中美煉鐵技術(shù)比較分析

劉文權(quán) 蘇步新 張 盟

一、我國(guó)煉鐵產(chǎn)量和裝備情況

2017年我國(guó)高爐生鐵產(chǎn)量71075.9萬噸；熔融還原鐵水41.3萬噸。高爐生鐵占99.94%，熔融還原占0.06%。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2017年底，我國(guó)共有規(guī)范合格企業(yè)煉鐵高爐917座，高爐煉鐵總產(chǎn)能約9.5億噸，平均高爐容積912立方米。其中，2000立方米及以上高爐約有120座，產(chǎn)能占比29%；1000立方米-2000立方米高爐約有340座，產(chǎn)能占比37.5%；400立方米-1000立方米高爐約有530座，產(chǎn)能占比33%；其他高爐產(chǎn)能占比不足0.5%。

2017年3月，寶鋼集團(tuán)八鋼歐治爐COREX3000開爐，2座150萬噸產(chǎn)能合計(jì)300萬噸，2017年產(chǎn)量41.3萬噸。

二、美國(guó)煉鐵產(chǎn)量和裝備情況

2017年美國(guó)高爐生鐵產(chǎn)量2239.5萬噸；直接還原鐵產(chǎn)量299萬噸。其中高爐生鐵占88.22%，直接還原鐵占11.78%。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2017年底，美國(guó)共有煉鐵生產(chǎn)高爐約19座，高爐煉鐵總產(chǎn)能約2500萬噸，平均爐容1919立方米。其中，2000立方米及以上高爐約有6座，產(chǎn)能占比46.67%；1000立方米-2000立方米高爐約有13座，產(chǎn)能占比53.33%；無1000立方米以下高爐。2017年美國(guó)直接還原鐵產(chǎn)能1210萬噸，直接還原鐵產(chǎn)量299萬噸。

三、中國(guó)煉鐵技術(shù)現(xiàn)狀分析

（一）高爐煉鐵

1.鐵鋼比

鐵鋼比取決于長(zhǎng)短流程的選擇，鐵鋼比高低主要反映工序能耗和低碳排放水平。

我國(guó)鐵鋼比持續(xù)下降，但下降幅度較少，仍在0.85以上。美國(guó)從2008年開始，隨著開采技術(shù)的突破，2015年頁(yè)巖氣產(chǎn)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，為美國(guó)制造業(yè)帶來了優(yōu)惠價(jià)格的能源，使得美國(guó)鋼鐵工業(yè)具備了生產(chǎn)低成本、高質(zhì)量產(chǎn)品的基礎(chǔ)條件，同時(shí)使用天然氣也更具有環(huán)保優(yōu)勢(shì)，加之廢鋼資源和直接還原鐵/熱壓塊充足，電價(jià)較低，這也驅(qū)動(dòng)著美國(guó)鋼企戰(zhàn)略的逐步調(diào)整電爐流程。近年來，美國(guó)鐵鋼比下降明顯，鐵鋼比已低于0.3。見圖1。

圖1 2012-2017年中美鋼比對(duì)比圖

2.爐料結(jié)構(gòu)

我國(guó)爐料結(jié)構(gòu)70%-80%高堿度燒結(jié)礦，配加10%左右酸性球團(tuán)礦和10%左右塊礦。在環(huán)保加壓和地條鋼出清等去產(chǎn)能背景下，廢鋼資源激增，部分鋼企在煉鐵高爐配加廢鋼。如山西立恒新區(qū)高爐配加廢鋼球140千克/噸, 產(chǎn)量較提高8% ，焦比降低8千克/噸左右, 煤比降低6千克/噸左右，電耗降低了3千瓦.時(shí)/噸左右。見圖2。

圖2 2010-2017年中國(guó)高爐爐料結(jié)構(gòu)

3.噴吹燃料

我國(guó)高爐噴吹類型主要為噴煤為主，萊鋼1880立方米高爐噴吹粒煤，部分試驗(yàn)高爐噴吹蘭炭、焦?fàn)t煤氣、廢塑料和廢舊輪胎等。

4.高爐大型化和高利用系數(shù)

近年來，我國(guó)高爐大型化趨勢(shì)明顯，截至2017年底，已投產(chǎn)23座4000立方米以上高爐（其中6座5000立方米以上高爐，最大高爐容積5800立方米）。在產(chǎn)4000立方米高爐座數(shù)超過了美國(guó)在產(chǎn)高爐的總座數(shù)。2017年重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)單位平均利用系數(shù)2.51噸/(立方米.天)，最高達(dá)4.05 噸/(立方米.天)，最低1.75 噸/(立方米.天)等。

5.低成本治煉

我國(guó)在高褐鐵礦配比（最高60%）、紅土鎳礦（8%以下低鎳生鐵）、高配比釩鈦磁鐵礦（攀鋼2013年達(dá)70%左右）、高Al2O3礦等特殊礦的低成本治煉等方面取得重大技術(shù)突破，部分已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

（二）非高爐煉鐵

1.COREX3000技術(shù)

寶鋼集團(tuán)浦鋼羅涇工程分別于2007 年11 月和2011年3月引進(jìn)2套COREX煉鐵裝置并相繼投產(chǎn)。運(yùn)行了4年后，搬遷COREX-3000至八鋼歐治爐并順利投產(chǎn)，并結(jié)合新疆地區(qū)資源稟賦，較好地發(fā)展了具有八鋼特色的熔融還原技術(shù)。總體來看，經(jīng)過寶鋼這些年的不斷摸索和生產(chǎn)實(shí)踐，基本實(shí)現(xiàn)了引進(jìn)技術(shù)、掌握技術(shù)、消化技術(shù)的目的，也為結(jié)合不同區(qū)域的資源稟賦條件來發(fā)展非高爐煉鐵技術(shù)做出了積極探索。

2.HIsmelt技術(shù)

山東墨龍石油機(jī)械股份有限公司于2012年8月引進(jìn)澳洲力拓的HIsmelt技術(shù)和裝備，針對(duì)其存在的一系列問題，進(jìn)行全面的技術(shù)和設(shè)備改造，對(duì)設(shè)備、生產(chǎn)工藝、流程改進(jìn)等環(huán)節(jié)進(jìn)行了一系列的改進(jìn)完善。歷經(jīng)5年，經(jīng)過9次熱負(fù)荷試車，2016年12月份正式生產(chǎn)，截止2018年3月底，已累計(jì)生產(chǎn)45萬噸，當(dāng)前最高日產(chǎn)量達(dá)到1930噸、月產(chǎn)量達(dá)到5.17萬噸，已超過原澳大利亞奎那那工廠的歷史最高紀(jì)錄（澳大利亞HIsmelt工廠自2005年開始生產(chǎn)至2007年共產(chǎn)出鑄鐵15.5萬噸），煤耗最低降低到800千克/噸，污染物排放較傳統(tǒng)煉鐵工藝顯著降低，產(chǎn)品經(jīng)脫硫后主要指標(biāo)達(dá)到高純生鐵的標(biāo)準(zhǔn)，于全球首次實(shí)現(xiàn)了HIsmelt連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)。

3.轉(zhuǎn)底爐技術(shù)

此外，國(guó)內(nèi)已有沙鋼、日照（2條）、萊鋼、馬鋼、湛江鋼鐵、燕山鋼鐵（2條）、天津榮程、龍蟒、攀鋼等11條采用轉(zhuǎn)底爐處理固廢或釩鈦磁鐵礦，轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的直接還原鐵作為附加物一般加入高爐或煉鋼使用。

四、美國(guó)煉鐵技術(shù)現(xiàn)狀

（一）高爐煉鐵

在過去的40年里，美國(guó)的生鐵產(chǎn)量和鐵鋼比逐漸降低，2016 年生鐵產(chǎn)量2229.3萬噸。其主要競(jìng)爭(zhēng)者是廢鋼電爐生產(chǎn)流程。電爐鋼占半數(shù)以上（2016年美國(guó)電爐鋼比67%，世界平均25.7%），鐵鋼比僅為0.284。

美國(guó)鋼鐵企業(yè)之間開展了大規(guī)模的整合，2016年5家集團(tuán)公司擁有44座高爐，其中19座在運(yùn)行，取得了高爐座數(shù)減少，生產(chǎn)效率提高的效果。高爐的工作容積為1062立方米-4163立方米。利用系數(shù)為1.7-3.9，其中最高的是AK Steel Middletown 3號(hào)高爐（1493立方米）。該高爐的操作特點(diǎn)是高富氧（2016年鼓風(fēng)含氧量32.2%）、金屬料(8千克/噸含鐵返料+41千克/噸廢鋼），大量噴天然氣(104千克/噸)。美國(guó)最大高爐為安米印第安那港廠7號(hào)內(nèi)容積4163立方米高爐，其次為美國(guó)鋼鐵公司加里廠14號(hào)高爐（內(nèi)容積3244立方米）。

1.高比例球團(tuán)礦

美國(guó)是以球團(tuán)礦為高爐主要爐料的地區(qū)。2016年平均爐料組成為：92%球團(tuán)和7%燒結(jié)礦、1%塊礦。在產(chǎn)19 座高爐中，14座使用100%球團(tuán)，其中60%是自熔性（或堿性）球團(tuán)礦，40%是酸性球團(tuán)礦。見圖3。

2.高爐使用金屬化爐料

北美保留燒結(jié)廠作為處理球團(tuán)篩下物和其他小顆粒回收物料的戰(zhàn)略舉措。如Gary 鋼廠燒結(jié)廠從各種循環(huán)廢料中生產(chǎn)超高堿度燒結(jié)礦（R=2.6-2.7），含TFe為50%。一些高爐使用冷固結(jié)壓塊作為循環(huán)廢料的處理手段。如2014年，ET 廠使用34千克/噸的由高爐塵和塵泥、軋鋼鐵鱗、焦粉等制成的冷壓塊。

3.噴吹天然氣和焦?fàn)t煤氣

北美高爐煤和天然氣混噴成為技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，美國(guó)鋼鐵公司蒙瓦利廠2座高爐噴吹焦?fàn)t煤氣。因美國(guó)油頁(yè)巖技術(shù)的應(yīng)用，使天然氣供應(yīng)豐富，高爐噴吹天然氣量逐年增加。2016 年，高爐的平均噴吹天然氣量是59千克/噸，噴煤58千克/噸。混噴的方式有雙槍法（每個(gè)風(fēng)口1 支槍噴煤，1 支槍噴天然氣），以及單槍噴煤+風(fēng)口開孔進(jìn)天然氣的方法。

多座高爐生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，高爐采用天然氣和煤混噴，比單獨(dú)噴吹天然氣，能獲得超過理論計(jì)算的更高置換比。經(jīng)分析，其原因?yàn)楦倪M(jìn)了爐內(nèi)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，降低了爐缸熱狀態(tài)波動(dòng)，提高了高爐運(yùn)行穩(wěn)定性和能量利用率。見圖4。

（二）非高爐煉鐵

1.氣基豎爐直接還原技術(shù)

基于北美豐富的天然氣資源，直接還原鐵產(chǎn)量在增加，有多個(gè)新的氣基直接還原項(xiàng)目（HYL、Energiron）在建設(shè)中。見表1。

2.ITMK3粒鐵技術(shù)

圖3 2016年美國(guó)高爐爐料結(jié)構(gòu)

圖4 美國(guó)高爐噴吹燃料 千克/噸

號(hào)稱第3代先進(jìn)煉鐵工藝的日本神戶制鋼的ITMK3粒鐵轉(zhuǎn)底爐，從2004年在美國(guó)明尼蘇達(dá)州建設(shè)ITMK3粒鐵轉(zhuǎn)底爐示范裝置，原計(jì)劃第1號(hào)商業(yè)生產(chǎn)設(shè)備于2006年開始生產(chǎn)，由于遇到1450℃環(huán)境下進(jìn)行的含碳球團(tuán)還原和渣鐵分離過程溫度很高，轉(zhuǎn)底爐耐材及鋪底料的問題未解決好、粒鐵產(chǎn)品硫含量高、在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)生成粒狀固態(tài)生鐵需要的冷凝段過長(zhǎng)，生產(chǎn)效率太低等工程化難題，至今未能商業(yè)化生產(chǎn)。計(jì)劃在Northshore Mining Co.公司建設(shè)的直徑50米-60米、年產(chǎn)50萬噸粒鐵的ITMK3轉(zhuǎn)底爐示范廠至今未見生產(chǎn)情況的報(bào)道。其共同開發(fā)的合作伙伴、北美最大的礦業(yè)公司克利夫蘭.克里夫斯（CLF）2012年已經(jīng)宣布退出了ITMK3粒鐵轉(zhuǎn)底爐合資項(xiàng)目。

表1 近年北美氣基直接還原鐵項(xiàng)目

3.氫氣閃速熔煉法

猶他州大學(xué)氣-固懸浮是指鐵精粉在懸浮狀態(tài)下，被熱還原氣體還原成金屬化率較高的還原鐵工藝。熱還原氣體可以是氫，也可以是由煤、重油等經(jīng)過不完全燃燒產(chǎn)生的還原氣體CO，或者CO和H2的混合氣體。

4.熔融氧化物煉鐵法

麻省理工學(xué)院熔融氧化物煉鐵法是指氧化鐵礦在1600℃溫度下，溶解在SiO2和CaO熔劑中，在電流通過時(shí)，帶負(fù)電荷的氧離子移向陽極，陽極產(chǎn)生氧氣。帶正電荷的鐵離子移向陰極，陰極產(chǎn)生鐵，并聚集在電解槽底部的收集池中。

五、中美煉鐵技術(shù)比較分析

1.中國(guó)煉鐵在高爐大型化、低成本治煉、高利用系數(shù)強(qiáng)化治煉、工序能耗等方面具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.美國(guó)煉鐵在流程優(yōu)化（鐵鋼比低至0.3左右）、爐料結(jié)構(gòu)（以球團(tuán)礦為主）、氣體噴吹（噴吹天然氣、焦?fàn)t煤氣）等方面值得中國(guó)煉鐵借鑒學(xué)習(xí)。

3.中國(guó)在熔融還原有豐富生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)（CORE X3000和HIsmelt）并取得突破性創(chuàng)新技術(shù)。美國(guó)在HYL豎爐生產(chǎn)直接還原鐵有多條生產(chǎn)線生產(chǎn)或規(guī)劃建設(shè)之中。閃速熔煉、熔融氧化物等低碳煉鐵研發(fā)亦取得較大進(jìn)展。

4.中國(guó)氣基豎爐用氣如煤層氣、煤制氣或焦?fàn)t煤氣等在成本、價(jià)格方面取得突破后有可能與美國(guó)頁(yè)巖氣生產(chǎn)直接還原鐵取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

六、展望

未來中美兩國(guó)在高爐煉鐵的爐料結(jié)構(gòu)、燃料噴吹等方面相互借鑒，互有比較優(yōu)勢(shì)，并在低成本治煉、低碳煉鐵和非高爐治煉發(fā)揮競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

1.中國(guó)在煉鐵技術(shù)的爐料結(jié)構(gòu)方面，為適應(yīng)超低排放的要求，采用先進(jìn)適用的節(jié)能減排技術(shù)：燒結(jié)煙氣循環(huán)、多污染物協(xié)同減排、燒結(jié)余熱發(fā)電、高比例球團(tuán)礦或全球團(tuán)治煉、熔劑性球團(tuán)礦、高爐噴吹焦?fàn)t煤氣、廢塑料或廢舊輪胎、爐頂煤氣循環(huán)氧氣高爐煉鐵工藝、COREX3000和HIsmelt技術(shù)等方面發(fā)揮比較優(yōu)勢(shì)，并在低成本治煉、低碳煉鐵發(fā)揮競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2.美國(guó)煉鐵在高比例球團(tuán)礦、高爐加廢鋼或HBI、噴吹天然氣、直接還原鐵和低碳煉鐵創(chuàng)新（閃速熔煉和熔融氧化物煉鐵）等方面發(fā)揮競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。