煤制氣煉鋼VS煤直接還原鐵的探討

摘 要：煤制天然氣煉鋼，代表了行業發展大趨勢，經濟、節能和環保。中國對煤制氣的研究、國產化技術都很成熟。通過煤耗的計算，煤制氣煉鋼耗煤24.67萬噸，大大少于煤基直接還原煉鐵工藝的150萬噸煤。推算出可以不建井工煤礦，節省的投資40.88億元，投入到煤制氣煉鋼，總投資還減小，煤制氣的天然氣價格也低。目前中國的非焦煤直接還原鐵技術更是落后于世界。少建設2臺15萬千瓦的火電機組，開發luhuhu河的水電資源，進一步降低電的成本。開展煤制氣煉鋼的循環發電技術和鋼鐵余熱發電彌補。本文通過對煤直接還原鐵和煤制氣煉鋼的對比，認為應該采用煤制氣煉鋼技術。

關鍵詞：煉鋼工藝與比較;煤單耗;節能降本;節省投資

1煤基直接還原鐵技術代表行業發展趨勢

在2011年，某中資企業中標，與非洲T國的國家開發公司NDC聯合開發N省L縣的煤電鋼項目。建設60萬/年露天煤礦和240萬噸/年的井工煤礦、4x150MV的火電機組和100萬噸/年鋼材，投資30億美元，合同規定期限20年。中資控股80%，NDC以資源入股占20%。某公司經過勘探，證實是弱粘煤而不是煉鋼用的焦煤[1]。某中資公司近幾年一直致力于煤基直接還原煉鐵技術的研究。通過在武漢的實驗，年產100萬噸鋼，需要150萬噸煤。加上4臺15萬千瓦時發電機組，一年要300萬噸煤。因此《可研報告》設想的是露天20年，規模60萬噸/年，井工240萬噸/年。T國的國家意志是要低價格的電，所以該國的優惠政策至今都沒有對外公布。

非焦煉鐵技術是當今鋼鐵生產工藝中最受關注的技術之一。根據產品的形態不同，非焦煉鐵技術可分為直接還原（DRI）和熔融還原兩種工藝方法。直接還原是以非焦煤為能源，在不熔化不造渣的條件下，原料保持原有物理形態，鐵的氧化物經還原獲得以金屬鐵為主要成分的固態產品的技術方法。直接還原煉鐵工藝分為氣基直接還原和煤基直接還原。氣基直接還原煉鐵工藝是最主要的直接還原煉鐵技術，氣基豎爐是直接還原鐵生產工藝中最成熟、能耗最低、單機產能最大的，其單機產能與大型高爐的水平相當，是業內公認的占據主導地位的直接還原工藝。全球直接還原鐵產量中，氣基豎爐產量占82.4%，煤基法產量占17.6%。2017年世界直接還原鐵總產量為8710萬t。

中國直接還原鐵（DRI）產量不到全球直接還原鐵產量的1.5%，也不到全國高爐生鐵產量的千分之二。產量不足80萬噸，總體上講，規模小，生產成本高，缺少高品質的原料。我國曾建煤基回轉窯直接還原鐵生產線7條，年產能約65萬t。2007年世界鐵礦石價格上升以來，依靠進口球團生產DRI出現了虧損，同時礦山企業生產鐵精礦的效益又大于DRI生產，導致我國7條生產煉鋼用DRI的回轉窯全部因經濟虧損而被迫停產閑置[2]。目前，我國大多數直接還原生產線的能耗和成本較高，經營困難，說明尚有較多要改進的地方。非高爐煉鐵所用的氣源需另外供應。能耗高于高爐煉鐵流程的主要原因有兩個方面：一個是非高爐煉鐵生產過程要產生大量的高熱值煤氣，這些熱值煤氣在回收利用方面還有待進一步加強;另一個是非高爐煉鐵對于鐵礦石的還原大多數是吸熱反應，而高爐煉鐵大多數放熱反應。

2 M礦的煤層情況

礦區的煤類，根據區內各煤層的原煤干燥無灰基揮發分為23.64—28.28%，浮煤揮發分為28.53-38.93%，根據中華人民共和國煤炭行業標準（MT/T849-2000）《揮發分產率分級》，區內煤層屬中高揮發分煤（MHV）。

根據煤質分析成果，按《中國煤炭分類》（GB/T5751-2009）標準，區內煤層均屬22號煙煤（YM）類。M8、M8-1、M9、M11、M12煤層屬弱粘結煤（RN）;主要有經濟價值的M8、M9、M11煤層屬弱粘結煤（RN）。

“弱粘煤在一定條件下可以作為氣化用煤”[4]。圖1粗煤氣的組成和揮發分山西太原利用弱粘煤制氣，有論文《大同弱粘煤用于Φ3.3m水煤氣型兩段爐制氣的生產實踐》[5]。從下圖1可以看出，揮發分Vdaf/%在平均25%時的粗煤氣組成。其中的H2和CO具有很強的作為冶金用的還原作用。

礦區各煤層的煤灰熔融性：變形溫度（DT.℃）平均界于1072-1265℃，軟化溫度（ST.℃）平均為1173-1400℃，熔融溫度（FT.℃）平均為1243-1430℃。

根據中華人民共和國煤炭行業標準（MT/T853.1-2000）《煤灰熔融性軟化溫度分級》（MT/T853.1-2000）與《煤灰流動溫度分級》（MT/T853.2-2000）。礦區M8、M8-1、M9、M11、M12煤層的煤灰熔融性屬中等軟化溫度灰（MST）和中等流動溫度灰（MFT）。

3 煤基直接還原鐵能耗VS氣基直接還原鐵能耗

3.1 煤基直接還原鐵煤耗

主要煤基直接還原煉鐵工藝的特點和技術參數見表1[6]。

由表1可見，目前的各種煤基直接還原煉鐵的煤耗都是很高的，目前我國高爐煉鐵的能耗可以在410kg標準煤/t左右，其根本原因是目前的各種工藝并不是完善的，存在不少問題?；剞D窯反應溫度低（由于結圈等原因不能高），導致動力學條件變差，停留時間長，散熱大，噸鐵煤耗達到1000kg左右。從能量利用角度，過多的煤氣還需換熱加以利用。隧道窯通過罐裝礦粉，可省去造球工藝，但是罐子傳熱只能通過對流與傳導換熱方式，因此，停留時間長，熱損失大，同時罐子、海綿鐵的余熱、廢氣熱量尚未得到利用，導致煤耗高達1500kg/t海綿鐵。轉底爐由于溫度高，反應速度快，但熱能利用率差，噸鐵實際煤耗居高不下。諸多原因導致煤基直接還原煉鐵的發展受到挫折，發展煤基直接還原煉鐵工藝任重而道遠[6]。

3.2 氣基還原鐵

根據煤化工專家介紹，在煤制天然氣成本中，原材料和燃料動力費用所占比例約為60%，通常大型豎爐-電爐短流程煉鋼工藝生產每噸鋼須消耗天然氣約370立方米，耗電約420千瓦時[3]。

1）氣基還原鐵需要多少煤。

1噸煤產多少氣

C+H2O=H2+CO（1000*1000/12）*2*22.4/1000=3733立方米

1噸100%的純炭理論上可以產3733立方米煤氣。M煤礦的固定炭碳含量為35.67--61.46%，平均值48.56%，3733x48.56%=1812.7立方米。實際生產中要去雜質及損耗，燃燒的限度有關系，在此取1噸煤產1500m3氣。1噸鐵水要370m3方天然氣，即1噸鐵需要370/1500=0.2467噸煤。100萬噸鋼鐵需要24.67萬噸煤。

如果用采用國產化率最高，投資省的多噴嘴法，535kg煤產生1Km3氣[7]（當然與煤種和煤質有關）。主要有經濟價值的M8、M9、M11煤層屬弱粘結煤（RN）。在此取一個保守的數據，以550kg產1000m3氣。大型豎爐-電爐短流程煉鋼工藝生產每噸鋼須消耗天然氣約370立方米，則1噸鋼需要煤370×0.55=203.5kg煤。生產100萬噸鋼材需要20.35萬噸煤。低于按照1500m3的轉化需要煤24.67萬噸。

合計：年產100萬噸鐵，需要煤炭24.67+13.482=38.152萬噸煤。其中制氣需要的煤24.67萬噸。而煤基直接還原鐵煉鋼實際消耗原煤=150-21.15=128.85萬噸，還不包含電耗。

4 煤制氣投資和成本

4.1 投資與運營能耗比較

根據《中國應發展煤制天然氣豎爐直接還原綠色煉鐵工藝》（周渝生齊淵洪嚴定鎏洪益成鋼鐵研究總院2014年3月）。我國目前正在建設、2016年陸續投產的煤炭深加工煤制天然氣示范項目產量達年700億立方米以上。主要項目見表6。

與煤制氣耗煤24.67萬噸比較，需多耗104.18萬噸煤，采用煤基直接還原鐵，需要的煤量大，必須實行井工開采，按照《可研報告》成本達到70美元/噸，需要9019.5萬美元，還不包含電。而采用氣基還原鐵方案，需要的煤很少，露天開采就可以滿足。采用硬巖露天采礦機免爆工藝+皮帶運輸，露天成本就30美元/噸，價值24.67×30=740.1萬美元。兩者相比，煤基直接還原鐵1年多耗9019.5-740.1=8279.4萬美元。按照1：7的匯率，折合人民幣57955.8萬元人民幣。

4.2 水煤氣化工藝煤制天然氣生產成本

在此，露天煤礦采用硬巖采礦機免爆工藝+皮帶機運輸工藝，采用硬巖露天采礦機免爆工藝+管狀皮帶運輸工藝，當采到+950m時煤炭生產成本190.39元/噸。當采到+900時214.77元/噸。當采到+850m時為226.90元/噸。按照250元/噸，天然氣成本定為1.458元/m3。

可再釆用燃氣一蒸汽循環熱電聯供機組發電，1立方米天然氣可發電4千瓦時，電價可以控制在0.32元/千瓦時以下。根據第一篇論文，計算《創新采礦設計經濟安全環保降風險》。

單位成本低于0.32元/千瓦時，利用M礦的煤炭資源，就能控制煤制天然氣的生產成本，也就能夠保證煤制天然氣一豎爐一電爐煉鋼生產的成本競爭力持平或超過傳統鋼鐵流程，同時獲得天然氣代替焦炭、原煤的環境效益。

4.3 煤礦規模的確定

《煤礦安全規程》規定：井工煤礦必須是雙回路電源。鋼鐵行業也怕停電堵塞爐子。所以設想將煤礦、火電廠和煉鋼建在一起。從兩臺15萬千瓦時的發電機組分別接線。以保證對鋼鐵廠和煤礦的一類負荷可靠供電。

每臺機組運行年7500小時，按照321克煤發1千瓦時，選用2臺15萬千瓦火電機組。每臺年運行7500小時，需要煤T火為：

T煤火=2*15*7500*0.321=72.225萬噸煤。

年產100萬噸鐵，所需電由火力發電機組提供，制氣需要的煤，需要煤炭24.67萬噸。

合計年需要煤炭=72.225+24.67=96.895萬噸。

所以建設一個120萬噸/年的露天煤礦就夠了。

如果采用煤直接還原鐵的工藝，并建設4臺15萬千瓦時的火電機組，《可研報告》，需要建設240萬噸/年的井工煤礦和60萬噸/年的露天煤礦。井工煤礦投資大、建設工期長、安全風險大，投資回報率低。計算的礦井項目總投資635450.26千美元，按美元兌換人民幣1：7計算，44.48億元。如果采用免爆+管狀皮帶機工藝，噸煤投資300元，按照120萬噸/年的規模，投資3.6億元。節省投資40.88人民幣億元。不建井工煤礦，少建設2臺15萬千瓦的煤電機組。節省的錢來投資水電站和煤化工。

井工煤礦的建設是“投資大、建設工期長、風險成程度高、資本回報率低”。運行中又是高危行業。由于近幾年要求井工煤礦的“機械化、智能劃、綠色礦山、無人則安”，投資大，開采成本高，導致煤價賣得高。煤價占了火力發電成本的75%，有水電的競爭，豐水季節都出現棄水現象，往往在枯水季節起調峰的作用，火電廠經營舉步維艱。隨著大型水電站的進一步新建。中國少部分部分火電廠已經破產，更多的正奔走在破產的路上。

已登記水電站。luhuhu河的支流，從Linganga鐵礦旁邊流經mchuhucma煤礦東邊。mchuchuma東邊規劃的到Linganga鐵礦的公路通道上，附近有一處適合建水電站。這里是一個大峽谷，縣城供電系統已距離此水電站位置2.8公里。河岸一邊傾角是45°，另一邊傾角是60度。峽谷深300米，有水文觀測站，記錄了多年的水文資料。這處水力資源，iringa省是一個競爭對手，我經過向ceo請示，以姆處處瑪井工煤礦的保安電源，作了登記。利用自己的水泥、鋼材建設水電站，成本無人可以匹敵，作為煤礦和鋼鐵廠的保安電源。

5 結論

采用煤制氣煉鋼大大降低煤耗，因而可以不建設井工煤礦，減少投入40億元，改為投入煤化工和開發水電站。運行過程中，每年能節約煤104.18萬噸，可以節約5.79億元。建議采用煤制氣煉鋼工藝。

參考文獻

[1]《M礦地質報告》、《M礦可研報告》.

[2]應自偉，儲滿生，唐玨，等.非高爐煉鐵工藝現狀及未來適應性分析[J].河北冶金，2019，000（006）：1-7，31.

[3]周渝生齊淵洪嚴定鎏洪益成.中國應發展煤制天然氣豎爐直接還原綠色煉鐵工藝.鋼鐵研究總院.2014年3月.

[4]陳國兆.煤炭氣化技術[M].煤炭工業出版社，2011.

[5]楊惠升.大同弱粘煤用于φ3.3m水煤氣型兩段爐制氣的生產實踐[J].煤化工，2002，30（003）：86-88.

[6]煤基直接還原煉鐵技術及非高爐煉鐵能耗分析.

[7]田守國.13種煤氣化工藝比較.2016-09-05.

[8]劉志光.煤制天然氣的競爭力分析[J].中外能源，2010（05）：32-36.

作者簡介

曹太彬（1971-），男，漢，四川省夾江縣，大專，礦山開采工程師，研究方向：低成本、節能環保型礦山開采，控制國外投資風險的方式。