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高爐煉鐵與非高爐煉鐵技術比較

2019-05-27 09:17:00     作者:

  王維興 

    

  

  2018年重點鋼鐵企業加大節能工作力度,采取綜合措施,為完成國家規定的節能減排目標努力工作,實現了煉鐵系統工序能耗全面下降,為我國鋼鐵工業完成“十三五”節能目標做出了貢獻。 

  2018年重點鋼鐵企業煉鐵、球團工序能耗,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,說明重點煉鐵企業之間生產技術發展不平衡,各企業生產條件差異也較大,計算方法還有不一致的地方。企業進行對標活動要進行細致分析,才能得出正確的結論。企業存在差距,說明企業尚有一定的節能潛力,還要加大淘汰落后設備的工作力度。 

  

  

  

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高爐煉鐵技術經濟指標
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  2018年全國重點鋼鐵企業高爐煉鐵燃料比(部分企業未含小塊焦比)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年重點企業高爐技術經濟指標多項目在下降,具體情況見表2。 

  目前,我國煉鐵企業是多層次的,先進與落后企業并存,處于不同發展水平階段。為促進我國煉鐵生產技術進步,實現節能減排目標,提升煉鐵企業的市場競爭力,我們應當加大力度推廣成熟、先進、實用的煉鐵技術裝備。     

  

  

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非高爐煉鐵技術發展情況
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  總體上,我國非高爐煉鐵技術發展緩慢,沒有重大的新進展,生產技術水平大大落后于國際先進水平。近年來,我國還原鐵產量一直低于60萬噸/年。隧道窯直接還原鐵廠生產能耗高、污染物排放高、產品質量不穩定,要逐步淘汰。2007年國內鋼鐵企業引進了COREX,改進了許多設計和工藝上的重大不足,現已基本上掌握了生產技術,達到了比較好的狀態,但仍有許多問題需要進一步解決。表3為COREX生產情況。 

  近年來,我國建成了一批轉底爐。轉底爐是爐料在一個旋轉的盤子上進行加熱、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,其產品的金屬化率低(一般在60%~80%),能耗高(熱效率最高50%),含FeO高,很難達到電爐需要的原料質量。因此,產品金屬化率、工序能耗、生產成本與高爐相比均有不足之處。其主要問題是:產品品質達不到電爐生產要求的標準(直接還原鐵的質量要求:H88級含鐵品位>88%~90%,H90級含鐵品位應大于90%~92%,H94級要求含鐵>94%;金屬化率1級要求>94%,2級>92%,3級>90%,4級>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/噸。 

  行業內人士認為,轉底爐處理含鐵塵泥是合理的,產品金屬化率低,給高爐用可降低焦比,不能給電爐用;如果用鐵礦石在轉底爐進行還原,成本也高,工藝上行不通。如果用轉底爐處理釩鈦磁鐵礦,回收氧化鈦,雖能耗高,但經濟性好。 

  非高爐煉鐵技術新進展:2016年首鋼和山東墨龍HIsmeit工藝(使用鐵礦粉、煤粉、溶劑進行噴吹;用含35%~40%的氧、1200攝氏度的熱風進行冶煉)生產運行成功;2017年日產量、月產量達到原HIsmeit工廠過去歷史最高產量兩倍以上(單月最大產量50572噸/月),年底已生產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,環保指標顯示:SOX排放減少90%,NOX排放減少40%,CO2排放減少20%,無二噁英產生。 

  現在,我國應加強研究和跟蹤國內外非高爐煉鐵技術新進展,不要大規模推廣新建非高爐煉鐵設施,避免造成負面的影響。    

  

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國外非高爐煉鐵技術進展
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  ENERGIRON 直接還原技術。 

  達涅利在阿聯酋阿布扎比的ENERGIRON 直接還原技術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,與達涅利工程技術相結合所形成的直接還原的成套技術。它是以入爐品位達67%(即SiO2+Al2O3<4% )的球團礦和/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,最終生成溫度約700攝氏度的直接還原鐵,給電爐煉鋼供應原料。 

  由于豎爐出來的煤氣進行了蒸汽重整,脫除了CO2,其消耗量不應很低。這樣可以估算ENERGIRON 工藝的工序能耗在350千克標準煤/噸~400千克標準煤/噸 范圍之內。該技術是先進、成熟、可靠的非高爐煉鐵技術。 

  韓國浦項FINEX技術。 

  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,再進入預還原爐。 

  煤炭:灰分在6%~8%,動力煤占約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。 

  反應爐(流化床)有4級。用脫除CO2的煤氣(熱值約為1400大卡/立方米)在流化床內對鐵礦石進行還原。控制爐內溫度在720攝氏度~750攝氏度(生產時需要對反應爐進行補熱,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,出礦溫度在750攝氏度,進入直接還原鐵壓塊機,進行壓塊。壓塊后還原鐵(溫度在650攝氏度)進入熔融汽化爐。 

  熔融汽化爐情況。熔融汽化爐內壓力45Bar,有26個~28個風口,風口直徑26厘米。爐內礦床高度約7米,風口區溫度可達3000攝氏度,料面下部溫度可達1050攝氏度。向爐內吹氧的溫度在25攝氏度。加入熔融汽化爐內的塊礦尚有30%~40%沒有在流化床內還原,需要在熔融汽化爐內完成還原。熔融汽化爐產煤氣量在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噸原煤計算),氧耗為450立方米/噸~480立方米/噸。 

  FINEX對原燃料質量的要求比較苛刻,并且沒有完全擺脫對焦炭和焦煤的需求。我國缺少高質量的爐料。 

  目前,FINEX消耗原煤指標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/噸氧氣條件下實現的。如原燃料質量下降,指標還要惡化。浦項高爐燃料比在480千克/噸,入爐礦品位在57%。所以,FINEX能耗要比高爐高。 

  一般情況,FINEX投資要比高爐高。浦項新建設的200萬噸/年的FINEX設施投資約79億元。 

  FINEX風口、熔化爐壽命低,遠低于高爐的15年。FINEX供鐵能力和間斷性,對煉鋼、軋鋼會產生巨大的負面影響。 

  多年來,世界直接還原鐵產量小、占高爐鐵的比例較低,說明直接還原鐵生產還不是主體。 

  

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熔融還原成本較高
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  熔融還原在理論和生產實踐上,能耗和成本上比高爐高。原因如下: 

  一是高爐有熱風爐,熔融還原設施沒有熱風爐。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,3%是爐料化學反應熱。熱風爐熱量是依靠燃燒高爐煤氣獲得的。熱風爐的熱效率在80%以上。所以,高爐是個高效的煉鐵設施。熔融還原設施沒有熱風爐,其產生的煤氣用于發電。煤氣發電,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,且反應是在爐內進行。 

  熔融還原是利用多級流化床,實現鐵礦石的部分還原,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入熔融還原的能耗。 

  高爐流程煉鐵能耗有優勢。東北大學趙慶杰教授的不同工藝直接還原鐵能耗比較見表5。高爐流程產品是熱鐵水,直接還原產品是固態的海綿鐵,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勢。 

  2018年重點鋼鐵企業高爐煉鐵平均工序能耗392.13千克標準煤/噸,有27個企業的高爐能耗低于390千克標準煤/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寶鋼4號高爐燃料比為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593.87千克標準煤/噸。 

  表3~表6的數據表明高爐煉鐵工藝的能耗是低于COREX和FINEX;轉底爐的產品是固態,要進行熔化是需要一定熱量的。 

  高爐煉鐵成本低。2017年,我國重點統計鋼鐵企業平均高爐煉鐵成本是2017.97元/噸,有8家企業低于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量遠低于熔融還原要求的質量。如2018年,重點鋼鐵企業高爐入爐品位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。實踐表明,COREX和FINEX的生產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合能源來源。理論上,高爐使用金屬化爐料生產,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、金屬化球團礦和燒結礦等。但生產直接還原鐵、金屬化球團礦和燒結礦消耗能量,如果利用鋼鐵聯合企業內部的二次能源生產出來的這些產品,煉鐵系統的能耗會得到降低。如利用外來的能源生產這些產品,再加上高爐煉鐵的能耗,煉鐵系統的能耗和成本就要上升。歐美的部分高爐生產實踐已證明了這一點。 

  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%,有害雜質含量少。直接還原鐵生產要求還原氣體中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展直接還原鐵生產。 

  美國、歐洲、日本等工業發達國家和地區不具備生產直接還原鐵的優良條件,他們也沒有去追求過度發展直接還原鐵。我國缺乏直接還原鐵生產所需的良好條件,應理性地對待這個問題,特別是要注意其經濟性。 

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯:楊小光

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