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有关炼铁工艺未来发展趋势的分析
钢是当今人类社会和经济活动的重要材料,已渗透至人们生活的方方面面。
 
全球面临着不断提高能源利用效率、保护环境等严峻挑战,钢材的更广泛应用仍是解决材料问题的关键。2017年,全球钢产量已达16.747亿吨,较2016年增长2.8%。未来,世界钢产量将保持持续增长的观点已是行业内外的共识。
 
然而,未来支撑钢生产的铁元素来源则存在相当的不确定性。传统高炉炼铁面临的节能环保及原燃料适应性压力,各种非高炉炼铁工艺的成熟可靠性、新炼铁方法开发前景,以及废钢的循环使用量等,都将影响各自在未来炼钢的铁源供应中的比重及供给的持续性。本文将着重探讨有关高炉炼铁工艺的发展及未来适应性,并分析废钢使用量对高炉炼铁的影响,以期抛砖引玉,与行业专家同仁共谋我国炼铁健康发展良策。
 
各种炼铁工艺的发展状况及未来适应性
 
高炉炼铁工艺。
 
在过去的20余年里,我国高炉炼铁生产的快速发展,带动了全球高炉生铁产量的大幅度增加。2017年,全球高炉生铁的产量达11.748亿吨,我国则占其中的60.5%,达7.108亿吨。
 
国外高炉生铁总量一直在4.5亿吨的规模徘徊。然而,这种总量的不变并非代表着各国生产的稳定,而是一些发达国家生铁产量的下降和一些发展中国家生铁产量的增加,是一个综合平衡的结果,详见图1。例如,欧洲(不含俄、乌)的总产量已由1989 年的1.442亿吨降低到2017年的1.065亿吨,北美(美国、加拿大、墨西哥)的总产量由6790余万吨降低到2017年的3291.5万吨,其中美国由5097.8万吨降低到2233.5万吨。而印度的产量则由1989年的1219万吨增加至2017年的6597.7万吨;韩国由1484.6万吨增加至4674.4万吨。
 
上述国内外高炉生铁产量的变化状况,除反映了高炉生产工艺总产量的稳定增长外,也反映出各国和各地区的变化受多种内外因素的影响,如废钢供应、国内经济发展,以及区域市场竞争等,存在需要深入研究的内在驱动力。
直接还原工艺。
 
直接还原铁作为优质的电炉炼钢原料,一直有很好的市场需求量。而全球由各种直接还原工艺生产的直接还原铁DRI(含热压块铁HBI)在经历了几十年的艰苦发展后,2016年已达7276万吨。
 
在2016年的直接还原铁生产中,气基直接还原工艺生产的比例仍在增加,达到82.5%,煤基回转窑的比例下降至17.5%。5个直接还原铁生产大国是:印度1847万吨,伊朗1601万吨,沙特589万吨,俄罗斯570万吨,墨西哥531万吨,五大生产国的产量占总量的70.6%。
 
纵观直接还原工艺的发展历史及现状,可以看出,直接还原工艺中的煤基直接还原工艺因生产规模小、效率低以及产品质量差,竞争力较差,发展较慢。气基直接还原虽具有较高的效率,但因以天然气为能源,发展空间和前景有限。对于用煤制气直接还原工艺,工艺的成熟性和经济性仍须严峻考验。
 
熔融还原工艺。
 
据报道,近年来世界熔融还原铁的总产量在600万吨/年左右,未有大的突破。在3种已工业化的熔融还原工艺中,Corex 工艺除了宝钢一座C3000装置从上海搬迁至新疆八钢投产外,未有新的建设项目。Finex工艺于2014年1月在韩国浦项投产200万吨/年的装置后,虽有多个计划的项目,但未见实质启动。Hismelt工艺在澳大利亚的工业示范装置已被搬迁到我国山东,并于2017年投产,成为近几年熔融还原工艺发展的新动向。一些新的熔融还原工艺,如Hisana工艺,仍在研究开发中,但其开发力度大大减弱,进度也放缓。
 
分析熔融还原工艺的发展能够认识到,以克服高炉使用焦炭和块状炉料的弊端为目标的各种熔融还原工艺,在经过很长一段时间的开发和应用热潮后,一些工艺虽证明了原理的可行性,但无法体现在生产运行方面比高炉炼铁更突出的优势。此状况的一个核心问题是,为避开使用焦炭和块状炉料所采取的各种新的工艺流程和方法,都在过程能量利用率和工艺及设备条件等方面付出了额外代价。尤其是各个工艺在能量利用效率方面都很难与高炉竞争,仅生产供给炼钢用的普通铁水,其经济价值难以体现。
 
各工艺对未来发展的适应能力及高炉炼铁工艺的定位。
 
未来社会发展对钢铁生产流程提出了两大挑战,一是能量消耗最低,二是CO2排放最少。国外研究了“高炉+转炉”“Finex+转炉”“直接还原竖炉+电炉”3种流程中的能耗和CO2排放情况。3种流程中均配加25%的废钢。得出的结论如下:
 
一是包括煤气发电的能量转换在内,“直接还原竖炉+电炉”流程的净能耗最高(15.34GJ/t钢水),“高炉+转炉”流程的净能耗最低(14.03GJ/t 钢水)。
 
二是“高炉+转炉”和“Finex+转炉”流程的直接CO2排放量相当,约1700kg/t钢水,而“竖炉+电炉”流程的直接CO2排放为600kg/t钢水,仅为前两者的35%。但当包括间接CO2排放时,“竖炉+电炉”的CO2总量为1200kg/t钢水,是前两者的65%。
 
综上所述,高炉炼铁工艺在产量规模和全球普及程度上绝对领先,在适应未来发展要求上,从净能耗的角度看占据优势,但在CO2的排放上不及直接还原(竖炉)工艺。但考虑到竖炉(气基)工艺的发展局限性和熔融还原的经济性等问题,在世界范围内,高炉炼铁仍将是未来最主要的炼铁工艺。结合我国的资源条件和炼铁发展状态,高炉炼铁仍将是可预见的最适应未来发展的可靠炼铁生产工艺。
 
废钢,高炉炼铁的宿敌?
 
在各种炼铁工艺中,虽然高炉炼铁最适合未来发展,但却存在一个最大威胁甚至是宿敌——废钢。废钢炼钢在吨钢能耗和CO2排放量方面的优势,已完胜用高炉铁水炼钢。未来炼钢的废钢使用量将决定高炉炼铁的生产规模。事实上,全球钢铁,特别是北美和欧洲的发展过程,已证实了这种发展趋势。
 
国外状况。
 
根据国外统计,2014年,在全球炼钢使用的18.43亿吨金属料中,高炉铁水占63.8%,废钢占31.7%,直接还原铁(含热压块)4.1%,熔融还原0.4%。(高炉)铁与钢比为0.71,扣除我国则为0.55,即国外接近一半的钢不是用铁水生产的,其中主要是用废钢。2017年全球包括我国在内,(高炉)铁钢比为0.71,(高炉)铁钢产量差距是5.0亿吨。这种情况在美国表现得更为突出。2017年美国产钢8164万吨,而高炉铁水仅为2233.5万吨,铁钢比低到只有0.27。
 
未来世界的钢产量将在16亿吨的基础上继续保持甚至增长,但随着全球废钢供应的增加,高炉铁水比例将相对钢产量逐渐下降或铁水产量绝对下降,这应该是一个必然的趋势。
 
我国状况。
 
我国钢铁的发展过程也正在验证这个趋势。我国是铁钢比高的国家,而且铸造铁比例高曾长期使铁的产量大于钢的产量,铁钢比大于1。近年来,钢、铁产量均大幅度增长,铁钢比开始出现下降的趋势,从1996年的1.05降低到2017年的0.85,而这种铁钢比变化带来的钢和铁产量差已由1996年的-500万吨,拉大到2017年的1.21亿吨。
 
铁钢比变化的主要内在原因,正是炼钢废钢使用量的不断增加。如2001年的废钢使用量为4000万吨,2016年则达到9010万吨。特别是在2017年,随着国家全面取缔“地条钢”生产,加之炼铁环保限产及停产,使大量废钢流入正规炼钢生产流程,据报道,全年总的废钢消费量达到1.4亿吨。
 
未来高炉炼铁生产。
 
在钢铁生产节能减排以及废钢供应量不断增加的大趋势下,全球的高炉炼铁产量与钢产量之间的差距会继续扩大,高炉铁水的总产量会稳中有降。当然这不排除个别地区一段时期的高炉铁水产量增加。
 
对于我国来说,随着经济从高速增长转变为中速稳定发展,以及一些国家不断加重的贸易保护主义造成的我国钢材出口量下降,预计在未来一段时间,我国钢产量将保持基本稳定,炼钢对铁源的需求也将保持基本不变。
 
在这种情况下,炼钢废钢的使用量将决定着高炉生铁的产量。我国的钢铁积蓄量已超过80亿吨,废钢供应量超过1.5亿吨/年,而且持续增加。有专家预测,到2020年,我国废钢供应会达到2.7亿吨。炼钢使用废钢相较于使用高炉铁水具有的节能减排优势,在当今我国严格要求钢铁生产节能环保的大环境下,更显得突出。如果上述废钢供应量得以实现,而且质量得以保证,随着电炉减少吃铁水,新建电炉以及新流程电炉投产和转炉增加废钢比,我国高炉炼铁产量开始逐步下降将是大概率事件。
 
当然,根据我国现有的炼铁生产规模和经济竞争性,以及废钢的供应量,在各种综合因素的影响下,在相当长一段时间内,高炉炼铁虽会产量下降,但仍将保持其巨大的生产规模。
中国钢铁新闻网
2019-03-22