比較分析高爐煉鐵與非高爐煉鐵技術(shù)

貢獻(xiàn)鋒

（南京鋼鐵聯(lián)合有限公司第一煉鐵廠，江蘇南京210035）

比較分析高爐煉鐵與非高爐煉鐵技術(shù)

貢獻(xiàn)鋒

（南京鋼鐵聯(lián)合有限公司第一煉鐵廠，江蘇南京210035）

基于目前非高爐煉鐵在實(shí)際施工過程中存在的問題影響，分析研究了其與高爐煉鐵技術(shù)應(yīng)用對(duì)比的重要性、能耗比較以及技術(shù)現(xiàn)狀比較等內(nèi)容。并提出了非高爐未來技術(shù)展望的方向，目的是為相關(guān)建設(shè)人員提供一些理論依據(jù)。

高爐煉鐵技術(shù)非高爐煉鐵技術(shù)直接還原技術(shù)熔融還原技術(shù)

隨著鋼鐵行業(yè)的不景氣，與之對(duì)應(yīng)的高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出停滯狀態(tài)。但在目前，其仍是全世界范圍內(nèi)，進(jìn)行鋼鐵生產(chǎn)主要技術(shù)內(nèi)容，這就意味著其利用焦炭生產(chǎn)造成的污染環(huán)境問題仍處在不斷深化狀態(tài)。針對(duì)這一問題，相關(guān)人員應(yīng)加大非高爐煉鐵技術(shù)的研究應(yīng)用，從而改進(jìn)我國(guó)鋼鐵行業(yè)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。然而，非高爐煉鐵技術(shù)的研究成果存在一定局限，因而，相關(guān)建設(shè)人員應(yīng)從能耗、技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀以及未來發(fā)展角度，對(duì)高爐煉鐵與非高爐煉鐵兩種技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，以找出優(yōu)化控制的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而提高非高爐煉鐵技術(shù)的應(yīng)用研究效率。

1 高爐煉鐵與非高爐煉鐵技術(shù)分析比較

就目前的市場(chǎng)環(huán)境來說，生鐵的生產(chǎn)大多是以高爐煉鐵的方式存在的，而非高爐煉鐵與高爐煉鐵不同，其在能耗方面具有一定優(yōu)勢(shì)。具體來說，非高爐煉鐵能夠大幅度降低焦煤的使用量，這就降低了球團(tuán)、燒結(jié)以及焦化工序等高爐煉鐵流程生成的污染物排放量。非高爐煉鐵所需的原燃料條件較高，使其僅作用于生產(chǎn)指標(biāo)較好的生鐵生產(chǎn)企業(yè)。這就意味著非高爐煉鐵需要在特定的環(huán)境下才能進(jìn)行組織生產(chǎn)，這是全世界范圍內(nèi)，非高爐煉鐵技術(shù)始終沒有得到普及的原因所在[1]。

但隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，人們對(duì)各行各業(yè)發(fā)展建設(shè)可持續(xù)性的要求越來越高，非高爐煉鐵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)降低生態(tài)環(huán)境污染目標(biāo)的重要組成部分。為此，研究人員應(yīng)通過對(duì)高爐煉鐵與非高爐煉鐵技術(shù)應(yīng)用能耗、技術(shù)現(xiàn)狀以及未來發(fā)展方向進(jìn)行分析比較，以使相關(guān)建設(shè)人員明確非高爐煉鐵技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐的優(yōu)勢(shì)，從而加大科學(xué)研究力度，以促進(jìn)我國(guó)各個(gè)地區(qū)進(jìn)行現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景下工業(yè)建設(shè)進(jìn)程。這是深化經(jīng)濟(jì)建設(shè)可持續(xù)性改革的重要課題內(nèi)容，相關(guān)人員應(yīng)將其重視起來，以作用于實(shí)際建設(shè)。

2 高爐煉鐵與非高爐煉鐵能耗比較

2.1 高爐煉鐵能耗

由于高爐煉鐵設(shè)備是一種高效化的豎爐，因此，高爐生產(chǎn)的過程是個(gè)爐料與煤氣逆向運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)器。具體來說，爐料在豎爐中能夠得到充分的預(yù)熱、還原、熔融、生鐵滲碳以及生鐵改性等物理化學(xué)過程。但其生產(chǎn)過程產(chǎn)生出的塵泥是有害物質(zhì)。爐料在高爐中作用時(shí)，會(huì)面臨間接與直接還原反應(yīng)問題選擇，研究表明，鐵礦石進(jìn)行直接還原是吸熱反應(yīng)，而間接還原則是放熱反應(yīng)。因此，爐料在高爐內(nèi)部中，有將近50%的爐料是進(jìn)行間接還原反應(yīng)的。這就意味著其要比直接還原鐵工藝過程降低一部分的能源使用。此外，高爐還是一種高效的能源轉(zhuǎn)化器，即焦炭填充爐缸、焦炭滲碳、焦炭起骨架作用以及與氧氣反應(yīng)生產(chǎn)CO、CO2和放出熱量。而且，當(dāng)高爐休風(fēng)時(shí)，爐缸被焦炭填滿，從而使?fàn)t缸內(nèi)部具有較大空間，以加快生產(chǎn)恢復(fù)[2]。

2.2 非高爐煉鐵能耗

研究表明，非高爐煉鐵所需的氣源需要另外供應(yīng)，即煤基的直接還原生產(chǎn)工藝要通過建立起專門的造氣裝置，而且此過程，還要求CO+H2含量要大于90%。此外，煤在轉(zhuǎn)換為還原氣的過程中，具有較多的能量耗損，與此同時(shí)，其生產(chǎn)建設(shè)投資與運(yùn)行費(fèi)用也較高，即占總企業(yè)投資的1/3。但這是導(dǎo)致煤基直接還原生產(chǎn)工藝成本消耗大的主要原因之一。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際生產(chǎn)建設(shè)過程中，非高爐煉鐵要比高爐煉鐵的能耗高出250~650 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/t。造成非高爐煉鐵生產(chǎn)工藝能耗高的原因?yàn)椋浩渖a(chǎn)過程中，產(chǎn)出的大量高熱值煤氣并沒有充分利用起來，這就使得其真正的作用價(jià)值并未發(fā)揮出來。

現(xiàn)階段，非高爐煉鐵產(chǎn)出的污染物主要作用于煤氣發(fā)電，這就企業(yè)發(fā)展建設(shè)仍處在能源利用效率低且生產(chǎn)成本高的狀態(tài)。這種情況下，非高爐煉鐵就難以實(shí)現(xiàn)代替高爐煉鐵技術(shù)，從而降低污染物排放量的目標(biāo)。非高爐煉鐵能耗高的問題還體現(xiàn)在熔融還原生產(chǎn)仍然沒有脫離焦炭與礦粉造塊的使用，這就導(dǎo)致其生產(chǎn)成本高于高爐煉鐵生產(chǎn)工藝。而能耗高，其成本就難以控制，污染物排放控制目標(biāo)就更難以實(shí)現(xiàn)。這就是當(dāng)前高爐煉鐵與非高爐煉鐵在能耗方面的差異，研究人員應(yīng)認(rèn)清這一現(xiàn)實(shí)，從而找出優(yōu)化控制的方式方法[3]。

3 高爐煉鐵與非高爐煉鐵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 高爐煉鐵技術(shù)

高爐煉鐵技術(shù)適用于鋼材生產(chǎn)初級(jí)，適用于工業(yè)化發(fā)展起步的國(guó)家，而在發(fā)達(dá)國(guó)家正面臨被淘汰的市場(chǎng)環(huán)境。但總得來說，應(yīng)用高爐技術(shù)進(jìn)行煉鋼仍是世界范圍內(nèi)的主要趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高爐煉鋼不僅能夠提升鋼材的質(zhì)量與特殊性能，還能降低電力以及原材料的浪費(fèi)。在當(dāng)前的訂單經(jīng)濟(jì)時(shí)代下，生產(chǎn)建設(shè)需要根據(jù)市場(chǎng)環(huán)境的變化來進(jìn)行調(diào)整，但高爐煉鐵技術(shù)具有生產(chǎn)產(chǎn)品級(jí)別低、周期長(zhǎng)以及冗長(zhǎng)的加工鏈條，這就與我國(guó)進(jìn)行現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目標(biāo)相悖。因此，無論是從市場(chǎng)環(huán)境來看，還是從生產(chǎn)附加值來看，高爐煉鐵技術(shù)的生存空間正在縮小。由此可以看出，高爐煉鐵技術(shù)已經(jīng)邁入死胡同的進(jìn)程。

3.2 非高爐煉鐵技術(shù)應(yīng)用

非高爐煉鐵技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，是用以擺脫焦煤資源短缺，從而達(dá)到EI益環(huán)境保護(hù)要求的鋼鐵工業(yè)重要組成部分。其能降低鋼鐵生產(chǎn)過程的能耗，進(jìn)而改善鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的組成，從而提高生產(chǎn)建設(shè)質(zhì)量與品質(zhì)開發(fā)效率。這是尋求解決廢鐵短缺且廢鋼質(zhì)量不斷提升途徑的關(guān)鍵所在。非高爐煉鐵技術(shù)是由直接還原與熔融還原共同組成，雖然，非高爐煉鋼技術(shù)替代高爐煉鐵技術(shù)任重道遠(yuǎn)，缺失實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排與環(huán)境優(yōu)化發(fā)展目標(biāo)的重要技術(shù)內(nèi)容。其中直接還原技術(shù)，就是通過直接還原產(chǎn)品，直接還原鐵（Direct Reduction Iron,DRI）。具體來說，其能夠在鐵氧化物作用下，不發(fā)生造渣和融化問題，并在固態(tài)環(huán)境下，還原生成金屬鐵產(chǎn)品。此過程，由于DRI的結(jié)構(gòu)呈海綿狀，因此，也被稱為“海綿鐵”[4]。

4 高爐煉鐵與非高爐煉鐵未來發(fā)展方向

4.1 高爐煉鐵技術(shù)節(jié)能減排

因高爐煉鐵技術(shù)仍是我國(guó)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)的主要技術(shù)，為此，研究人員應(yīng)在研究非高爐煉鐵技術(shù)的同時(shí)，提高高爐煉鐵技術(shù)應(yīng)用的節(jié)能減排效果。高爐設(shè)備的大型化是實(shí)現(xiàn)降低資源使用、能源消耗以及減少污染物排放量目標(biāo)的有效方法。具體來說，我國(guó)新建的大型高爐具有先進(jìn)的裝備水平，即已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。該裝備技術(shù)采用了自動(dòng)化系統(tǒng)、銅冷卻壁、爐頂煤氣余壓發(fā)電裝置以及無料鐘爐頂?shù)?。這種情況下，2 500m3以下的高爐國(guó)產(chǎn)無料鐘爐頂已經(jīng)占75%。由此可以看出，這是未來高爐煉鐵技術(shù)，從粗放型轉(zhuǎn)變?yōu)榧s型與精細(xì)化之路的重要組成部分，研究人員應(yīng)將其重視起來，并作用于鋼鐵行業(yè)的實(shí)際建設(shè)[5]。

此外，還可增加節(jié)能降耗裝置的應(yīng)用，從而提高高爐煉鐵技術(shù)的應(yīng)用效率。例如，在應(yīng)用噴吹煤粉進(jìn)行煉鐵作業(yè)后，有效擴(kuò)寬燃料的作用范圍，從而降低了高能耗資源的使用量。具體來說，技術(shù)人員要通過提高煤礦焦的置換比，來不斷完善噴煤裝置的作用效果。在應(yīng)用高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐裝置時(shí)，可通過提高熱風(fēng)爐的拱頂溫度，來降低能源的消耗量。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中存在的高熱值煤氣缺乏問題，可采用預(yù)熱煤氣或助燃空氣的方法，來提高裝置內(nèi)部燃燒的溫度。與此同時(shí)，還可通過開發(fā)頂燃式的熱風(fēng)爐的高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐裝置的燃燒器，從而縮小拱頂溫度與風(fēng)溫之間的差異[6]。

4.2 非高爐煉鐵技術(shù)科技化

4.2.1 直接還原煉鐵技術(shù)

要想實(shí)現(xiàn)非高爐煉鐵技術(shù)需將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于其中，即在直接還原技術(shù)中加入HYI工藝、Midrex工藝以及轉(zhuǎn)底爐工藝。其中以HYI工藝為例，反應(yīng)罐流程HYI，是采用固定床反應(yīng)的還原工藝。具體來說，就是通過HYL-Ⅲ工藝來實(shí)現(xiàn)非高爐煉鐵技術(shù)的科技化，其基本原理為：對(duì)于鐵礦石的還原，應(yīng)利用固定床還原氣體來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。即通過還原氣碳?xì)浠衔飦磉M(jìn)行還原現(xiàn)場(chǎng)的重整。此過程，是經(jīng)過不完全燃燒及還原反應(yīng)器內(nèi)金屬鐵的催化作用來進(jìn)行生成的[7]。

4.2.2 熔融還原煉鐵技術(shù)

熔融還原煉鐵技術(shù)就是將當(dāng)前最先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)目標(biāo)和最為成熟COREX工藝，作為科學(xué)化手段。具體來說，COREX工藝能夠?qū)⒎歉郀t煉鐵技術(shù)中的直接還原技術(shù)與融化還原技術(shù)兩個(gè)應(yīng)用過程分開，即分別在不同的反應(yīng)容器內(nèi)進(jìn)行煉制。其中融化還原煉鐵技術(shù)在應(yīng)用COREX工藝的過程，需將還原豎爐安裝在熔融氣化爐的上部，從而實(shí)現(xiàn)礦石材料的還原。此過程，COREX煤氣需在氣化爐拱頂1 100～1 150℃的高溫區(qū)生成CO和H2。即煤氣在高分子碳?xì)浠衔镏行枞苛呀獠拍軐?shí)現(xiàn)CO和H2的生成。此外，該反應(yīng)要將粗煤氣中的CH4含量控制在1%左右，只有這樣，才能證明煤氣中已經(jīng)不含苯類、酚、氰以及焦油等在大分子化合物。這種情況下，就大幅度降低了煤氣廢水的洗滌處理難度，從而保證煤氣廢水中，不含有氫化合物和酚等污染物質(zhì)。由此可以看出，COREX工藝的應(yīng)用與傳統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用工藝不同，其極大地降低了煤氣廢水的洗滌水用量和其他處理廢水方面的投資[8]。為此，研究人員應(yīng)將其作用于非高爐煉鐵技術(shù)的科技化發(fā)展，從而加快實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)背景下工業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性目標(biāo)。

5 結(jié)語

高爐煉鐵技術(shù)在未來的發(fā)展不容樂觀，但其在目前仍使我國(guó)鋼鐵行業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)主要采用的技術(shù)內(nèi)容。為保證其作用的低能耗，相關(guān)建設(shè)人員應(yīng)通過高爐大型化以及應(yīng)用節(jié)能減排設(shè)備裝置，來實(shí)現(xiàn)工業(yè)發(fā)展可持續(xù)性的目標(biāo)。而非高爐煉鐵技術(shù)雖發(fā)展前景廣闊，但因其使用成本高且效果不突出問題，使其難以在短期內(nèi)代替高爐煉鐵技術(shù)服務(wù)于我國(guó)的鋼鐵行業(yè)。因此，研究人員應(yīng)將科技化作為該技術(shù)內(nèi)容未來的發(fā)展方向，即將最先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)目標(biāo)和最為成熟COREX工藝以及HYL-Ⅲ工藝作用于直接還原技術(shù)以及熔融還原技術(shù)的應(yīng)用過程中。事實(shí)證明，無論是高爐煉鐵技術(shù)還是非高爐煉鐵技術(shù)，均要結(jié)合市場(chǎng)環(huán)境需求來確定自身的發(fā)展方向，只有這樣才能真正起到促進(jìn)我國(guó)工業(yè)建設(shè)快速穩(wěn)定發(fā)展進(jìn)程的作用。

[1]畢學(xué)工，嚴(yán)渝鏹.流化床技術(shù)及其在高爐煉鐵中應(yīng)用前景分析[J].鞍鋼技術(shù)，2012（1）：1-5；34.

[2]胡俊鴿，周文濤，郭艷玲，等.先進(jìn)非高爐煉鐵工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].鞍鋼技術(shù)，2012（3）：7-13.

[3]王維興.高爐煉鐵與非高爐煉鐵的能耗比較[J].煉鐵，2011（1）：59-61.

[4]尹明東，顧云松，彭鵬.利用Aosps4.0精益生產(chǎn)優(yōu)化分析軟件技術(shù)提升長(zhǎng)鋼1號(hào)高爐煉鐵技術(shù)指標(biāo)[C]//2015年煉鐵共性技術(shù)研討會(huì)論文集，2015：8.

[5]王維興.需要科學(xué)評(píng)價(jià)非高爐煉鐵的生產(chǎn)條件和結(jié)果[J].中國(guó)鋼鐵業(yè)，2015（3）：30-32.

[6]張奔，趙志龍，郭豪，等.氣基豎爐直接還原煉鐵技術(shù)的發(fā)展[J].鋼鐵研究，2016（5）:59-62.

[7]徐少兵，許海法.熔融還原煉鐵技術(shù)發(fā)展情況和未來的思考[J].中國(guó)冶金，2016（10）：33-39.

[8]陳守明.煤基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵是發(fā)展非高爐煉鐵的優(yōu)選方向[J].中國(guó)廢鋼鐵，2015（5）：38-42.

（編輯：苗運(yùn)平）

Com parative Analysis of Blast Furnace Ironmaking and Non-blast Furnace Ironmaking Technology

GONG Xianfeng

（No.1 Iron Works of Nanjing Iron&Steel Co.,Ltd.,Nanjing Jiangsu 210035）

Based on the existing problems in construction process of non-blast furnace ironmaking,this paper analyzes comparative importance of technology application of blast furnace ironmaking technology,energy consumption comparison and present situation of the technology.The future direction of the technology is put forward,which aims to provide some theoretical basis for relevant construction personnel.

blast furnace ironmaking technology,non-blast furnace ironmaking technology,direct reduction technology,smelting reduction technology

TF57；TF56

A

1672-1152（2017）02-0086-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.02.33

2017-03-09

貢獻(xiàn)鋒（1977—），男，江蘇丹徒人，大學(xué)本科，畢業(yè)于東北大學(xué)冶金工程專業(yè)，助理工程師。