張志霞

(六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553000)

摘要: 介紹了高爐煉鐵系統(tǒng)和熔融還原煉鐵( 以 Corex 為主) 的原理、流程和工藝，并進行了充分對比，用系統(tǒng)節(jié)能指標(biāo)細致分析了兩者在能耗方面存在的差異。

關(guān)鍵詞: 高爐煉鐵；熔融還原；能耗

引言

近十幾年來，中國鋼鐵產(chǎn)能約占世界總產(chǎn)能的一半，環(huán)境污染壓力日益增大，焦煤資源日益匱乏，占統(tǒng)治地位的、以焦化－燒結(jié)－高爐－轉(zhuǎn)爐工藝為主的傳統(tǒng)長流程煉鐵工藝勢必承受越來越大的生存壓力。熔融還原煉鐵中唯一成熟的 Corex 已經(jīng)引進國內(nèi)。2017 年中國的鐵鋼比為 0．854，世界平均為 0．7014；扣除中國后為 0．5504，美國為 0．2735，德國為0．6526，法國為 0．6886。中國鐵鋼比高，是中國鋼鐵能耗高( 占全國總能耗的 15%左右) 、CO₂ 排放多( 占全國總排放的 12%左右) 的主要原因。發(fā)展非高爐煉鐵是未來鋼鐵方向^［1-5］，目前世界上唯一一個工業(yè)上應(yīng)用的熔融還原煉鐵工藝 Corex，中國寶鋼已于 2005 年協(xié)議引進，已于 2007 年投產(chǎn)。

1 高爐煉鐵

高爐是密閉豎爐，其內(nèi)爐料( 礦石、焦炭、熔劑) 在自重作用下下降，同時由焦炭和噴吹的煤粉在風(fēng)口前燃燒形成的煤氣在鼓風(fēng)機壓力下上升，在這種逆流運動中，使得爐料充分預(yù)熱，進行還原、熔融、滲碳等一系列物理、化學(xué)過程。含鐵物料還原過程中，部分參與間接還原( 放熱反應(yīng)) ，部分參與直接還原( 吸熱反應(yīng)) ，因此直接還原比例( 直接還原度) 與高爐煉鐵工序能耗緊密相關(guān)；實踐表明: 高爐內(nèi)物料約50%參與直接還原。此外，高爐是個高效的能源轉(zhuǎn)化器，即: 入爐的焦炭部分燃燒形成煤氣，這部分煤氣參與間接還原后形成高爐煤氣，燃燒其為熱風(fēng)爐供熱后，再為高爐供高溫?zé)犸L(fēng)。熱風(fēng)熱量是燃燒約45%高爐煤氣而得，而此部分約占高爐煉鐵所需熱量的 20%，高爐煤氣得到充分回收利用^［6］。

高爐煉鐵工藝流程如圖 1 所示，中國高爐爐料結(jié)構(gòu)是高比例堿性燒結(jié)礦( 燒結(jié)礦平均配比在75%左右) 配加少量酸性球團礦或天然塊礦。燒結(jié)、球團、高爐煉鐵三工序組成的鐵前系統(tǒng)，其能耗占鋼鐵流程總能耗的 60%多，其污染物排放占鋼鐵流程總排放的 90%，而生鐵成本占鋼鐵產(chǎn)品直接生產(chǎn)成本的 70%左右。所以鋼鐵行業(yè)要節(jié)能、降本，要綠色發(fā)展，鐵前系統(tǒng)是關(guān)鍵，也是結(jié)構(gòu)性改革的重點。

高爐煉鐵工藝已非常成熟，很難出現(xiàn)突破性的技術(shù)變革。但隨生產(chǎn)進行，資源 (尤其是焦煤資源) 、能耗、污染及溫室氣體排放等問題會日益突出。

2 熔融還原煉鐵

熔融還原煉鐵是非高爐煉鐵的分支，污染較輕，且?guī)缀醪挥萌找娑倘钡摹嘿F的冶金焦炭，備受全行業(yè)關(guān)注。其核心是一個還原單元( 進行預(yù)還原) 和一個熔煉造氣單元( 進行終還原及為還原單元供還原氣體) 。目前最受重視的還原設(shè)備是豎爐和流化床。豎爐是成熟的還原設(shè)備，目前唯一工業(yè)化的熔融還原 Corex 就采用豎爐，其工藝流程如圖 2 所示^［4］。其他的熔融還原煉鐵技術(shù)有: 韓國在 Corex基礎(chǔ)上研發(fā)的 FINEX( 可直接使用粉礦和粉煤) 、澳大利亞的 HISMELT 和 AusTXon、日本的 DIOS、處于理論研究 階 段 的 氫 冶 金 等。依目前實際情況看，Corex，F(xiàn)INEX，HISMELT 工藝開發(fā)潛力較大，適應(yīng)未來社會發(fā)展，是鋼鐵技術(shù)競爭的焦點。

3  高爐煉鐵與熔融還原煉鐵工藝比較

3．1 工藝特點對比

對圖 1 和圖 2 進行簡化，可得圖 3。

從圖 3 可看出，長流程高爐煉鐵工藝的固有不足有: 1) 必須使用焦炭。2) 其副產(chǎn)品高爐煤氣由優(yōu)質(zhì)焦炭而來。3) 煉焦和燒結(jié)工序污染嚴(yán)重。4) 高爐生產(chǎn)經(jīng)濟規(guī)模大，靈活性差。而熔融還原煉鐵工藝，其產(chǎn)品和高爐鐵水相似( 可用于轉(zhuǎn)爐煉鋼) ，同時還可解決高爐煉鐵工藝的不足之處，尤其是環(huán)境影響這點。

最成熟、早已工業(yè)應(yīng)用的熔融還原 Corex 工藝，不可避免地也存在缺點: 1) 設(shè)備利用系數(shù)為 0．9t /( d·m³) ( 限制環(huán)節(jié)是預(yù)還原爐) ，大大低于高爐的利用系 數(shù) ( 2015年全國 高爐平均為 2． 642 t /( d · m³) ) 。2) 對燃料煤要求苛刻，特別是結(jié)焦性、固定碳、揮發(fā)份等參數(shù)搭配合理，同時還需搭配 10%- 15%的焦炭。3) 需使用高品位塊礦或球團礦，造塊 環(huán)節(jié)不可或缺^［7］。

3．2 能耗對比

1) 傳統(tǒng)長流程的鐵前系統(tǒng)能耗

中國鋼鐵能源主要消耗在鐵前系統(tǒng)，下面以2014 年的全國重點鋼鐵企業(yè)統(tǒng)計出的平均煉鐵技術(shù)指標(biāo)進行鐵前系統(tǒng)能耗分析^［8］：

平均煉鐵技術(shù)指標(biāo): 焦 化 工 序 能 耗 為 98． 15kgce /t，燒結(jié)工序能耗為 48．90 kgce /t，球團工序能耗為 29． 60 kgce /t ( 2011 年 ) ，高爐工序能耗為395．31 kgce /t，高爐煉鐵焦比為 368．30 kg /t。

用系統(tǒng)節(jié)能觀點，計算冶煉 1t 生鐵時鐵前系統(tǒng)能耗:

焦化: 1t 生鐵所用焦炭的焦化工序能耗為:

98．15×0．3683 = 36．15 kgce /t。

燒結(jié): 1t 生鐵需要消耗鐵礦石約為 1600 kg /t( 依鐵礦石品位而定) ，燒結(jié)礦配比按 75%計算。1t生鐵所用燒結(jié)礦的燒結(jié)工序能耗為: 48． 90 × 1． 6 ×75% = 58．68 kgce /t。

球團: 球團礦配比按 15%計算。1t 生鐵所用球團礦的球團工序所需能耗為: 29．96×1．6×15% = 7．10kgce /t。

由上，鐵前系統(tǒng)總能耗為: 36．15( 焦化) +58．68燒結(jié)) +7．10( 球團) +395．31( 高爐煉鐵) = 497．24kgce /t。

2) 熔融還原煉鐵能耗

目前相對比較成熟的三種熔融還原技術(shù)指標(biāo)如表 1 所示^［7］，其中的 C3000 是早期寶鋼實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

寶鋼 C3000 實際運行最佳狀態(tài)時: 綜合煤耗為 500-600 kg /t，氧氣消耗為 500-600 m³/t，輸出煤氣的總能量為 13 GJ/t^［7］。再考慮到搭配的焦炭( 約 140 kg /t) 、使用球團礦必要的能耗，寶鋼C3000 能耗顯然是高于長流程鐵前總能耗( 497．24kgce /t) 。

即便是運行在上述最佳狀態(tài)時，寶鋼 C3000 生產(chǎn)成本還是遠高于預(yù)期( 因設(shè)計能耗比高爐煉鐵低20%，但實際反而比高爐煉鐵高了 15%) 。分析寶鋼 Corex 成本高的主因之一是: 簽訂協(xié)議引進 C3000的 2005 年，塊煤價格遠低于焦炭( 約為一半) ；此后，塊煤資源緊張，2007 年投產(chǎn)后塊煤價格幾乎與焦炭持平。

Corex 采用純氧煉鐵，煤氣不含氮氣，氣量小，熱值高，主要為 CO 和 CO₂。目前已有技術(shù)分離 CO₂，可脫除 CO₂ 后循環(huán)使用，也可用于發(fā)電。但 Corex煤氣發(fā)電，能源利用率僅有 32%-42%，從能源利用和成本核算上都是不合算的，且會增加投資及運行費用。寶鋼的 C3000，其副產(chǎn)煤氣就是采用發(fā)電來回收利用的，這也是造成其能耗高、成本高的一大主因。

生產(chǎn)成本高是限制 Corex 發(fā)展的瓶頸，提高其經(jīng)濟競爭力的方法是合理利用其輸出副產(chǎn)煤氣( 目前最佳利用是作直接還原 Midrex 煉鐵工藝的原料氣) 。

4 結(jié)束語

目前，從能耗角度看，長流程鐵前系統(tǒng)能耗暫時是優(yōu)于熔融還原煉鐵工藝的; 從全流程角度，并考慮輸出煤氣合理利用，及綜合考慮環(huán)境保護，熔融還原工藝的投資低于長流程工藝，其收益要高于長流程工藝。長遠看，一旦熔融還原工藝在能耗方面取得突破性進展，其發(fā)展前景會更寬廣，是未來煉鐵工藝的方向。

參考文獻

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