高爐煉鐵與非高爐煉鐵的能耗比較

王維興

2009年中國生鐵產(chǎn)量為54374.82萬噸，比上年增長幅度5.87%，占世界生鐵總產(chǎn)量的60.53%；非高爐直接還原鐵產(chǎn)量約為60萬噸，占全國鐵產(chǎn)量的0.11%。

2009年全世界高爐生鐵產(chǎn)量為89826.1萬噸，直接還原鐵產(chǎn)量為5356.2萬噸，直接還原鐵產(chǎn)量占世界鐵產(chǎn)量的5.96%，比上年下降5.4%，說明目前生鐵的生產(chǎn)仍是以高爐流程為主，并且在短期內(nèi)不會(huì)得到較大的改觀。非高爐煉鐵與高爐流程相比較具有一定的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在可以不用或少用主焦煤，減少高爐流程必需的燒結(jié)、球團(tuán)、焦化工序的污染物排放等。目前，非高爐煉鐵生產(chǎn)指標(biāo)比較好的企業(yè)，所用原燃料的要求較高，使用天然氣為燃料，生產(chǎn)的規(guī)模與大型高爐相比還是比較小?？傊澜缟洗蠖鄶?shù)非高爐生產(chǎn)企業(yè)是在特定條件下組織的生產(chǎn)，這也是目前全世界非高爐煉鐵生產(chǎn)尚沒有得到普及的根本原因。2009年在上海召開的第五屆國際煉鐵科技大會(huì)上，有些學(xué)者發(fā)表文章指出，煉鐵學(xué)理論和生產(chǎn)實(shí)踐表明，融熔還原的能耗是一定要高于高爐煉鐵的能耗，得到了煉鐵科技工作者的認(rèn)同。目前，我國發(fā)展煤基直接還原鐵工藝技術(shù)設(shè)備尚存在一定不足，在成本、能耗、質(zhì)量和規(guī)模等方面與高爐煉鐵還有不同程度的差距，需要進(jìn)行深入研究和開發(fā)。

1.為什么高爐煉鐵流程能夠長盛不衰

高爐煉鐵技術(shù)已有數(shù)千年的發(fā)展歷史，在20世紀(jì)以后又得到不斷地完善和提高，已是一個(gè)比較成熟、先進(jìn)的生產(chǎn)工藝流程，在多方面表現(xiàn)出許多優(yōu)勢(shì)。

1.1 高爐是高效化的豎爐

高爐生產(chǎn)是個(gè)煤氣和爐料逆向運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)器。高熱值的煤氣從爐缸均勻地上升，而爐料從爐頂按一定規(guī)律布料后連續(xù)下降。由于高爐是具有一定高度的豎爐，爐料在這個(gè)豎爐中可以得到充分地預(yù)熱、還原、熔融、滴落，生鐵在爐缸內(nèi)滲碳以及爐渣和生鐵的改性等物理化學(xué)過程，在高爐內(nèi)能源得到合理充分利用。目前我國高爐煉鐵的能耗在410kgce/t左右。在轉(zhuǎn)底爐中被還原的球，大多數(shù)是中上層受到煤氣加熱和還原，而在底部接觸煤氣較弱。所以，在轉(zhuǎn)底爐中，只能布一層球。如果布球兩層以上，在底部的球就幾乎接觸不到還原氣和熱量，也就不能被充分還原。因此， 轉(zhuǎn)底爐的能耗要比高爐大，且球團(tuán)的質(zhì)量不均勻，生產(chǎn)規(guī)模也有限制。但在處理含有害物質(zhì)的塵泥方面還是有利的。

1.2 爐料在高爐內(nèi)有一半左右是進(jìn)行間接還原，有利于節(jié)能

煉鐵學(xué)理論說明，鐵礦石進(jìn)行直接還原是個(gè)吸熱反應(yīng)，進(jìn)行間接還原是個(gè)放熱反應(yīng)。爐料在高爐內(nèi)約有50%的爐料是進(jìn)行間接還原反應(yīng)。所以，高爐煉鐵要比直接還原鐵工藝要少用能源。

1.3 高爐是高效能源轉(zhuǎn)化器

在高爐內(nèi)焦炭起5方面作用：一是與氧氣反應(yīng)生成CO、CO2，同時(shí)放熱，是煉鐵的主要熱量來源;二是也為鐵礦石還原提供充足的碳和CO，是還原劑的來源;三是焦炭在高爐內(nèi)是起骨架作用，支撐著爐料，同時(shí)起著透氣窗的作用，使煤氣在高爐內(nèi)可以均勻，阻力較小地運(yùn)動(dòng);四是焦炭還對(duì)生鐵起到滲碳作用，可以使生鐵質(zhì)量合格，實(shí)現(xiàn)生鐵中的鐵、碳平衡;五是焦炭在爐缸中有填充作用。高爐休風(fēng)時(shí)，爐缸是被焦炭填滿，使?fàn)t缸內(nèi)有較大的空間，有利于快速恢復(fù)生產(chǎn)。

非高爐煉鐵所用的氣源需另外供應(yīng)。煤基直接還原工藝是要建設(shè)專門的造氣裝置，而且要求CO+H2含量要大于90%。煤在轉(zhuǎn)換為還原氣的過程中是要有較多的能量損失，并且投資和運(yùn)行費(fèi)用也較高（約占總投資的三分之一）。這是目前煤基直接還原工藝生產(chǎn)成本高的主要原因之一（還有副產(chǎn)煤氣去發(fā)電能源利用率低等）。

焦炭在高爐內(nèi)少部分轉(zhuǎn)換為煤氣，熱風(fēng)爐的熱風(fēng)熱量是依靠燃燒45%左右高爐煤氣而獲得的。熱風(fēng)熱量占高爐煉鐵所需熱量的19%左右。所以說高爐是高效能源轉(zhuǎn)化器，有能源轉(zhuǎn)換功能。高爐煤氣得到充分回收利用(去燒熱風(fēng)爐)是高爐能源利用效率高的表現(xiàn)。

2.高爐與非高爐煉鐵能耗比較

2.1 對(duì)2009年重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)煉鐵系統(tǒng)的能耗分析

2009年我國重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)高爐工序能耗為410.65kgce/t，燒結(jié)工序?yàn)?4.95kgce/t，焦化工序?yàn)?12.28kgce/t，球團(tuán)工序?yàn)?9.96kgce/t。計(jì)算冶煉1t生鐵所需要的煉鐵系統(tǒng)能耗（包括燒結(jié)、焦化、球團(tuán)、高爐四個(gè)工序）具體分析如下：

焦化工序

2009年重點(diǎn)企業(yè)高爐煉鐵焦比為374kg/t。

冶煉1t生鐵所用焦炭的焦化工序能耗為：

112.28 kgce/t×0.374＝41.99kgce/t。

燒結(jié)工序

冶煉1t生鐵需要消耗鐵礦石為1674kg/t，在高爐爐料結(jié)構(gòu)中燒結(jié)礦的配比按75%計(jì)算。冶煉1t生鐵用燒結(jié)礦的燒結(jié)工序能耗為：

54.95 kgce/t×1.674×75%＝68.98kgce/t。

球團(tuán)工序

冶煉1t生鐵需用球團(tuán)礦量為（爐料結(jié)構(gòu)中球團(tuán)礦占15%）1674kg/t×15%=251.1 kg。

冶煉1t生鐵用球團(tuán)的球團(tuán)工序所需的能耗為：29.96kgce/t×0.2511＝7.52kgce/t。

2009年，全國重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)冶煉1t生鐵，煉鐵系統(tǒng)所消耗的平均能耗為：41.99kgce/t(焦化)+68.98kgce/t(燒結(jié))+7.52kgce/t(球團(tuán))+410.65kgce/t(煉鐵)＝529.11kgce/t。

2.2 對(duì)2009年太鋼煉鐵系統(tǒng)能耗的分析

2009年太鋼煉鐵工序能耗為353.89kgce/t，燒結(jié)工序能耗為46.94kgce/t，焦化工序能耗為75.55kgce/t，球團(tuán)工序?yàn)?6.21kgce/t；入爐焦比為309kg/t。2009年太鋼高爐爐料結(jié)構(gòu)為：燒結(jié)72.35%，球團(tuán)為21.44%。

按本文2.1節(jié)中計(jì)算方法可知，太鋼冶煉1t生鐵煉鐵系統(tǒng)所需的能耗為：

焦化：75.55kgce/t×309kg/t＝23.34kgce/t。

燒結(jié)： 46.94kgce/t×1674kg/t×77，35%＝60.78kgce/t。

球團(tuán)：16.21kgce/t×1674kg/t×21.44%＝5.81kgce/t。

23.34 kgce/t（焦化）+60.78kgce/t（燒結(jié)）+5.81kgce/t（球團(tuán)）+353.89kgce/t（高爐）＝443.82kgce/t。

結(jié)論：2009年全國重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)冶煉1t生鐵，煉鐵系統(tǒng)所需要消耗的能源為529.11kgce/t；同期我國先進(jìn)水平的太鋼生產(chǎn)1t生鐵，煉鐵系統(tǒng)所消耗的能源為443.82kgce/t。這兩個(gè)數(shù)據(jù)均比目前非高爐煉鐵工藝的能耗要低。

非高爐煉鐵的能耗：

2008年5月是寶鋼COREX-3000燃料比較好水平，為987.1kg/t（其中焦炭占20%）。2009年C3000的燃料比平均為1057kg/t。

C2000的燃料比的情況: 印度京德1號(hào)為997 kg/t，京德2號(hào)為994 kg/t，焦比在燃料比的15%～20%。南非薩爾達(dá)納為1020～1050 kg/t焦比在燃料比的13%～15%。

2008年4～7月韓國FINEX煤氣得到回收利用后，燃料比由780～850kg/t降到700kg/t左右。

日本神戶制鋼與美國克里夫蘭·克里夫斯公司結(jié)盟，建設(shè)了ITmk3設(shè)施，實(shí)際是轉(zhuǎn)底爐的改進(jìn)和延伸。產(chǎn)品為冷態(tài)的渣鐵，能耗高于高爐煉鐵。

澳大利亞HISMELT工廠經(jīng)過不斷的改進(jìn)，噴煤比已由2噸多降低到700多kg/t。

我國煤基直接還原鐵生產(chǎn)工序能耗大多數(shù)在800kg/t以上，個(gè)別的企業(yè)在1.0t/t以上。北京密云鐵礦、天津鋼管公司等單位均因煤基直接還原鐵能耗和成本高，而停產(chǎn)。

上述的數(shù)據(jù)表明， 非高爐煉鐵的能耗是要比高爐煉鐵系統(tǒng)的能耗高250～650kgce/t。

非高爐煉鐵工藝的能耗高主要原因是，所產(chǎn)生的大量高熱值煤氣沒有充分得到循環(huán)利用或科學(xué)利用。目前，大多數(shù)是用煤氣去發(fā)電。而煤氣轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪茉蠢眯适窃?2%～45%，使企業(yè)能源利用效率低，生產(chǎn)成本高。融熔還原生產(chǎn)還脫離不了焦炭和礦粉造塊，其能耗肯定是要比高爐工序能耗高。能耗高，肯定成本高，污染物排放高。現(xiàn)在宣傳和輿論界在這方面有不正確的導(dǎo)向，要實(shí)事求是，應(yīng)以予澄清。要讓各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)，特別是具有決策權(quán)的領(lǐng)導(dǎo)，認(rèn)識(shí)到非高爐煉鐵工藝與高爐煉鐵系統(tǒng)能耗的真實(shí)情況。目前，韓國還在建大高爐，沒有扒掉高爐，去繼續(xù)建FINEX，值得我們深思。

3.關(guān)于發(fā)展非高爐煉鐵技術(shù)探討

非高爐煉鐵是21世紀(jì)全世界鋼鐵界的前沿技術(shù)，是技術(shù)發(fā)展的大方向，但尚存在較多重大技術(shù)問題需要進(jìn)一步突破。如所產(chǎn)生的煤氣如何進(jìn)行整治，得到合理回用，熔融還原如何減少對(duì)焦炭的依賴，用普通鐵精礦進(jìn)行非高爐煉鐵工藝經(jīng)濟(jì)性的提高和技術(shù)的提升等。

根據(jù)我國資源、能源條件的限制，我國的煉鐵生產(chǎn)技術(shù)工藝將在較長一段時(shí)間內(nèi)仍將是要以高爐流程為主。而且，目前高爐生產(chǎn)流程的能耗和污染物排放量均是優(yōu)于非高爐生產(chǎn)流程。特別是在生產(chǎn)規(guī)模、投資和生產(chǎn)成本等方面高爐流程是占有比較大的優(yōu)勢(shì)。

目前，我國加大淘汰落后產(chǎn)能的工作力度，堅(jiān)決不允許企業(yè)擴(kuò)大鋼鐵產(chǎn)能，只能進(jìn)行落后產(chǎn)能的替代。但是，一些企業(yè)希望走發(fā)展非高爐煉鐵的道路，認(rèn)為是節(jié)能減排，企業(yè)可以得到較大的發(fā)展。目前，這是一條走不通的路。因?yàn)?，目前非高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展尚需進(jìn)一步完善和提升，所要求的條件還比較苛刻，在技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、可行性及生產(chǎn)規(guī)模等方面均要進(jìn)行充分科學(xué)地論證?，F(xiàn)在，鋼鐵企業(yè)經(jīng)營利潤率處于較低水平，建設(shè)新項(xiàng)目一定要慎重從事，要聽取多方面意見，特別是不同的意見，這對(duì)企業(yè)的生存和發(fā)展是非常有益的。

對(duì)有經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)水平較高的企業(yè)和研究單位，應(yīng)當(dāng)及時(shí)跟蹤國內(nèi)外非高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)，抓住主要矛盾，進(jìn)行深入的非高爐煉鐵技術(shù)研究和開發(fā)，借鑒國內(nèi)外已有的各方面的經(jīng)驗(yàn)，使我們少走彎路，提高效率和效益。目前，我國不宜再忽悠讓一批企業(yè)去上非高爐煉鐵項(xiàng)目。

3.1 轉(zhuǎn)底爐應(yīng)用范圍

轉(zhuǎn)底爐在處理鋼鐵企業(yè)所產(chǎn)生的含鐵塵泥具有優(yōu)勢(shì)。因?yàn)檫@些含鐵塵泥中含有高堿金屬（K、Na），并有鉛、鋅等對(duì)高爐生產(chǎn)有害的金屬。采用轉(zhuǎn)底爐去處理掉含有害雜質(zhì)的塵泥，再回收利用好含鐵物質(zhì)，是合理的科學(xué)方法。因轉(zhuǎn)底爐在生產(chǎn)規(guī)模、能耗、生產(chǎn)成本等方面尚有不足之處。所以轉(zhuǎn)底爐不能做為鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的主流程設(shè)計(jì)。目前，轉(zhuǎn)底爐還有布球、出球、產(chǎn)品抗氧化等方面技術(shù)問題需要進(jìn)一步改進(jìn)。

3.2 直接還原鐵要高質(zhì)量

一些直接還原鐵企業(yè)將產(chǎn)品定位于給高爐使用。因?yàn)樗麄兊漠a(chǎn)品金屬化率不高，含有害雜質(zhì)多，高爐還可以用，電爐企業(yè)不愿意用。因?yàn)殡姞t企業(yè)使用這些低質(zhì)量的直接還原鐵之后，能耗上升、金屬收得率低，產(chǎn)量和質(zhì)量均受到影響。直接還原鐵如果含F(xiàn)eO高，對(duì)電爐爐襯的侵蝕很嚴(yán)重，大大降低電爐的壽命。

高爐煉鐵使用金屬化爐料后，是有降低煉鐵燃料比的作用，可使高爐煉鐵減少CO2排放。但是，用系統(tǒng)節(jié)能的觀點(diǎn)去進(jìn)行分析，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，采用金屬化率高的爐料之后，煉鐵系統(tǒng)的能耗是比較高的，且生產(chǎn)成本升高較多。2007年德國專家曾對(duì)此有過系統(tǒng)的分析。因?yàn)樯a(chǎn)金屬化率高的爐料所需的能耗和成本也是比較高的，雖然高爐使用金屬化率高的爐料會(huì)有一定效益，但抵償不了原料準(zhǔn)備的代價(jià)。從技術(shù)發(fā)展方向看，發(fā)展金屬化高的燒結(jié)礦和球團(tuán)礦是冶金學(xué)的發(fā)展方向。所以，應(yīng)加強(qiáng)這方面的技術(shù)研究和開發(fā)。企業(yè)如果利用本企業(yè)的二次能源工業(yè)去生產(chǎn)金屬化爐料，是經(jīng)濟(jì)的，是技術(shù)發(fā)展的大方向。

我國直接還原鐵質(zhì)量上普遍低于世界水平，這與我們所用的原料質(zhì)量低有關(guān)。我國在選礦技術(shù)上已有較多突破，建議企業(yè)要充分利用高水平的選礦技術(shù)，將所用鐵礦石的品位進(jìn)行提高，同時(shí)可去除一些有害雜質(zhì)，對(duì)所用的礦石進(jìn)行再選，在經(jīng)濟(jì)上、產(chǎn)品質(zhì)量上是有利的。