摘 要
簡述了當前我國鋼鐵行業和煉鐵工藝面臨的形勢、國內外煉鐵生產技術現狀及進展,由此分析研判了今后煉鐵技術發展方向,短期內是適應城市鋼廠建設的技術研發與應用,中長期是低碳、低成本的工藝技術及智慧制造裝備技術的研發與應用,并指出了與此相關的需重點關注及研發的裝備、工藝和技術,重點介紹了寶武鋼鐵在產城共融、低碳冶煉、智慧制造和低成本冶煉方面的已取得進展和為促進我國未來煉鐵技術發展所規劃、設計的“寶鋼方案”。
1 前言
當前,我國鋼鐵行業處正處在“一嚴兩高”的局面:“一嚴”是環保政策越來越嚴;黨的十九大和習近平總書記明確指出,要堅決打好污染防治攻堅戰,環境治理首次上升到政治的高度列入黨和政府重要工作目標, 國務院印發了《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》,今年 4 月 22 日,五部委聯合印發了《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》,進一步提高了我國工業行業的排放要求?！皟筛摺笔卿摦a量高企、鋼鐵原燃料價格高企;2018 年鋼鐵行業在盡管要求去產能、加大環保治理和執法力度,但鋼鐵產量仍高達 9.28 億噸,2019 年受結構調整和利益驅動,鋼鐵月均產能屢創歷史新高,資源供求關系出現了結構性的轉變,原燃料價格大幅上漲。隨國際貿易環境持續惡化,國內外鋼鐵產品需求可能減少,同時產品價格不可避免將進一步降低, 鋼鐵企業鐵水成本壓力加大,企業效益受到嚴峻考驗。可以預見:今后 5~10 年內,我國鋼鐵行業可能很少會有 2018 年一樣效益的機會了;鋼材總產量必然要逐步縮減,企業間的競爭將更加激烈。
煉鐵作為鋼鐵制造業“龍頭”工序,不僅是能耗和排放大戶,也是制造成本最高的單元,煉鐵能否既適應城市鋼廠的要求,又具有強大的成本競爭力,很大程度上決定了鋼鐵企業的生存和去留問題。因此,在國家環保政策收緊、鋼鐵行業減量提質的背景下,探討和分析未來煉鐵技術發展趨勢,對廣大煉鐵工作者正確選擇技術技術路線,確定研發重點和主攻方向,實現煉鐵轉型升級和可持續發展,具有非常重要的現實意義。
2 煉鐵生產技術現狀
2.1 工藝型式及對比
目前煉鐵的主要工藝仍是高爐煉鐵、直接還原和熔融還原三種。
1、效率和規模對比
從總量占比看,2018 年全球鋼鐵產量達到 18.08 億噸,其中,中國鋼鐵產量為 9.283 億噸;鐵水產量共計約 13.3 億噸,其中高爐煉鐵 12.39 億噸,占總鐵水產量 93.0%,占絕對優勢;直接還原鐵 8410.2 萬噸, 占總鐵水產量 6.3%;熔融還原鐵約 850 萬噸,占總鐵水產量 0.6%;從單體設備最高年產看,非高爐煉鐵裝備只能達到最大高爐煉鐵的 40%左右;從作業率來看,非高爐煉鐵最高不超過 95%,而高爐則最高能達到99%以上。
2、能耗與排放對比
國外研究了“高爐+轉爐”,“Finex+轉爐”,“直接還原豎爐+電爐”三種流程中均配加 25%的廢鋼的能耗和CO2排放情況,得出的結論是:包括煤氣發電的能量轉換在內,“直接還原豎爐+電爐”流程的凈能耗最高(15.34GJ/t 鋼水),“高爐+轉爐”流程的凈能耗最低(14.03GJ/t 鋼水);“高爐+轉爐”和“Finex+轉爐”流程的直接CO2 排放量相當,約 1700kg/t 鋼水,而“豎爐+電爐”流程的直接 CO2 排放為 600kg/t 鋼水,僅為前二者的 35%。但當包括間接 CO2 排放時,“豎爐+電爐”的 CO2 總量為 1200kg/t 鋼水,是前兩者的 65%。
3、成本競爭力對比
已工業化的熔融還原工藝中,HIsmelt 工藝成本最低,Finex 工藝次之,Corex 成本最高,但基本都高于同等規模高爐成本。浦項雖然聲稱其新投產 Finex 工藝生產成本只比同規模高爐下降 5%,同時還強調 Finex 與高爐兩種流程結合可以發揮合成的作用,使鐵水綜合成本更低。這些以克服高爐使用焦炭和塊狀爐料為目標的熔融還原工藝,雖證明了原理的可行性,但為避開使用焦炭和塊狀爐料所采取的各種新的工藝流程和方法,都在過程能量利用率和工藝及設備條件等方面付出了額外代價,因此無法體現在生產運行方面比高爐煉鐵更具突出優勢,另外,僅生產供給煉鋼用的普通鐵水,其經濟價值難以體現。
從以上對比,目前高爐工藝和非高爐工藝的主要優劣勢是:高爐煉鐵工藝在產量規模和全球普及程度上絕對領先,但在碳排放、污染物及顆粒物排放上不及直接還原(豎爐)工藝;豎爐(氣基)煉鐵工藝和熔融還原煉鐵工藝短板在規模和經濟性。因此,考慮到直接還原的發展局限性和熔融還原的經濟性等問題,結合我國的資源條件,在可預見的未來,高爐煉鐵仍將是最主要的煉鐵工藝;而從長期看,必須要關注、研發更少碳排放、污染物排放的直接還原、熔融還原煉鐵工藝技術。
2.2 行業技術現狀及未來發展研判
2.2.1 我國煉鐵技術發展情況
我國擁有世界最大的鐵水生產量和最多的煉鐵工藝裝備,2021年我國粗鋼產量占世界粗鋼總產量51.3%,除少數非高爐煉鐵、短流程煉鋼外,其中絕大部分粗鋼是使用高爐煉鐵鐵水生產的。目前我國煉鐵技術發展現狀是:
(1)隨環保政策日益加嚴,有些甚至遠高于發達國家標準,煉鐵排放及煙氣治理工藝技術得以大規模研發與應用,部分工藝、技術已經步入世界先進行列。當前很多企業都在投入巨量資金進行環保改造,以盡可能達到“超凈排放”,并獲得環境污染天氣時的“限產豁免權”。
(2)總體水平有提升,但差異較大,部分煉鐵廠燃料消耗、碳排放長期偏高。有部分企業鐵前操作指標已處于世界一流或領先水平,但多數鋼廠落后于國外先進水平。煉鐵廠多而分散,高爐平均爐容小,勞動生產率低,技術發展水平不平衡;高爐平均燃料比較發達國家平均高 20kg/t～30kg/t,焦炭灰分及入爐礦石品位較差、不穩定,另外,部分企業盲目追求高冶煉強度超過了高爐穩定而且經濟生產所允許的范圍, 導致燃料比升高,嚴重影響高爐壽命,國內高爐平均一代爐齡在 10~15 年。近年來,隨著環保加嚴,小高爐迅速減少、關停,高爐大型化趨勢明顯,但煤氣利用率低、燃料比高的狀況并未根本改變。
(3)多數企業開始推進煉鐵智慧制造,但水平和層次不平衡,高端的已經進入自動化、智能化、模型化階段,低端的僅僅是逐步實現基礎自動化,還談不上智慧制造。
2.2.2 國外煉鐵技術發展情況
1、基于現有主體工藝進行技術創新和研究。
燒結工藝上,主要是節能減排的操作、工藝改進、革新等新技術,如日本 JFE 公司開發的超級燒結工藝(Super-Sinter)、豎式爐冷卻燒結礦余熱發電技術、微波燒結技術等;煉焦工藝上,主要是多種工藝優化、裝備改進的節能減排技術,如日本多家研究單位及鋼鐵廠聯合開發的大幅提高弱粘結煤煉焦新技術、焦爐無組織排放治理、清潔高效梯級篩分內置熱流化床煤調濕技術等;高爐工藝上,主要有各種以節能減排、提高效率為目的工藝裝備改進、新型爐料及噴吹物等技術,如低 CO2 排放高爐煉鐵新技術、新工藝等。
2、大規模開展低碳冶煉工藝、技術研究。
近年來,為應對氣候變暖、降低 CO2 等溫室氣體排放量,以及為降低生產過程的碳排放成本或實現碳交易增值,國外先進同行紛紛推出了面向未來的煉鐵減碳規劃,典型工藝代表有歐洲的超低二氧化碳煉鋼項目(ULCOS)、日本的環境和諧型煉鐵工藝技術項目(COURSE50)、韓國的 COREA2030 項目、瑞典的HYBRIT 項目和美國的 MOE 項目等。
3、智能與智慧制造有了新的進步與發展。
主要是煉鐵生產過程的可視化、自動化、智能化技術得到進一步的研發與應用,尤其操作控制的模塊化。
3 未來煉鐵技術發展方向和重點應關注技術
3.1 煉鐵技術發展方向研判
從行業發展形勢看,短期內我國鋼鐵行業目前面臨最大的挑戰是環保排放問題,而從長遠看,一是減碳是大勢所趨,二是成本競爭力仍是可持續發展的根本保證。因此,未來煉鐵技術發展方向,短期是適應城市鋼廠建設的技術研發與應用,如煙氣粉塵排放、固廢消納等工藝技術等;中長期是低碳、低成本的工藝技術及智慧制造裝備技術的研發與應用,如全系統鐵水成本最優的配煤配礦技術,無人化、智能化、模型化的裝備與系統,以及降低碳排放的新工藝、新技術。具體實現途徑是:
(1)立足現有工藝進行改進、革新
通過技術及局部工藝革新改進高能耗、高排放的缺點、實現環境友好生產;通過煉鐵工藝裝備升級改造,提高效率,降低成本,實現煉鐵生產全流程的智能化、數字化、可視化,即智慧制造,也將是后續的技術發展方向;加快城市鋼廠建設,實現低碳清潔生產,研發節碳減排、資源循環利用與廢棄物消納技術。
(2)研發全新的低碳、低排放的非高爐煉鐵工藝、技術
高爐煉鐵工藝需消耗大量煤基化石能源,占企業煤耗的 70%以上,是鋼鐵生產過程最大的碳排放工序,煉鐵系統的粉塵排放占比例40%以上,煙氣排放占比約 60~70%,雖然先進高爐的燃料消耗水平已降低到500 kg/thm 以下,但在現有的工藝條件下,進一步降低燃料消耗的潛力已十分有限,因而,探索低碳新工藝、降低碳素消耗是實現鋼鐵工業煤炭減量化、降低碳排放成本的關鍵途徑;非高爐煉鐵工藝較傳統高爐煉鐵在原燃料要求與排放上有優勢,一旦在規模、成本上獲得突破,將對傳統高爐造成極大挑戰與沖擊。
3.2 應重點關注、研究的工藝技術
3.2.1 產城共融工藝、技術
世界領先鋼鐵企業經驗表明:建設城市鋼廠、與城市深度融合是企業發展的必由之路,國外日本、德國、韓國等國的鋼鐵廠也都有很好的實踐經驗,如日本千葉制鐵所建設了“熱分解氣化改質資源再生利用設備”,處理城市垃圾,將熱分解的氣體改質后供鋼廠作能源使用,實現與城市融合;浦項年建成固體廢物發電廠,進軍生活廢棄物燃料化事業等。目前我國煉鐵行業對煙氣、粉塵治理與排放方面比較重視,技術先進度、成熟度也較好,但對城市固廢消納方面基本處于探索階段,距離社會需求差距較大。煉鐵目前已有和未來需要探索的產城共融技術見表 1。
表 1 煉鐵目前已有和需研發產城共融技術
3.2.2 低碳冶煉相關工藝、技術
我國政府在巴黎氣候大會承諾:2030 年左右單位 GDP 的CO2 排放降低 60%~65%。鋼鐵行業 CO2 排放占我國總排放量的 16.02%,其中,鐵前系統碳排放約占 11.7%,鋼鐵行業尚無明確的應對技術方案;碳排放權交易系統已首次在發電行業啟動,初期每噸碳價將在 30~40 元,專家預測 2020 年中國碳交易市場碳價為人民幣74 元/噸,2025年碳價為108 元/噸,若鋼鐵業納入碳排放權交易系統,過高的碳排放必然使企業付出沉重的成本代價。因此,煉鐵工作者必須要關注與研發低碳煉鐵技術,重點應關注工藝、技術是:
(1)為消除預處理工序的污染及應對原燃料質量變差的工藝、技術,以非高爐煉鐵技術為主。如歐盟HIsarna、UL-CORED;日本COURSE 50;浦項 Finex;寶鋼歐冶爐;希爾(HYL)法、MIDREX 法工藝等。
(2)采用其它能源代替碳的新型煉鐵工藝、技術,主要研究方向是以氫代替碳和電解煉鐵。如日本氧氣高爐爐身噴吹 COG 改質富氫煤氣技術和氫氣高爐技術;奧地利“H2 Future”;美國氫閃速熔煉(HFS)和熔融氧化物電解技術(MOE);歐盟堿性熔池直接電解鐵礦石等。
(3)提高高爐爐身效率的高效煉鐵技術,主要研究方向是改變高爐還原平衡以大幅降低消耗。如歐盟高爐爐頂煤氣循環(TGRBF)、全氧+真空變壓吸附(VPSA);日本 COURSE 50 碳鐵復合爐料生產和使用技術。
3.2.3 智慧制造裝備及技術
智慧制造是實現煉鐵未來轉型升級、改善作業人員勞動負荷、生產條件的重要手段,具體應結合裝備現狀,分層、分步策劃與實施,可推進步驟及區域見下圖 1。
圖 1 煉鐵智慧制造分層示意圖
3.2.4 低成本冶煉工藝、技術
產城共融、低碳冶煉是保證企業從環保的角度(合規合法市場)生存下來;而要從市場的角度(競爭力)生存下來,必須要推進智慧制造、實現低成本冶煉。企業長期沒有利潤,是不可能長期存在于發展的。“低成本冶煉”需要重點關注的工藝、技術是:
(1)高效生產技術:即立足已有工藝條件提高單機容量或提高單機產能,以提高生產效率,降低消耗、固定成本。如高爐高利用系數生產、超高厚料層(1000mm 以上)燒結、不同冶煉條件下高爐的穩定生產技術等。
(2)高性價比礦煤資源的使用:主要是提高煉焦弱粘結煤、低品位礦的使用比例。如大比例弱粘煤配煤煉焦技術、低價非主流鐵礦資源使用技術等。
4 寶鋼煉鐵未來發展
在探索未來煉鐵技術發展方面,寶鋼也已經或即將進行多方面的嘗試,并逐步形成了面對未來可持續發展“寶鋼方案”。寶鋼規劃未來發展之路是:比超低排放更清潔的城市鋼廠;適應能源結構調整的低碳煉鐵;依靠工藝和技術創新的成本變革;以數字化和數?；癁榛A的智慧制造。目標是:重點研發基于低成本條件下的低碳、環保、智慧、高效煉鐵技術,形成一批有較大影響力的、引領煉鐵行業發展的核心技術,使鐵區環保指標、主要經濟技術指標、自動化和智能化程度達到行業領先水平,鐵水成本在國內處于先進水平,助推寶鋼煉鐵成為業內最好的煉鐵。
4.1 產城共融
以在行業內率先實施生產過程超低排放和實現固廢不出廠為主要目標,深入研究源頭和末端協同治理技術及廠內固廢、城市廢棄物的預處理和減量化處理技術,以超低排放和與城市共融為標志的綠色煉鐵工藝。
(1)環保改造:原料場及輸送系統實現全封閉改造,燒結和煉焦煙氣實現脫硫脫硝改造,達到煙氣超凈排放。
(2)固廢消納:高爐和煉焦工序消納化工廢棄物(焦油渣、氧化鐵皮、環氧片、萘油渣、輕油渣等);燒結工序消納軋鋼酸堿污泥、焦化廢棄物、城市生物污泥等;高爐噴吹消納廢塑料、廢輪胎等。
(3)轉底爐建設:計劃 2019 年年底投產,從而實現高鋅灰和廠內含鐵固廢的全量回收與利用。
(4)推進超低排放研究:鐵前系統策劃超低排放的研究,已立項“煙氣超低排放技術研究與生產應用” 科研大項目,聚焦鋼鐵生產超低排放技術及新型污染因子治理。
4.2 低碳冶煉
以提高爐身還原效率、使用富氫還原劑、高爐 Corex 化、電加熱代替碳加熱為主要方向,重點研究頂煤氣循環氧氣高爐、高爐復合噴吹富氫物質、碳鐵復合及預還原新型爐料開發、微波電加熱燒結新工藝四大低碳煉鐵技術。在分析業界主流技術方向,結合未來發展需要的基礎上,寶鋼正在策劃建立具有多功能頂煤氣循環氧氣高爐工業化試驗示范平臺,期望形成頂煤氣循環高爐富氧冶煉、氫冶金和微波燒結等寶鋼獨有的未來煉鐵核心工藝技術,實現減碳 15%的目標。
(1)頂煤氣循環氧氣高爐的研發與建設
以脫除 CO2 頂煤氣循環氧氣高爐工藝為核心,以八鋼 430m3 高爐為原型,建設工業規模試驗基地,探索還原劑利用率 100%、大幅降低碳排放的煉鐵新工藝,主要內容包括:采用高富氧鼓風(富氧率最高可達到 100%);頂煤氣自身循環利用,煤氣脫除 CO2、加熱后從爐身和風口噴入高爐;采用高爐煤氣 CO2 脫除技術;采用煤氣加熱技術。下圖 2 是頂煤氣循環氧氣高爐工藝示意圖。
圖 2 頂煤氣循環氧氣高爐工藝示意圖
(2)氫及富氫冶金的研發
圖 3 核氫冶金技術耦合的總體技術路線設想圖
目前處于項目論證階段。項目技術路線及目標:近期以第一階段為主要目標,并開展第二、第三階段的預研究。第一階段:低碳冶金。即以高溫堆制氫+高爐富氫冶煉+核電取代燃煤自備電站,實現低碳冶金;第二階段:零碳排放冶金。即以高溫堆制氫+高爐富氫冶煉+核電+冶金氣加氫制化工原料,在第一階段技術基礎上,結合煤化工技術,將其轉化為化工原料,從而實現零碳排放冶金;第三階段:無碳冶金。即以高溫堆制氫+純氫還原氣基豎爐煉鐵+核電+電爐煉鋼,實現無碳煉鋼、冶金行業的產業升級,擺脫對化石燃料的依賴。圖 3 是核氫冶金技術耦合的總體技術路線圖。
4.3 智慧制造
使用大數據與人工智能技術,建立大型工藝智能控制模型,建成多基地高爐遠程診斷控制中心、智能燒結黑燈工廠、四大車及爐頂無人化智慧煉焦生產線、堆取料機無人化生態智慧型料場等行業領先的智慧制造生產示范線。2016 年以三號高爐爐前自動化示范性改造為起點,2017 年全面啟動智慧制造建設,從自動化、無人化、設備在線監測三大方向嘗試推進智慧制造。目前,開始從先行先試的示范產線向其他產線復制推廣,實現由“線”向“面”拓展,最終,寶鋼煉鐵廠將建成以環保智慧型料場為起點,包括智慧煉焦、智慧燒結、智慧高爐組成的智慧產線,以及確保智慧產線穩定運行的智慧型設備管理體系。下圖 4 是寶鋼煉鐵廠智慧制造歷程。
圖 4 寶鋼煉鐵廠智慧制造歷程
未來 5~10 年的規劃與設想是:
(1)操作無人化、少人化:機器人替代“3D”人工作業、機器視覺識別替代人工監控、機器深度學習替代人工決策;到 2024 年,煉鐵廠“3D”作業場所 100%實現無人化、少人化。
(2)過程控制運用成分大數據與數模:高爐生產實現全自動閉環控制,閉環控制率大于 90%;焦爐生產實現智慧煉焦;燒結生產實現“黑燈”。
圖 5 寶鋼多基地基地遠程監控網絡示意圖
(3)全面推進設備在線監測診斷:設備在線監測、診斷模型、智能運維平臺及移動端互聯;到 2024年,煉鐵廠所有關鍵設備智能監測覆蓋率 100%。
(4)操控集中化、遠程化:當前正在開展鐵前系統的深度整合,即將高爐、原料、燒結、煉焦全部在煉鐵控制中心集中管控;同時已經實現了對滬外基地的遠程操作與控制,今后將具備對寶鋼股份多生產基地具有遠程監視與智能診斷的系統。圖 5 是寶鋼多基地遠程監控網絡示意圖。
4.4 低成本冶煉
以“資源寬口徑、鐵水低成本”為目標,重點研究低價礦煤使用、高爐高利用系數冶煉及穩定順行長壽技術,形成以靈活的大比例弱粘煤配煤技術、低價非主流鐵礦資源使用技術、穩定高效長壽的高爐控制技術為標志的低成本鐵水冶煉技術。
5 結論
(1) 在國家環保政策收緊、鋼鐵行業減量提質的背景下,煉鐵工作者必須要準確把握未來煉鐵技術發展趨勢,正確選擇技術技術路線,確定研發重點和主攻方向,才能助力企業生存并實現煉鐵轉型升級發展、可持續發展。
(2) 從工藝型式看,在可預見的未來,高爐煉鐵仍將是最主要的煉鐵工藝;而從長期看,必須要關注、研發更少碳排放、污染物排放的直接還原、熔融還原煉鐵工藝技術。
(3) 未來煉鐵技術發展方向,短期是適應城市鋼廠建設的技術研發與應用,中長期是低碳、低成本的工藝技術及智慧制造裝備技術的研發與應用。實現途徑一是在立足現有工藝上進行改進、革新,二是探索、研發全新的低碳、低排放的非高爐煉鐵工藝、技術。
(4) 基于我國行業及煉鐵水平現狀,今后應重點關注與研發的工藝、裝備和技術是:產城共融工藝、技術;低碳冶煉相關工藝、技術;智慧制造裝備及技術;低成本冶煉工藝、技術。
(5) 寶鋼結合自身特點和發展經歷,在探索未來煉鐵技術發展方面,形成自己的“寶鋼方案”,助推寶鋼煉鐵成為業內最好的煉鐵,即比超低排放更清潔的城市鋼廠;適應能源結構調整的低碳煉鐵;依靠工藝和技術創新的成本變革;以數字化和數?；癁榛A的智慧制造。
