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高炉炼铁与非高炉炼铁技术比较

2019-05-27 09:17:00      作者:

  王维兴 

    

  

  2018年重点钢铁企业加大节能工作力度,采取综合措施,为完成国家规定的节能减排目标努力工作,实现了炼铁系统工序能耗全面下降,为我国钢铁工业完成“十三五”节能目标做出了贡献。 

  2018年重点钢铁企业炼铁、球团工序能耗,与上年相比均有所下降,详见表1。 

  各工序能耗最高值与最低值相差悬殊,说明重点炼铁企业之间生产技术发展不平衡,各企业生产条件差异也较大,计算方法还有不一致的地方。企业进行对标活动要进行细致分析,才能得出正确的结论。企业存在差距,说明企业尚有一定的节能潜力,还要加大淘汰落后设备的工作力度。 

  

  

  

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高炉炼铁技术经济指标
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  2018年全国重点钢铁企业高炉炼铁燃料比(部分企业未含小块焦比)为536.43千克/吨,比上年度上升0.42千克/吨;入炉焦比为372.11千克/吨,比上年上升3.56千克/吨;喷煤比为139.12千克/吨,比上年下降2.89千克/吨。2018年重点企业高炉技术经济指标多项目在下降,具体情况见表2。 

  目前,我国炼铁企业是多层次的,先进与落后企业并存,处于不同发展水平阶段。为促进我国炼铁生产技术进步,实现节能减排目标,提升炼铁企业的市场竞争力,我们应当加大力度推广成熟、先进、实用的炼铁技术装备。     

  

  

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非高炉炼铁技术发展情况
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  总体上,我国非高炉炼铁技术发展缓慢,没有重大的新进展,生产技术水平大大落后于国际先进水平。近年来,我国还原铁产量一直低于60万吨/年。隧道窑直接还原铁厂生产能耗高、污染物排放高、产品质量不稳定,要逐步淘汰。2007年国内钢铁企业引进了COREX,改进了许多设计和工艺上的重大不足,现已基本上掌握了生产技术,达到了比较好的状态,但仍有许多问题需要进一步解决。表3为COREX生产情况。 

  近年来,我国建成了一批转底炉。转底炉是炉料在一个旋转的盘子上进行加热、还原的炉子,主要是依靠辐射传热,热效率较低,靠盘底部面的加热和还原气氛均不充分,其产品的金属化率低(一般在60%~80%),能耗高(热效率最高50%),含FeO高,很难达到电炉需要的原料质量。因此,产品金属化率、工序能耗、生产成本与高炉相比均有不足之处。其主要问题是:产品品质达不到电炉生产要求的标准(直接还原铁的质量要求:H88级含铁品位>88%~90%,H90级含铁品位应大于90%~92%,H94级要求含铁>94%;金属化率1级要求>94%,2级>92%,3级>90%,4级>88%;SiO2含量<3%~7.5%)。含SiO2每升高1%,电炉炼钢要多加2%的石灰,渣量增加30千克/吨,电炉多耗电18.5千瓦时/吨。 

  行业内人士认为,转底炉处理含铁尘泥是合理的,产品金属化率低,给高炉用可降低焦比,不能给电炉用;如果用铁矿石在转底炉进行还原,成本也高,工艺上行不通。如果用转底炉处理钒钛磁铁矿,回收氧化钛,虽能耗高,但经济性好。 

  非高炉炼铁技术新进展:2016年首钢和山东墨龙HIsmeit工艺(使用铁矿粉、煤粉、溶剂进行喷吹;用含35%~40%的氧、1200摄氏度的热风进行冶炼)生产运行成功;2017年日产量、月产量达到原HIsmeit工厂过去历史最高产量两倍以上(单月最大产量50572吨/月),年底已生产25万吨高纯特种生铁,炉衬仅有轻微侵蚀,寿命明显延长。该工艺与高炉流程相比,环保指标显示:SOX排放减少90%,NOX排放减少40%,CO2排放减少20%,无二噁英产生。 

  现在,我国应加强研究和跟踪国内外非高炉炼铁技术新进展,不要大规模推广新建非高炉炼铁设施,避免造成负面的影响。    

  

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国外非高炉炼铁技术进展
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  ENERGIRON 直接还原技术。 

  达涅利在阿联酋阿布扎比的ENERGIRON 直接还原技术是一种气基直接还原炼铁工艺,即以原“HYL”直接还原工艺为核心,与达涅利工程技术相结合所形成的直接还原的成套技术。它是以入炉品位达67%(即SiO2+Al2O3<4% )的球团矿和/或块矿为原料,不能用粉矿,以天然气裂解后的含有90%左右的H2 和CO 的煤气为还原剂,通过在竖炉内高温1000摄氏度、干燥气温度(970摄氏度)、高压(6bar)条件下,气固两相相向而行,完成传热和铁矿石的还原反应,最终生成温度约700摄氏度的直接还原铁,给电炉炼钢供应原料。 

  由于竖炉出来的煤气进行了蒸汽重整,脱除了CO2,其消耗量不应很低。这样可以估算ENERGIRON 工艺的工序能耗在350千克标准煤/吨~400千克标准煤/吨 范围之内。该技术是先进、成熟、可靠的非高炉炼铁技术。 

  韩国浦项FINEX技术。 

  原燃料使用情况。铁矿石:入炉品位在61%,粒度在1毫米左右,用3种~4种矿石(巴西球团约50%,品位65%;本溪磁铁矿约30%;印度矿、新西兰沙铁),添加白云石、石灰石与铁矿石混均,再进入预还原炉。 

  煤炭:灰分在6%~8%,动力煤占约30%,炼焦煤占1/4,压成14.57毫米的煤块,要用约50千克/吨的小块焦。 

  反应炉(流化床)有4级。用脱除CO2的煤气(热值约为1400大卡/立方米)在流化床内对铁矿石进行还原。控制炉内温度在720摄氏度~750摄氏度(生产时需要对反应炉进行补热,要吹氧10立方米/吨),矿石还原度为60%~70%。这样,可以保证矿粉不粘结,出矿温度在750摄氏度,进入直接还原铁压块机,进行压块。压块后还原铁(温度在650摄氏度)进入熔融汽化炉。 

  熔融汽化炉情况。熔融汽化炉内压力45Bar,有26个~28个风口,风口直径26厘米。炉内矿床高度约7米,风口区温度可达3000摄氏度,料面下部温度可达1050摄氏度。向炉内吹氧的温度在25摄氏度。加入熔融汽化炉内的块矿尚有30%~40%没有在流化床内还原,需要在熔融汽化炉内完成还原。熔融汽化炉产煤气量在1600立方米/吨~1700立方米/吨,渣铁比为300千克/吨左右,灰铁比在50千克/吨~60千克/吨。 

  工序消耗。 

  在上述原燃料质量的前提下,最低原煤消耗为710千克/吨。其中包括约160千克/吨的煤粉,50千克/吨的小块焦(按每吨焦1.4吨原煤计算),氧耗为450立方米/吨~480立方米/吨。 

  FINEX对原燃料质量的要求比较苛刻,并且没有完全摆脱对焦炭和焦煤的需求。我国缺少高质量的炉料。 

  目前,FINEX消耗原煤指标710千克/吨,是在矿品位61%、煤的灰分6%~8%、用50千克/吨小块焦炭、450立方米/吨~480立方米/吨氧气条件下实现的。如原燃料质量下降,指标还要恶化。浦项高炉燃料比在480千克/吨,入炉矿品位在57%。所以,FINEX能耗要比高炉高。 

  一般情况,FINEX投资要比高炉高。浦项新建设的200万吨/年的FINEX设施投资约79亿元。 

  FINEX风口、熔化炉寿命低,远低于高炉的15年。FINEX供铁能力和间断性,对炼钢、轧钢会产生巨大的负面影响。 

  多年来,世界直接还原铁产量小、占高炉铁的比例较低,说明直接还原铁生产还不是主体。 

  

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熔融还原成本较高
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  熔融还原在理论和生产实践上,能耗和成本上比高炉高。原因如下: 

  一是高炉有热风炉,熔融还原设施没有热风炉。高炉炼铁所需的能源有78%来自碳素(焦炭和煤粉)燃烧,有19%来自热风,3%是炉料化学反应热。热风炉热量是依靠燃烧高炉煤气获得的。热风炉的热效率在80%以上。所以,高炉是个高效的炼铁设施。熔融还原设施没有热风炉,其产生的煤气用于发电。煤气发电,能源利用效率小于45%,是工序能耗比高炉高的主要原因。 

  二是高炉炼铁铁矿石有45%以上是间接还原。间接还原不需要能量,是放热反应,且反应是在炉内进行。 

  熔融还原是利用多级流化床,实现铁矿石的部分还原,需要一定的外来的能量。这样,矿石还原的能量就要高。 

  目前,熔融还原还不能完全摆脱对焦炭的需求,焦化工序的能耗还要计入熔融还原的能耗。 

  高炉流程炼铁能耗有优势。东北大学赵庆杰教授的不同工艺直接还原铁能耗比较见表5。高炉流程产品是热铁水,直接还原产品是固态的海绵铁,海绵铁要变成热铁水需要能量,故高炉流程炼铁在能源消耗上有优势。 

  2018年重点钢铁企业高炉炼铁平均工序能耗392.13千克标准煤/吨,有27个企业的高炉能耗低于390千克标准煤/吨;平均炼铁燃料比为536.43千克/吨,平均入炉焦比372.11千克/吨。2018年沙钢5800立方米高炉和中国宝武集团宝钢4号高炉燃料比为488千克/吨和489.57千克/吨,入炉焦比分别为317千克/吨和291.98千克/吨。2011年宝钢COREX的能耗为593.87千克标准煤/吨。 

  表3~表6的数据表明高炉炼铁工艺的能耗是低于COREX和FINEX;转底炉的产品是固态,要进行熔化是需要一定热量的。 

  高炉炼铁成本低。2017年,我国重点统计钢铁企业平均高炉炼铁成本是2017.97元/吨,有8家企业低于1900元/吨,太钢的生铁成本只有1656.96元/吨。这些高炉使用的原燃料质量远低于熔融还原要求的质量。如2018年,重点钢铁企业高炉入炉品位57.42%,焦炭M40为87.64%,M10为6.01%,灰分为12.63%,硫分为0.82%;而EINEX使用矿石的品位是61%,煤的灰分在6%~8%等,所以高炉炼铁的成本低。实践表明,COREX和FINEX的生产成本是高于高炉炼铁工艺的成本。 

  对高炉使用金属化炉料要结合能源来源。理论上,高炉使用金属化炉料生产,每提高金属化率1%,可降低燃料比0.5%~0.6%。这里包括直接还原铁、金属化球团矿和烧结矿等。但生产直接还原铁、金属化球团矿和烧结矿消耗能量,如果利用钢铁联合企业内部的二次能源生产出来的这些产品,炼铁系统的能耗会得到降低。如利用外来的能源生产这些产品,再加上高炉炼铁的能耗,炼铁系统的能耗和成本就要上升。欧美的部分高炉生产实践已证明了这一点。 

  直接还原铁所用原料含铁品位要求:赤铁矿>66.5%,磁铁矿>67.5%,脉石(SiO2+Al2O3)含量<3%~5%,有害杂质含量少。直接还原铁生产要求还原气体中CO+H2>90%,一般是天然气。我国高品位铁矿石少,天然气资源不足(煤制气成本高),故我国不适宜大力发展直接还原铁生产。 

  美国、欧洲、日本等工业发达国家和地区不具备生产直接还原铁的优良条件,他们也没有去追求过度发展直接还原铁。我国缺乏直接还原铁生产所需的良好条件,应理性地对待这个问题,特别是要注意其经济性。 

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