改进送风系统,为高炉提供最佳品质的热风。主要内容包括:根据高炉风口燃烧温度的要求,自动调节鼓风参数,实现恒理燃送风;降低送风系统尤其是风口的冷却热损失,有效提高实际入炉热风温度。

此外,高炉炼铁流程中还存在许多工序之间需要深入研究的方面。例如,能否实现高炉热矿热焦入炉使能量流更合理,如何有效回收高炉炉渣的显热等。这些理论上可行,但距离工业应用还有很大距离的项目,需要研发单位与生产企业密切合作和持久的努力。

高炉炼铁工艺操作控制的改进提高

相对高炉炼铁工序之间的大量优化改进,在各工序内部更存在许多需要不断提高完善的地方。

一是提高高炉操作者的专业素质,提升高炉运行的把控能力。高炉运行指标虽在很大程度上受原燃料质量的影响,但最终的决定因素是高炉操作者的操作水平。现代高炉炼铁要求高炉操作者具备扎实的冶金物理化学知识,同时要掌握高炉冶炼过程的原理、高炉运行中各种现象的本质和相互联系,要认清高炉运行的复杂性,理解控制手段的两面甚至多面性,即要“知道如何做,更知道为何做”。因此,高炉操作者拥有基本专业教育背景,经过专业技能培训,通过测试检验,应当成为合格高炉操作者的判定标准和上岗必要条件。同时,还要给予在岗高炉操作者定期的培训,更新扩展专业和相关知识,充分运用现代技术,不断提高高炉操作水平。这些需要行业学会的努力,更需要企业的重视。

二是统一高炉操作理念,实行标准化操作制度。随着对高炉内部现象认识的深入和监测控制手段的完善,高炉操作正在从凭经验到靠数据的转变,并向智能化方向发展。操作理念的统一和操作制度的标准化,是这一发展的基础。国内外先进的企业在内部已实现了这一目标。然而,我国许多企业在此方面尚存在较大差距。不得不指出的是,以原料条件不同、高炉装备状况有别以及地区差异等为由,认定操作理念和操作制度区别的合理性,在一些情况下,很可能是影响高炉操作水平提高和高炉生产指标改进的障碍。因此,应以国内外先进企业的高炉操作理念和操作制度方法为依据,形成全行业的共识和标准,这样才能够有效地促进我国高炉操作整体水平的提高。

三是应用先进的高炉监控技术。高炉炼铁工艺的技术进步还体现在生产过程监控技术的不断发展和日臻完善上。然而,我国一些钢铁企业,尤其是中小企业,生产工艺监控系统有缺失,亟待改进。例如,高炉炉顶煤气成分及径向分布是反映炉内能量利用率和冶炼状况的最快捷和最及时的参数,是高炉操作调节所依据的重要信号,是高炉实现布料智能控制的重要支撑条件。炉顶煤气分析系统应是高炉的必备监测装置,且应当得到充分的利用。

原料仍然是高炉高效节能和降低成本的基础

一是保持原料的稳定性是基础的基础。多年的实践已经充分证明,炼铁原料的物理化学性能变化必然带来高炉行程的变化。频繁的变料和原料性能的波动,将引起高炉的运行处于波动状态。由于高炉尤其是大高炉运行的惯性较大,原料波动使高炉重新达到平衡状态所需时间长,尤其是形成稳定软熔带所需的时间较长。原料的频繁波动将使高炉大多数时间在不稳定的非优化的状态运行,高炉很难取得好的指标,成本也难以降低。新的大数据技术结合原料化学成分在线分析,将给原料的稳定性提供新的技术解决方案。

二是合理优化炉料结构。对于一个具体的企业而言,炉料结构的优化取决于许多因素,包括资源、节能减排、环保、成本、操作习惯等。然而,由于资源充足、节能环保,增加块矿比例将是一个无可争议的趋势。烧结矿加工成本,包括环保成本比球团高,但烧结以粉矿为主在原料成本上有优势。球团工艺由于受原料供应和成本限制,在中国很难有大的发展;并且,烧结和球团的成本由于环保因素还在继续升高。高炉加废钢可能增加,但受成本和出铁能力限制,增加不会太快。因此在中国,大多数高炉的炉料结构将是烧结矿加块矿,一些企业是烧结矿加块矿加球团矿。

三是高炉应加大力度追求低渣量。在未来低碳和低能耗的环境下,高炉低渣量操作在高炉渣热有效回收之前仍是大多数高炉提高热效率的最大潜力,因为高炉渣带走的热量是无效的二次能源。渣比小于270kg/tHM将是4000m3以上高炉的最低要求。

提高煤气利用率可直接降低燃料比,如果保持渣量不变,对高炉的热效率提高作用不明显。降低高炉焦比也要大幅度降低渣量。高炉作为铁水的生产设备,同时也可以作为煤气发生炉。如果焦炭成本相对较低,适当提高燃料比,高炉可产生更多的清洁煤气。通过提高煤气利用率可以降低高炉燃料比,但煤气热值和煤气量下降,节能作用有限。要降低渣量,高炉要使用低硅烧结矿、高质量块矿或球团矿。这里,高品位矿能降低渣比的理念并不准确。高炉渣量更多取决于矿石SiO2含量的高低。当然,合适的铝硅比也是降低渣量的关键。烧结矿的SiO2降到4.2%~4.3%应是今后的努力方向。

未来的高炉炼铁流程:用氢还是“跨界组合”?

高炉炼铁流程的长远未来,仍无法回避其高CO2排放带来的巨大潜在问题。除了原料组成和工艺本身的完善改进外,人们探索在高炉中用氢来替代碳或将高炉炼铁与化工生产联合的“跨界组合”方式,来实现CO2排放的有效降低。

在用氢替碳方面,德国教授Peter Schmoele计算表明,当用40kg/t氢气替代200kg/t煤比时,CO2减排量从1527kg/tHM减少到1235kg/tHM,降低292kg/tHM。当然,从当前的价格体系来看,这是完全不经济的。

采用“跨界组合”的方法,将包括高炉煤气在内的含碳煤气用来生产甲醇、燃料、尿素等,从不同行业的更大和更全面的CO2减排方面来看,提供了更广阔的思维空间。德国蒂森公司已发起并联合一些大公司开展了称之为“Project Carbon2Chem”的研究项目。

结语

虽然无法准确预知高炉炼铁工艺的未来,但高炉工艺已取得的巨大优势,不断的流程改进和工序完善,加上持续的革新探索,将使高炉炼铁工艺在高效节能和经济性上,长久保持其强大的竞争力。