高爐煉鐵與非高爐煉鐵的能耗比較

王維興

2009年中國生鐵產量為54374.82萬噸，比上年增長幅度5.87%，占世界生鐵總產量的60.53%；非高爐直接還原鐵產量約為60萬噸，占全國鐵產量的0.11%。

2009年全世界高爐生鐵產量為89826.1萬噸，直接還原鐵產量為5356.2萬噸，直接還原鐵產量占世界鐵產量的5.96%，比上年下降5.4%，說明目前生鐵的生產仍是以高爐流程為主，并且在短期內不會得到較大的改觀。非高爐煉鐵與高爐流程相比較具有一定的優勢，主要體現在可以不用或少用主焦煤，減少高爐流程必需的燒結、球團、焦化工序的污染物排放等。目前，非高爐煉鐵生產指標比較好的企業，所用原燃料的要求較高，使用天然氣為燃料，生產的規模與大型高爐相比還是比較小。總之，世界上大多數非高爐生產企業是在特定條件下組織的生產，這也是目前全世界非高爐煉鐵生產尚沒有得到普及的根本原因。2009年在上海召開的第五屆國際煉鐵科技大會上，有些學者發表文章指出，煉鐵學理論和生產實踐表明，融熔還原的能耗是一定要高于高爐煉鐵的能耗，得到了煉鐵科技工作者的認同。目前，我國發展煤基直接還原鐵工藝技術設備尚存在一定不足，在成本、能耗、質量和規模等方面與高爐煉鐵還有不同程度的差距，需要進行深入研究和開發。

1.為什么高爐煉鐵流程能夠長盛不衰

高爐煉鐵技術已有數千年的發展歷史，在20世紀以后又得到不斷地完善和提高，已是一個比較成熟、先進的生產工藝流程，在多方面表現出許多優勢。

1.1 高爐是高效化的豎爐

高爐生產是個煤氣和爐料逆向運動的反應器。高熱值的煤氣從爐缸均勻地上升，而爐料從爐頂按一定規律布料后連續下降。由于高爐是具有一定高度的豎爐，爐料在這個豎爐中可以得到充分地預熱、還原、熔融、滴落，生鐵在爐缸內滲碳以及爐渣和生鐵的改性等物理化學過程，在高爐內能源得到合理充分利用。目前我國高爐煉鐵的能耗在410kgce/t左右。在轉底爐中被還原的球，大多數是中上層受到煤氣加熱和還原，而在底部接觸煤氣較弱。所以，在轉底爐中，只能布一層球。如果布球兩層以上，在底部的球就幾乎接觸不到還原氣和熱量，也就不能被充分還原。因此， 轉底爐的能耗要比高爐大，且球團的質量不均勻，生產規模也有限制。但在處理含有害物質的塵泥方面還是有利的。

1.2 爐料在高爐內有一半左右是進行間接還原，有利于節能

煉鐵學理論說明，鐵礦石進行直接還原是個吸熱反應，進行間接還原是個放熱反應。爐料在高爐內約有50%的爐料是進行間接還原反應。所以，高爐煉鐵要比直接還原鐵工藝要少用能源。

1.3 高爐是高效能源轉化器

在高爐內焦炭起5方面作用：一是與氧氣反應生成CO、CO2，同時放熱，是煉鐵的主要熱量來源;二是也為鐵礦石還原提供充足的碳和CO，是還原劑的來源;三是焦炭在高爐內是起骨架作用，支撐著爐料，同時起著透氣窗的作用，使煤氣在高爐內可以均勻，阻力較小地運動;四是焦炭還對生鐵起到滲碳作用，可以使生鐵質量合格，實現生鐵中的鐵、碳平衡;五是焦炭在爐缸中有填充作用。高爐休風時，爐缸是被焦炭填滿，使爐缸內有較大的空間，有利于快速恢復生產。

非高爐煉鐵所用的氣源需另外供應。煤基直接還原工藝是要建設專門的造氣裝置，而且要求CO+H2含量要大于90%。煤在轉換為還原氣的過程中是要有較多的能量損失，并且投資和運行費用也較高（約占總投資的三分之一）。這是目前煤基直接還原工藝生產成本高的主要原因之一（還有副產煤氣去發電能源利用率低等）。

焦炭在高爐內少部分轉換為煤氣，熱風爐的熱風熱量是依靠燃燒45%左右高爐煤氣而獲得的。熱風熱量占高爐煉鐵所需熱量的19%左右。所以說高爐是高效能源轉化器，有能源轉換功能。高爐煤氣得到充分回收利用(去燒熱風爐)是高爐能源利用效率高的表現。

2.高爐與非高爐煉鐵能耗比較

2.1 對2009年重點鋼鐵企業煉鐵系統的能耗分析

2009年我國重點鋼鐵企業高爐工序能耗為410.65kgce/t，燒結工序為54.95kgce/t，焦化工序為112.28kgce/t，球團工序為29.96kgce/t。計算冶煉1t生鐵所需要的煉鐵系統能耗（包括燒結、焦化、球團、高爐四個工序）具體分析如下：

焦化工序

2009年重點企業高爐煉鐵焦比為374kg/t。

冶煉1t生鐵所用焦炭的焦化工序能耗為：

112.28 kgce/t×0.374＝41.99kgce/t。

燒結工序

冶煉1t生鐵需要消耗鐵礦石為1674kg/t，在高爐爐料結構中燒結礦的配比按75%計算。冶煉1t生鐵用燒結礦的燒結工序能耗為：

54.95 kgce/t×1.674×75%＝68.98kgce/t。

球團工序

冶煉1t生鐵需用球團礦量為（爐料結構中球團礦占15%）1674kg/t×15%=251.1 kg。

冶煉1t生鐵用球團的球團工序所需的能耗為：29.96kgce/t×0.2511＝7.52kgce/t。

2009年，全國重點鋼鐵企業冶煉1t生鐵，煉鐵系統所消耗的平均能耗為：41.99kgce/t(焦化)+68.98kgce/t(燒結)+7.52kgce/t(球團)+410.65kgce/t(煉鐵)＝529.11kgce/t。

2.2 對2009年太鋼煉鐵系統能耗的分析

2009年太鋼煉鐵工序能耗為353.89kgce/t，燒結工序能耗為46.94kgce/t，焦化工序能耗為75.55kgce/t，球團工序為16.21kgce/t；入爐焦比為309kg/t。2009年太鋼高爐爐料結構為：燒結72.35%，球團為21.44%。

按本文2.1節中計算方法可知，太鋼冶煉1t生鐵煉鐵系統所需的能耗為：

焦化：75.55kgce/t×309kg/t＝23.34kgce/t。

燒結： 46.94kgce/t×1674kg/t×77，35%＝60.78kgce/t。

球團：16.21kgce/t×1674kg/t×21.44%＝5.81kgce/t。

23.34 kgce/t（焦化）+60.78kgce/t（燒結）+5.81kgce/t（球團）+353.89kgce/t（高爐）＝443.82kgce/t。

結論：2009年全國重點鋼鐵企業冶煉1t生鐵，煉鐵系統所需要消耗的能源為529.11kgce/t；同期我國先進水平的太鋼生產1t生鐵，煉鐵系統所消耗的能源為443.82kgce/t。這兩個數據均比目前非高爐煉鐵工藝的能耗要低。

非高爐煉鐵的能耗：

2008年5月是寶鋼COREX-3000燃料比較好水平，為987.1kg/t（其中焦炭占20%）。2009年C3000的燃料比平均為1057kg/t。

C2000的燃料比的情況: 印度京德1號為997 kg/t，京德2號為994 kg/t，焦比在燃料比的15%～20%。南非薩爾達納為1020～1050 kg/t焦比在燃料比的13%～15%。

2008年4～7月韓國FINEX煤氣得到回收利用后，燃料比由780～850kg/t降到700kg/t左右。

日本神戶制鋼與美國克里夫蘭·克里夫斯公司結盟，建設了ITmk3設施，實際是轉底爐的改進和延伸。產品為冷態的渣鐵，能耗高于高爐煉鐵。

澳大利亞HISMELT工廠經過不斷的改進，噴煤比已由2噸多降低到700多kg/t。

我國煤基直接還原鐵生產工序能耗大多數在800kg/t以上，個別的企業在1.0t/t以上。北京密云鐵礦、天津鋼管公司等單位均因煤基直接還原鐵能耗和成本高，而停產。

上述的數據表明， 非高爐煉鐵的能耗是要比高爐煉鐵系統的能耗高250～650kgce/t。

非高爐煉鐵工藝的能耗高主要原因是，所產生的大量高熱值煤氣沒有充分得到循環利用或科學利用。目前，大多數是用煤氣去發電。而煤氣轉變為電能的能源利用效率是在32%～45%，使企業能源利用效率低，生產成本高。融熔還原生產還脫離不了焦炭和礦粉造塊，其能耗肯定是要比高爐工序能耗高。能耗高，肯定成本高，污染物排放高。現在宣傳和輿論界在這方面有不正確的導向，要實事求是，應以予澄清。要讓各級領導，特別是具有決策權的領導，認識到非高爐煉鐵工藝與高爐煉鐵系統能耗的真實情況。目前，韓國還在建大高爐，沒有扒掉高爐，去繼續建FINEX，值得我們深思。

3.關于發展非高爐煉鐵技術探討

非高爐煉鐵是21世紀全世界鋼鐵界的前沿技術，是技術發展的大方向，但尚存在較多重大技術問題需要進一步突破。如所產生的煤氣如何進行整治，得到合理回用，熔融還原如何減少對焦炭的依賴，用普通鐵精礦進行非高爐煉鐵工藝經濟性的提高和技術的提升等。

根據我國資源、能源條件的限制，我國的煉鐵生產技術工藝將在較長一段時間內仍將是要以高爐流程為主。而且，目前高爐生產流程的能耗和污染物排放量均是優于非高爐生產流程。特別是在生產規模、投資和生產成本等方面高爐流程是占有比較大的優勢。

目前，我國加大淘汰落后產能的工作力度，堅決不允許企業擴大鋼鐵產能，只能進行落后產能的替代。但是，一些企業希望走發展非高爐煉鐵的道路，認為是節能減排，企業可以得到較大的發展。目前，這是一條走不通的路。因為，目前非高爐煉鐵技術發展尚需進一步完善和提升，所要求的條件還比較苛刻，在技術性、經濟性、可行性及生產規模等方面均要進行充分科學地論證。現在，鋼鐵企業經營利潤率處于較低水平，建設新項目一定要慎重從事，要聽取多方面意見，特別是不同的意見，這對企業的生存和發展是非常有益的。

對有經濟實力和技術水平較高的企業和研究單位，應當及時跟蹤國內外非高爐煉鐵技術發展態勢，抓住主要矛盾，進行深入的非高爐煉鐵技術研究和開發，借鑒國內外已有的各方面的經驗，使我們少走彎路，提高效率和效益。目前，我國不宜再忽悠讓一批企業去上非高爐煉鐵項目。

3.1 轉底爐應用范圍

轉底爐在處理鋼鐵企業所產生的含鐵塵泥具有優勢。因為這些含鐵塵泥中含有高堿金屬（K、Na），并有鉛、鋅等對高爐生產有害的金屬。采用轉底爐去處理掉含有害雜質的塵泥，再回收利用好含鐵物質，是合理的科學方法。因轉底爐在生產規模、能耗、生產成本等方面尚有不足之處。所以轉底爐不能做為鋼鐵企業生產的主流程設計。目前，轉底爐還有布球、出球、產品抗氧化等方面技術問題需要進一步改進。

3.2 直接還原鐵要高質量

一些直接還原鐵企業將產品定位于給高爐使用。因為他們的產品金屬化率不高，含有害雜質多，高爐還可以用，電爐企業不愿意用。因為電爐企業使用這些低質量的直接還原鐵之后，能耗上升、金屬收得率低，產量和質量均受到影響。直接還原鐵如果含FeO高，對電爐爐襯的侵蝕很嚴重，大大降低電爐的壽命。

高爐煉鐵使用金屬化爐料后，是有降低煉鐵燃料比的作用，可使高爐煉鐵減少CO2排放。但是，用系統節能的觀點去進行分析，就會發現，采用金屬化率高的爐料之后，煉鐵系統的能耗是比較高的，且生產成本升高較多。2007年德國專家曾對此有過系統的分析。因為生產金屬化率高的爐料所需的能耗和成本也是比較高的，雖然高爐使用金屬化率高的爐料會有一定效益，但抵償不了原料準備的代價。從技術發展方向看，發展金屬化高的燒結礦和球團礦是冶金學的發展方向。所以，應加強這方面的技術研究和開發。企業如果利用本企業的二次能源工業去生產金屬化爐料，是經濟的，是技術發展的大方向。

我國直接還原鐵質量上普遍低于世界水平，這與我們所用的原料質量低有關。我國在選礦技術上已有較多突破，建議企業要充分利用高水平的選礦技術，將所用鐵礦石的品位進行提高，同時可去除一些有害雜質，對所用的礦石進行再選，在經濟上、產品質量上是有利的。