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对我国钢铁流程未来发展趋势的思考

2019-02-27 08:52:00    

1 我国钢铁工业面临工艺流程再造问题

中国工程院院士徐匡迪在谈改革开放40年中国钢铁工业的经验教训及未来发展路径时提出,我国钢铁工?#30340;?#21069;存在三个主要问题:

1)钢铁工业发展没有严格按照生态环境的要求健康绿色发展;

2)钢铁工业发展初期只考虑短期的供需效应,没有考虑合理布局;

3)中国钢铁工业面临工艺流程再造问题。

针对钢铁工艺流程再造问题,徐匡迪院士指出:“现在中国钢铁行业的长流程占比近90%,而美国、?#35775;?#30701;流程已经占到40%以上,美国生产普通钢材的主要流程就是用短流程的电弧炉冶炼,炉外精炼然后就轧制”。

徐匡迪院士还表示:“如果我国钢铁工艺流程再造成功,一方面可?#36234;?#20302;对国外铁矿石的?#26469;?#24230;,另一方面可以大大降低碳排放,符合绿色发展要求。用短流程冶炼还可以调峰运行,解决能源供应的峰谷问题和环境问题,同时降低能耗。在当前?#38469;?#27700;平下,如果企业有自有电厂,长流程生产1吨成品钢要消耗700多公斤标?#27982;海?#32780;短流程只需消耗其60%左右。此外,由于工艺流程的再造,将产生出很多新的产业,如废钢回收?#22270;?#24037;等产业。”

我国由于废钢及天然气资源短缺,长流程工艺在钢铁工业中占绝对统治地位,但要推进我国钢铁工业的转型升级,就需要进行钢铁工艺流程的再造。因此,完善长流程、发展短流程、推动DR-EAF(直接还原电炉炼钢)短流程的构建,应该是我国钢铁工艺流程再造的发展方向之一。

2 北美钢铁工艺流程的现状与发展趋势

2012年以来,北美钢铁工艺流程悄然发生变化。尽管目前北美钢铁流程仍以BF-BOF(高炉-转炉流程)长流程为主要工艺流程,而以DR-EAF短流程为辅,但短流程的流程效能越来越强?#19994;?#26174;现出来。

2015年,在北美钢铁工业中,采用DR-EAF短流程工艺,只有10家运营或在建设中。2015年后,直接还原铁生产有了突破性进展,启动建设了一批直接还原铁项目,促进了DR-EAF短流程的构建与发展。其中一个项目值得注意,即?#20998;?#22885;钢联公司在美国德克萨斯州建造了一座年产200万吨HBI(热压块铁)直接还原铁厂,并于2016年投产。

该项目以?#24405;?#20010;特点值得我国钢铁企业关注。

1)?#20998;?#22885;钢联公司直接在美国投资建造直接还原铁厂,利用美国廉价且丰富的页岩气资源,生产直接还原铁,并将产品运回奥地利,供林茨钢铁厂使用。这条工艺路线与?#20998;?#20256;统钢铁工艺流程不同,是钢铁流程的再造。

2)该直接还原铁厂100%生产HBI,保证长途运输中DRI(直接还原铁)的氧化铁损最低。

3)天然气短缺是?#20998;?#29983;产DRI的短板,奥钢联的这种生产方式,?#21069;?#22320;利钢铁企业DR-EAF短流程的成功尝试,是钢铁流程的创新,在?#20998;?#24433;响非凡。

4)数据显示,采用长流程的钢铁厂,吨钢CO2排放量约1600kg,而采用短流程的钢铁厂,吨钢CO2排放量约800kg。由此可见,短流程钢铁工艺可以大幅度降低CO2排放,它是?#36842;?#32511;色钢铁的重要手段。

3 我国发展钢铁短流程的最大短板是天然气短缺

综观全球,特别是天然气产量丰富的国家和地区(如中东、美国、南美、东南亚、非洲),近年DR-EAF短流程均有实?#24066;?#22320;发展。例如,伊?#21183;?#22522;竖炉直接还原铁电炉炼钢年产量有望达到2000万吨以上,而美国DR-EAF短流程已步入常态发展状态。另外,还存在其他发展模式,例如印度,由于炼焦煤短缺,采用煤基+气基两种工艺生产直接还原铁,之后进行电炉炼钢,印度已成为全球直接还原铁生产大国。

这些国家的生产实践证明,DR-EAF短流程具有建设成本低、能耗低、CO2排放低的特点,已被钢铁界所认可,但发展DR-EAF的前提条件是必须有足够气体资源做支撑。

我国天然气资源相对短缺,利用天然气发展气基直接还原炼铁受到限制。但是,我国可以采用高化学能或廉价的气体资源(如焦炉煤气、页岩气、煤?#30772;?#29983;产直接还原铁,与电炉炼钢对接,这是我国钢铁流程未来发展的方向之一,是推进我国DR-EAF短流程工艺再造的关键所在。

4 我国发展DR-EAF短流程工艺的最大优势在于焦炉煤气的利用与创新

尽管我国天然气短缺,但我国拥有大量的焦炉煤气,应?#29028;?#29702;利用我们的优势,发展DR-EAF短流程工艺,推动钢铁工业转型升级。

由于历史和资源禀赋原因,我国钢铁制造流程以长流程为主导,可以为直接还原生产提供足够数量和高质量的气体资源——焦炉煤气。这是我国发展DR-EAF短流程的最大优势。

焦炉煤气含有60%H2,是高化学能气体资源,是宝贵的氢资源,是不可多得的还原剂。焦炉煤气用作燃料是低效率的,应该用作还原剂。焦炉煤气生产直接还原铁是氢冶金在钢铁流程再造中的应用。另外,氢冶金在冶金过程中不与焦炭接触,生产的DRI为高纯铁,产?#20998;?#37327;高,有利于电炉生产出高纯净钢。

直接还原炼铁基于氢冶金反应原理,而高炉炼铁基于?#23478;?#37329;反应原理,其反应式如下:

?#23478;?#37329;:Fe2O3+3CO = 2Fe+3CO2

氢冶金:Fe2O3+3H2 = 2Fe+3H2O

由?#23478;?#37329;转向氢冶金是钢铁工艺流程巨大的变化。高炉炼铁是用焦炭不完全燃烧产生的CO作还原剂,而氢冶金是高化学能氢作还原剂,还原剂的改变引发了冶金流程效能的根本性变化。

氢是高化学能还原剂,从反应机理推算,H2的还原潜能是CO的11倍,由此不难看出,氢冶金的能耗大大低于?#23478;?#37329;。

由于H2的分子直径小,在铁矿石中的穿透能力是CO的5倍,大大提高了反应速度,降低了反应温度,铁矿石不经过相变,可直接还原成纯铁。

5 BF-BOF长流程与DR-EAF短流程的融合共存,将成为未来钢铁发展的新趋势

BF-BOF长流程与DR-EAF短流程的融合共存,在美国钢铁界已成为常态,为我国钢铁业发展提供了新思路,为推进钢铁业转型升级提供了新方向。

我国钢铁工业长流程的格局,为发展气基直接还原铁生产提供了最佳的气体资源,可以弥补天然气短缺的短板,可为大容量的发展DR-EAF工艺提供可靠的气体资源,可以保持钢铁工业的可?#20013;?#21457;展。合理、创新地用好焦炉煤气,将为世界钢铁发展提供变革的机遇和发展模式,推进世界钢铁新发展。(王文骥 王少立 王太炎)

编辑:徐可可     来源:世界金属导报
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