煤制氣豎爐煉鋼：鋼企跨界煤化工新模式？

　　與高爐流程相比，豎爐直接還原鐵—廢鋼電爐流程的流程短，單套設(shè)備產(chǎn)能可達(dá)到年產(chǎn)250萬噸，節(jié)能和減排CO2、SO2、NOx效果顯著，是鋼鐵工業(yè)擺脫焦煤資源和燒結(jié)工藝的羈絆、實(shí)現(xiàn)綠色低碳的一項(xiàng)先進(jìn)的煉鐵技術(shù)，是我國直接還原煉鐵技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，也是傳統(tǒng)鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的一條途徑。

　　直接還原鐵需求將有大增長(zhǎng)

　　近10年來，我國的鋼產(chǎn)量平均年增長(zhǎng)率達(dá)到7.5%——16%，我國的鋼鐵蓄積量也以16%以上的年增長(zhǎng)率迅速增加。據(jù)專家預(yù)測(cè)，到2015年我國的鋼鐵蓄積量將達(dá)到90億噸。隨著鋼產(chǎn)量增長(zhǎng)速度放緩和廢鋼鐵產(chǎn)生量的增加，鋼鐵料消耗及轉(zhuǎn)爐與電爐的比例會(huì)向著廢鋼鐵比重增大的方向變化。若2015年廢鋼單耗按200千克/噸、粗鋼產(chǎn)量按7.5億噸計(jì)算，煉鋼廢鋼需求量將達(dá)1.5億噸;若2020年廢鋼單耗按300千克/噸、粗鋼產(chǎn)量按8億噸計(jì)算，煉鋼廢鋼需求將達(dá)2.4億噸。使用廢鋼的比例上升后，對(duì)純凈的鐵源直接還原鐵的需求將有爆發(fā)性增長(zhǎng)。

　　受到資源的制約，我國直接還原鐵（DRI）產(chǎn)量不到全球直接還原鐵產(chǎn)量的1.5%，也不到全國高爐生鐵產(chǎn)量的千分之二。目前我國DRI的產(chǎn)量不足80萬噸，廢鋼比逐漸提高將推動(dòng)中國DRI的發(fā)展。根據(jù)中國廢鋼鐵應(yīng)用協(xié)會(huì)估計(jì)，近期我國DRI的市場(chǎng)需求量為1500萬噸——2000萬噸。因此迫切須要充分利用國內(nèi)資源，大力發(fā)展非高爐煉鐵技術(shù)，加快發(fā)展我國的直接還原產(chǎn)業(yè)，提高短流程電爐煉鋼的比例，降低鋼鐵流程的產(chǎn)品綜合能耗，促進(jìn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

　　發(fā)展適應(yīng)國情的直接還原工藝

　　近幾年處理大型高爐無法使用的含鋅、鉛和堿金屬高的鋼鐵廠含鐵塵泥的轉(zhuǎn)底爐工藝在中國發(fā)展較快。轉(zhuǎn)底爐的共性缺點(diǎn)是生產(chǎn)率不高，爐內(nèi)的氧化性氣氛使產(chǎn)品再氧化及原料雜質(zhì)含量高，使其產(chǎn)品的金屬化率等指標(biāo)不容易達(dá)到市售DRI產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)底爐的鐵產(chǎn)品高回收率、低成本渣鐵分離技術(shù)還不成熟，因此很難受到廣泛重視。但是煤基轉(zhuǎn)底爐直接還原技術(shù)不用焦炭、燒結(jié)礦，可以完全使用非煉焦煤，可以直接處理傳統(tǒng)高爐煉鐵流程很難利用的各類低品質(zhì)難選的含鐵資源，如含硅、鋁、鎂、鈦等量很高的氧化物，含鐵45%——50%的難選且難還原的赤鐵礦、釩鈦磁鐵礦、有色金屬冶煉含鐵廢渣（煉銅渣、赤泥、硫酸渣等），在國內(nèi)眾多的低品質(zhì)含鐵資源綜合利用工程中有較好的推廣應(yīng)用前景。

　　由于我國天然氣儲(chǔ)量和產(chǎn)量難以滿足經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求，發(fā)展煤制天然氣是一條緩解我國天然氣供求矛盾的有效途徑。煤制天然氣具有清潔、高效等優(yōu)點(diǎn)，美國、丹麥等許多的國家在幾十年前就開始大力發(fā)展煤合成天然氣產(chǎn)業(yè)，2008年韓國浦項(xiàng)投資9億美元建設(shè)煤制天然氣項(xiàng)目。在市場(chǎng)需求和天然氣價(jià)格大幅上漲的拉動(dòng)下，以及政府部門的大力支持下，大量投資流向煤制天然氣工程，煤制天然氣的技術(shù)也不斷發(fā)展成熟，我國目前正在建設(shè)、2016年陸續(xù)投產(chǎn)的煤炭深加工煤制天然氣示范項(xiàng)目產(chǎn)量將達(dá)700億立方米/年以上。

　　根據(jù)我國的資源狀況，直接還原鐵產(chǎn)業(yè)應(yīng)該首先發(fā)展與大型直接還原豎爐裝置有效聯(lián)接的低成本煤制氣工藝（包括甲烷化），盡早建設(shè)形成30萬噸/年——200萬噸/年DRI的煤制氣大型豎爐直接還原無焦煉鐵生產(chǎn)示范線;其次應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)、完善處理低品質(zhì)難選礦或難選含鐵廢渣的煤基轉(zhuǎn)底爐技術(shù)裝備，使其能夠低成本、低能耗地生產(chǎn)出合格的廢鋼替代品。

　　大型氣基豎爐直接還原法具優(yōu)勢(shì)

　　近幾年中國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展遇到很大困難。以經(jīng)濟(jì)效益為中心、以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，控制產(chǎn)品總量，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力成為中國鋼鐵業(yè)的主要發(fā)展方向。

　　盡管近幾年噸鋼能耗、水耗、固廢等排放量指標(biāo)有所改善，但由于總產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)，資源、環(huán)境、生態(tài)負(fù)荷的約束已經(jīng)很大。鋼鐵節(jié)能減排，清潔生產(chǎn)，最大限度地減少SO2、NOx、CO2和煙粉塵排放，構(gòu)筑綠色產(chǎn)業(yè)體系，是我國鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要目標(biāo)。

　　在國家產(chǎn)業(yè)升級(jí)、節(jié)能減排的大背景下，目前眾多的高耗能企業(yè)徘徊在生死線邊緣，急于尋求一種清潔生產(chǎn)的新工藝技術(shù)來升級(jí)、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，大型煤制氣豎爐直接還原工藝為鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)提供了一種選擇。

　　生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，高功率電爐冶煉時(shí)爐料中搭配30%——50%直接還原鐵，可提高生產(chǎn)率10%——25%，提高作業(yè)率25%——30%，比高爐—轉(zhuǎn)爐流程可多減排CO240%——65%，鋼材的物理性能明顯提高。

　　根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，阿聯(lián)酋鋼鐵公司（ESI）的年產(chǎn)160萬噸DRIEnergiron（新一代直接還原技術(shù)）豎爐，其DRI產(chǎn)品含碳約2%——3%，DRI生產(chǎn)能力較電爐高10%左右。由于豎爐年作業(yè)率為90%，該廠的電爐在一段時(shí)間內(nèi)必須完全使用冷DRI冶煉。在90%熱DRI+10%冷DRI和100%冷DRI兩種原料條件下，其天然氣豎爐直接還原的工序能耗分別為61.91千克標(biāo)煤/噸和98.32千克標(biāo)煤/噸，其電爐的平均工序能耗為65.55千克標(biāo)煤/噸，與我國寶鋼股份公司的150噸電爐相當(dāng)。

　　ESI公司Energiron工藝的噸鋼綜合能耗為鐵礦石至鋼水的能源消耗，應(yīng)包括豎爐、電爐和球團(tuán)工序的能耗。ESI直接還原豎爐部分的工序能耗為380.71千克標(biāo)煤/噸。根據(jù)物料平衡計(jì)算，每噸鋼消耗1143千克DRI，則每噸鋼水消耗的DRI的能耗折算為435.15千克標(biāo)煤。ESI的天然氣豎爐—電爐短流程煉鋼工藝的噸鋼綜合能耗為500.7千克標(biāo)煤。再計(jì)入球團(tuán)生產(chǎn)工序的能耗（以30千克標(biāo)煤計(jì)），則豎爐—電爐短流程煉鋼工藝的噸鋼綜合能耗為548千克標(biāo)煤，比2012年《中國鋼鐵工業(yè)年鑒》報(bào)告的全國重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)的平均噸鋼綜合能耗（603千克標(biāo)煤）低9%。

　　根據(jù)煤化工專家介紹，在煤制天然氣成本中，原材料和燃料動(dòng)力費(fèi)用所占比例約為60%，如果采用單位天然氣發(fā)生量投資最低，氧耗、電耗最低的碎煤固定床加壓氣化工藝建設(shè)煤制天然氣項(xiàng)目，在煤礦坑口使用含稅價(jià)格為170元/噸褐煤，煤制天然氣的生產(chǎn)成本為1.06元/立方米（已扣除副產(chǎn)品收入0.468元/立方米）。如果采用含稅價(jià)為340元/噸的高硫煤、次煙煤在鋼鐵廠生產(chǎn)煤制天然氣，其單位成本約為1.28元/立方米，再采用燃?xì)狻羝h(huán)熱電聯(lián)供機(jī)組發(fā)電，1立方米天然氣可發(fā)電4千瓦時(shí)，電價(jià)可以控制在0.32元/千瓦時(shí)以下。通常大型豎爐—電爐短流程煉鋼工藝生產(chǎn)每噸鋼須消耗天然氣約370立方米，耗電約420千瓦時(shí)。如果鋼鐵企業(yè)能夠掌控一部分廉價(jià)煤炭資源，就能控制煤制天然氣的生產(chǎn)成本，也就能夠保證煤制天然氣—豎爐—電爐煉鋼生產(chǎn)的成本競(jìng)爭(zhēng)力持平或超過傳統(tǒng)鋼鐵流程，同時(shí)獲得天然氣代替焦炭、原煤的環(huán)境效益。

　　目前在我國富產(chǎn)煤炭的東北、華北、西北的大多數(shù)鋼鐵企業(yè)，若政府支持鋼鐵企業(yè)與煤炭生產(chǎn)企業(yè)的部分產(chǎn)能整合，通過天然氣管網(wǎng)形成原煤—天然氣—鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈，就能夠建成大型煤制天然氣—生產(chǎn)DRI—煤氣發(fā)電—電爐聯(lián)產(chǎn)和短流程鋼鐵企業(yè)，有助于為傳統(tǒng)大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)轉(zhuǎn)型、升級(jí)換代和鋼鐵產(chǎn)品清潔生產(chǎn)提供一種模式，減少或完全擺脫鋼鐵廠對(duì)焦化、燒結(jié)兩個(gè)最大污染源的依賴。

　　豎爐直接還原煉鐵不需要焦炭和燒結(jié)礦，產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良，可以自用也有大量外銷的市場(chǎng)。高爐煉鐵最大的優(yōu)勢(shì)是單臺(tái)設(shè)備的年產(chǎn)能可達(dá)到300萬噸，受到大型鋼鐵企業(yè)的青睞。為了在產(chǎn)能上能夠與傳統(tǒng)高爐相媲美，2011年初美國紐柯鋼鐵公司開始建設(shè)年產(chǎn)250萬噸DRI的天然氣豎爐，預(yù)計(jì)2013年底投產(chǎn)。2013年7月，奧鋼 聯(lián)與西門子簽約，投資5.5億歐元在美國德克薩斯州休斯敦建設(shè)年產(chǎn)200萬噸HBI（熱壓鐵）的直接還原豎爐，計(jì)劃2016年投產(chǎn)?？梢灶A(yù)見，10年內(nèi)豎爐直接還原法就可能實(shí)現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備年產(chǎn)300萬噸DRI。在中國的內(nèi)蒙古或遼寧西部可能出現(xiàn)由鋼鐵企業(yè)出資、與采煤企業(yè)合營(yíng)的煤化工企業(yè)，在煤礦坑口生產(chǎn)低成本的煤制天然氣，通過天然氣管道輸送到環(huán)渤海的鋼鐵廠，建設(shè)采用大型直接還原豎爐生產(chǎn)海綿鐵、采用電爐煉鋼、實(shí)現(xiàn)發(fā)電自給的新型短流程綠色鋼鐵企業(yè)的示范工程，可代替一部分目前使用焦炭、燒結(jié)礦的鋼鐵產(chǎn)能。