天津奧沃冶金技術(shù)咨詢有限公司

1我國非高爐行業(yè)現(xiàn)狀
 

非高爐冶煉技術(shù)分為直接還原法和熔融還原法。直接還原法是使用煤、氣體或液態(tài)燃料為能源和還原劑，在鐵礦石軟化溫度以下，不熔化即將礦石中的氧化鐵還原獲得固態(tài)直接還原鐵( DRI、HBI、HDRI)。按還原劑種類可分為氣基還原和煤基還原，按爐型分類可分為隧道窯工藝、回轉(zhuǎn)窯工藝、轉(zhuǎn)底爐工藝、煤基豎爐工藝、氣基豎爐工藝等。熔融還原法是指不用高爐而在高溫熔融狀態(tài)下還原鐵礦石的方法，其產(chǎn)品是成分與高爐鐵水相近的液態(tài)鐵水。常用的熔融還原方法有Corex法、HIsmelt法、Finex法等。我國非高爐行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀如下：
 

1.1 隧道窯工藝
 

隧道窯工藝相對簡單、技術(shù)含量低,原料、還原劑、燃料容易解決，前期投資小，適合小規(guī)模生產(chǎn)，是粉末冶金行業(yè)普遍使用的還原生產(chǎn)工藝。由于規(guī)模小、原料外購為主、得不到穩(wěn)定的原料供應(yīng)保證、產(chǎn)品質(zhì)量波動大，較少用于煉鋼海綿鐵的生產(chǎn)，僅在個別鋼廠附屬隧道窯工廠生產(chǎn)煉鋼海綿鐵。
 

當(dāng)前隧道窯工藝發(fā)展的特征：
 

隧道窯法存在單機產(chǎn)能小、自動化程度低、勞動強度大、能耗高、環(huán)境污染大的不足。近年對環(huán)保和能耗的日益強化，多數(shù)隧道窯從煤炭改為煤制氣或天然氣供能，大幅增加了生產(chǎn)成本。
 

近年來隨著鐵精粉品質(zhì)的提高，高品質(zhì)鐵精粉原料生產(chǎn)的還原鐵粉質(zhì)量優(yōu)異，可應(yīng)用于高端磁性材料和優(yōu)質(zhì)的化工材料，尤其在新能源電池領(lǐng)域應(yīng)用有大幅增加，使得高端還原鐵的需求量有所增加，2021年以來，一些資源優(yōu)勢的地方開始再度增加隧道窯生產(chǎn)線，即：著重發(fā)展鐵精粉原料的生產(chǎn)線，傳統(tǒng)的氧化鐵皮原料的隧道窯工藝由于原料供應(yīng)及市場原因呈收縮態(tài)勢。
 

我國隧道窯還原工藝在國外市場得到了一定發(fā)展：伊朗、印度等鐵礦資源豐富且缺乏焦煤的國家引進了中國隧道窯工藝技術(shù)生產(chǎn)煉鋼海綿鐵。唐山奧特斯窯爐公司在伊朗Kavian公司一期年產(chǎn)7萬噸項目兩條206米天然氣隧道窯均正常生產(chǎn)，生產(chǎn)效益良好，廠家順利投建了二期項目；伊朗ＫＮＺ一期項目已經(jīng)完工，2021年6月順利投產(chǎn)。另外，該公司在印度也有隧道窯生產(chǎn)線業(yè)績。湖北中基窯爐也有在伊朗建設(shè)隧道窯的業(yè)績，還有其它窯爐公司也有非洲建廠業(yè)績。
 

1.2回轉(zhuǎn)窯工藝
 

國際上常用的煤基還原技術(shù)多是回轉(zhuǎn)窯“二步法”直接還原技術(shù)，即：采用氧化球團或高品位塊礦加入回轉(zhuǎn)窯的還原工藝，印度有300余條年產(chǎn)2-15萬噸的回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵生產(chǎn)線，占到印度國內(nèi)直接還原鐵產(chǎn)量的七成以上比例。
 

采用“一步法”回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝，即用冷固結(jié)球團或預(yù)干燥球團直接加入到回轉(zhuǎn)窯中進行還原焙燒，由于球團強度不夠，粉化問題突出，面臨一定的生產(chǎn)操作問題。
 

當(dāng)前我國回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝發(fā)展的特征：
 

國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵生產(chǎn)線寥寥無幾，原因在于相對于國內(nèi)高爐而言，生產(chǎn)成本不占優(yōu)勢。天津鋼管公司DAVY回轉(zhuǎn)窯“二步法”生產(chǎn)時，單條窯的產(chǎn)能最高達到18萬噸，超過了15萬t/年的設(shè)計能力，可生產(chǎn)出TFe>92.0%的高品質(zhì)煉鋼海綿鐵，證明回轉(zhuǎn)窯“二步法”技術(shù)的可靠性。目前，這兩條生產(chǎn)線被內(nèi)蒙古中盛科技拆走，被用于其年產(chǎn)60萬噸（4*15萬噸）回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵項目的一期項目，由于公司資金原因，項目建設(shè)進展緩慢，預(yù)計2024年上半年投入運行。
 

回轉(zhuǎn)窯裝置是常用的冶金裝備、容易獲得，在冶金工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用普遍，很多企業(yè)都存在原有回轉(zhuǎn)窯裝置的改造或拆遷問題。
 

回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝技術(shù)被廣泛應(yīng)用于鋼廠塵泥處理、含鋅渣生產(chǎn)氧化鋅等固廢綜合利用，以及鈦鐵礦還原、鉻鐵礦還原、紅土鎳礦直接還原生產(chǎn)鎳鐵，目前建成并生產(chǎn)運行的回轉(zhuǎn)窯還原生產(chǎn)線有數(shù)百條之多。鋼鐵企業(yè)近年來鋼廠粉塵利用多是采用回轉(zhuǎn)窯還原工藝:日鋼、舞鋼、立恒鋼鐵、建邦鋼鐵、美錦鋼鐵、萊鋼、本鋼、晉源、邯鋼、衢州鋼鐵等數(shù)十家鋼廠均采用回轉(zhuǎn)窯粉塵處理工藝。酒鋼煤基氫冶金中試基地(年處理能力8萬噸)也是基于煤基氫冶金技術(shù)的回轉(zhuǎn)窯工藝，經(jīng)調(diào)試改造后于2020年10月份開始進行工業(yè)生產(chǎn)試驗，2022年被移交生產(chǎn)部門進入常規(guī)生產(chǎn)考核。回轉(zhuǎn)窯直接還原法在鉻礦還原、鈦鐵礦的還原生產(chǎn)上也取得了不錯的效果,豐鎮(zhèn)市新太新材料公司采用鏈篦機—回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原—熱送熱裝工藝生產(chǎn)高碳鉻鐵，電耗降低25%，焦耗降低近50%，產(chǎn)量提高超過30%。回轉(zhuǎn)窯直接還原鈦鐵礦的工藝過程也在多家鈦鐵礦生產(chǎn)企業(yè)中生產(chǎn)應(yīng)用。
 

1.3 轉(zhuǎn)底爐工藝
 

轉(zhuǎn)底爐因具有環(huán)形爐膛和可轉(zhuǎn)動的爐底而得名，其原料是鐵礦粉和煤粉制成的含碳球團，經(jīng)配料、混料、制球和干燥后加入轉(zhuǎn)底爐中，爐膛溫度可達1250~1350℃左右，含碳球團高溫下隨爐底旋轉(zhuǎn)一周的過程中，鐵礦被碳快速還原、生成金屬化球團，最后由螺旋出料機推出爐外，經(jīng)冷卻后運往熔分爐作原料、或作電爐煉鋼原料。由于轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)過程中煤灰滲入，產(chǎn)品鐵品位較低(一般為70-80%左右)、S高。
 

當(dāng)前轉(zhuǎn)底爐工藝發(fā)展的特征：
 

1）轉(zhuǎn)底爐工藝應(yīng)用的重點方向在于高爐污泥或除塵灰等鋼廠廢棄物的處理，以及多金屬礦利用。國內(nèi)還建有多條轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線，其中用于復(fù)合礦的綜合利用（四川龍蟒、攀鋼研究院）、高鋅含鐵塵泥利用（萊鋼、馬鋼、沙鋼、日照鋼鐵、燕山鋼鐵、寶鋼湛江）、生產(chǎn)預(yù)還原爐料（山西翼城、天津榮程）等。
 

2）2015年，中冶賽迪與燕山鋼鐵公司開發(fā)設(shè)計的處理鋼鐵廠含鋅塵泥的20萬噸/年轉(zhuǎn)底爐投產(chǎn)，實現(xiàn)脫鋅率＞85%，金屬化率＞75%，獲得約14萬噸金屬化球團、0.5萬噸氧化鋅粉塵、13萬噸蒸汽，每年可處理高爐、轉(zhuǎn)爐除塵灰等冶金固廢約20萬噸，具有很高的經(jīng)濟和環(huán)保價值。2016年，雙方進行第二條生產(chǎn)線開發(fā)設(shè)計合作。在燕鋼轉(zhuǎn)底爐項目基礎(chǔ)上，2016年,中冶賽迪和寶武集團聯(lián)合進行了轉(zhuǎn)底爐直接還原技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，在寶鋼湛江建成了年處理20萬噸含鋅粉塵轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線，并實現(xiàn)達標(biāo)達產(chǎn)，實現(xiàn)100%固廢不出廠，成為國內(nèi)轉(zhuǎn)底爐處理含鋅粉塵的標(biāo)桿企業(yè)，并在寶武集團內(nèi)推廣應(yīng)用，建有多條轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線。當(dāng)前國內(nèi)正常生產(chǎn)運行大約20余條轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線，基本都用于固廢處理。
 

1.4 煤基豎爐工藝
 

煤基豎爐因其產(chǎn)量可以擴大、具備規(guī)模優(yōu)勢，一些試驗工廠的指標(biāo)可以達到煉鋼標(biāo)準(zhǔn)而得到行業(yè)重視，有不少企業(yè)在進行煤基豎爐方面的工業(yè)試驗。目前武漢科思瑞迪公司（COSRED）在湖北宜昌建有一座年產(chǎn)1萬噸中試生產(chǎn)線，總體裝備運行良好，采用品位70%以上的鐵精粉可生產(chǎn)出全鐵95%以上的海綿鐵，并可生產(chǎn)粉末冶金用的還原鐵產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量好。COSRED煤基豎爐生產(chǎn)操作控制的工藝參數(shù)很少，主要為還原溫度和還原時間，還原溫度通過燃燒室的燃燒溫度來進行控制和調(diào)整，還原時間通過還原室下部的排料速度來進行控制和調(diào)整。煤基豎爐的生產(chǎn)操作簡單，可實現(xiàn)全自動控制，而且生產(chǎn)的穩(wěn)定性高、易損件少、維護量小。目前已在緬甸擴建一條年產(chǎn)5萬噸煤基豎爐海綿鐵生產(chǎn)線，在越南建有一條年產(chǎn)10萬噸煤基豎爐海綿鐵生產(chǎn)線。
 

當(dāng)前煤基豎爐工藝發(fā)展的制約之處在于規(guī)模樣本生產(chǎn)工廠數(shù)量不多。
 

1.5 氣基豎爐工藝
 

氣基豎爐技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于低價氣源的獲得，我國天然氣資源匱乏，在非煉焦煤、天然氣和焦?fàn)t煤氣較便宜的地區(qū)和企業(yè)，富氫合成氣的成本能否大幅度降低，決定了能否建設(shè)大型豎爐直接還原與煤制氣無焦煉鐵聯(lián)合工藝。而隨著國家“雙碳”政策的推動，鋼鐵企業(yè)積極開展先行先試的改造，投建了一些富氫合成氣直接還原鐵工廠，這些工廠目前試驗性質(zhì)居多，一旦生產(chǎn)順行，成本可控，則發(fā)展前景廣闊。
 

當(dāng)前氣基豎爐工藝發(fā)展的特征：
 

1）是行業(yè)關(guān)注的焦點所在，現(xiàn)有河鋼宣鋼氣基豎爐工廠和即將建成的寶鋼湛江氣基豎爐工廠直接關(guān)系到中國氫冶金技術(shù)的未來發(fā)展走向。
 

河鋼宣鋼氣基豎爐工廠（河北張宣高科科技有限公司）采用ENERGIRON ZR直接還原工藝，項目含鐵原料計劃采用宣鋼自產(chǎn)氧化球團，產(chǎn)品為直接還原鐵（DRI）。項目一期建設(shè)規(guī)模55.5萬噸/年，計劃采用富氫焦?fàn)t煤氣做還原氣，二期建設(shè)規(guī)模55.5萬噸/年，計劃采用天然氣做還原氣。目前一期已經(jīng)于2023年5月建成投產(chǎn)，至今一直生產(chǎn)順利，產(chǎn)品金屬化率可達94%，全鐵能到89%以上。該工程是全球首例富氫氣體（焦?fàn)t煤氣）零重整豎爐直接還原氫冶金示范工程，采用“焦?fàn)t煤氣零重整豎爐直接還原”工藝技術(shù)。據(jù)了解，一期工程每年可減少二氧化碳排放80萬噸，減排比例達到70%以上。標(biāo)志著我國鋼鐵行業(yè)由傳統(tǒng)“碳冶金”向新型“氫冶金”的轉(zhuǎn)變邁出顛覆性、示范性、關(guān)鍵性步伐，將進一步引領(lǐng)傳統(tǒng)鋼鐵冶金工藝變革，全面開啟綠色、低碳發(fā)展新紀(jì)元。
 

寶鋼湛江鋼鐵百萬噸級氫基豎爐作為鋼鐵行業(yè)低碳冶金示范性、標(biāo)志性項目，工程總投資18.9億元，該項目是國內(nèi)首套百萬噸級氫基豎爐，也是首套集成氫氣和焦?fàn)t煤氣進行工業(yè)化生產(chǎn)的直接還原生產(chǎn)線，所產(chǎn)直接還原鐵代替廢鋼供轉(zhuǎn)爐使用。一期百萬噸級氫基豎爐工程預(yù)計2023年底建成完工。
 

2）多家企業(yè)在進行氣基豎爐生產(chǎn)探索或建設(shè)，給行業(yè)發(fā)展提供更多選擇。
 

山西中晉太行礦業(yè)公司30萬噸焦?fàn)t煤氣豎爐直接還原鐵工廠經(jīng)過多年籌備于2020年11月底全部建成、完成聯(lián)動負荷試車并于2021年6月9日進行點火投產(chǎn)，并生產(chǎn)出合格直接還原鐵產(chǎn)品。2022年11月9日，該廠焦?fàn)t煤氣重整啟動點火，11月13日成功生產(chǎn)出指標(biāo)合格的熱壓塊鐵（HBI）產(chǎn)品。因鐵精粉原料備貨不足，以及受疫情影響，加上銷售渠道沒有完全暢通，該廠于12月23日因原料消耗殆盡而停產(chǎn)，期間有效生產(chǎn)天數(shù)約40天。目前生產(chǎn)線已經(jīng)檢修完畢，等待市場復(fù)產(chǎn)機會。
 

內(nèi)蒙古自治區(qū)明拓集團有限公司，計劃采用米德雷克思的氣基豎爐技術(shù)，以合成煤氣為還原氣，建設(shè)年產(chǎn)能力110萬噸的還原鐵廠，供應(yīng)下游電爐生產(chǎn)不銹鋼產(chǎn)品。2022年4月，項目設(shè)計合同在內(nèi)蒙古包頭九原工業(yè)園區(qū)舉行簽約儀式。2023年4月15日，國際氫能冶金化工產(chǎn)業(yè)示范區(qū)新能源制氫聯(lián)產(chǎn)無碳燃料配套風(fēng)光發(fā)電一體化示范項目奠基儀式在達茂巴潤工業(yè)園區(qū)鋼鐵稀土原料加工園舉行。目前開工的一期項目，計劃投資120億元，建設(shè)15萬標(biāo)方每小時再生水電解制氫和1800噸/天動態(tài)綠色合成氨系統(tǒng)，配套150萬千瓦風(fēng)電場及示范區(qū)整體公輔工程，2024年建成投產(chǎn)。
 

另外，黑龍江建龍60萬噸氫冶金直接還原項目，四川安寧釩鈦100萬噸氫冶金直接還原項目以及京華日鋼控股集團年產(chǎn)50萬噸氫冶金及高端鋼材制造項目均有項目建設(shè)計劃消息傳出。
 

3)氣基豎爐工藝技術(shù)上不存在問題，主要的問題在于氣源的成本，低價氣源的獲得是生產(chǎn)企業(yè)著重考慮問題。在全球“脫碳”大潮的背景下，在碳減排、碳中和政策推動下，改變以煤為主的能源消耗結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)“低碳”甚至“零碳”工藝的產(chǎn)業(yè)化，對我國氣基豎爐工藝技術(shù)的發(fā)展挑戰(zhàn)與機遇并存。
 

1.6 熔融還原工藝
 

熔融還原煉鐵的產(chǎn)品也是鐵水，備受鋼鐵企業(yè)關(guān)注。目前，寶鋼新疆八一鋼鐵的歐冶爐已步入常規(guī)生產(chǎn)、山東墨龍公司ML-HIsmelt熔融還原煉鐵生產(chǎn)裝置在運行中，建龍內(nèi)蒙古賽思普科技有限公司熔融還原鐵生產(chǎn)線已建成出鐵，邢鋼熔融還原爐裝置正在建設(shè)中。
 

當(dāng)前熔融還原煉鐵工藝發(fā)展的特征：
 

1）寶鋼新疆八一鋼鐵的歐冶爐已步入常規(guī)生產(chǎn),具備推廣價值。
 

2012年寶鋼集團公司將上海寶山一座COREX 3000搬遷到新疆八一鋼鐵公司，搬遷同時將其設(shè)備及工藝軟、硬件全部國產(chǎn)化設(shè)計制造，更名為歐冶爐，設(shè)計產(chǎn)能150萬噸/年。新疆八鋼歐冶爐歷經(jīng)不斷改造創(chuàng)新，從原來只吃精料到原料選擇范圍不斷擴大，設(shè)備運行趨于穩(wěn)定，產(chǎn)量屢創(chuàng)新高。2019-2022年實現(xiàn)了冬季的持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)運行，年產(chǎn)量穩(wěn)定在100-120萬噸。2023年3月初歐冶爐停爐啟動耐火材料中修，6月初重新開爐，當(dāng)前日均產(chǎn)量穩(wěn)定在4000噸/天。當(dāng)前歐冶爐的冶金焦比逐步降至月均124kg/t，周均最低118kg/t，燃料比月均838kg/t，鐵水硅素降至0.9%以下，鐵水物理熱穩(wěn)定，月均作業(yè)率93%。其中月作業(yè)率最優(yōu)達到99.45%，月產(chǎn)量最高達到11.4萬噸。該廠的鐵水成本比本廠高爐低150元左右，已經(jīng)具備了技術(shù)推廣條件。
 

2）MS-HISmelt工廠市場關(guān)注度高，已經(jīng)在鋼廠中推廣應(yīng)用
 

 2012年將澳大利亞奎那那HISmelt工廠整體搬遷到山東墨龍,創(chuàng)新優(yōu)化后于2016年6月建成投產(chǎn)，目前實際產(chǎn)量60萬噸左右。設(shè)備不間斷作業(yè)最高實現(xiàn)157天連續(xù)生產(chǎn)，各項指標(biāo)均超澳大利亞原工廠。鐵水產(chǎn)品脫硫后滿足高端鑄造產(chǎn)品的需求：產(chǎn)品高純鑄造生鐵含磷量低（平均在0.015%~0.03%），含硅、錳及五害元素（鉛、錫、砷、銻、鉍）含量非常低，脫硫后滿足高端鑄造產(chǎn)品的需求。2023年2月6日，山東墨龍石油機械股份有限公司與河北邢鋼科技有限公司正式就HIsmelt熔融還原技術(shù)在冶煉領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用簽署合同，這是山東墨龍就HIsmelt 熔融還原技術(shù)推廣后簽下的第一單。2023年9月28日，山東墨龍發(fā)布消息稱與馬格南礦業(yè)與開發(fā)有限公司達成初步合作意向，開啟海外市場推廣應(yīng)用的新篇章。
 

在借鑒墨龍Hismel熔融還原工藝的基礎(chǔ)上引入氫氣還原概念，北京建龍重工集團開發(fā)出賽思普工藝。2019年9月北京建龍重工集團內(nèi)蒙古賽思普科技有限公司投資10.9億元的30萬噸氫基熔融還原法高純鑄造生鐵項目開工建設(shè)；2021年4月13日，內(nèi)蒙賽思普CISP于成功出鐵。該項目是設(shè)計年還原用氫1萬噸，可減少二氧化碳排放量11.2萬噸/年。與傳統(tǒng)高爐工藝相比，賽思普工藝取消了傳統(tǒng)高爐必不可少的燒結(jié)工藝和焦化等工序，可實現(xiàn)二氧化硫和氮氧化物排放量減少38%，粉塵排放量減少89%，無二噁英和酚氰廢水排放。主導(dǎo)產(chǎn)品為高純鑄造生鐵和超高純鑄造生鐵，產(chǎn)品與常規(guī)高爐鐵水比，它有低磷、低硫，低硅、低碳、低有害元素的優(yōu)點，可應(yīng)用于風(fēng)電、核電、高鐵等高端鑄件領(lǐng)域。項目投產(chǎn)以來，企業(yè)日產(chǎn)高純生鐵最高達1800噸。2023年上半年，公司對該項目進行了改造升級，產(chǎn)能規(guī)模改造成60萬噸，并計劃于10月份重新投入生產(chǎn)。
 

邢臺鋼鐵有限公司計劃開工建設(shè)3座ML-Hismelt 熔融還原爐，單臺設(shè)備產(chǎn)能55萬噸/年直接還原鐵，合計產(chǎn)能165萬噸/年直接還原鐵,建設(shè)地點在威縣城東工業(yè)區(qū)。2022年 7月28日，項目獲得環(huán)評批復(fù)。2023年2月6日，河北邢鋼科技有限公司與山東墨龍石油機械股份有限公司，正式就HIsmelt熔融還原技術(shù)應(yīng)用簽署合同。正式開啟邢臺鋼鐵有限責(zé)任公司轉(zhuǎn)型升級搬遷改造項目中的HIsmelt熔融還原項目。4月份開始項目實施單位招標(biāo)、開工，計劃于2024年5月一期一步投產(chǎn)，2024年8月一期二步投產(chǎn)，2024年11月二期投產(chǎn)。
 

另外，撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司煉鐵高爐升級改造項目擬采用ML-HIsmelt熔融還原技術(shù)。擬于2024年10月開工建設(shè)35萬噸Hismelt熔融還原爐1座，產(chǎn)能32.5萬噸。擬投產(chǎn)時間2025年10月。廣西翅翼鋼鐵有限公司鋼鐵產(chǎn)業(yè)升級項目產(chǎn)能置換方案中擬建1套Hismelt非高爐煉鐵裝置，目前尚在考慮中。信通首承公司80萬噸熔融還原鐵項目也在報批籌建中。
 

3）新的熔融還原工藝也在持續(xù)進行探索試驗
 

山東大學(xué)和燕山鋼鐵基于“煤氣化過程協(xié)同還原鐵工藝技術(shù)”，將相對成熟的煤粉流態(tài)化制氣工藝與鐵礦粉流態(tài)還原/熔融還原工藝結(jié)合起來，以普通鐵礦粉、非焦煤煤粉為原料，2020年6月，在燕山鋼鐵落地建設(shè)年產(chǎn)10萬噸鐵水中試項目，2021年12月項目建設(shè)完成，并進行了煤氣化的生產(chǎn)測試。
 

遼寧孺尚億熔爐科技有限公司，利用自有技術(shù)、自有資金，經(jīng)過多年籌建建成30萬噸熔融試驗爐，爐子已建成，2021年末因暴雪廠房坍塌、后續(xù)資金困難，生產(chǎn)難以為繼。
 

2 我國非高爐冶煉技術(shù)面臨的機遇與挑戰(zhàn)
 

通過上面的介紹，在全球發(fā)展低碳經(jīng)濟的背景下，我國非高爐冶煉行業(yè)已經(jīng)形成了多工藝裝備、工藝路線齊頭并進的創(chuàng)新發(fā)展趨勢：1）煤基直接還原技術(shù)發(fā)展的重點轉(zhuǎn)向為粉末冶金、固廢資源綜合利用、多金屬礦處理以及低品位礦等難選礦的處理上，更大程度地提升原有產(chǎn)品的價值，深度挖潛、變廢為寶。2）氣基豎爐單套設(shè)備產(chǎn)量大、不消耗焦煤，節(jié)能、環(huán)境友好、低能耗、低CO2排放，氣基還原技術(shù)是產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良的低碳綠色先進煉鐵技術(shù)。氣基豎爐直接還原法是當(dāng)今世界上的主流直接還原工藝，全球采用氣基豎爐直接還原工藝生產(chǎn)的海綿鐵占比≥75%。氣基還原工藝因其在節(jié)能減排、低碳環(huán)保方面的作用受到政策層面支持，發(fā)展氣基還原具有積極意義，是國家著重鼓勵發(fā)展的技術(shù)。3）熔融還原煉鐵工藝因為省去了燒結(jié)及焦化兩個環(huán)節(jié)，產(chǎn)品也是鐵水，能降低產(chǎn)線投資成本及運行成本，備受鋼鐵企業(yè)關(guān)注。
 

2.1 行業(yè)發(fā)展面臨的機遇
 

2.1.1 國家戰(zhàn)略需要雙碳政策引發(fā)氫冶金熱
 

碳冶金是鋼鐵工業(yè)代表性的發(fā)展模式，冶煉的基本反應(yīng)式為Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2，碳作為還原劑并生成產(chǎn)物二氧化碳。而氫冶金的概念是基于碳冶金的概念提出的，氫冶金的基本反應(yīng)式為Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，氫氣充當(dāng)了還原劑且產(chǎn)物是水，二氧化碳的排放量為零。碳達峰與碳中和的大背景下，全球興起低碳經(jīng)濟發(fā)展和“脫碳”大潮，氫冶金工藝因其低碳低能耗特征受到業(yè)內(nèi)關(guān)注，熱度大增。
 

氫氣來源分為灰氫、藍氫、綠氫?；覛涫峭ㄟ^化石燃料（例如石油、天然氣、煤炭等）燃燒產(chǎn)生的氫氣，在生產(chǎn)過程中會有二氧化碳等排放。藍氫是將天然氣通過蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整制成。綠氫是通過使用再生能源（例如太陽能、風(fēng)能、核能等）制造的氫氣，例如通過可再生能源發(fā)電進行電解水制氫，在生產(chǎn)綠氫的過程中，完全沒有碳排放。我國氫氣來源目前仍以煤制氫為主（即灰氫），占比高達63.5%，工業(yè)副產(chǎn)制氫為 21.2%，天然氣制氫為 13.8%，水電解制氫占比僅為1.5%。
 

煤制氫技術(shù)包括煤的焦化制氫和煤的氣化制氫。煤的焦化是以制取焦炭為主，焦?fàn)t煤氣是副產(chǎn)品，其主要成分為氫氣（59.3%）、甲烷（18.8%）、一氧化碳 （7.8%）、水（6.4%）等；煤氣化制氫是指煤和水蒸氣在一定溫度下發(fā)生反應(yīng)得到合成氣，再通過對合成氣中的 CO 做轉(zhuǎn)化處理，將合成氣全部轉(zhuǎn)化為氫氣。目前，利用煤制氫主要是通過煤的氣化來制取氫氣。
 

我國現(xiàn)有的氫冶金技術(shù)中，富氫還原高爐與氣基直接還原豎爐兩類工藝發(fā)展逐漸受到行業(yè)的認(rèn)可。氣基直接還原豎爐即通過使用氫氣與一氧化碳混合氣體代替一氧化碳作為還原劑，將鐵礦石轉(zhuǎn)化為直接還原鐵（DRI），之后再投入電爐進一步冶煉。短期內(nèi)氣基直接還原豎爐工藝將會是我國主流氫冶金技術(shù)手段，該工藝的進一步成熟化也將是行業(yè)的主要探索方向。鋼鐵行業(yè)向低碳技術(shù)轉(zhuǎn)型，給綠色、節(jié)能、環(huán)保的富氫冶金氣基豎爐技術(shù)帶來了難得的機會。
 

2.1.2傳統(tǒng)高爐煉鐵流程耗能大、污染嚴(yán)重 非高爐煉鐵技術(shù)、電爐短流程煉鋼是方向

傳統(tǒng)的高爐-焦化-燒結(jié)煉鐵流程中，由于每噸燒結(jié)礦排出高溫廢氣量達6000m3以上，燒結(jié)煙粉塵（包括PM10、PM2.5）、SO2、NOX排放量占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)排放總量的6成以上；由于焦?fàn)t出焦、熄焦過程有大量煙粉塵排放，焦化廠的煙粉塵排放量占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)排放總量的3成以上；而且焦化廠的SO2、氨、苯、苯并吡等對人體、生物有毒害的廢氣排放量占企業(yè)排放總量的8成以上。燒結(jié)機、焦化廠的污染物排放量占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)排放總量的一半以上，二者是鋼鐵生產(chǎn)流程中最大的污染源。由于煉焦對環(huán)境具有毀滅性的破壞作用，西方國家已經(jīng)關(guān)停了9成煉焦設(shè)備。因此，降低焦比、提高球團比、降低燒結(jié)礦比例，是傳統(tǒng)鋼鐵流程節(jié)能減排最有效的途徑。
 

鋼鐵工業(yè)走轉(zhuǎn)型升級、低碳綠色發(fā)展之路是必然趨勢。采用廢鋼-DRI-電爐煉鋼，可以節(jié)能一半以上，同時減少污染物排放量7成以上，固廢渣量也可以減少7成以上。2020年《鋼鐵產(chǎn)能置換實施辦法》（征求意見稿）公布，其中大力鼓勵鋼企發(fā)展電爐短流程煉鋼，意味著后期發(fā)展電爐煉鋼將是一種趨勢，更是完成節(jié)能減排的重要措施。電爐短流程煉鋼將成為國家鋼鐵行業(yè)“十四五”期間重點的政策鼓勵方向之一。“十四五”發(fā)展期間，全國鋼鐵工業(yè)廢鋼比要達到30%，電爐鋼比例要提升至20%。
 

越來越多的廢鋼資源做為煉鋼原料被應(yīng)有到鋼鐵生產(chǎn)中，預(yù)計“十四五”末鋼企廢鋼量使用量有望達到3億噸/年。根據(jù)中國工程院咨詢項目研究數(shù)據(jù)：到2025年，我國鋼鐵蓄積量將達到120億噸，廢鋼資源年產(chǎn)出量將達到2.7―3億噸。2030年，我國鋼鐵蓄積量將達到132億噸，廢鋼資源年產(chǎn)出量將達到3.2―3.5億噸。2020年12月30日，生態(tài)環(huán)境部、發(fā)改委、海關(guān)總署、商務(wù)部、工信部聯(lián)合發(fā)文《關(guān)于規(guī)范再生鋼鐵原料進口管理有關(guān)事項的公告》，符合《再生鋼鐵原料》（GB/T 39733-2020）標(biāo)準(zhǔn)的再生鋼鐵原料，不屬于固體廢物，可自由進口，自2021年1月1日起實施，進口正式放開！
 

而做為調(diào)節(jié)廢鋼冶煉過程中鋼水成分的優(yōu)質(zhì)原料，勢必將增加直接還原鐵的用量，促進非高爐煉鐵行業(yè)的發(fā)展。直接還原—電爐短流程（或直接還原與大型鑄鋼的對接）生產(chǎn)工藝將為大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供技術(shù)和生產(chǎn)的有力支持。
 

2022年1月，工信部、科技部、自然資源部等三部委聯(lián)合發(fā)布《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，原材料工業(yè)包括石化化工、鋼鐵、有色金屬、建材等行業(yè)。這是我國首次將原材料工業(yè)整合起來做一個規(guī)劃，旨在根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段和技術(shù)進步的特點，增強規(guī)劃的系統(tǒng)性、整體性、協(xié)同性，促進行業(yè)間耦合共生發(fā)展。在“十四五”期間需要完成的五大工程中就包括有“低碳制造試點工程”。低碳制造試點工程包括內(nèi)容為：組織研發(fā)重質(zhì)劣質(zhì)油加工及高效轉(zhuǎn)化利用、大型高效節(jié)能先進煤氣化、以二氧化碳為原料生產(chǎn)化工產(chǎn)品、富氫碳循環(huán)高爐、氫能窯爐、氫基直接還原等技術(shù)。鋼鐵行業(yè)推廣鋼鐵循環(huán)材料使用、近終形短流程鑄軋、低品位資源生物冶金等低碳技術(shù)。組織實施氫冶金、非高爐煉鐵等低碳冶煉試點項目，開展低碳水泥、氫能窯爐及固碳建材試點。目標(biāo)——到2025年，鋼鐵、有色金屬、建材等重點行業(yè)碳排放總量控制取得階段性成果。
 

2022年2月，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、生態(tài)環(huán)境部三部門近日聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》?！吨笇?dǎo)意見》提出到2025年，鋼鐵工業(yè)基本形成布局結(jié)構(gòu)合理、資源供應(yīng)穩(wěn)定、技術(shù)裝備先進、質(zhì)量品牌突出、智能化水平高、全球競爭力強、綠色低碳可持續(xù)的高質(zhì)量發(fā)展格局。其中，行業(yè)研發(fā)投入強度達到1.5%，每年突破3-5種關(guān)鍵短板鋼鐵材料，鋼鐵短板材料比重下降到1％以下，實現(xiàn)關(guān)鍵鋼鐵材料的自主保障。氫冶金、非高爐煉鐵、潔凈鋼冶煉、無頭軋制等前沿技術(shù)取得突破進展。
 

2.1.3 全球直接還原鐵產(chǎn)銷兩旺發(fā)展氫冶金技術(shù)已是全球共識
 

隨著全球節(jié)能環(huán)保思想的高度統(tǒng)一，不同地區(qū)和國家對直接還原鐵的重視程度日益加深，發(fā)展氫冶金技術(shù)已是全球共識，全球直接還原鐵產(chǎn)量已經(jīng)持續(xù)突破了億噸水平。根據(jù)MIDREX公布的全球直接還原鐵產(chǎn)量數(shù)據(jù)：2022年世界直接還原鐵產(chǎn)量達1.2736億噸，比2021年的1.192億噸增長了約6.9%，創(chuàng)造新的年產(chǎn)量記錄。2022年全球直接還原鐵產(chǎn)量TOP5地區(qū)依次為印度、伊朗、俄羅斯、沙特阿拉伯、墨西哥，產(chǎn)量分別為4355萬噸、3290萬噸、766萬噸、648萬噸、584萬噸。
 

印度和伊朗的年產(chǎn)量再度超過全球年產(chǎn)量的一半：其中印度繼續(xù)保持其直接還原鐵全球產(chǎn)量第一的記錄--產(chǎn)量4355萬噸，增長了11.4%，其中煤基產(chǎn)量3539萬噸，氣基產(chǎn)量816萬噸。根據(jù)印度海綿鐵制造協(xié)會數(shù)據(jù)（SIMA）,回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)量在繼2019-2020年增長27.9%、2021年增長18.8%之后，2022年增長18%。伊朗2022年DRI產(chǎn)量3290萬噸，全部是天然氣氣基工藝，比2021年增長了3.3%。MIDREX®工藝占伊朗DRI產(chǎn)量的90%，PERED工廠產(chǎn)量估計為276萬噸。
 

我國建成了全球產(chǎn)業(yè)鏈最完備、規(guī)模最大的鋼鐵產(chǎn)業(yè)體系。在新冠疫情沖擊、全球產(chǎn)業(yè)鏈重構(gòu)的背景下，我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈相對完整、技術(shù)自主性比較強的優(yōu)勢進一步凸顯。我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈完備，產(chǎn)能供需基本平衡。2022年我國粗鋼產(chǎn)量10.13億噸，同比下降2.1%，連續(xù)第二年下降。全年折合粗鋼表觀消費量9.60億噸，同比下降3.4%。2022年鋼鐵行業(yè)產(chǎn)業(yè)集中度大幅上升。2022年，我國鋼產(chǎn)量排名前10位的企業(yè)合計產(chǎn)量為4.34億噸，占全國鋼產(chǎn)量的42.8%，比2021年提升1.36個百分點；排名前20位的企業(yè)合計產(chǎn)量為5.72億噸，占全國鋼產(chǎn)量的56.5%，比2021年提升1.59個百分點。中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2022年我國鋼鐵工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型取得明顯成效，重點統(tǒng)計會員鋼鐵企業(yè)噸鋼耗新水降至2.44立方米，同比下降0.7%；噸鋼二氧化硫排放量為0.24千克，同比下降19.8%；噸鋼顆粒物排放量為0.28千克，同比下降18.3%；噸鋼氮氧化物排放量為0.46千克，同比下降12.4%。同時，重點統(tǒng)計會員鋼鐵企業(yè)節(jié)能、環(huán)保類投資371.44億元，同比增長12.0%，占固定投資額比重為29.2%。由于鋼鐵生產(chǎn)旺盛，帶動了對礦石、生鐵、廢鋼等原料的需求，2022年我國直接還原鐵進口量達168萬噸。
 

2.1.4 規(guī)模化生產(chǎn)直接還原鐵的資源和技術(shù)條件已經(jīng)具備 
 

制約我國非高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展的主要問題在于資源和技術(shù)兩方面的約束：資源約束主要是缺少高品位精礦粉和缺少天然氣，技術(shù)方面的約束主要是非天然氣為原料的氣基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵方法還沒有成熟經(jīng)驗。
 

經(jīng)過我國冶金科技工作者的持續(xù)努力和科技公關(guān)，高品位鐵精礦選礦技術(shù)已經(jīng)在實踐生產(chǎn)中普遍推廣使用，遼寧朝陽地區(qū)、安徽六安、山西黎城等優(yōu)質(zhì)礦粉產(chǎn)地，可以生產(chǎn)出71.5%品位的高品質(zhì)超純鐵精粉，而氣基豎爐所需要的品質(zhì)68-70%的鐵精粉對選礦生產(chǎn)技術(shù)而言，早就不是難事，增加的選礦成本也僅有幾十元。天然氣資源問題可以用煤化工副產(chǎn)氣取代并進行富氫轉(zhuǎn)換，在技術(shù)上可行，用煤制氣得到還原氣的成本可低于天然氣轉(zhuǎn)化，這就具備了規(guī)模生產(chǎn)直接還原鐵的條件。
 

2.2 我國非高爐行業(yè)尚處在起步階段面臨的困難依然艱巨
 

我國高爐生產(chǎn)技術(shù)成熟，傳統(tǒng)地位牢固，鋼鐵企業(yè)主動轉(zhuǎn)型動力不足。而我國非高爐行業(yè)還處在起步階段，不少項目還沒有建成，實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)不足，缺乏樣板效應(yīng)。非高爐冶煉技術(shù)與成熟的高爐工藝相比，生產(chǎn)成本優(yōu)勢體現(xiàn)尚不明顯。迫于當(dāng)前雙碳政策壓力，鋼鐵企業(yè)對非高爐行業(yè)的關(guān)注度增加，但更多還是在猶豫觀望，非高爐行業(yè)發(fā)展面臨的困難依然艱巨。
 

2.2.1 缺乏廉價的氣源
 

國際上氣基豎爐企業(yè)較多的地區(qū)多是位于石油天然氣豐富的地方，有著廉價的天然氣資源，而我國天然氣匱乏，成本較高。當(dāng)前國內(nèi)的制氣技術(shù)更多是依據(jù)鋼廠副產(chǎn)氣或化工副產(chǎn)氣來開展工作，技術(shù)上可行，但成本上是否經(jīng)濟？這還需要生產(chǎn)實踐檢驗。
 

2.2.2 我國碳排放市場剛剛起步鋼鐵尚未納入
 

我國碳市場2021年進入配額現(xiàn)貨交易階段，2021年全年碳排放配額成交量累計1.79億噸，目前只包括發(fā)電企業(yè),剛剛起步。2023年上半年，全國碳市場交易價格掛牌協(xié)議成交價格在64.00-75.00元/噸區(qū)間內(nèi)震蕩，日均收盤價為69.07元/噸。未來，碳市場將覆蓋到發(fā)電、石化、化工、建材、鋼鐵、有色金屬、造紙和國內(nèi)民用航空八大行業(yè)。預(yù)計下一個納入碳排放交易的對像會是鋼鐵。
 

根據(jù)中國碳排放數(shù)據(jù)庫（CEADs），我國鋼鐵行業(yè)碳排放量占全球鋼鐵行業(yè)的60%以上，占全國碳排放總量的18%左右。鋼鐵行業(yè)是我國制造業(yè)碳排放量最高的行業(yè)。
 

根據(jù)美國環(huán)境保護署估算，碳排放的社會成本為每噸41美元，而若想單純通過碳排放交易實現(xiàn)溫室氣體減排，則碳價應(yīng)該至少高于碳排放的邊際社會成本。世界銀行在《State and Trends of Carbon Pricing 2020》中提出，為實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》目標(biāo)，全球各國到 2030年碳價格至少要達到每噸50到100美元。而根據(jù) IMF 經(jīng)濟學(xué)家 Ian Parry 的測算，考慮2030年的減排承諾及市場碳價的彈性系數(shù)，中國實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》減排承諾所需要的碳價約為47美元/噸，遠高于我國預(yù)期碳交易市場價。
 

2.2.3產(chǎn)業(yè)政策模糊，缺乏具體可操作的政策支撐
 

一個行業(yè)的發(fā)展離不開政策的支持，雖然國家多年來一直對于非高爐行業(yè)給予鼓勵，但缺乏具體的、可操作的政策支持。例如，目前鋼鐵行業(yè)需要有產(chǎn)能指標(biāo)才能獲得建廠許可，而由于非高爐冶煉技術(shù)種類較多，一些技術(shù)還處在試驗推廣或研發(fā)應(yīng)用階段，企業(yè)能夠選擇采用該技術(shù)已在承擔(dān)風(fēng)險，如果還需要費很大力氣去獲得產(chǎn)能指標(biāo)，使得企業(yè)不得不知難而退。由于缺乏鋼鐵產(chǎn)能指標(biāo)，限制了某些非高爐冶煉工項目的落地。
 

我國天然氣資源匱乏，氣基豎爐工藝的工業(yè)應(yīng)用難重點在于工業(yè)副產(chǎn)氣或煤制氣能否轉(zhuǎn)換成合格的還原用氣，由于幾乎沒有可參考的現(xiàn)成技術(shù)案例，而現(xiàn)有的政策也沒有具體的鼓勵措施，尚需在國家政策上進一步突破。
 

3 行業(yè)發(fā)展建議
 

非高爐煉鐵技術(shù)是前瞻性技術(shù)，對國家鋼鐵行業(yè)發(fā)展的重要意義逐漸顯現(xiàn)，國內(nèi)主要的鋼鐵企業(yè)已經(jīng)介入到這個領(lǐng)域中，開展了先行先試的嘗試，行業(yè)發(fā)展前景廣闊。
 

3.1 具體政策支持
 

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