高炉炼铁与非高炉炼铁技术比较

　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。

　　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。 　　  

　　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。 　　

　　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。

　　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。