張志霞

(六盤水師范學院化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553000)

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

關鍵詞: 高爐煉鐵；熔融還原；能耗

引言

近十幾年來，中國鋼鐵產能約占世界總產能的一半，環境污染壓力日益增大，焦煤資源日益匱乏，占統治地位的、以焦化－燒結－高爐－轉爐工藝為主的傳統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 已經引進國內。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上應用的熔融還原煉鐵工藝 Corex，中國寶鋼已于 2005 年協議引進，已于 2007 年投產。

1 高爐煉鐵

高爐是密閉豎爐，其內爐料( 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口前燃燒形成的煤氣在鼓風機壓力下上升，在這種逆流運動中，使得爐料充分預熱，進行還原、熔融、滲碳等一系列物理、化學過程。含鐵物料還原過程中，部分參與間接還原( 放熱反應) ，部分參與直接還原( 吸熱反應) ，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；實踐表明: 高爐內物料約50%參與直接還原。此外，高爐是個高效的能源轉化器，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，燃燒其為熱風爐供熱后，再為高爐供高溫熱風。熱風熱量是燃燒約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，中國高爐爐料結構是高比例堿性燒結礦( 燒結礦平均配比在75%左右) 配加少量酸性球團礦或天然塊礦。燒結、球團、高爐煉鐵三工序組成的鐵前系統，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品直接生產成本的 70%左右。所以鋼鐵行業要節能、降本，要綠色發展，鐵前系統是關鍵，也是結構性改革的重點。

高爐煉鐵工藝已非常成熟，很難出現突破性的技術變革。但隨生產進行，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，且幾乎不用日益短缺的、昂貴的冶金焦炭，備受全行業關注。其核心是一個還原單元( 進行預還原) 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備是豎爐和流化床。豎爐是成熟的還原設備，目前唯一工業化的熔融還原 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有: 韓國在 Corex基礎上研發的 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，FINEX，HISMELT 工藝開發潛力較大，適應未來社會發展，是鋼鐵技術競爭的焦點。

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) 其副產品高爐煤氣由優質焦炭而來。3) 煉焦和燒結工序污染嚴重。4) 高爐生產經濟規模大，靈活性差。而熔融還原煉鐵工藝，其產品和高爐鐵水相似( 可用于轉爐煉鋼) ，同時還可解決高爐煉鐵工藝的不足之處，尤其是環境影響這點。

最成熟、早已工業應用的熔融還原 Corex 工藝，不可避免地也存在缺點: 1) 設備利用系數為 0．9t /( d·m³) ( 限制環節是預還原爐) ，大大低于高爐的利用系 數 ( 2015年全國 高爐平均為 2． 642 t /( d · m³) ) 。2) 對燃料煤要求苛刻，特別是結焦性、固定碳、揮發份等參數搭配合理，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 環節不可或缺^［7］。

3．2 能耗對比

1) 傳統長流程的鐵前系統能耗

中國鋼鐵能源主要消耗在鐵前系統，下面以2014 年的全國重點鋼鐵企業統計出的平均煉鐵技術指標進行鐵前系統能耗分析^［8］：

平均煉鐵技術指標: 焦 化 工 序 能 耗 為 98． 15kgce /t，燒結工序能耗為 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。

用系統節能觀點，計算冶煉 1t 生鐵時鐵前系統能耗:

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: 1t 生鐵需要消耗鐵礦石約為 1600 kg /t( 依鐵礦石品位而定) ，燒結礦配比按 75%計算。1t生鐵所用燒結礦的燒結工序能耗為: 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，鐵前系統總能耗為: 36．15( 焦化) +58．68燒結) +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指標如表 1 所示^［7］，其中的 C3000 是早期寶鋼實際生產數據。

寶鋼 C3000 實際運行最佳狀態時: 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時，寶鋼 C3000 生產成本還是遠高于預期( 因設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。目前已有技術分離 CO₂，可脫除 CO₂ 后循環使用，也可用于發電。但 Corex煤氣發電，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，其副產煤氣就是采用發電來回收利用的，這也是造成其能耗高、成本高的一大主因。

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

4 結束語

目前，從能耗角度看，長流程鐵前系統能耗暫時是優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，其發展前景會更寬廣，是未來煉鐵工藝的方向。

參考文獻

［1］ 沙永志，騰 飛，曹 軍． 中國煉鐵工藝技術的進步［J］． 煉鐵，2012，( 2) : 7-11．

［2］ 沙永志． 國外煉鐵生產及技術發展［N］． 中國冶金報，2013-11-26 ( 5) ．

［3］ 胡啟晨． 傳統高爐煉鐵流程面臨的問題及應對策略［J］． 河北冶金，2017，( 12) : 28-32．

［4］ 方 覺，王杏娟，石 焱，等． 非高爐煉鐵工藝與理論［M］． 北京: 冶金工業出版社，2010．

［5］ 徐少兵，許海法． 熔融還原煉鐵技術發展情況和未來的思考［J］． 中國冶金，2016，( 10) : 33-39．

［6］ 王筱留． 鋼鐵冶金學［M］． 北京: 冶金工業出版社，2008．

［7］ 高 昊． 寶鋼非高爐煉鐵工藝發展戰略的研究［D］．上海: 上海交通大學，2013．

［8］ 王維興． 高爐煉鐵與非高爐煉鐵的能耗比較［J］． 煉鐵，2011，30( 1) : 59-61．