高炉与非高炉炼铁生产能耗分析

高炉与非高炉炼铁生产能耗分析
王维兴
(中国金属学会北京 100711)
2008年全世界高炉生铁产量为94364.7万吨,直接还原铁产量为5579.5万吨, 直接还原铁产量占全世界生铁产量的5.58%.说明目前生铁生产仍是以高炉流程为主.近年来,高炉炼铁科学技术得到不断发展和完善,使高炉炼铁技术经济指标不断进步.2009年前五个月全国重点钢铁企业高炉燃料比为518kg/t,入炉焦比为374 kg/t,喷煤比为144 kg/t,热风温度为1158度, 入炉矿品位为57.57%,熟料比为91.34%,利用系数为2.599t/m3.d, 高炉炼铁工序能耗为413.30kgce/t.创造出历史最好水平.
近年来,我国炼铁系统能耗不断下降,详见表1.
表1. 全国重点钢铁企业炼铁系统能耗单位:kgce/t
太钢高炉有四座(4350,1800,1650,380M3). 2009年前五个月全厂高炉燃料比为478kg/t,入炉焦比为301 kg/t,喷煤比为186 kg/t,热风温度为1218度, 入炉矿品位为59.97%,熟料比为93.94%,利用系数为2.489t/m3.d, 高炉炼铁工序能耗为356.92 kgce/t.这说我国高炉炼铁技术水平已达到国际先进水平,充分显示出高炉炼铁工艺的先进性.
据国际钢铁协会统计,2008年全世界直接还原铁产量为6850万吨,其中气基产量为5090万吨,占总产量的74.3%,(其中:Midrex为3080万吨,HyI为1760万吨,其他为110万吨),煤基产量为1760万吨,占总产量的25.7%.增长速度最快的是印度(2015万吨),伊朗(739万吨),委内瑞拉(714万吨),墨西哥(594万吨),阿根廷(461万吨),沙特(453万吨)等国. 全世界直接还原铁产量的增长,一方面是国际钢铁市场需求增长的拉动,另一方面是直接还原铁生产工艺的技术进步也发挥了作用.
一. 高炉炼铁系统的能耗分析
1.2009年前五个月全国重点钢铁企业高炉炼铁系统的能耗分析
焦化工序:
焦化工序能耗为115.37kgce/t,焦比为374kg/t.冶炼1吨生铁消耗的能耗为115.37Χ
0.374=43.148 kgce/t.
烧结工序:
烧结工序能耗为55.27kgce/t, 冶炼1吨生铁消耗的烧结为1256.025 kg/t(冶炼1吨生铁矿耗按1674.70 kg/t,炉料结构中烧结矿配比为75%).冶炼1吨生铁消耗的烧结工序能耗为
55.27x1.256=69.42 kgce/t.
球团工序:
球团工序能耗为31.31kgce/t, 冶炼1吨生铁消耗的球团为418.67 kg/t(冶炼1吨生铁矿耗按1674.70 kg/t,炉料结构中球团矿配比为25%)冶炼1吨生铁消耗的烧结工序能耗为31.31
Χ0.41867=13.108 kgce/t.
炼铁工序能耗为413.30kgce/t.
冶炼1吨生铁消耗炼铁系统的能耗为:
43.148kgce/t+69.42 kgce/t+13.108 kgce/t+413.30kgce/t=538.976
kgce/t.
结论:按2009年前五个月全国重点钢铁各工序能耗值进行计算得出冶炼1吨生铁消耗炼铁系统的能耗为538.976 kgce/t.
2.2009年前五个月太钢炼铁系统的能耗计算
焦化工序:
烧结焦化工序能耗为63.42kgce/t,焦比为301kg/t.冶炼1吨生铁消耗的能耗为63.42Χ
0.301=19.089kgce/t.
烧结工序:
烧结工序能耗为48.07kgce/t, 冶炼1吨生铁消耗的烧结为1256.025 kg/t(冶炼1吨生铁矿耗按1674.70 kg/t,炉料结构中烧结矿配比为75%).冶炼1吨生铁消耗的烧结工序能耗为48.07x1.256=60.375 kgce/t.
球团工序:
球团工序能耗为316.90kgce/t, 冶炼1吨生铁消耗的球团为418.67 kg/t(冶炼1吨生铁矿耗按1674.70 kg/t,炉料结构中球团矿配比为25%)冶炼1吨生铁消耗的烧结工序能耗为16.90Χ0.41867=7.075kgce/t.
炼铁工序能耗为356.92kgce/t.
冶炼1吨生铁消耗炼铁系统的能耗为:
19.089kgce/t+60.375kgce/t+7.075 kgce/t+356.92kgce/t=443.459
kgce/t.
结论: 按2009年前五个月太原钢铁公司各工序能耗值进行计算得出冶炼1吨生铁消耗炼铁系统的能耗为443.459 kgce/t.
3. 国外一些先进的钢铁企业高炉炼铁系统的能耗
据了解，国外一些先进的钢铁企业采用高炉炼铁的能耗指标也在不断进步。

表2是2005年韩国浦项制铁和光阳厂焦化、烧结等有关能耗指标。

由表可得，2005年浦项制铁焦化工序能耗为129.7kgce/t × 0.4947t/t = 64.16kgce/t，光阳厂为131.9kgce/t × 0.4921t/t = 64.90kgce/t；韩国高炉炼铁矿耗在1.60t/t左右，浦项制铁烧结能耗为1.60 × 76.4% ×66kgce/t = 80.67kgce/t，光阳厂烧结能耗为1.60 × 70.9% × 57.4kgce/t =
65.11kgce/t；韩国球团矿全为进口，暂不记入能耗。

最终将各项指标汇总可得，浦项制铁炼铁系统能耗为64.16kgce/t + 80.67kgce/t + 426.5kgce/t = 607.33kgce/t，光阳厂炼铁系统能耗为64.90kgce/t + 65.11kgce/t + 441.1kgce/t = 571.11kgce/t。

2005年德国蒂森钢铁公司的焦化工序能耗为75.1kgce/t，烧结工序能耗为58kgce/t，炼铁工序能耗为426kgce/t，由此推算出其炼铁系统的能耗低于600kgce/t。

表2 2005年浦项制铁和光阳厂炼铁有关能耗指标
二. 非高炉炼铁能耗分析
1.气基铁矿石直接还原铁工艺
⑴神户制钢Midrix接还原工艺是以天然气为还原剂,在900度经过重整为90%~92%的
(CO+H2).产量最大的是墨西哥的Megsmod厂,一套装置年产DRI量176万吨.每生产1吨含金属铁93%,含硫2%的DRI能源消耗见表3.
表3 Midrix能耗消耗
⑵墨西哥的HYIII
2006年HYISa的母公司Techit宣布和Danidli公司建设名为Energiron的直接还原工厂,在阿拉伯联合酋长国,年产160万吨.
墨西哥的HYIII曾设想将CO2在1200度,有镍作催化剂条件下喷蒸气,使其变为CO和H2.这样高热煤气可以得到充分利用,也节能降耗,有效地降低直接还原生产能耗.
⑶.FINNET流程
西门子VAI在Fior流程de1基础上开发出使用矿粉4级流态化床的FINNET流程
,已在委内瑞拉和澳大利亚建有工厂,生产HBI.
2.煤基直接还原工艺
3.与气基直接还原工艺相比, 煤基直接还原工艺单体产能低,单位能耗高,DRI的品位
低.最近,有把煤气化工艺与气基直接还原工艺结合起来的尝试,对于这种尝试,不应属于煤基铁矿石直接还原工艺.
⑴.回转窑流程
煤基直接还原工艺使用回转窑较多,可使用非粘性焦煤,但煤的灰份熔点必须低于铁矿石(球团矿)的还原温度100度以上,否则就会结圈.
直接还原铁最大的回转窑建在加拿大的Stelco,125米长,直径6米,年产量35万吨,但上世纪80年代停产.现印度和南非还有很多回转窑在生产.
⑵.转底炉
.转底炉可用于处理钢铁厂的含铁尘泥,去除钾,钠,铅,锌,等有害杂质,可使用矿粉和煤粉.
神户制钢开发的ITmk3直接还原铁工艺,生产的铁块(Fe97%,C2%,比重4.4g/cm3).2008年美国宣布建设年产50万吨的Misabi Nugget Project.
.转底炉的布球,出球,煤气利用等方面尚需进一步改进,以提高产量和能源利用率,降低成本.
⑶ .PRIMUS流程
PW公司为回收利用电炉炉尘的一种多层炉膛的煤基直接还原工艺,建在卢森堡的
Differange工厂.
3铁矿石直接还原评述
煤基铁矿石直接还原工艺受资源条件限制,在特定条件下, 铁矿石直接还原流程在经济上是有利的.进入21世纪,全世界直接还原铁的产量增长是比较快,基本上供给电炉使用,与废钢相比,DRI/HBI含有害杂质少,有利于冶炼高级钢种,但电耗比用废钢高.其能耗见表3.
SL/RN的能耗为每吨DRI煤消耗16GJ,电力75kwh.
煤基铁矿石直接还原由于DRI与煤燃烧剩余物混在一起,所以DRI质量差, 煤基生产规模小, 能耗高,环保差,均不如气基铁矿石直接还原. 煤基铁矿石直接还原在印度发展很快,其它地区发展很慢.日本就不发展DRI.我国各地资源条件相差很大,是否发展DRI,一定要根据本地资源条件,经济性很重要,示范工厂可做,但不能作为主流程.因生产不稳定性大.
4铁矿石熔融还原
⑴.COREX流程.
表5 世界装置现状
表6 宝钢COREX情况
⑵FINEX流程.
浦项在引进COREX C-2000基础上与VAI合作开发的FINEX流程
改进COREX C-2000的五个方面:
第一,取消还原竖炉,用多级流态化床反应器替代还原竖炉.
第二.用铁矿粉替代球团矿或块矿. 多级流态化床出来的矿粉,经热压成HCI(Hot compacted iron)加入熔融气化炉.
第三,煤的加入方法由全部装入熔融气化炉改为一部分磨成粉喷入熔融气化炉,其余破碎后加粘结剂压成煤球.(briquette) 装入熔融气化炉.
第四.上述2.3两项改进,使熔融气化炉化学物理反应改变,改善了熔池的渗透性,降低了对小块焦的依赖性,
第五, FINEX煤气处理系统中,增加了CO2脱除装置(变呀吸附法成为成熟工艺), 脱除CO2的煤气,用于还原矿粉,使燃料消耗降低.
2008年10月150万吨/年的FINEX指标见表6 和表7.
表 6 150万吨/年FINEX工作性能
表7 FINEX热铁水质量指标(08年4~7月)
⑶HISsmlt.流程
HISsmlt.流程是一种使用铁矿粉和非粘结性煤冶炼铁水的熔融还原工艺,1993年10月投产的10万吨装置在西澳大利亚的Kwinnana.1995年将水平式改为立式SRV.2002年澳大利亚的Rio Tinto成立一家合资公司共同建设和运营一套公称能力年产80万吨商业化装置,其合伙公司有Nocor公司25%,三菱公司10%,首钢5%,继续建设在Kwinnana工厂
Kwinnana工厂的HISsmlt占地面积长300米,宽250米.其核心是6米内径的SRV(Smelt Rreuction Vessel).最初设有8支水冷喷枪,现在改为4支,2支大喷枪用来供全部炉料, 2支用来喷煤.使用铜冷却壁,实行复合喷吹,炉体耐火材料不断改进,均有好效果.最近Kwinnana工厂提出将6米内径扩大为8米,与Circofer集成,年产量定位于200万吨..
铁水经过一个通道(宽500mm,高200 mm的耐火材料砌成)进入前炉,流过挡坝进入铁水罐.炉缸上部头一个渣口(正常渣口标高500 mm以下有一个放空渣口).在炉缸和前炉低部个有一个铁口.在炉体上有一个2米直径的人孔,是砌砖并封闭的.热风由4座热风炉提供,含氧量35%,温度1200度.铁水含硫高,必须炉外脱硫,建有脱硫站和铸铁机,铸成4.5公斤铁块. SRV排出的煤气用于矿石加热,经除尘脱硫后,25%用于烧热风炉,其余用于锅炉发电.
08年11月最大产量为1834tpd, 08年11月最高作业率为86%,最佳指标:07年4月最低煤耗810kg/t,06年4~7月连续工作68天,08年7月最高作业率99%.6米SRV铁水与高炉铁水的比较见表8.
表8. 6米SRV铁水与高炉铁水的比较
评述: HISsmlt还未达到商业化的条件.第一,作业率低,不稳定,寿命短,不能稳定供应钢水.第二,铁水含硫高,达0.1%,炼钢无法接受. HISsmlt还要作许多工作. HISsmlt炉渣氧化程度高,FeO达9%,对脱硫有利,但炉衬寿命低.
⑷.Technored流程
Technored流程是巴西开发的的一种熔融还原流程以冷固结自还原球团矿(或团矿)和块矿
为原料,在方形竖炉中冶炼铁水的一种工艺.球团矿与分阁开,上部装入,热风由下部吹如,经中间矿石层,将铁矿石还原熔化为铁水,煤气由上部引出,工业试验装置为年产铁水7.5万吨,其吨铁水单耗为2.1吨自还原冷固结球团矿(含0.42吨半无烟煤),大于40mm块矿0.42
吨,140度电.
总评:开发 COREX和FINEX等熔融还原技术的目的是要不用焦炭炼铁,但开发 COREX和FINEX等熔融还原技术均未完全摆脱使用焦炭炼铁. 熔融还原炼铁的能耗和CO2排放均高于高炉炼铁流程.所以,今后炼铁工艺流程如何发展,要进一步认真研究.。