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          來源︰未知 佚名 2019-03-22 瀏覽次
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            煉鐵生產作為鋼鐵生產流程中的重要組成部分,是能量消耗和生產成本的主要載體,同時是污染物排放的主要工序。未來的煉鐵發展狀況將決定整個鋼鐵工業的組成、結構及產品市場競爭力。我國作為世界第一煉鐵大國,今後的煉鐵可持續發展取決于正確的工藝路線、先進的生產理念,以及持續的改進提高。本文試圖通過對國外連鐵生產及技術進展的調研,為國內煉鐵同仁提供一些有益的信息和參考。

            國外煉鐵各工藝生產狀況

            世界煉鐵生產工藝分為高爐工藝、直接還原工藝,熔融還原工藝。在過去的10年里,各工藝生產均取得一定進展。

            高爐工藝。在過去的10余年里,在我國生鐵產量高速增長的帶動下,世界生鐵的總量持續增加,2014年全球高爐煉鐵的產量為11.795 億噸,見圖1。國外生鐵總產量基本維持不變,2014年為4.679億噸,佔39.67%;我國為7.116億噸,佔60.33%。

            新建高爐的大型化仍是發展趨勢。韓國浦項建成世界最大的6000m3高爐。但行業普遍認識到,在原燃料質量下降和頻繁波動的情況下,大型高爐的適應能力存在不足。

            直接還原工藝。據美國Midrex公司統計,世界直接還原鐵的生產自上世紀70年代以來,總體保持增長趨勢,2013年產量為7522萬噸。生產的工藝分為氣基和煤基,其中氣基佔78.8%,煤基佔21.2%。

            2014年,全球直接還原鐵產量為6051.9萬噸(國際鋼協統計,佔87%),其中最大生產國是印度,產量為1806.7萬噸。

            直接還原工藝的一個新進展是在印度JSPL的煤氣化直接還原裝置(MXCOL)建成投產。該裝置設計能力是180萬噸/年,其工藝采取的是魯奇的煤氣化爐和Midrex的豎爐相結合,將煤用高壓蒸汽和氧氣進行氣化,生產原料氣供氣基豎爐使用。據報道,2014年第3季度,該裝置已生產出金屬化率穩定在93%的直接還原鐵產品。

            熔融還原工藝。2013年,全球熔融還原(Corex + Finex)裝置共生產鐵水730萬噸。2014年1月,韓國浦項又投產了一座200萬噸的Finex裝置。

            HIsarna工藝開發取得進展,所建的半工業試驗裝置(8噸/小時)自2010年起開展了4次試驗,每次2個月。據報道,其結果超過期望值,煤耗已低于750kg/t。2016年計劃再開展一次試驗。

            綜合評價,在過去的10余年里,高爐、直接還原、熔融還原各工藝的產量均在增加,而高爐的產量規︰退嫉謀壤含我國)均遠遠超過了後兩者。這也預示著高爐煉鐵工藝的絕對優勢將長期保持。

            主要國家和地區的煉鐵發展狀況

            西歐

            生產狀況。歐盟15國的生鐵產量已從2008年前的年產9000多萬噸下降到近幾年的不足8000萬噸,見圖2(2013年7690萬噸)。高爐運行數量由1990年的92座降低到目前的45座,但單爐產量則由104萬噸/年提高到目前的171萬噸/年。

            爐料結構。受環保因素的影響,在過去的20余年里,高爐的爐料結構正在發生變化,見圖3,表現為高比例的燒結礦在減少,球團礦的比例在增加。其中瑞典和芬蘭的鋼鐵企業取消了燒結機,爐料結構為90%球團+10%循環廢料壓塊。但燒結礦對多數廠來說仍是主要的煉鐵原料。該地區共有29台燒結機,平均燒結面積為288m2,最大的為589m2,最高燒結利用系數是59.5t/(m2·d)。歐洲保留燒結的原因之一是在滿足冶金性能和環保要求的前提下,燒結能夠處理循環料和廢料。

            燒結煙氣治理。歐洲重視對燒結煙氣的處理,以滿足嚴格的環保要求。各燒結機均配置了高效的電除塵和布袋除塵。一些燒結機采用了活性炭/褐煤吸收法處理廢氣。此外,歐洲重視減少工藝本身的污染物產生量,開發了LEEP、EPOSINT、EOS等煙氣循環燒結工藝,並在一些燒結廠得到成功應用。經處理的煙氣中二口惡英的含量將低于0.4ng/m3(SPT)。

            焦炭質量。歐洲重視焦炭質量的作用和價值,明確了焦炭的質量要求,如CSR>65%,CRI<23%,灰分<9.0%。但客觀現實是,該要求越來越難以滿足,表現為焦炭質量波動大,如CSR為56%~70%,CRI為20.5%~38%,焦炭灰分為9.5%~12%。

            高爐燃料比。歐洲的高爐能量利用率很高,焦比已降低到330kg/t的先進水平。但近年來,由于高爐原料質量的下降,燒結礦中SiO2升高,高爐渣量上升,加之煤比的增加,導致平均燃料比有所上升,2013年達到504.7kg/t。2014年~2015年,由于經濟的原因,幾乎所有高爐都噴煤(不再噴油和氣)。歐洲的高爐碳排放自認為已實現最低值(1570kg/tHM)。

            綜合布料控制優化高爐操作。西門子奧鋼聯的金屬工藝公司開發了基于閉環裝料控制的專家系統,並成功應用于Linz A高爐。2013/14年度取得的運行指標為︰高爐燃料比低于455kg/t (折算為焦炭),鐵水Si的標準偏差小于0.12%,利用系數大于2.8t/(m3·d),全部爐料中的9%為0~10mm,堿負荷在4.0kg/t~4.5kg/t條件下的高爐穩定運行。

            其他。歐洲為保證高爐的穩定順行,對含有有害元素的鋼鐵廠各類粉塵和塵泥,如高氯高爐灰、高油軋鋼鐵鱗、高鋅轉爐塵、高堿金屬燒結除塵灰等,全部或部分限制其通過燒結循環使用。

            氧氣高爐作為歐洲ULCOS項目的一部分,已開展了多次試驗,取得了焦比200kg/t、煤比175kg/t、燃料比降低24%的試驗結果。歐洲制定了50萬噸/年的工業試驗計劃,但因經濟原因現項目已停止。正在開展的有效節能技術是高爐煤氣的頂壓發電。

            北美 (美國,加拿大,墨西哥)

            生產情況。在過去的40年里,北美的生鐵產量逐漸降低,見圖4,2014年為4200萬噸。其主要競爭者是廢鋼電爐生產流程。電爐鋼佔半數以上,鐵鋼比僅為0.4。

            企業之間開展了大規模的整合,目前5家公司擁有44座高爐,其中29座在運行。高爐的工作容積為900m3~4100m3。利用系數為1.9t/(WM·d)~3.9 t/(WM·d),其中最高的是AK Steel Middletown 3號高爐(1493m3)。該高爐的操作特點是高富氧(2013年鼓風含氧33%)、吃金屬料(76kg廢鋼+104kgHBI/t),大量噴天然氣(115kgNG/t)。

            爐料結構。北美是以球團礦為高爐主要爐料的地區。2014年,平均爐料組成為︰92%球團,7%燒結礦,1%塊礦。在29座高爐中,17座使用100%球團,其中60%是堿性球團,40%是酸性球團。

            北美保留燒結廠作為處理球團篩下物和其他小顆粒回收物料的戰略舉措。如Gary鋼廠燒結廠從各種循環廢料中生產超高堿度燒結礦(R=2.6~2.7),含Fe為50%。

            一些高爐使用冷固結壓塊作為循環廢料的處理手段。如2014年,ET廠使用34kg/t的由高爐塵和塵泥、軋鋼鐵鱗、焦粉等制成的冷壓塊。

            高爐噴吹。北美高爐煤和天然氣混噴成為技術發展趨勢。因美國油頁岩技術的應用,使天然氣供應豐富,高爐噴吹天然氣量逐年增加。2014年,高爐的平均噴吹天然氣量是59kg/t,噴煤58kg/t。混噴的方式有雙槍法(每個風口1支槍噴煤,1支槍噴天然氣),以及單槍噴煤+風口開孔進天然氣的方法。

            多座高爐生產實踐證實,高爐采用天然氣和煤混噴,比單獨噴吹天然氣,能獲得超過理論計算的更高置換比。經分析,其原因為改進了爐內反應動力學過程,降低了爐缸熱狀態波動,提高了高爐運行穩定性和能量利用率。

            此外,相對于噴煤時的較高理論燃燒溫度,在噴吹天然氣時,高爐在理論燃燒溫度為1760℃(3200)下運行無問題。

            遠程監控、診斷及標準化系統(RMDS)和數據庫。該系統的開發者是ArcelorMittal公司,其目標是用網絡對全部高爐應用RMDS(現1/4已聯網,包括北美3座高爐)。RMDS方案包括每周的視頻/網絡會議,參加者討論分享安全和操作經驗,RMDS數據可供給局部專家系統服務器。

            一些高爐使用SACHEM專家指導系統(由ArccelorMittal和PW聯合提供),所帶來的益處是更穩定的高爐運行、更一致的鐵水溫度和 含量、更低的燃料比。該專家系統還可用來培訓新操作者。

            其他。球團產能已過剩。目前北美正在努力降低球團成本,擴大球團應用客戶,發揮球團產能。

            基于北美豐富的天然氣資源,直接還原鐵產量在增加,有3個新的氣基直接還原項目在建設。

            日本

            近年來,生鐵產量維持在8000萬噸的水平(2014年為8387萬噸)。在保持生產高效低耗的同時,日本企業加強了對污染排放控制技術的研發和應用。

            LCC(Lime Coating Coke)技術。LCC技術是在燒結過程中,先用生石灰包裹焦粉,然後進行制︰蛻戰。該技術的開發目的是減少燒結NOx排放。其作用機理是︰加熱時,CaO和鐵氧化物在焦炭表面形成CaO-Fe2O3熔體層,提高了燃燒溫度,並起到減少NOx的催化劑作用。

            該技術已于2013年4月在新日鐵住金的Oita廠應用,實現了降低NOx排放28ppm、同時燒結產量增加的效果。

            天然氣噴吹(超級燒結礦)。該技術由JFE開發,方法是在燒結點火後再進行表面噴吹天然氣,以改善燒結床表面層的質量。其效果是可提高燒結礦強度1%,提高還原度3%,降低焦粉3kg/t,降低高爐燃料比3kg/t。該技術于2009年起在東日本鐵廠Keihin地區應用。最近,該技術改進為Super-SinterROXY,即在噴吹天然氣的同時加入氧氣。

            RCA(Reactive Coke Agglomerate)(含碳球團)。RCA(含碳球團)的生產及應用流程是︰碳和鐵氧化物混合,在造球盤上制粒。經過養生後,冷固結球團裝入高爐。該球團在高爐中的作用機理是︰由于碳和氧化物的密切接觸,在較低溫度下開始發生碳的氣化反應,這樣,通過降低熱儲備區的溫度,提高高爐的反應效率。

            該技術于2012年在Oita廠應用。含碳20%的RCA降低了還原平衡溫度,增加了煤氣利用率,降低了碳消耗。從RCA中每加1kgC/tHM,減少高爐碳耗0.36kg/tHM。

            鐵焦技術。鐵焦的生產流程是︰鐵礦和煤混合(70%煤+30%鐵礦),擠壓,制成小壓塊。壓塊在豎爐中連續炭化,形成鐵焦。鐵焦具有高反應性,能在較低的溫度範圍內開始反應,從而降低熱儲備區溫度,提高高爐反應效率。

            為開發該技術,日本建設了30t/d的試驗裝置,生產2100t鐵焦,並在JFE Chiba 5號高爐成功使用。

            3D可視化系統。新日鐵利用高爐的500個冷卻壁熱電偶和20個爐身壓力傳感器的數據,做出三維可視評價和數值分析系統。該系統于2007年在新日鐵住金的Nagoya廠應用,後來在其他廠推廣。該系統能夠對高爐爐身壓力波動和料層結構的變化給出空間和時間序列的明確而清晰的顯示,有助于指導高爐操作,實現穩定運行和降低燃料比。

            COURSE 50的進展。COURSE 50是日本圍繞高爐煉鐵減排CO2所開展的一項綜合科研項目。其技術之一是鐵礦石的氫還原。所采取的方法是使用焦爐煤氣(COG)或焦爐煤氣轉化氣(RCOG),從高爐風口噴吹或從高爐爐身噴吹。

            日本在LKAB的試驗高爐上開展了試驗,證實因氫還原反應速率快,氫還原量增加。模擬計算和試驗均表明,噸鐵的碳耗能夠降低3%。

            在脫碳技術方面,日本正在開發化學和物理吸附方法來脫除高爐煤氣中的CO2;開發了新的化學吸附劑,能夠在較低溫度釋放CO2;可將CO2分離能耗從4GJ/t-CO2降低到2GJ/t-CO2。

            該項目正在Kimitsu廠建設10m3試驗高爐,該高爐帶30tCO2/d的化學吸收裝置(CAT30)。開發的目標是︰2030年實現首套工業化,2050年成為替代高爐設備的技術。

            韓國

            韓國煉鐵工業集中在浦項鋼鐵廠和現代鋼鐵廠,2014年生鐵產量為4689.8萬噸。

            韓國的煉鐵技術動向︰一是高爐的大型化。從2009年的平均3325m3上升到2014年的平均4526m3(包括1座世界最大的6000m3高爐投產),高爐的最高日產達1.7萬噸。二是Finex工藝的開發應用,包括200萬噸/年Finex裝置的建成投產,以及Finex裝置生產指標的改善。浦項正致力于將Finex工藝作為替代高爐的工藝或聯合系統進行推廣應用。

            南美地區

            2014年,南美地區的生鐵產量是3055.8萬噸,其中以巴西為主,佔70%以上。

            南美煉鐵生產面臨的問題是鐵礦粉粒度下降,燒結礦 含量上升,造成燒結產量下降。由此帶來高爐渣量增加,操作難度加大,燃料比升高。

            對應采取的解決方法是︰燒結加強混合,改善燒結的透氣性;改進焦炭的質量,提高高爐抗高渣量的能力;在生產中重視設備的可靠性對生產的貢獻;強調操作人員觀念轉變的意義;制訂了人才培養計劃,目標是操作人員具有碩士和博士學位;加強設備維護和研發;計劃成立南美煉鐵研發中心。

            其他地區。

            印度的生鐵產量繼續保持增長,2014年達到5379.7萬噸。JSPL的某高爐在爐料 和鋁含量均增加、焦炭灰分上升到16.3%、渣量由298kg/t上升到350kg/t的不利條件下,通過改進爐料結構和富氧等多種措施,利用系數從2.53t/(m3·d)提高到2.97t/(m3·d),高爐燃料比僅增加15kg/t(從511kg/t 增加到526kg/t)。

            俄羅斯煉鐵生產則相對保持穩定,2014年生鐵產量為5148萬噸。高爐普遍噴吹天然氣,噴吹量為60m3/t~120m3/t,置換比為0.7kg/m3~0.8kg/m3。

            南非作為非洲的代表,2014年生鐵產量僅為505萬噸。

            綜上所述,全球的煉鐵工業仍在發展中。國外高爐工藝的總產量多年保持平穩,其比例仍佔絕大部分。直接還原工藝的產量保持增長,並在工藝路線上努力尋求突破。熔融還原工藝中的Finex工藝取得新進展。

            盡管先進國家的生鐵產量在下降,圍繞高爐工藝的技術改進工作在持續進行。主要熱點包括︰適應原燃料質量變化的爐料結構研究,結合計算機數學模型和專家系統的高爐工藝控制技術開發與應用,煉鐵污染物排放控制技術,以及以日本COURSE 50為代表的高爐減排CO2工藝技術等。作為煉鐵大國,上述技術動向均值得我國煉鐵工作者關注和重視。

            

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