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2020年中国非高炉炼铁行业现状及发展展望

2021-07-21 0
分类: 企业数字化

在全球“脱碳”大潮的背景下,以减少碳足迹、降低碳排放量为中心的传统钢铁冶金工艺技术变革已成为钢铁行业绿色发展的新趋势。我国内已经形成了多工艺装备、工艺路线创新发展趋势,我国非高炉冶炼技术迎来一波发展小高潮。

企业数字化转型

1 前言

随着去产能政策的推进、新环保法的实施和环保督察力度的不断加大、碳排放交易系统的建立,推动了我国冶金还原冶炼新工艺和废钢铁产业的发展。在全球“脱碳”大潮的背景下,以减少碳足迹、降低碳排放量为中心的传统钢铁冶金工艺技术变革已成为钢铁行业绿色发展的新趋势。用氢气代替煤炭,改变能源消耗结构,实现“低碳”甚至“零碳”工艺的产业化,是彻底解决钢企生产过程中环境污染和碳排放问题的技术方向,由此,全球氢冶金概念盛行。

目前,国内生产运行多条回转窑、转底炉生产线,中晋30万吨气基竖炉生产线也已建成进入生产调试阶段,酒钢氢冶金项目中试基地经过改造调试后基本达产。日钢50万吨氢冶金项目、河钢60万吨规模的氢冶金示范工程、邢钢80万吨熔融还原铁项目、建龙30万吨熔融还原法高纯铸造生铁项目。我国内已经形成了多工艺装备、工艺路线创新发展趋势,我国非高炉冶炼技术迎来一波发展小高潮。

2 我国非高炉行业现状

2.1 隧道窑工艺

隧道窑工艺相对简单、技术含量低,原料、还原剂、燃料容易解决,工艺实用性强,前期投资小,适合小规模生产,是粉末冶金行业普遍使用的冶金还原生产工艺。但隧道窑法单机产能小、自动化程度低、劳动强度大、能耗高、环境污染大,且由于规模小、原料外购为主、得不到稳定供应保证、产品质量波动大,较少应用于炼钢海绵铁的生产。

隧道窑能耗、环保问题是隧道窑法生存和发展的重大课题,近年对环保和能耗的日益强化使得隧道窑发展明显受限,2017年以来我国国内没有新建隧道窑生产线。

近年来,伊朗、印度等铁矿资源丰富且缺乏焦煤的国家引进了中国隧道窑工艺技术,唐山奥特斯窑炉公司在伊朗建有一期年产7万吨两条隧道窑生产线,生产反响不错,在印度也有隧道窑生产线业绩;湖北中基窑炉也有在伊朗建设隧道窑的业绩。

2.2 回转窑工艺

国际上常用的煤基还原技术多是回转窑“二步法”技术,即:采用氧化球团或高品位块矿加入回转窑的还原工艺,印度有300余条年产2-15万吨的回转窑生产线。天津钢管公司引进英国DAVY技术的回转窑“二步法”也证明了这是一种技术成熟的工艺,其单机产能最高达到18万吨,超过了15万t/年的设计能力,可生产出TFe>92.0%的高品质炼钢海绵铁。采用“一步法”回转窑工艺,即用冷固结球团或预干燥球团直接加入到回转窑中进行还原焙烧,由于球团强度不够,粉化突出,面临一定的生产操作问题。

回转窑法对原燃料要求较高、需要稳定运行,具备一定经济实力、且有资源优势的中小规模需求的企业可选择这种工艺。

由于回转窑装置是常用的冶金装备、易获得,回转窑直接还原工艺技术已被广泛应用在钢厂尘泥处理、含锌渣生产氧化锌、钛精矿还原、红土镍矿直接还原生产镍铁上,目前已经建成运行的生产线已有数百条之多。近年来回转窑直接还原工艺也应用在铬矿还原、钛精矿还原生产上,且取得了不错的生产效果,丰镇市新太新材料公司采用链篦机—回转窑预还原—热送热装工艺生产高碳铬铁,电耗降低25%,焦耗降低近50%,产量提高超过30%。酒钢煤基氢冶金中试基地(年处理能力8万吨)也是基于煤基氢技术的回转窑工艺,目前经过设备调试改造、2020年10月份生产基本实现达产。日钢50万吨氢冶金项目也是依托的回转窑还原工艺。内蒙古中盛科技年产60万吨(4*15万吨)回转窑直接还原铁项目,其中一期采用大无缝拆下的两条年产15万吨回转窑装置,二期新建2*15万吨回转窑生产线。

2.3 转底炉工艺

转底炉工艺在我国的工业应用推广始于2007年底龙蟒矿业8万吨转底炉钛磁铁矿煤基直接还原项目的投产运行。2009年7月,马钢引进日本新日铁转底炉技术处理(含锌尘泥)高炉瓦斯泥和各种固废球团转底炉直接还原工艺生产线建成投产。发展至今,国内已建成多条转底炉生产线:用于复合矿的综合利用(四川龙蟒、攀钢研究院)、含铁粉尘利用(马钢、沙钢、日照钢铁、燕山钢铁、宝钢湛江)、生产预还原炉料(山西翼城、莱钢、天津荣程)等。继湛江转底炉项目投产运行后,2019年宝钢系转底炉项目全面启动,目前宝武集团生产运营的转底炉生产线有5条,在建生产线3条。

多年生产经验表明,因转底炉工艺原因,由于煤灰渗入,致使产品铁品位较低(一般为70-80%左右)、S高,转底炉工艺应用的重点方向在于高炉污泥或除尘灰等钢厂废弃物的处理、以及多金属矿的利用。

2.4 煤基竖炉工艺

煤基竖炉因其产量可以扩大、具备规模优势,一些试验工厂的指标可以达到炼钢标准而得到行业重视,有不少企业在进行煤基竖炉方面的工业试验。目前武汉科思瑞迪公司(COSRED)在湖北宜昌建有一座年产1万吨中试生产线,总体装备运行良好,采用品位70%以上的铁精粉可生产出全铁95%以上的海绵铁,并可生产粉末冶金用的还原铁产品,产品质量好。COSRED煤基竖炉生产操作控制的工艺参数很少,主要为还原温度和还原时间,还原温度通过燃烧室的燃烧温度来进行控制和调整,还原时间通过还原室下部的排料速度来进行控制和调整。煤基竖炉的生产操作简单,可实现全自动控制,而且生产的稳定性高、易损件少、维护量小。目前已在缅甸扩建一条年产5万吨煤基竖炉海绵铁生产线,在越南建有一条年产10万吨煤基竖炉海绵铁生产线。科思瑞迪总包的年产30万吨煤基竖炉还原铁生产线正在建设施工中。

2.5 气基竖炉

气基竖炉直接还原法是当今世界上的主流直接还原工艺,全球采用气基竖炉直接还原工艺生产的海绵铁占比≥75%。气基竖炉的显著优点是单套设备产量大、不消耗焦煤,节能、环境友好、低能耗、低CO2排放。气基还原工艺因其在节能减排、低碳环保方面的作用受到政策层面支持,气基还原技术是产品质量优良的低碳绿色先进炼铁技术,应该成为我国直接还原炼铁技术的主要发展方向,发展气基还原具有积极意义。

气基竖炉技术应用的关键在于低价气源的获得,我国天然气资源匮乏,在非炼焦煤、天然气和焦炉煤气较便宜的地区和企业,煤制合成气的成本能否大幅度降低,决定了能否建设大型竖炉直接还原与煤制气无焦炼铁联合工艺。以煤制气、天然气或焦炉煤气重整制氢竖炉的生产时,需要预先将煤、天然气或焦炉煤气等一次能源转化成含氢量在55%-75%的合成气进入竖炉炼铁。应属于氢能源应用的一部分。山西、内蒙古等地已有企业在进行气基还原工厂建厂或前期准备工作。山西中晋太行矿业公司2013年开始筹备30万吨焦炉煤气竖炉直接还原生产工厂,经过多年筹备,已于2020年11月底全部建成、进入到联动负荷试车阶段。

2020年11月23,河钢集团与特诺恩双方签订合同,建设高科技的氢能源开发和利用工程,其中包括一座年产60万吨的ENERGIRON直接还原工厂。

内蒙古自治区明拓集团有限公司,计划采用米德雷克斯的气基竖炉技术,以合成煤气为还原气,建设年产能力110万吨的还原铁厂,供应下游电炉生产不锈钢产品。

2.6 熔融还原工艺

熔融还原炼铁工艺省去了烧结及焦化两个环节,同样产能下可节省大量的投资及运行成本,并且产品也是铁水,因此备受钢铁企业关注。目前,宝钢新疆八一钢铁、山东墨龙公司各有一条熔融还原生产装置在运行,建龙、邢钢、信通首承、辽宁天汇管线材各有一套装置在建。

宝钢集团年产150万吨的COREX 3000熔融还原炼铁生产装置于2011年搬迁到新疆八一钢铁厂,并结合高炉炼铁原理和成熟的技术进行了技术优化改造,2015年7月出铁并成功实现了工业化生产,重新命名为欧冶炉。2017年3月,经过近19个月长周期检修的欧冶炉并入生产序列,正常生产出铁,2019年冬季进行冬季持续生产作业,该厂的铁水成本略低于本厂高炉。

 山东墨龙公司2012年将澳大利亚奎那那HISmelt工厂整体搬迁,并对原矿粉预热系统、矿粉喷吹系统、SRV炉高温煤气系统、公辅动力系统等进行了创新优化。山东墨龙公司HIsmelt熔融还原炼铁项目2016年12月建成投产,经过多次停开炉探索实践后,工厂操作稳定性大幅提高,能耗大幅降低。工厂日最高产量可达到1930吨,月产量达到51914吨,设备不间断作业可达157天,各项生产指标均超过澳大利亚原工厂,产品高纯铸造生铁含磷量低(平均在0.015%~0.03%),含硅、锰及五害元素(铅、锡、砷、锑、铋)含量非常低,脱硫后满足高端铸造产品的需求。

2019年9月北京建龙重工集团内蒙古赛思普科技有限公司投资10亿元的30万吨熔融还原法高纯铸造生铁项目开工建设,采用类似墨龙熔融炉技术。2020年9月所有设备安装完毕,进入联动试车;10月进入投产试运营阶段。

2020年9月,邢钢搬迁优化方案及选址已获省政府批准,目前项目的可行性研究报告已完成,搬迁后将使用“HIsmelt熔融还原+电炉”的短流程工艺,邢钢80万吨熔融还原铁项目进入到实质性阶段。另外,辽宁天汇管线材有限公司也在筹建一条年产30万吨熔融还原试验工厂、信通首承80万吨熔融还原铁项目也在筹建中。

综上,国内非高炉冶炼行业已经形成了多工艺装备、工艺路线齐头并进的创新发展趋势。

3 环保政策引导下非高炉冶炼行业关注度明显增加

3.1 传统高炉炼铁流程是节能减排的主要调控对象

传统的高炉-焦化-烧结炼铁流程中,由于每吨烧结矿排出高温废气量达6000m3以上,烧结烟粉尘(包括PM10、PM2.5)、SO2、NOX排放量占钢铁联合企业排放总量的6成以上;由于焦炉出焦、熄焦过程有大量烟粉尘排放,焦化厂的烟粉尘排放量占钢铁联合企业排放总量的3成以上;而且焦化厂的SO2、氨、苯、苯并吡等对人体、生物有毒害的废气排放量占企业排放总量的8成以上。凡是有焦化厂生产的地方,工厂内部及周边土地几乎寸草不生,动物灭绝,植物死光或变异,炼焦对环境具有毁灭性的破坏作用,西方国家已经关停了9成炼焦设备。烧结机、焦化厂的污染物排放量占钢铁联合企业排放总量的一半以上,二者是钢铁生产流程中最大的污染源。

因此,降低焦比、提高球团比、降低烧结矿比例,是传统钢铁流程节能减排最有效的途径。而采用废钢-DRI-电炉炼钢,可以节能一半以上,同时减少污染物排放量7成以上,固废渣量也可以减少7成以上。

3.2 我国电炉钢产量和废钢用量大幅增长

去产能及产能置换带来的不仅仅是产能规模的变化,还有产能结构、规模以及区域分布的变化。在产能结构中最为突出的变化在于电炉产能占比的明显提升。2018年后,电炉产能基本上每年都处于净增加的状态。通过产能置换,2018—2023年全国将投产电炉产能5695万吨、淘汰3117万吨、净增加2578万吨,多数的置换产能将在2020年之前投产。2020年全国电炉产能预计在1.57亿吨左右。2020年电炉产能占比就将超过粗钢整体产能的15%。

新版的2020版产能置换规定:退出高炉、转炉相关项目建设,建设电炉不仅可以等量置换,还可以对旧炼铁产能进行出售或参与其余产能整合项目,而旧电弧炉项目置换新电弧炉项目则可顺利等量置换,加之技术升级可等量置换,无不体现了国家对电弧炉炼钢的支持和鼓励。

近年来,我国废钢铁产业发展较快,钢企每年使用废钢量已达2亿吨左右,预计“十四五”期间有望达到3亿吨/年,这势必将拉动与之配套的直接还原铁产业的发展。与此同时,直接还原—电炉短流程(或直接还原与大型铸钢的对接)生产工艺将为大型钢铁联合企业的转型升级提供技术和生产经验方面的有力支持。

3.3 产业结构调整引导超低排放,鼓励非高炉炼铁技术

2019年4月,生态环境部、发展改革委、工业和信息化部、财政部、交通运输部等五部委近日联合印发《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》指出,烧结机机头、球团焙烧烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度小时均值分别不高于10、35、50毫克/立方米;其他主要污染源颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度小时均值原则上分别不高于10、50、200毫克/立方米。

2019年4月,国家发展改革委会公布了《产业结构调整指导目录(2019年本,征求意见稿)》,其中:非高炉炼铁技术列入钢铁鼓励类第3条,冶金固体废弃物(含冶金矿山废石、尾矿,钢铁厂产生的各类尘、泥、渣、铁皮等)综合利用先进工艺技术列入钢铁鼓励类第15条。

新版的2020版产能置换规定:置换过程中的建设产能数量,按照《建设产能核算表》进行核定。建设非高炉炼铁、提钒转炉、回转窑-矿热炉(RKEF)等设备,产能核定须“一事一议”上报工业和信息化部。产能置换最低按照1.25:1的比例进行置换,而退出配套烧结、焦炉、高炉等设备建设非高炉炼铁的项目炼铁产能可实施等量置换。显示出政策对非高炉炼铁行业的支持。

4 氢冶金热推动了非高炉冶炼行业发展

氢能源作为绿色清洁能源受到世界各国关注,也是世界各国能源结构转型的重大战略方向,被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源之一。以氢代替碳是当前低碳发展、能源变革的重要方向,也被认为是钢铁行业绿色化的主要出路。氢冶金技术就成了当今世界的热点话题。

随着氢冶金热在国内兴起,与氢冶金关联度较大的富氢还原工艺备受关注:河钢集团的60万吨直接还原工厂将使用含氢量约70%的补充气源,吨直接还原铁仅产生250KgCO2,将成为全球最绿色的直接还原工厂。另外,总投资10.9亿元的内蒙古赛思普科技有限公司年产30万吨熔融还原法高纯铸造生铁项目也已经建成调试中,项目也是以“富氢熔融还原新工艺”的名义建设。以及酒钢煤基氢冶金中试基地,是以高炉瓦斯灰为原料的回转窑还原项目。

5 全球直接还原铁产销两旺 

随着全球节能环保思想的高度统一,不同地区和国家对直接还原铁的重视程度日益加深,全球直接还原铁产量依然保持较高增长。根据Midrex公司直接还原铁统计年报,2019年全球直接还原铁产量为1.081亿吨,较2018年增长7.3%。产量增长主要受印度煤基直接还原铁产量增加、伊朗现有和新建气基直接还原铁厂产能利用率较高以及Tosyali在阿尔及利亚工厂的扩建等因素推动。

根据ISSB的数据,2019年全球直接还原铁发货量为1961万吨,略低于2018年的2150万吨。尽管受到新冠肺炎疫情影响,但是米德雷克斯预计2020年直接还原铁发货量将与2019年持平。俄罗斯是直接还原铁出口量最大的国家,出口量超过360万吨。

6 结语

非高炉炼铁技术是实现钢铁工业低碳炼铁的必然趋势。目前,焦煤资源呈现全球性短缺趋势,供应紧张和价格高涨已成为制约传统钢铁工业发展的重要因素;环保政策日益严格,环保投资不断提高,钢铁工业发展承受的环境保护压力逐渐加大。据了解,为实现超低排放改造,铁前环保投资需增加200元/吨左右(铁前环保成本占全工序成本的70%左右)。同时,高炉产生大量返矿、返焦和粉尘等固废,需实现固废资源综合利用。而直接还原-电炉短流程生产工艺具有产能高、低碳排放的特点。

高功率电炉冶炼时在炉料中添加30%~50%的直接还原铁,可提高生产率10%~25%,且与传统长流程相比,可减少二氧化碳排放40%~65%、减少二氧化硫排放约30%。在使用废钢时,配加一定比例的直接还原铁,可大幅度降低废钢中的残余元素及有害元素,生产出高附加值的洁净钢和优质钢。随着中国电炉钢产能逐渐增加、废钢资源利用越来越多的情况下,直接还原铁将越来越受到钢铁行业的重视,将迎来直接还原铁发展的良机。

综上所述,国家有发展非高炉炼铁技术的鼓励政策,钢铁企业有转型发展的需求、有发展非高炉技术的愿望。发展非高炉炼铁技术有利于节约宝贵的炼焦煤资源,有利于钢铁工业的结构性调整,有利于减少环境污染和减少CO2的排放量,有利于开发复合铁矿、难选铁矿,有利于处理钢铁厂粉尘和有色冶金含铁渣等含铁废弃物,符合循环经济的大政方针,在国家日益重视节能减排的今天,应有较好的市场空间。

 

文章来源:driinfo;

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