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炼铁工艺节能减排技术评述

　　节能减排不仅关系到气候变化，而且影响到产品的生产成本。本文对迄今为止主要炼铁工艺的单位能耗和主要节能减排技术进行了综述和评价。
　　1. 减少温室气体排放是大势所趋
　　一份联合国报告说，全球气候变暖已经不可逆转，并已超出了地球自身的变化范围，而人类活动尤其是化石燃料的使用是气候变暖的主要原因。
　　发展低碳经济是防止气候变暖的重要途径。低碳经济实质是能源高效利用、清洁能源开发，核心是新能源发展和节能减排技术创新和产业化。环保部发布了《中国碳平衡交易框架研究》报告，建议国家对钢铁产品征收二氧化碳排放税，钢企能否承受二氧化碳排放税对成本的影响？企业如何加快调整转型，防止跌入被动局面？指望别人廉价转让最好的低碳技术是不可能的，我们自己能否抢得低碳发展先机，关键还在于制造业低碳技术取得突破！我们必须整合科技资源，研究制约钢铁工业发展的核心技术和关键技术。
　　根据国务院的总体安排，国家有关部门正在全力推进低碳替代能源研发和推广工作。我们现在要主动探索低碳工业生产有竞争力的产品的途径，找出低碳经济下的技术解决方案，这些解决方案应使中国站到世界领先的地位，要加速低碳炼铁关键技术的开发。企业要在目前的核心技术高炉炼铁进入成熟期以前就要研发新的技术，在现有的核心技术进入衰退期之前，研发的新技术要开始起到好的替代作用，这样企业才能够可持续发展。
　　2. 钢铁工业是我国工业节能减排的重点大户
　　钢铁工业是我国实现新型工业化的重要支柱产业。由于产钢规模大，2007年钢铁行业的总产值约2.5万亿元，约占全国GDP的8％。2007年钢铁工业的CO2直接排放量约为10.3亿t，约占我国CO2排放量的16%左右，是我国工业领域中仅次于电力行业的高能耗CO2排放大户。国家提出“十一五”期间单位GDP能源消耗要降低20%，污染物排放减少10％，钢铁工业对于完成这一硬指标责任重大，要理清节能减排的思路，采取有效的针对性措施。钢铁工业未来的发展应着重解决减少CO2排放问题。
　　受废钢资源缺乏和能源以煤为主的制约，与国际主要产钢国的吨钢CO2排放量相比，我国吨钢CO2排放量一直处在高位，使我国在“后京都协议”的相关国际谈判中面临巨大的压力，我国钢铁工业的可持续发展遇到严峻的挑战。
　　目前和今后20年我国钢铁企业的主力流程高炉－转炉流程的吨钢CO2排放量约2t，尽管已经投入巨资实施了各种节能减排措施，这种基于碳热还原的传统流程的减排效果已接近理论极限，继续减排CO2的潜力十分有限，随着我国废钢积蓄量的增加，逐步扩大废钢-电炉短流程是解决钢铁工业减排CO2和减少使用进口铁矿石的一条重要的工艺途径，因为作为原料废钢的能值为零，高炉直接加入100kg/t低等级废钢或金属化率70％的DRI，可节省还原剂25kg/t，并使高炉增产5％欧洲钢铁业把增加炼钢工序中废钢的比例、减少铁水比例作为最有效的减排CO2措施。2004年欧洲吨钢铁水比例已经下降到51％，相应每吨粗钢的CO2排放量也减少了30%～50％。在1994年和1998年炼铁科技国际会议上都有专家撰文提出，今后高炉炼铁应该直接循环利用含铁粉尘（转底炉脱锌）预还原炉料和利用劣质废钢（如钢渣磁选回收的铁粉粒，机加工碎屑）来降低燃料消耗减少CO2排放、降低成本。
　　我国钢产量是以铁矿、焦炭资源为基础的焦化－烧结－高炉－转炉长流程为主，2007年电炉短流程钢的比重仅占11%。 而焦化－烧结－高炉－转炉长流程比电炉短流程的CO2直接排放量约高达30%～50%。与国际主要产钢国相比，我国吨钢CO2排放量一直处在高位徘徊。必须寻找新的突破性创新工艺才能解决钢铁工业CO2排放高的问题。
　　国家科技部在“十一五”提出了科技支撑计划“新一代可循环钢铁流程工艺技术”项目，依托曹妃甸和中国现有钢铁企业技术改造工程，开发大型焦炉能源高效转换技术、超大型高炉系统工艺技术、全量铁水“三脱”预处理技术、高速连铸、干法除尘、炉渣干法粒化回收余热等重大工艺技术和关键节能环保技术，全面提升现有钢铁企业的技术装备水平。开发具有自主知识产权的基于氢冶金的熔融还原炼铁新工艺。
　　氢冶金也是解决钢铁工业CO2排放高问题的有效途径之一。在探索到更经济和大规模可再生能源制氢方法之前，氢冶金的氢气来源可由现有焦炉的输出煤气COG提供，因为中国是一个产焦大国，我国焦化厂产出的焦炉煤气每年达到240亿Nm3，相当于 “西气东输”的天然气量的两倍，有效利用现有焦炉的COG是现阶段氢冶金获得富氢煤气的一种可行的方法。焦炉煤气中的H/C比高于天然气，用它制备富氢还原气用于炼铁将比以天然气为原料的流程CO2排放更少。用于基于煤冶金的传统流程如高炉喷吹或竖炉直接还原炼铁，煤中的碳氢组分将得到更充分合理COG的利用，有文献报道说，炼铁工艺每利用50kg COG，可以减排40kg CO2，将对现有钢铁联合企业降低CO2排放量起到重大作用。
　　也可通过粉煤加压气化制氢作为过渡。直接用煤制氢或富氢还原气体技术可以采用粉煤加压气化工艺获得高生产率的富氢煤气，但如何提高其生产应用的经济性和竞争力还需进行有针对性的深入研究。
　　不仅要重视对将来有潜在应用前景的新工艺研究，把握钢铁工业节能减排主攻方向，更要特别重视对目前约占我国钢铁行业铁产量99%，约占目前钢铁行业CO2排放80%以上的高炉-烧结-炼焦冶金流程大幅度减排CO2问题的工程学基础研究。如现有钢铁联合企业如何实施将焦炉煤气从轧钢燃料中置换出来，用于向高炉喷吹焦炉煤气或富氢还原气体，降低单位钢铁产品的CO2排放和燃料消耗，对当前基于煤冶金的传统钢铁工业流程降低CO2排放量能够起到积极的推动作用。
　　3. 现有炼铁工艺节能减排技术评述
　　对迄今为止主要炼铁工艺的单位能耗和主要的节能减排技术进行了综述和评价。研究表明，目前能耗最低，排放最少的是大型竖炉直接还原炼铁工艺，其余依次为转底炉，特大型高炉炼铁流程，COREX熔融还原，回转窑。详见表1。
　　表1  炼铁工艺比较表
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　　炼铁工艺名称          还原剂      反应器类型      能耗   单炉产能  总产能
　　 GJ/t铁    万t/a    万t/a
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　　MIDREX           天然气/合成气    竖炉             11       180     3792
　　HYL 3            天然气/合成气    竖炉             11       190     1170
　　FINMET           天然气           流化床           14        50      200
　　转底炉           煤\天然气        转底炉           15    14～50      200
　　高炉+烧结+炼焦   焦\煤            BF+烧结+炼焦  16.25  320～400    90000
　　 (4000m3)
　　COREX            煤\焦            COREX            17       150      500
　　SL/RN回转窑      煤               回转窑           18        15     1440
　　隧道窑           煤               隧道窑       25～30      1～4       20
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　　对现有主要炼铁方法的生产率的比较见表2。
　　表2  现有主要炼铁方法的生产率比较
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　　项目     HYL－Ⅲ  MIDREX    大型   小高炉 COREX FINEX HISMELT
　 　竖炉     竖炉     高炉
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　　工作压力，MPa        0.8      0.3     0.25     0.1    0.4   0.4   0.08
　　最大产铁能力，万t/a  190      170      400      80    150   150     60
　　最大利用系数，t/m2d  162      112       70      63     60    60     50
　　生产率比较           2.3      1.6      1.0     0.9    0.9   0.9    0.7
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　　现有炼铁工艺节能减排包括减少能源消耗和增加回收两个部分。按照2008年全国重点钢铁企业能耗统计指标计算，高炉炼铁、焦化、烧结和喷煤等工序占单位热轧产品能耗的比重分别约为70%、12%、7%和0.7%。炼铁工序的总能耗接近热轧产品总能耗的90％。因此，钢铁企业减少能源消耗和污染排放的重点应从源头抓焦化－烧结－高炉工序用能减量化。钢铁行业节能减排的主攻方向主要应以降低高炉炼铁燃料比和焦比为核心，抓好生产全过程节能控制。其中精料是高炉炼铁减量化用能的基础，同时还能实现节约资源降低成本。随着淘汰落后炼铁产能、逐步优化钢铁生产流程和能耗的不断下降，节能空间变得越来越小，使回收余热、余能资源愈发重要。推广和普及烧结矿余热回收、高炉炉顶余压发电、高炉和转炉煤气干法除尘等先进节能技术与装备，大力回收占企业用能总量的15％的生产过程中副产的二次能源（包括余热和副产煤气等）进一步提高钢铁生产的能源利用效率。
　　作者根据近期生产统计数据，对目前炼铁工艺节能减排技术的贡献值估算列入表3。
　　表3  现有主要炼铁工艺节能减排技术贡献比较表        kgce/t
　　—————————————————————————————————————————　　 节能减排    BF超大   直接加废钢或   BF喷煤  TRT   CDQ   煤气干   烧结蒸
　技术    型化     DRI 200kg/t   200kg/t  发电  回收  法除尘   汽回收
　　—————————————————————————————————————————　　节能贡献     55           50         17      11.5  7.6    4.8     4.1
　　—————————————————————————————————————————　　对高炉节能减排的技术按贡献从大到小排序依次为高炉超大型化（将2座以上容积2600m3以下高炉拆除，改造成一座4000m3级超大型高炉），直接加入200kg/t低等级废钢粒子、机加工碎屑或金属化率70％以上的DRI，采用用喷吹粉煤200kg/t代替焦炭的技术（PCI），炉顶煤气余压回收技术（TRT），干熄焦工艺（CDQ）,炼铁煤气干法除尘，烧结余热蒸汽回收等。