中國非高爐煉鐵70年歷程回顧和未來展望
非高爐煉鐵技術(shù)分為直接還原工藝和熔融還原工藝兩種。70年來,中國非高爐煉鐵技術(shù)走過了從無到有、從少到多、從簡單到逐漸優(yōu)化的歷程,取得了舉世矚目的成就。如今,我國歐冶爐、墨龍HIsmelt、COSRED(科思瑞迪)等熔融還原技術(shù),以及CSDRI氣基豎爐等非高爐煉鐵裝備技術(shù)水平已達(dá)到世界先進(jìn)水平。
中國非高爐煉鐵技術(shù)裝備歷程回顧 1 我國從20世紀(jì)50年代開始對直接還原鐵技術(shù)進(jìn)行了廣泛的開發(fā)和研究。因受資源條件的限制,我國當(dāng)時的開發(fā)研究主要集中在煤基直接還原鐵工藝(回轉(zhuǎn)窯、隧道窯、轉(zhuǎn)底爐、多種固定床、移動床等)上。 20世紀(jì)70年代,我國自行設(shè)計、建設(shè)了處理釩鈦磁鐵礦球團的5立方米氣基豎爐,雖然在試驗中獲得成功,但因天然氣資源問題被迫終止。20世紀(jì)70年代后期,我國在韶關(guān)鋼鐵廠建成以水煤氣為還原氣的氣基豎爐工業(yè)化試驗生產(chǎn)線,進(jìn)行了長達(dá)3年的試生產(chǎn),后因缺乏高品位鐵礦石、水煤氣制氣單機生產(chǎn)能力過小等原因未能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 20世紀(jì)80年代,寶鋼開展了BL法煤制氣-豎爐生產(chǎn)直接還原鐵的半工業(yè)化試驗研究。試驗是成功的,但因含鐵原料及制氣成本問題未能進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)。1989年,福州特鋼廠?2.9×40m回轉(zhuǎn)窯工業(yè)試驗成功并達(dá)到較好水平,標(biāo)志著中國直接還原工藝進(jìn)入工業(yè)化階段。 此后10年間,我國先后建設(shè)了天津鋼管公司(1996年10月,產(chǎn)能30萬噸/年)、山東魯中礦山公司(1998年,產(chǎn)能5.0萬噸/年)、吉林省樺甸老金廠礦業(yè)總公司回轉(zhuǎn)窯直接還原廠(1998年,產(chǎn)能2.5萬噸)、北京密云冶金礦山公司(1999年,產(chǎn)能6.2萬噸/年)等6座回轉(zhuǎn)窯,總產(chǎn)能達(dá)46.2萬噸。此外,各地建成了一批產(chǎn)能在1萬噸/年左右的隧道窯DRI/HBI生產(chǎn)廠,總產(chǎn)能達(dá)18萬噸左右。其他有代表性的直接還原鐵工藝還有寶鋼與魯南化學(xué)工業(yè)(集團)公司聯(lián)合開發(fā)的BL氣基豎爐法直接還原新工藝、北京冶金設(shè)備研究院開發(fā)的罐式爐法(PF法)、北京科技大學(xué)熱能工程研究所開發(fā)的連續(xù)爐法(COF法)、長沙礦冶研究院開發(fā)的自固結(jié)球團回轉(zhuǎn)窯(CRIMM法)、哈爾濱海綿鐵研究所開發(fā)的斜坡法(XSHA法)等。目前,中國已建成8條回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵生產(chǎn)線,總生產(chǎn)能力為80萬噸/年。 馬鋼于2009年7月建成國內(nèi)第一條處理(含鋅塵泥)高爐瓦斯泥和各種固廢球團轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝生產(chǎn)線。生球烘干、轉(zhuǎn)底爐、余熱回收、廢氣脫鋅等設(shè)備由日本引進(jìn),原料處理設(shè)備由國內(nèi)設(shè)計制造。目前,我國已建成用于復(fù)合礦的綜合利用(四川龍蟒、攀鋼研究院)、含鐵粉塵利用(馬鋼、沙鋼、日照鋼鐵、燕山鋼鐵、寶鋼湛江)、生產(chǎn)預(yù)還原爐料(山西翼城、萊鋼、天津榮程)等的轉(zhuǎn)底爐10余座。 COSRED煤基豎爐工藝結(jié)合了氣基豎爐和隧道窯兩種工藝的優(yōu)點,經(jīng)過多年的實驗室試驗、小型工業(yè)化裝備、大型工業(yè)化生產(chǎn)3個階段和五代創(chuàng)新,以及持續(xù)不斷的改進(jìn)和完善,承接了國內(nèi)外多個工程項目。COSRED工藝形成了一系列專利技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù),包括工藝技術(shù)、結(jié)構(gòu)技術(shù)、耐材技術(shù)、控制技術(shù)、布料和排料技術(shù)、造塊和干燥技術(shù)等。2017年10月投產(chǎn)的武漢科思瑞迪科技公司COSRED緬甸工程項目表明,COSRED工藝正在扮演著鋼鐵行業(yè)直接還原工藝生力軍的角色。 歷經(jīng)10年,以“釘釘子的精神”馳而不息地進(jìn)行國產(chǎn)化技術(shù)攻關(guān),破解了一系列制約氣基還原鐵技術(shù)工程轉(zhuǎn)化的技術(shù)難題之后,我國第一套30萬噸/年焦?fàn)t煤氣制直接還原鐵工業(yè)化試驗裝置——中晉太行礦業(yè)有限公司直接還原鐵項目(CSDRI)于2019年10月調(diào)試投產(chǎn)。 2 國內(nèi)相關(guān)熔融還原及相關(guān)技術(shù)研究始于20世紀(jì)60年代?!熬盼濉逼陂g,在原國家科學(xué)技術(shù)委員會(現(xiàn)科技部)的支持下,我國啟動了國家攀登計劃項目——熔融還原技術(shù)基礎(chǔ)研究。原冶金部組織了全國熔融還原專家,實行舉國體制,開展了這項技術(shù)的開發(fā)研究工作。在總結(jié)單元技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上,我國開展了半工業(yè)試驗的研究。在當(dāng)時承德冶金部試驗廠建成了2噸/小時的COSRI半工業(yè)聯(lián)動試驗裝置,先后進(jìn)行了兩次試驗,突破了一些關(guān)鍵技術(shù)難題,取得了階段性成果。 為了開發(fā)我國自主知識產(chǎn)權(quán)的熔融還原技術(shù),2007年10月15日,五礦營口中板有限責(zé)任公司、中冶京誠工程技術(shù)有限公司和中國鋼研科技集團公司三方簽訂合作協(xié)議,開展了年產(chǎn)20萬噸二步法熔融還原工業(yè)試驗裝置的開發(fā)和工業(yè)試驗研究。從流程開發(fā)、設(shè)計、建設(shè)到生產(chǎn)試驗,經(jīng)歷了3年多時間,取得了很多重要的科研成果,發(fā)現(xiàn)了一些工藝流程和設(shè)備上存在的不足,為進(jìn)一步的開發(fā)工作積累了寶貴經(jīng)驗。 寶鋼集團在2007年引進(jìn)了兩套大型COREX 3000煉鐵生產(chǎn)裝置,在上海羅涇建成熔融還原煉鐵廠,分別于2007年11月和2010年投產(chǎn)。投產(chǎn)后,COREX工藝運行不暢。寶鋼集團于2011年決定先搬遷1座COREX 3000爐到在原、燃料(球團礦、原料煤)供應(yīng)方面較有優(yōu)勢的八一鋼鐵公司,并結(jié)合羅涇的生產(chǎn)實踐和八鋼資源狀況綜合分析,在COREX 3000的基礎(chǔ)上,結(jié)合高爐煉鐵原理和成熟的技術(shù)進(jìn)行了31項技術(shù)優(yōu)化改造,于2015年7月19日順利出鐵,并成功實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn),命名為歐冶爐。 山東墨龍公司在2012年將澳大利亞奎那那HISmelt工廠整體搬遷,并優(yōu)化改進(jìn)工藝流程,對原礦粉預(yù)熱系統(tǒng)、礦粉噴吹系統(tǒng)、SRV爐高溫煤氣系統(tǒng)、公輔動力系統(tǒng)等進(jìn)行了創(chuàng)新。山東墨龍公司HIsmelt熔融還原煉鐵項目從2014年10月開始建設(shè),于2016年8月建成投產(chǎn),先后經(jīng)歷10多次停開爐探索實踐,工作人員對生產(chǎn)、設(shè)備維護(hù)操作逐步熟悉,操作穩(wěn)定性和能耗也都有了質(zhì)的提高。當(dāng)前,搬遷后的工廠日最高產(chǎn)量達(dá)到1930噸,月產(chǎn)量達(dá)到51914噸,設(shè)備不間斷作業(yè)可達(dá)157天,各項生產(chǎn)指標(biāo)均超過澳大利亞原工廠,產(chǎn)品高純鑄造生鐵含磷量低(平均在0.015%~0.03%),含硅、錳及五害元素(鉛、錫、砷、銻、鉍)含量非常低,脫硫后滿足高端鑄造產(chǎn)品的需求。 中國非高爐煉鐵未來展望
非高爐煉鐵技術(shù)是實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)低碳煉鐵的必然趨勢。目前,焦煤資源呈現(xiàn)全球性短缺趨勢,供應(yīng)緊張和價格高漲已成為制約傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重要因素;環(huán)保政策日益嚴(yán)格,環(huán)保投資不斷提高,鋼鐵工業(yè)發(fā)展承受的環(huán)境保護(hù)壓力逐漸加大。據(jù)了解,為實現(xiàn)超低排放改造,鐵前環(huán)保投資需增加200元/噸左右(鐵前環(huán)保成本占全工序成本的70%左右)。同時,高爐產(chǎn)生大量返礦、返焦和粉塵等固廢,需實現(xiàn)固廢資源綜合利用。此外,未來人力成本越來越高,需減員以提高勞動生產(chǎn)率。
而直接還原—電爐短流程生產(chǎn)工藝具有產(chǎn)能高、低碳排放的特點。據(jù)悉,高功率電爐冶煉時在爐料中添加30%~50%的直接還原鐵,可提高生產(chǎn)率10%~25%,且與傳統(tǒng)長流程相比,可減少二氧化碳排放40%~65%、減少二氧化硫排放約30%。氣基直接還原單套設(shè)備產(chǎn)能可達(dá)250萬噸/年,鋼材的物理性能明顯提高。
近年來,我國廢鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快,鋼企每年使用廢鋼量已達(dá)2億噸左右,預(yù)計“十三五”期間有望達(dá)到3億噸/年,這勢必將拉動與之配套的直接還原鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。與此同時,直接還原—電爐短流程(或直接還原與大型鑄鋼的對接)生產(chǎn)工藝將為大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗方面的有力支持。在鋼鐵流程優(yōu)化和高質(zhì)量發(fā)展的挑戰(zhàn)和機遇下,中國鋼鐵工業(yè)應(yīng)充分發(fā)揮國內(nèi)煤炭資源和焦?fàn)t煤氣等豐富的比較優(yōu)勢,在煤制氣或焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵技術(shù)上實現(xiàn)創(chuàng)新突破。美國大力發(fā)展直接還原鐵對我國鋼鐵工業(yè)非高爐煉鐵技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展具有重大啟示和借鑒意義。
從全球范圍來看,鋼鐵產(chǎn)業(yè)的空間布局主要是3種形式:一是靠近資源產(chǎn)地的資源依托型,二是臨近運輸港口尤其是大型海港的臨海臨港型,三是接近產(chǎn)品消費市場的市場鄰近型。國外直接還原鐵廠基本布局在電爐廠附近,實現(xiàn)熱裝熱送,降低能耗和生產(chǎn)成本。
中國鋼企面臨環(huán)保政策趨嚴(yán)和大宗物料產(chǎn)品清潔運輸?shù)囊?,在廢鋼資源上占優(yōu)勢的鋼企可考慮配套建設(shè)具有一定經(jīng)濟規(guī)模的直接還原鐵廠。對于采用進(jìn)口粉礦資源(尤其是高磷礦、釩鈦礦等)的鋼企來說,也可考慮采用熔融還原和高爐混合的生產(chǎn)流程。長流程與短流程的融合將成為中國特色鋼鐵工業(yè)的未來發(fā)展方式。
此外,中國鋼企還要注重提高非高爐煉鐵智能制造水平,重視人工智能在非高爐煉鐵過程的決策與管理、過程控制、質(zhì)量檢測、智慧物流等方面的開發(fā)及應(yīng)用。