對中國煉鐵實現高質量發展的思考


煉鐵系統能耗、環保投入等占鋼鐵長流程生產的70%左右,在鋼鐵長流程生產中重要性凸顯。

本文采用下游行業分析預測法和GDP(國內生產總值)消費強度法兩種方法,對2020年~2030年中國鋼材需求進行預測,從中長期、整體的角度來看,中國鋼材實際消費呈現“弧頂”+“下降通道”的走勢,但不排除一些年份的波動反復。隨著中國經濟由高速增長向高質量發展轉變,中國逐漸成為制造強國和創新型國家。煉鐵業在發展理念、技術創新、降本增效、標準引領、智慧制造和低碳及氫冶金等方面已進入高質量發展的新時代。


減量調整

進入21世紀以來,亞洲地區生鐵產量增長尤為突出,中國、韓國和印度等生鐵和直接還原鐵產量的增長引領全球鐵產量的增長。“十五”至“十二五”時期,中國煉鐵產量進入兩位數的高速增長時期,進入“十三五”時期,煉鐵產量增速趨緩,但仍保持個位數的增速。與此同時,中國生鐵產量占世界生鐵產量的比重趨于穩定,但已超過半壁江山(見圖1、圖2),產量過高和以長流程鋼鐵生產方式為主(2018年我國鐵鋼比為0.83,全球鐵鋼比平均為0.69,不包括中國的全球平均鐵鋼比為0.55)給節能減排(減少CO2、煙粉塵、SO2、NOx排放等)和降低成本(鐵礦石價格高企)帶來巨大壓力。

從圖1可以看出,“十五”至“十三五”時期,煉鐵增長率由兩位數增長逐漸下降至個位數,這由經濟發展的客觀規律(由高速增長向高質量發展轉型)所決定。隨著我國鋼鐵積蓄量持續增加,廢鋼的供應量持續增加,高爐鐵水比例相對鋼產量逐漸下降或鐵水產量絕對下降是一個趨勢,但不排除個別地區一段時期內高爐鐵水產量增加的情況發生。同時,隨著電爐煉鋼鐵水比例減少,短流程新建電爐投產和轉爐廢鋼比增加,我國高爐煉鐵產量逐步下降將是大概率事件。鋼鐵發展的時代主題已經由“增量、擴能”轉變為“減量、調整”,減量調整時代已然來臨,但會波動反復。


技術創新

我國鋼鐵行業自主開發了如下煉鐵新技術,通過技術進步、轉型升級和創新發展,實現煉鐵高質量發展。

節能減排:燒結煙氣循環技術

目前燒結煙氣循環利用技術已有不同的流程在歐洲、日本和中國等鋼廠應用。生產實踐應用表明,燒結煙氣循環技術可減少燒結煙氣的外排總量及外排煙氣中的有害物質總量,是減輕燒結廠煙氣污染的最有效手段;可大幅降低燒結廠煙氣處理設施的投資和運行費用;可減少外排煙氣帶走的熱量,減少熱損失、CO二次燃燒,降低固體燃耗。

經過不斷地創新和發展,國內外目前主要有5種煙氣循環利用的工業化燒結技術方案:EOS、LEEP、EPOSINT、區域性廢氣循環和燒結廢氣余熱循環技術。煙氣循環燒結工藝可使燒結生產的各種污染物排放減少45%~80%,降低固體燃耗2千克/噸~5千克/噸或降低工序能耗5%以上。

燒結豎罐冷卻及余熱發電技術

豎罐冷卻熱燒結礦及余熱發電裝置可替代燒結機環冷機、帶冷機作為新建項目的燒結工藝冷卻設備,也可替代既有燒結的環冷機、帶冷機,實現熱燒結礦顯熱的高效回收;特別是對于既有的步進式燒結機,采用豎冷窯替代機上冷卻功能,將原機上冷卻段改為燒結段以加大燒結面積,使原燒結機產量提高約70%,同時燒結礦顯熱可實現高效極限回收。采用豎罐冷卻技術代替環冷機或帶冷機,冷卻風供風總量可減少一半左右;熱煙氣可100%回收,且溫度約可提高至450攝氏度以上,余熱回收效率顯著提高,余熱回收總量與環冷機相比可提高60%~80%。

提質增效:強力混合機技術在燒結的應用

強力混合機在燒結機應用可取得如下效果:混勻效果提高,制粒效果增強,透氣性提高10%,焦粉添加比例降低0.5%,燒結速度提高10%~12%,生產能力提高8%~10%。

近年來,全球范圍內有不少鋼廠在燒結中應用了強力混合機技術。2012年巴西Usiminas公司在200平方米燒結機改造項目中應用了強力混合機;2013年安賽樂米塔爾比利時根特廠在220平方米燒結機改造項目中采用了強力混合機,奧圖泰(Outotec)公司近年來在巴西新型聯合鋼廠、印度塔塔鋼鐵、印度國家礦業開發公司、印度鋼鐵管理局等公司的大型燒結項目中采用強力混合機代替圓筒混合機和制粒機進行混合并制粒;2015年本鋼板材率先在566平方米新建燒結項目上采用立式強力混合機,中國寶武集團寶鋼股份、山西建邦鋼鐵、江蘇長強鋼鐵等燒結機均在一混前增加強力混合機的應用。

爐料優化:熔劑性球團礦和高比例球團礦冶煉技術

球團生產能耗和污染物排放量遠低于燒結。目前,球團礦配比在13%左右,明顯偏低,未來應提高至30%以上,從爐料結構上促進高爐煉鐵綠色發展。按現有酸性球團礦品質和燒結礦工藝來看,球團礦配比達到30%是可以實現的,但要達到60%以上則需要使用熔劑性球團礦。因此,鋼鐵行業和企業應重視對熔劑性球團礦技術和高比例球團冶煉工藝技術的研究與技術儲備,在未來發展中要重視爐料結構的優化,并配套完善措施。

產城共融:高爐沖渣水余熱回收技術

北方地區部分鋼廠利用高爐沖渣水進行采暖,將其作為浴池用水或用于鋼鐵企業的鼓風預熱、除鹽水預熱、混料加熱、設備除濕熱水等供應。高爐沖渣水余熱回收利用回收期短,經濟效益顯著,為鋼廠發展多元產業提供了新的途徑;替換燃煤鍋爐采暖,解決了燃煤鍋爐外排SO2等污染物的問題,從源頭上大大減輕了霧霾。同時,使用高爐沖渣水,不需要購買燃氣、不需要儲存燃煤的倉庫,還取消了運輸燃煤的物流環節,使得人力、物力成本大大減少,并有效解決了城市供暖資金短缺的問題。

南方地區開發低溫余熱資源最成熟的技術——有機朗肯低溫余熱發電技術(ORC),將高爐沖渣水余熱回收用于低溫余熱發電,為加速城市型鋼廠綠色轉型、融入城市經濟圈提供了重要支撐。

創新發展:煤氣變壓吸附技術

高爐煤氣提純(或濃縮)采用變壓吸附(VPSA)方式將高爐煤氣中的主要可燃氣體CO進行提純(或濃縮),根據用戶需求得到含40%~99.99%CO產品氣。該產品氣可作為高熱值燃燒氣體(燃料)、高爐還原性氣體,還可用于生產化工產品如合成氨、甲醇、醋酸和二甲醚等。存在富余高爐煤氣或放散現象嚴重的鋼企,可將富余高爐煤氣采用變壓吸附提純后進行高爐爐頂煤氣循環,用于高爐噴吹可大幅度降低入爐焦比,實現低碳煉鐵和節能減排;也可將高爐煤氣提純得到的含70%左右的CO替代天然氣、液化氣使用,緩解煤氣資源緊張,用于軋鋼加熱爐或退火爐,可減少外購天然氣,降低企業生產成本。該技術已在國內某鋼廠成功投運。FINEX爐頂煤氣經變壓吸附提純后循環使用,燃料比(煤比)下降明顯,實現了低碳煉鐵,降低了生產成本。


降本增效

在產品同質化競爭和市場充分競爭的背景下,成本競爭力逐漸成為核心競爭力。鋼企的總成本可分為制造成本、管理費用、財務費用、銷售費用4個部分,其中制造成本約占總成本的65%左右,而制造成本中約有70%屬于鐵前工序。從近期看,成本高低與工藝、技術和管理水平等有關,是可改變的競爭因素。生鐵對標挖潛分析可促進企業通過技術進步和管理改善降低成本。鐵前系統對標挖潛、降本增效應圍繞優化焦化配煤結構、優化燒結混勻料配比、優化球團礦配比、優化高爐入爐原料結構、優化高爐燃料結構、優化原燃料采購結構、優化物流貯運和優化二次能源利用等8個方面進行優化。


標準引領

目前,標準業已成為國際市場競爭的制高點。近年來,冶金工業規劃研究院在鐵前工序開展標準化工作,引領煉鐵業轉型升級和創新發展。

《4000立方米及以上高爐入爐原燃料技術要求》(計劃號2016-1683T-YB)已通過工信廳科[2016]214號2016年第四批行業標準立項;《燒結煙氣循環利用技術規范》(計劃號2017-0078T-YB)已通過工信廳科[2017]40號2017年第一批行業標準立項;《強逆流混合機》(計劃號2017-0442T-YB)已通過工信廳科[2017]70號2017年第二批行業標準立項;料刮板取料機、燒結用生石灰消化器、燒結球團混合料水分在線檢測系統技術規范等標準正在擬定中;未來將有更多煉鐵和原燃料、燒結、球團等標準陸續推出。


智慧制造

近年來,中國寶武集團寶鋼股份在三高爐爐前作業自動化、焦爐電車無人化、原料場堆取料機遠程化、高爐控制中心等智慧制造項目持續推進。寶鋼股份通過建成啟用的高爐控制中心,積極探索多基地協同的具有世界先進水平的高爐生產管理模式,推行遠程信息化支撐體系,實現專家遠程指導,有效提高操作協同指揮、遠程支持效率,打造高爐“智慧芯”;在以移動技術提高專家對高爐操作指導的效率,做到“全天候”護航的同時,通過不斷優化系統功能,實現了報表電子化、4座高爐的操作一體化和高爐專家系統的全覆蓋。寶鋼股份未來還將以高爐生產智能化為核心,以數值模擬、人工智能、大數據等主要技術,以高爐理論計算和生產狀態判斷經驗為評價標準,以專家系統為實施途徑,建設數字化高爐,引領生產技術新革命。高爐控制中心包含集中控制、智慧維檢、遠程診斷支持及多基地協同中心,不僅實現了4座高爐控制室物理意義上的合一,而且注重有機融合,通過一體化的操作平臺統一規范和標準,可強化交流、協作和互補,有效提高生產效率和操作水平。

韶鋼智慧中心的建設將42個中控室合并為1個集控中心,為無邊界協同奠定基礎。目前,已經實現的協同包括以高爐為中心的鐵區一體化協同以及鐵區和能介跨區域的大協同,從而徹底打破區域和工序間的傳遞邊界,有利于高效管理和生產。集控后,韶鋼鐵區人事效率提升30%,控制系統運行效率提升60%。


低碳和氫冶金

為應對氣候變化,國外冶金行業制訂了低碳技術路線圖和低碳煉鐵研究項目。中國也在低碳煉鐵技術作了大量工作,并取得初步成果。

歐洲超低CO2排放技術(ULCOS)

項目分3個階段實施。

ULCOS Ⅰ(2004年~2010年):理論研究和中試試驗階段。4個最有前景技術:高爐爐頂煤氣循環(TGR-BF)、新型直接還原工藝(ULCOSRED)、新型熔融還原工藝(HIsarna)和電解鐵礦石(電解冶金法ULCOWIN、電流直接還原工藝ULCOLYSIS)。

ULCOS Ⅱ(2010年~2015年):工業示范階段,通過對歐洲幾個綜合型煉鋼廠的設備進行改造,建立中試裝置,并對這些方案的工藝、裝備、經濟和穩定性等因素進行了檢驗和完善。

ULCOS   Ⅲ(2015年~):建設第一條工業生產線,最終實現噸鋼CO2減排50%。

日本創新的煉鐵工藝技術(COURSE50)

COURSE50目標是通過開發CO2吸收液和利用廢熱的再生技術,實現高爐煤氣的CO2分離和回收,進而通過與地下、水下CO2貯留技術革新相結合,將向大氣排放的CO2減至最小。其主要研發的技術包括用氫還原鐵礦石的技術開發,焦爐煤氣提高氫含量技術開發,CO2分離、回收技術開發,顯熱回收技術開發等。減排目標如果能夠實現,即可使CO2減排30%(使CO2排放從1.64噸CO2/噸粗鋼降低到1.15噸CO2/噸粗鋼)。但考慮此時需要以某種形式補充焦爐煤氣的能量,因此考慮是否可應用核電等不產生CO2的能源。

韓國開發氫還原煉鐵

浦項制鐵與韓國核能研究所合作,共同開發第四代核反應堆,從而能夠產生950攝氏度以上的高溫和以低廉的成本生產出大量的氫。

氫還原煉鐵法4項核心技術:氫氣增幅技術,通過焦爐煤氣(COG)改質,提高COG中氫含量,使其達到高爐氫還原要求;實際操作中的全新技術開發,氫氣吹入技術、爐內化學反應最佳化技術、難還原礦及低品位礦石還原技術、焦炭燒結礦爐渣品質設計技術等實際操作中需要的全新技術開發非常重要;超耐熱超耐腐蝕原材料開發,需要先行開發可以儲藏高溫、高壓氫氣和在900攝氏度以上的高溫下的超耐腐蝕高溫材料;利用氫氣的直接還原鐵(DRI)生產技術,開發利用氫氣,將鐵礦石在固體狀態下直接還原成DRI的生產技術,從而使用DRI替代在電爐中使用的高級廢鋼。

美國低碳煉鐵技術

美國鋼鐵協會目前正致力于降低鋼鐵工業CO2排放的技術研發項目分別是:用氫閃速熔煉生產生鐵,用氫或氫和CO混合物做燃料,替代煉鐵生產過程中所用的煤和焦炭,目前該研究仍處于初步階段;熔融氧化物電解研究,由MIT材料科學工程系科研團隊在實驗室利用環境更加友好的熔融氧化物電解工藝成功地獲得了生產鐵的新方法;熔融氧化物電解工藝與常規金屬生產技術有著明顯的不同,是用電流通過液態氧化鐵,將其分解成為鐵水和氧氣,生產完全不含碳的鐵,因此不產生二氧化碳;新型懸浮煉鐵技術、二氧化碳地質儲存研究等。

碳冶金與氫冶金循環

中國寶武根據鋼鐵行業當前面臨的外部環境與發展趨勢,及時將工藝技術創新的重點轉向綠色、環保領域,根據自身積累的技術研發資源,結合企業的實踐探索,從鋼鐵冶煉的基本原理出發,通過計算各種不同能源品種(碳、氫、電)在煉鐵還原和升溫過程中所消耗的數量及對應的直接與間接排放量,在考量不同能源品種的市場價格后,綜合平衡最優成本與最低排放之間的關系,確定了中國寶武低碳煉鐵工藝技術創新路線圖:高爐COREX化;最大限度提高還原劑利用率;加熱方式改為電加熱或其它熱源;重點發展四大減碳技術——爐頂煤氣循環氧氣高爐、復合噴吹、新型爐料、微波燒結,實現從20世紀“氧時代”到21世紀“氫時代”過渡。

新時代,煉鐵業通過減量調整、技術創新、降本增效、標準引領、智慧制造、低碳和氫冶金等轉型升級及創新發展,實現煉鐵高質量發展。

技術創新的方向主要有:燒結煙氣循環工藝、強力混合機在燒結機中的應用、燒結豎罐冷卻和余熱發電技術、高比例球團礦生產和應用、高爐沖渣水余熱回收利用技術、煤氣變壓吸附技術等(如圖3所示)。

             

                                                   摘自中國冶金報 中國鋼鐵新聞網

                    作者 劉文權 宋文剛 吳記全



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