FINEX與高爐煉鐵工藝對比

張龍強 周 翔

一、引言

近代高爐煉鐵工藝經過150多年的發展，在生產效率、工藝技術、裝備大型化等方面日臻成熟，各項潛力得以較為充分的發揮，為人類文明和經濟發展做出了巨大貢獻。但高爐生產依賴的焦煤資源供應不足，加之燒結及焦化工序污染嚴重，其可持續發展面臨巨大挑戰。因此，基于不用焦炭的非高爐煉鐵技術，成為近30多年來世界鋼鐵業著力研究和發展的前沿技術之一。非高爐煉鐵技術分為熔融還原與直接還原兩種工藝。直接還原以天然氣或非焦煤為能源，在鐵礦石軟化溫度以下還原獲得固態直接還原鐵（DRI）或海綿鐵。熔融還原以非焦煤為能源，在高溫熔態下還原鐵氧化物得到鐵水。

2010年，全球非高爐煉鐵總產量約7737萬噸，占全球生鐵總量的7.4%，其中，熔融還原工藝產鐵約620萬噸，僅占全球生鐵總量的0.6%。過去的3年，熔融還原生鐵產量占比始終在0.6%左右，該工藝發展速度較為緩慢，目前僅COREX和FINEX兩種工藝實現了工業化生產。

二、FINEX工藝發展歷程

FINEX工藝的開發源于COREX工藝，主要改進有兩方面：一是以多級流化床取代了COREX的預還原豎爐，二是原料由塊礦和球團礦變為粉礦。1995年，浦項公司COREX C2000投產，但鑒于其工藝存在諸多不足，如還原豎爐中爐料粘結嚴重影響順行和作業率，焦比高、煤種要求嚴格、燃料比高等，浦項與VAI 在1992年就開始聯合研發FINEX技術，1996年通過流態化床鐵礦粉煤基氣體還原試驗，確認了流態化還原工藝，1999年進行了半工業試驗。2003年6月，浦項將已投產的COREX C2000改造成年產60萬噸的FINEX 1示范工廠。經過4年的摸索完善后，150萬噸FINEX 2于2007年投產，產能有了較大突破。2011年6月，產能有進一步突破的200萬噸FINEX 3工程開工建設，預計2013年7月建成投產。

通過FINEX工藝演進歷程看出，目前全球僅浦項擁有該工藝，經過20年的研發、生產和改進，200萬噸規模的第三套裝備已經開工建設。這不僅說明了該項工藝持續取得進展，同時也表明了煉鐵界對其仍存有顧慮，大規模商業化推廣時機尚未成熟。

三、高爐與FINEX兩種煉鐵工藝對比分析

考慮到FINEX 3尚未建成，本文重點分析已經運行4年的FINEX 2，就其生產、運行、投資、技術經濟及節能減排等各項指標與同規模高爐工藝進行比較。

（一）對比范圍

FINEX工藝所需原料為粉礦，燃料為焦丁、成型煤和煤粉，所用煤為非煉焦煤，沒有高爐所需要的焦化、燒結、球團生產車間，這也是該工藝宣傳的競爭點之一。但考慮到兩種工藝都用焦炭，本文比較范圍的界定如下：高爐工藝包括燒結、球團和高爐系統，FINEX工藝包括FINEX裝置及制氧、發電等輔助設施。150萬噸生鐵規模對應的高爐容積應為1750m3，按照78%燒結礦配加22%酸性球團礦爐料結構，需要配套的燒結機面積為180m2，球團裝備為10m2豎爐，所有裝備均配置環保及余熱、余壓回收裝置。

（二）指標對比與分析

1. 原、燃料供應

（1）原料。高爐工藝所需為燒結礦和球團礦，其中燒結礦和球團礦的生產原料主要為粉礦和鐵精礦，高爐含鐵原料綜合入爐品位一般要求TFe≥58%，近年來隨著鐵礦石價格的快速增長，實際入爐品位往往達不到58%。2010年，國內重點鋼鐵企業平均入爐品位57.14%，最低僅為50.34%。高爐工藝對原料的其他成分無特殊要求。FINEX工藝原料為粉礦（目前來自澳大利亞），對原料要求較為嚴格，TFe為60%-62%，粒度 ～8mm，平均為1mm-1.5mm，以赤鐵礦為主。

（2）燃料。兩種工藝所需燃料均為焦炭和煤，相應的指標要求見表1、表2。

表2 噴吹用煤（型煤）主要指標表 %

通過比較兩種工藝對原、燃料性能要求可以看出，FINEX工藝對原料要求較為苛刻，而高爐工藝更能適應原料的變化，可以選擇的范圍更廣。兩種工藝對燃料質量的要求相當。

2. 生產技術經濟指標

兩種工藝生產技術經濟指標見表3。

表3 高爐與FINEX煉鐵生產指標對比

3. 消耗指標

FINEX 2燃料消耗的最好指標在2008年，折成煤后的燃料比為710kg/t（焦炭按1.4倍折算，成型煤和煤粉按1.0倍折算），其中焦炭為70kg/t，噴煤粉120 kg/t -150kg/t，余為成型煤。該指標對應的礦為澳大利亞粉礦，全鐵品位63%，對應的煤是弱粘結性煤，其灰分為10%-11%。

浦項多項試驗表明，焦丁加入量越大，爐況越順行，燃料消耗越小，若沒有焦炭，燃料比將增加30%以上。目前，FINEX 2實際燃料消耗約為760kg/t（折煤），依照前述燃料結構計算，焦炭消耗約為76kg/t，煤粉消耗150kg/t，型煤消耗504kg/t。其他消耗指標及與高爐工藝對比見表4。可以看出，高爐工藝因工序較多，能耗指標偏高，FINEX工藝雖然燃料消耗較大，但煤氣均可回收且熱值高于高爐煤氣，因此，能耗指標略有優勢。

4. 環保指標

表1 焦炭（焦丁）主要指標表 %

表4 高爐工藝與FINEX工藝消耗指標對比

表5 高爐工藝投資組成表 萬元

FINEX工藝沒有燒結工序，礦石和燃料中的硫在熔融爐中以CaS形式進入爐渣，沒有高爐工藝中燒結煙氣SO2污染，總的SOx排放量遠少于高爐工藝。FINEX工藝主要是氧氣冶煉，沒有高爐工藝鼓風帶入的大量氮氣，因此NOx生成量明顯減少。另外，FINEX工藝因工序較少，粉塵和廢水等污染排放量也優于高爐工藝。

另外一項重要的排放指標是CO2。全球溫室氣體排放問題已經成為政治議題，上升到國家競爭的層面。CO2排放量取決于含碳燃料消耗量，對已經產生的CO2的治理效果并不明顯，絕大部分最終仍以CO2形式排入大氣中。對高爐和FINEX兩種工藝CO2排放指標的比較，實際是對燃料比的對比。如前所述，在這一指標上，FINEX工藝并無優勢。

5. 投資

（1）1750m3高爐工藝系統投資。1750m3高爐工藝系統由料場、180m2燒結機、10m2豎爐、1750m3高爐以及配套公輔、環保、資源能源回收等設施組成，投資組成詳見表5。

（2）150萬噸FINEX 2投資。據浦項提供的信息，目前開工的200萬噸FINEX3生產線與2007年建設的150萬噸FINEX 2生產線投資額度相當。考慮到當年的物價水平，在凈增50萬噸產能的情況下，投資額不變體現出第3套生產線作了較大改進。FINEX3投資1.3萬億韓元，約合78億元，投資組成見表6。高爐工藝若加上料場1.5億元投資，總投資約11.4億元，相比FINEX工藝的78億元投資，優勢十分明顯。

6.成本

生產成本屬于企業秘密，難有準確數據，本文通過原燃料需求量折算的方法，推算兩種工藝生鐵的制造成本，其中原料均為進口礦，計算結果僅供參考。高爐煉鐵生產成本中，原料成本約占60%，燃料（包括焦炭、煤粉）約占近30%，綜合考慮燒結和球團工序投入，煉鐵工藝燃料采購成本占生產成本比重本文取76%；FINEX工藝仍處于起步階段，研發、管理等費用相對較高，特別是氧消耗量大（約占成本20%），原燃料成本占比較低，約為50%-60%（本文取57%）。

FINEX工藝粉礦品位取61%，噸鐵消耗粉礦約1.57噸，高爐入爐品位取58%，噸鐵鐵精礦消耗約1.52噸。兩工藝成本比較見表7。通過成本計算可以看出，FINEX工藝生鐵成本比高爐工藝高500多元。

表6 浦項FINEX3投資組成表

表7 高爐與FINEX兩種工藝成本折算表

7. 占地面積

150萬噸FINEX2占地面積約15萬m2（也有資料顯示，該數據為30萬m2以上，15萬m2應不含原料場），高爐工藝的占地面積約為22萬m2，其中180m2燒結機占地5萬m2，10m2球團豎爐占地3萬m2，1750m3高爐占地約為14萬m2。

可以看出，高爐工藝因工序較多，占地面積大于FINEX工藝，對總圖布置緊張的企業而言，FINEX工藝優勢較為明顯。

四、綜合對比分析

FINEX較高爐工藝而言，目前最大的競爭優勢是焦炭用量明顯減少，依照其設計初衷，未來存在完全不用焦炭的可能。如能實現，其競爭力將進一步增大與1750m3高爐配套的焦爐工序占地面積約15萬m2，投資約5億元，還增加了廢水和SOx等排放量）。

綜合來看，FINEX工藝除了焦炭用量少，并有可能最終不用焦炭外，僅占地面積和環保指標有一定優勢，能耗指標兩者基本相當，但在原料選擇、投資等指標方面與高爐工藝（原料場、焦化、燒結、球團、煉鐵）相比差距較大，特別是投資差距巨大。FINEX替代高爐工藝尚不具備條件。

五、建議

1.高爐工藝

焦炭在高爐內除了作熱源和還原劑外，還有不可替代的骨架作用，這是高爐依賴焦炭的主要原因，也是高爐大型化的重要支撐。考慮到焦煤資源短缺以及環保排放壓力的制約，未來高爐工藝必須尋求大幅度減少焦炭用量的技術和工藝。另外，高爐工藝還需在以下方面重點關注。

（1）高爐爐型設計和工藝操作要適應原燃料的變化。隨著全球鐵礦資源開采力度的不斷加大，原礦品位有走低趨勢，高爐工藝必須適應低入爐品位的變化，爐型選擇要綜合原燃料條件和鋼種及鋼材產品需求，避免盲目追求大型化。

（2）低碳煉鐵。煉鐵工序（焦化、燒結、煉鐵）CO2排放占鋼鐵廠CO2總排放量超過85%。除努力降低燃料比外，還要從燃料結構方面有所突破，如應用天然氣和廢塑料等，研究表明，消耗每噸煤炭的碳排放量為0.7噸，消耗每噸天然氣的碳排放量為0.39噸。另外，還應重點研發的低碳煉鐵工工藝技術有碳氫共冶金、全氧冶煉及高爐煤氣的資源化利用等。

2.FINEX工藝

FINEX工藝經過不斷的完善和創新，目前已經取得了較大進展，但距離工業化、規模化推廣仍有較大差距，替代高爐工藝的條件明顯不足。作為熔融還原技術的領先者，FINEX工藝仍需要繼續針對存在的問題予以改進和創新。

（1）盡快實現非焦冶煉。非焦冶煉是包括FINEX工藝在內的非高爐煉鐵技術的初衷和核心競爭力，目前FINEX生產仍然依賴焦炭，不利于該工藝的推廣應用。

（2）大幅度降低投資。相比高爐工藝，FINEX工藝處于起步階段，即便充分考慮該因素，FINEX工藝龐大的投資也令其難以推廣。需要通過包括減少流化床數量在內的系統改進，大幅度降低投資強度。

（3）提高原料適應性。FINEX工藝的原料僅為粉礦，且理化指標要求較高，不利于推進替代高爐工藝的進程。擴大原料供應范圍和種類是FINEX工藝需要解決的重大問題。

（4）降低燃料比。目前FINEX工藝燃料比為760 kg/t（折煤）高于高爐工藝約683kg/t（折煤）的水平，未來還需在減少燃料消耗方面進一步加強研發投入。