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MPI专家观点│中国非高炉炼铁70年历程回顾和未来展望

  非高炉炼铁技术分为直接还原工艺和熔融还原工艺两种。中国非高炉炼铁走过70年,砥砺前行,从无到有、从小到大、从少到多、从简单到复杂,如今欧冶炉、墨龙HIsmelt等熔融还原技术;COSRED煤基竖炉、CSDRI气基竖炉等直接还原技术,这些非高炉炼铁装备技术已达到了世界先进水平,取得了巨大成就。

  一、中国非高炉炼铁技术装备历程回顾

  1.直接还原技术

  中国从20世纪50年代开始对直接还原铁技术进行了广泛的开发和研究。因受资源条件的限制,其开发研究主要集中在煤基直接还原铁工艺(回转窑、隧道窑、转底炉、多种固定床、移动床等)。1989年福州特钢厂φ2.9m×40m回转窑工业试验成功并达到较好水平,标志着中国直接还原工艺进入工业化阶段。先后在辽宁省喀左县2.5万吨/年(1994年11月);天津钢管公司30万吨/年(1996年10月)、山东鲁中矿山公司5.0万吨/年(1998年);吉林省桦甸老金厂矿业总公司回转窑直接还原厂2.5万吨(1998年)、北京密云冶金矿山公司6.2万吨/年(1999年)、新疆富蕴金山矿业30万吨(2007年)等8座回转窑,总生产能力80万吨。此外,各地建成了一批1.0万吨/年左右隧道窑直接还原铁厂,总产能达18万吨左右。其他有代表性直接还原工艺还有宝钢与鲁南化学工业(集团)公司联合开发的BL气基竖炉法直接还原新工艺,北京冶金设备研究院开发罐式炉法(PF法),北京科技大学热能工程研究所开发的连续炉法(COF法),长沙矿冶研究院开发的自固结球团回转窑(CRIMM法)、哈尔滨海绵铁研究所开发的斜坡法(XSH-A法)等。

  20世纪70年代,中国自行设计、建设了处理钒钛磁铁矿球团的5立方米气基竖炉试验顺利成功,仅因天然气资源问题被迫终止。70年代后期,中国在韶关钢铁厂建成以水煤气为还原气的气基竖炉工业化试验生产线,进行了长达3年的试生产,后因缺乏高品位铁矿石、水煤气制气单机生产能力过小等原因未实现工业化生产。80年代,宝钢开展了BL法煤制气-竖炉生产直接还原铁的半工业化试验研究。试验是成功的,但因含铁原料及制气成本问题未能进行进一步开发。

  马钢于2009年7月建成国内第一条处理(含锌尘泥)高炉瓦斯泥和各种固废球团转底炉直接还原工艺生产线。生球烘干、转底炉、余热回收、废气脱锌由日本引进,原料处理由国内设计制造。目前,中国已建成用于复合矿的综合利用(四川龙蟒、攀钢研)、含铁粉尘利用(马钢、沙钢、日钢、燕山钢铁、宝钢湛江)、生产预还原炉料(山西翼城、莱钢、天津荣程)等转底炉10余座。

  COSRED 煤基竖炉工艺结合了气基竖炉和隧道窑两种工艺中的优点,经过多年的实验室实验、小型工业化装备和大型工业化生产三个阶段、五代创新和持续不断的改进和完善,承接了国内外多个工程项目,2017年10月投产的缅甸工程项目表明,COSRED 工艺的特点和作用正在钢铁行业体现出直接还原工艺生力军的角色。

  历经10年进行国产化技术攻关,破解了一系列制约气基还原铁技术工程转化的技术难题之后,中国第一套30万吨/年焦炉煤气制直接还原铁工业化试验装置——中晋太行矿业有限公司氢气直还铁项目(CSDRI)将于2019年10月调试投产。

  2.熔融还原技术

  熔融还原及相关技术研究始于20世纪60年代,“九五”期间在原国家科委的支持下,启动了国家攀登计划项目“熔融还原技术基础研究”。原冶金部组织了全国熔融还原专家,实行举国体制,开展了这项技术的开发研究。在总结单元技术研究成果的基础上,开展了半工业试验的研究。在当时承德冶金部试验厂建成了2吨/小时的COSRI半工业联动试验装置,先后进行了两次试验,突破了一些关键技术难题,取得了阶段性成果。

  为了开发中国自主知识产权的熔融还原技术,2007年10月五矿营口中板有限责任公司、中冶京诚工程技术有限公司和中国钢研科技集团公司三方签订合作协议,开展了年产20万吨二步法熔融还原工业试验装置的开发和工业试验研究。从流程开发、设计、建设到生产试验,经历了三年多来源:竞彩足球计算器 时间,取得了很多重要的科研成果,发现了一些在工艺流程和设备上的不足,为进一步开发工作积累了宝贵经验。

  宝钢集团于2007年引进了两套大型COREX3000 炼铁生产装置,在上海罗泾建成熔融还原炼铁厂,分别于2007年11月和2010年投产。投产后,由于各种原因导致COREX工艺运行不利。宝钢集团2011年决定先搬迁1座COREX3000炉到原、燃料(球团矿、原煤)较有优势的八一钢铁公司,并结合罗泾的生产实践和八钢资源状况综合分析,在COREX3000的基础上结合高炉炼铁原理和成熟技术进行了31项技术优化改造,于2015 年7月19日顺利出铁,并成功实现了工业化生产,从而命名为欧冶炉。

  山东墨龙公司在2012 年将澳大利亚奎那那HISmelt 工厂整体搬迁,并优化改进工艺流程,ML-HIsmelt 熔融还原炼铁项目从2014年10月开始建设,并于2016年8月建成投产,先后经历十多次的停开炉探索实践,工作人员对生产、设备维护操作的逐步熟悉,操作稳定性以及能耗都有了质的提高,截至2018年11月30日,创造了连续稳定生产157天的最新记录,累计生产铁水80多万吨,各项生产指标均超过原澳大利工厂,实际生产成本约2100元/吨。未来HIsmelt工艺通过优化设计升级后,生产成本还可进一步降低到1700元/吨。产品高纯铸造生铁含磷量低(平均在0.015%~0.03%),含硅、锰及五害元素(铅、锡、砷、锑、铋)含量非常低,铁水脱硫过后满足高端铸造产品的需求。

  3.非高炉炼铁技术创新

  近年来,非高炉炼铁相继开发了一批具有代表性的新技术:

  欧冶炉对COREX如煤气系统、竖炉底部中心煤气管、筛分设备、炉顶煤气反吹入炉、气化炉优化等进行改进。

  ML-HIsmelt对矿粉预热系统、矿粉喷吹系统、SRV炉高温煤气系统、公辅动力系统、操作模式等进行创新。

  COSRED工艺通过三个阶段和五代创新的不断积累、改进和完善,形成了一系列的专利技术和关键技术:工艺技术、结构技术、耐材技术、控制技术、布料和排料技术、造块和干燥技术。

  CSDRI技术首创国内首套卧式干重整转化炉,新一代镍基催化剂、干重整炉低温烟气应用于竖炉密封气、吹扫气技术研发、新型镍锌吸附剂,有效脱除焦炉煤气中有机硫、无机硫、干重整炉对流段急速蒸发器、多种气源制还原气技术等创新。

  以上创新对非高炉炼铁转型发展具有重要的促进和推动作用。

  二、中国非高炉炼铁面临的机遇和挑战

  1.中国非高炉炼铁生产实践低于欧美国家

  欧美国家近年来新上的钢铁项目大多是以非高炉为主的短流程生产线,高功率电炉冶炼时炉料中添加30%~50%直接还原铁,可提高生产率10%~25%,与传统长流程相比,减排CO2、SO2等效果显著,可减少CO2排放40%~65%,减少SO2排放约30%。与传统长流程相比,DRI-电炉冶炼具有流程短、产能高的优点。气基直接还原单套设备产能可达250万吨/年,钢材的物理性能明显提高。

  2.非高炉炼铁技术是实现钢铁工业低碳炼铁必然趋势

  经业内专家多年的研究和实践证明,钢铁企业中实现直接还原-电炉炼钢短流程工艺,具备低碳排放的特点和优势。高炉—转炉长流程CO2排放量为2200千克/吨左右,直接还原铁—电炉短流程CO2排放量为600千克/吨左右。

  3.非高炉炼铁技术装备蓄势待发

  山东墨龙公司ML-HIsmelt 熔融还原炼铁项目于2016年8月建成投产;山西中晋矿业年产30万吨焦炉煤气制直接还原铁项目于2019年10月调试生产;北京建龙重工集团内蒙古赛思普科技有限公司投资10亿元的30万吨熔融还原法高纯铸造生铁项目于2019年9月18日开工建设等。中国多种非高炉炼铁技术蓄势待发,从理论走向实践,并呈快速发展的势头。

  三、中国非高炉炼铁未来展望

  1.发展趋势

  焦煤资源呈现世界性短缺,供应紧张和价格高涨已成制约传统钢铁工业发展的重要因素;传统钢铁生产对环境污染严重,钢铁工业的发展承受环境保护的压力增大,环保政策严苛,环保投资高。为实现超低排放改造,铁前环保投资增加200元/吨左右(铁前环保成本占全工序70%左右);高炉产生大量返矿、返焦和粉尘等固废,需实现固废资源综合利用;未来人力成本越来越高,需减员提高劳动生产率。

  2.发展方向

  中国钢铁工业面临钢铁流程的优化和高质量发展的机遇,发挥国内煤碳资源和焦炉煤气等丰富的比较优势,在煤制气或焦炉煤气生产直接还原铁创新突破。美国大力发展直接还原铁对中国钢铁工业创新发展具有重大启示和借鉴意义。

  3.产业布局

  从全球范围来看,钢铁产业的空间布局主要是三种基本形式:一是靠近资源产地布局的资源依托型;二是临近运输港口尤其是大型海港布局的临海港口型;三是接近产品消费市场布局的市场邻近型。国外直接还原铁厂基本布置在电炉厂附近,能够实现热装热送,降低能耗和生产成本。

  中国内陆钢企面临环保政策趋严和大宗物料产品清洁运输的要求,在废钢资源占优势的内陆钢厂可考虑配套建设具有一定经济规模直接还原铁厂。另对采用进口粉矿资源(尤其是高磷矿、钒钛矿等)也可考虑熔融还原和高炉的混合流程。长流程和短流程的融合将成为中国特色钢铁工业的未来发展方向。

  4.流程优化

  近年来,中国废钢铁产业发展较快,钢厂每年使用废钢量已达2亿吨左右,预计“十三五”期间有望达3亿吨/年,这势必将拉动或带动与之配套直接还原铁产业的发展。直接还原—电炉炼钢短流程(或直接还原与大型铸钢的对接)将为大型钢铁联合企业的转型升级取得技术和生产经验的有力支持。长流程与短流程的融合将构成中国特色钢铁工业发展的方式。应大力推进直接还原铁的全面发展,实现中国钢铁工业的绿色发展和转型升级。

  5.智能制造

  人工智能能够提高非高炉炼铁的效率、效益和质量,要大力提高非高炉炼铁智能制造水平,重视人工智能在非高炉炼铁过程的决策与管理、过程控制、质量检测、智慧物流等方面的开发及应用。