用焦炉煤气作气基直接还原打造中国式冶金短流程

2010-02-07 作者：佚名网友评论 0 条

钢铁工业是高能耗工业，高炉炼铁更是能耗大户。钢铁冶金短流程是改变我国钢铁工业现有生产方式、降低能耗的最佳选择。钢铁冶金短流程的核心技术是直接还原炼铁技术。早在上世纪60～70年代，我国钢铁界对钢铁冶金短流程问题曾进行过激烈的讨论。由于我国是贫气国家（当时我国天然气资源较少），无法解决气基竖炉直接还原工艺的气源问题，直接还原炼铁的研究开发工作被迫搁浅。如今，钢铁研究总院在攻克直接还原炼铁技术方面做了大量的实验研究工作，并取得了成功，为我国非高炉炼铁技术奠定了坚实基础，为钢铁冶金短流程技术提供了技术储备。因此，在我国钢铁工业高速发展的今天，我们有能力、有条件开发钢铁冶金短流程技术。重塑钢铁冶金短流程，对保持我国钢铁工业的快速、健康、可持续发展具有重要意义。

1 钢铁冶金长流程与短流程之优劣比较
钢铁冶金长流程是与短流程比较而言的，是现代钢铁冶金的常规流程,典型的钢铁冶金长流程如图1。

图1 典型的钢铁冶金长流程示意图

钢铁冶金长流程在钢铁生产发展的历程中已沿用百余年，生产技术不断发展和完善，目前已很成熟。但仍存在工序多、过程复杂、流程长的弊病。特别在高炉的冶炼过程中，能耗占全流程的80%。因此，简化高炉冶炼过程是钢铁冶金技术的重要课题。在高炉冶炼过程中，焦炭不完全燃烧转化为一氧化碳，将氧化铁还原成铁。一氧化碳的还原潜能低（与氢还原的潜能比），故能耗高。另外，一氧化碳还原氧化铁的产物为二氧化碳，因此要排放大量的二氧化碳,污染空气。高炉冶炼流程的烧结、焦化工序会产生较多的制癌物质（二噁英、苯并[a]芘等），危及人们生命和健康，亟待消除。
钢铁冶金短流程是指用直接还原铁代替高炉铁，直接用于炼钢，可大大简化流程，解决或部分解决长流程带来的问题，其典型的工艺流程见图2。

图2 钢铁冶金短流程示意图

直接还原铁生产工艺大致可分为煤基回转窑生产工艺和气基竖炉生产工艺两种。前者直接还原铁（DRI）产量占全世界DRI总量的8％～9％，后者的产量占总产量的91％～92％。由此可见，气基竖炉工艺占优势。与此同时，后者的生产规模不断扩大。例如，埃及某钢铁厂建成并投产年产192万吨的DRI装置。印度某钢铁厂正建设年产160万吨的直接还原铁厂，不久即可投产。气基竖炉直接还原技术正在不断发展、创新和完善。墨西哥HYISR公司DRI生产已有50年历史，并开创了HYLZR新工艺，见图3。

图3 墨西哥HYLZR公司的DRI生产新工艺

    应当指出，国外气基竖炉直接还原铁生产工艺的还原剂气源都来自于天然气。像南美的委内瑞拉和墨西哥、东南亚的马来西亚和印度尼西亚、南非和中东地区的富气（天然气）国家均采用此种工艺生产直接还原铁。美国明尼苏达钢铁厂正在建设年产259万吨直接还原铁板坯生产厂，是美国较大规模的钢铁冶金短流程工厂。该厂从加拿大引进天然气作为直接还原的气源，采用HYLZR技术。由此可见，美国钢铁冶金发展路线的技术定位对我国钢铁工业来说是个重要启示。
2 重塑钢铁冶金短流程的新模式
     靠长流程支撑的我国钢铁工业急需改变生产方式和降低能耗，因此，开发钢铁冶金短流程势在必行。超常规发展的中国钢铁工业为开发钢铁冶金短流程提供了资源条件，为发展电炉炼钢提供了精料（DRI），为转炉炼钢提供了废钢代用品新资源。
    随着钢铁工业的高速发展，炼焦工业必然相应发展。2006年，全国规模以上焦化厂的焦炭产量达3.0亿吨，占全世界焦炭产量的60％～70％。在炼焦过程中，每吨装入煤可发生400m³焦炉煤气，大量的焦炉煤气未能合理利用。以独立焦化厂为例，每年大约排放300亿m3焦炉煤气，折合7000万吨标准煤。焦炉煤气中含有氢气56％～58％，是优于天然气的还原性气源。因此，焦炉煤气作为气基直接还原气源是符合中国国情的最佳选择。
    近年来，我国的炼铁技术发展很快。特别是高炉炉料结构的明显变化，高炉炉料的球团比大幅提升，高炉操作明显改善。因此，我国的球团矿产量剧增。以鞍钢为例，球团产量高达1000万吨，无疑为直接还原铁生产创造了原料条件。
    我国电炉炼钢发展较缓慢，制约其发展的因素一是电力不足，二是废钢短缺。电炉炼钢发达的国家，在电炉的炉料中需加入近50％的直接还原铁作为精料。可以说，发展直接还原铁生产也为发展电炉炼钢创造了原料条件。针对以上情况，笔者认为“中国式”冶金短流程宜采用的新模式如下：
    （1）长流程与短流程并存模式。我国钢铁冶金长流程已发展到了极致阶段。为了消除长流程的弊病，采用长流程与短流程并存的生产模式是符合我国钢铁发展实际的过渡选择。其流程见图4。
   （2）独立焦化厂生产焦炭又生产直接还原铁的短流程模式。独立焦化厂或城市煤气焦化厂，由于民用煤气逐渐被天然气顶替，造成了大量焦炉煤气的富裕而被迫排放或低价值利用。若将焦炉煤气用于生产直接还原铁后，不仅可为炼钢厂提供精料，而且可大大降低炼铁工序的能耗。其流程见图5。
   （3）用煤制气生产DRI-电炉炼钢-轧钢短流程模式。用褐煤或长焰煤等非炼焦煤生产合成气代替天然气生产直接还原铁，并热送电炉炼钢。对我国这样的贫天然气而煤资源相对较多的国家来说，该流程是理想的选择。其流程见图6。
   （4）用天然气生产DRI-电炉炼钢-轧钢典型短流程模式。对天然气充裕的地区（例如我国西北地区）采用国外的典型短流程模式亦是合适的选择。其流程见图7。

图4 长流程与短流程并存模式

图5 独立焦化厂生产焦炭和直接还原铁的短流程模式

图6 用煤制气生产DRI-电炉炼钢-轧钢短流程模式

图7 用天然气生产DRI-电炉炼钢-轧钢典型短流程模式

总之，钢铁冶金短流程由于简化了烧结、焦化工序，可大大减少冶金工厂污染物的排放。因为直接还原过程的最终产物大部分是水，所以可大幅度减少CO2的排放量，为解决地球变暖问题作出贡献。权威部门通过比较发现，直接还原铁生产较高炉铁生产可降低原燃料消耗25％，增加液钢产量35％，减少CO2排放量38％。对于天然气缺乏而煤资源相对富裕的我国来说，重塑钢铁冶金短流程是符合我国国情的最佳选择。