在鋼鐵生產(chǎn)中，煉鐵作為能耗和成本的主要工序，一直是國內(nèi)外各企業(yè)節(jié)能降本的工作重點。隨著社會對環(huán)境保護要求的日益嚴格，污染物排放的控制成為煉鐵生產(chǎn)新的任務(wù)。本文將介紹國外煉鐵當(dāng)前生產(chǎn)的基本狀況和在煉鐵節(jié)能減排方法上所開展的工作以及煉鐵新工藝開發(fā)的情況，以期對我國煉鐵工業(yè)的健康發(fā)展有所參考。
國外煉鐵生產(chǎn)狀況
2011年，全球生鐵產(chǎn)量為10.827億噸，國外產(chǎn)量為4.5304億噸，占世界總量的41.84%。其中，歐洲的生鐵產(chǎn)量已經(jīng)從2009年最低的6000萬噸恢復(fù)到2011年的9413萬噸，達到危機前的水平。日本則恢復(fù)到8103萬噸，北美從最低的2998萬噸恢復(fù)到2011年的4248萬噸。
降低煉鐵燃料比一直是各國工作的重點。但受煉鐵原料品質(zhì)下降和燃料組成結(jié)構(gòu)變化的影響，國外的高爐燃料比一直處于相對較平穩(wěn)的狀態(tài)。如歐洲的燃料比保持在500kg/t以下，比最好時期的水平甚至有所增加。日本的燃料比則維持在500kg/t左右，北美則在520kg/t的水平。需要指出的是，與我國單一燃料比（高爐焦比加上煤比）的構(gòu)成不同，國外許多高爐的燃料比是由包括天然氣、油等多種燃料構(gòu)成的。加之入爐原料的種類和品質(zhì)差異，所以不能簡單地用數(shù)字對比燃料比的高低來反映國內(nèi)外的差距。
此外，國外對煉鐵生產(chǎn)過程的污染物排放的控制不斷加強。針對主要的排放工序燒結(jié)工藝，歐洲地區(qū)制定了嚴格的控制標準，主要體現(xiàn)在粉塵含量（20mg/Nm3）、SO2含量(500mg/Nm3,特殊地區(qū)350mg/Nm3)、NOx(400mg/Nm3)以及二口惡英含量(0.4ng/Nm3)等。需要注意的是，國外更關(guān)注NOx和二口惡英的排放濃度，對SO2排放濃度限制并不是太嚴格。在CO2排放方面，澳大利亞已批準實施碳排放稅（23澳元/噸CO2）。歐盟則對各工序制定了高于其現(xiàn)有最好水平的排放標準，如：焦炭為286kgCO2/t焦,燒結(jié)為171kgCO2/t礦，煉鐵為1328kgCO2/t鐵水。但由于現(xiàn)有的任何一家企業(yè)都無法達到上述指標，歐洲鋼鐵業(yè)對執(zhí)行此標準普遍持悲觀態(tài)度。
高爐煉鐵節(jié)能減排工藝技術(shù)
由于高爐工藝仍是世界上最主要的煉鐵工藝流程，國外圍繞高爐煉鐵工藝開展了大量富有成效的節(jié)能減排工藝和技術(shù)的開發(fā)，重點舉例如下。
燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝
該工藝通過選擇部分風(fēng)箱的煙氣收集，循環(huán)返回到燒結(jié)料層，使廢氣中的有害成分在再進入燒結(jié)層中被熱分解或轉(zhuǎn)化，而二口惡英和NOx會部分消除，粉塵和SOx會被燒結(jié)層捕獲。同時，該工藝還最終減少了煙囪處排放的煙氣量，降低了終端處理的負荷。目前，該方法有LEEP（Low Emission Energy Process）流程、EOS (Energy Optimized Sintering)， Eposint（Environmentally Process Optimized Sintering）等不同流程，并且在多臺燒結(jié)機上得到工業(yè)應(yīng)用，均取得顯著的效果，污染物減少45%~80%，固體燃耗降低6%~15%。歐洲的多臺燒結(jié)機采用此方法而未使用末端處理工藝，該工藝和國外的做法值得我國參考借鑒。
高爐復(fù)合噴吹工藝
為了提高噴吹效果，北美地區(qū)開展了混噴工業(yè)實踐。在以噴天然氣為主的高爐上，混噴焦油、重油、焦爐煤氣等；而在以噴煤為主的高爐，則混噴天然氣。2010年，在總計20座噴煤高爐中，有17座混噴天然氣。混噴天然氣的效果是實現(xiàn)了高置換比（天然氣與焦炭置換比為1:1.3），同時天然氣所帶的氫改善了高爐的透氣性。焦爐煤氣作為焦化的最主要副產(chǎn)品，將其用于高爐噴吹具有節(jié)焦降成本和減排的突出效果。除了早期的前蘇聯(lián)等一些高爐開展了噴吹焦爐煤氣的實踐外，目前美國和歐洲的數(shù)座高爐仍在繼續(xù)噴吹焦爐煤氣。
從1994年起，美國鋼鐵公司的Mon Valley兩座高爐（工作容積1598m3和1381m3）開始噴吹焦爐煤氣替代天然氣，最大噴吹量達到65kg/t,約合160 Nm3/t。該廠所采取的主要技術(shù)措施是：對焦爐煤氣進行必要的凈化，主要是控制焦爐煤氣的硫化氫含量，對焦爐煤氣進行加壓，對高爐風(fēng)口進行必要的改造。生產(chǎn)初期，遇到了風(fēng)口燒損等問題，后經(jīng)過噴槍材質(zhì)和插入方式改造，實現(xiàn)了長期穩(wěn)定噴吹。自2002年起，歐洲Linz廠的5號和6號高爐（工作容積：1175m3，內(nèi)容積：1298m3）噴吹焦爐煤氣以替代重油。噴吹量125Nm3/t時，降低重油55kg/t。
高爐混噴鈦礦護爐
高爐加鈦礦是保護爐缸的有效手段。但從爐頂加鈦礦給高爐運行帶來很多負面影響，鈦礦從爐頂下降到爐缸，而且分布在爐內(nèi)各個部分，使得作用時間滯后，作用效果大大削弱。由此造成鈦礦需要量增加，渣鐵質(zhì)量下降，而且時常在爐身黏結(jié)，影響高爐順行和造成高爐燃料比明顯升高。
針對這些問題，德國某公司開發(fā)了高爐噴煤中混噴鈦精粉護爐的技術(shù)，并在生產(chǎn)中得到成功應(yīng)用。其主要優(yōu)點是：風(fēng)口噴吹距離爐缸侵蝕部位很近，使得可以用最少的TiO2量取得最好的護爐效果；侵蝕修復(fù)起效時間大大縮短；在爐身沒有含TiO2物料堆積黏結(jié)；含鈦物料的所有反應(yīng)發(fā)生在風(fēng)口帶和爐缸，而不是在爐身和軟熔帶，由此對高爐順行的影響大大減小；少量和高效的Ti（C，N）化合物的生成機理使得對高爐燃料比的影響大大降低，改進了渣的質(zhì)量，不影響爐渣的銷售。應(yīng)用結(jié)果表明：整個混噴吹期間，高爐壓差未變化，和爐頂加鈦礦相比，與煤混合噴吹人造鈦精礦是高爐爐缸保護的更經(jīng)濟和更有效的方式。
粉塵循環(huán)利用工藝
將含有害元素的粉塵單獨處理，是防止高爐內(nèi)有害元素富集造成危害的有效手段。粉塵的處理新工藝主要有：
轉(zhuǎn)底爐工藝
目前，國外已經(jīng)建成多條轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線來專門處理鋼鐵粉塵。新日鐵已經(jīng)建了8條轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線(包括在我國馬鋼)，處理高爐、轉(zhuǎn)爐甚至電爐及不銹鋼粉塵。PaulWurth則開發(fā)了RedIron轉(zhuǎn)底爐廢物處理技術(shù)，已經(jīng)在意大利的Lucchini-Piombino鋼鐵廠建成并投產(chǎn)一個年產(chǎn)量6萬噸的生產(chǎn)廠。
OxyCup 豎爐工藝
德國Kuttner公司開發(fā)了OxyCup豎爐工藝處理含鐵粉塵和大塊廢料（坑溝廢鋼鐵）。該工藝將各種粉塵通過配碳及加入水泥，以壓磚的方式生產(chǎn)出六棱形自還原碳磚。該碳磚連同大塊廢料一起加入到OxyCup豎爐中，生產(chǎn)鐵水。該工藝已在墨西哥、德國、日本、中國的5個工業(yè)生產(chǎn)廠使用，裝置規(guī)模在20t/h~80t/h。
DK工藝
DK工藝是利用小燒結(jié)機和小高爐處理鋼鐵粉塵的生產(chǎn)工藝。該工藝在德國杜伊斯堡建有生產(chǎn)廠，現(xiàn)已有30年的生產(chǎn)歷史。目前，年處理歐洲中部各鋼鐵廠的粉塵約45萬噸，生產(chǎn)28萬噸生鐵，同時回收1.8萬噸鋅精粉。處理的粉塵種類包括：高爐塵、高爐塵泥、轉(zhuǎn)爐塵、轉(zhuǎn)爐塵泥、軋鋼鐵鱗等。此外，2011年還處理了3000噸廢電池。其高爐鋅負荷高達38kg/t，堿負荷也達到8.5kg/t。該工藝的突出特點是：生產(chǎn)工藝和設(shè)備成熟穩(wěn)定，是一種無風(fēng)險的節(jié)能高效鋼鐵廠含鐵廢料處理技術(shù)；能夠利用閑置的小燒結(jié)機和小高爐，無須進行新的設(shè)備投資。
燒結(jié)制粒工藝改進
針對鐵礦資源的劣化，粒度組成下降，精礦比例增加等情況，浦項制鐵開發(fā)應(yīng)用了新的制粒工藝。該工藝首次將各種鐵礦配料后進行篩分。篩上物走一次混合和二次混合常規(guī)流程。篩下物在添加粘結(jié)劑后，進行強力混合，然后用圓盤造球制粒，最后與主料流一起進入二混。其效果是，在使用較多細粒鐵礦的情況下，利用系數(shù)提高了1.1t/dm2。
各種非高爐煉鐵工藝的發(fā)展
直接還原工藝
根據(jù)Midrex公司的統(tǒng)計，2010年，全球直接還原鐵的產(chǎn)量達到7332萬噸，較上年增長4.2%。其中，氣基直接還原占76.4%,
煤基直接還原占23.6%。一批新的氣基直接還原裝置投產(chǎn)，另有一些新的氣基直接還原裝置在天然氣豐富的國家和地區(qū)建設(shè)或擬建。煤基直接還原放緩了其發(fā)展速度，比例在不斷下降。
熔融還原工藝
近年來，各熔融還原工藝進展仍在發(fā)展，但相對緩慢。2011年3月，我國寶鋼的第二套Corex-3000投產(chǎn)，經(jīng)過增加豎爐布氣器等一些工藝改進后，取得了較好的生產(chǎn)指標。但Corex工藝已連續(xù)多年未在我國以外建新廠，而且目前也未見新廠建設(shè)計劃的正式報道。Hismelt工藝的80萬噸示范廠自2008年停產(chǎn)后，一直未恢復(fù)生產(chǎn)。據(jù)報道，該套裝置將被拆遷到印度JSPL廠。2011年6月，F(xiàn)inex工藝200萬噸/年裝置開始在韓國建設(shè)，預(yù)計2013年投產(chǎn)。新的熔融還原工藝Hisarna正在開發(fā)過程中，已于2011年年中在荷蘭建設(shè)了6萬噸/年的試驗廠，并開始進行工業(yè)試驗。
結(jié)語
當(dāng)前，我國煉鐵工業(yè)進入了新的發(fā)展時期，面臨著嚴峻的節(jié)能減排挑戰(zhàn)。我們應(yīng)重視和學(xué)習(xí)國外先進的技術(shù)和理念，同時關(guān)注前沿?zé)掕F技術(shù)的開發(fā)，從而不斷改進提高我國煉鐵工業(yè)的整體水平，保持長期健康的發(fā)展。
國外煉鐵生產(chǎn)狀況
2011年，全球生鐵產(chǎn)量為10.827億噸，國外產(chǎn)量為4.5304億噸，占世界總量的41.84%。其中，歐洲的生鐵產(chǎn)量已經(jīng)從2009年最低的6000萬噸恢復(fù)到2011年的9413萬噸，達到危機前的水平。日本則恢復(fù)到8103萬噸，北美從最低的2998萬噸恢復(fù)到2011年的4248萬噸。
降低煉鐵燃料比一直是各國工作的重點。但受煉鐵原料品質(zhì)下降和燃料組成結(jié)構(gòu)變化的影響，國外的高爐燃料比一直處于相對較平穩(wěn)的狀態(tài)。如歐洲的燃料比保持在500kg/t以下，比最好時期的水平甚至有所增加。日本的燃料比則維持在500kg/t左右，北美則在520kg/t的水平。需要指出的是，與我國單一燃料比（高爐焦比加上煤比）的構(gòu)成不同，國外許多高爐的燃料比是由包括天然氣、油等多種燃料構(gòu)成的。加之入爐原料的種類和品質(zhì)差異，所以不能簡單地用數(shù)字對比燃料比的高低來反映國內(nèi)外的差距。
此外，國外對煉鐵生產(chǎn)過程的污染物排放的控制不斷加強。針對主要的排放工序燒結(jié)工藝，歐洲地區(qū)制定了嚴格的控制標準，主要體現(xiàn)在粉塵含量（20mg/Nm3）、SO2含量(500mg/Nm3,特殊地區(qū)350mg/Nm3)、NOx(400mg/Nm3)以及二口惡英含量(0.4ng/Nm3)等。需要注意的是，國外更關(guān)注NOx和二口惡英的排放濃度，對SO2排放濃度限制并不是太嚴格。在CO2排放方面，澳大利亞已批準實施碳排放稅（23澳元/噸CO2）。歐盟則對各工序制定了高于其現(xiàn)有最好水平的排放標準，如：焦炭為286kgCO2/t焦,燒結(jié)為171kgCO2/t礦，煉鐵為1328kgCO2/t鐵水。但由于現(xiàn)有的任何一家企業(yè)都無法達到上述指標，歐洲鋼鐵業(yè)對執(zhí)行此標準普遍持悲觀態(tài)度。
高爐煉鐵節(jié)能減排工藝技術(shù)
由于高爐工藝仍是世界上最主要的煉鐵工藝流程，國外圍繞高爐煉鐵工藝開展了大量富有成效的節(jié)能減排工藝和技術(shù)的開發(fā)，重點舉例如下。
燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝
該工藝通過選擇部分風(fēng)箱的煙氣收集，循環(huán)返回到燒結(jié)料層，使廢氣中的有害成分在再進入燒結(jié)層中被熱分解或轉(zhuǎn)化，而二口惡英和NOx會部分消除，粉塵和SOx會被燒結(jié)層捕獲。同時，該工藝還最終減少了煙囪處排放的煙氣量，降低了終端處理的負荷。目前，該方法有LEEP（Low Emission Energy Process）流程、EOS (Energy Optimized Sintering)， Eposint（Environmentally Process Optimized Sintering）等不同流程，并且在多臺燒結(jié)機上得到工業(yè)應(yīng)用，均取得顯著的效果，污染物減少45%~80%，固體燃耗降低6%~15%。歐洲的多臺燒結(jié)機采用此方法而未使用末端處理工藝，該工藝和國外的做法值得我國參考借鑒。
高爐復(fù)合噴吹工藝
為了提高噴吹效果，北美地區(qū)開展了混噴工業(yè)實踐。在以噴天然氣為主的高爐上，混噴焦油、重油、焦爐煤氣等；而在以噴煤為主的高爐，則混噴天然氣。2010年，在總計20座噴煤高爐中，有17座混噴天然氣。混噴天然氣的效果是實現(xiàn)了高置換比（天然氣與焦炭置換比為1:1.3），同時天然氣所帶的氫改善了高爐的透氣性。焦爐煤氣作為焦化的最主要副產(chǎn)品，將其用于高爐噴吹具有節(jié)焦降成本和減排的突出效果。除了早期的前蘇聯(lián)等一些高爐開展了噴吹焦爐煤氣的實踐外，目前美國和歐洲的數(shù)座高爐仍在繼續(xù)噴吹焦爐煤氣。
從1994年起，美國鋼鐵公司的Mon Valley兩座高爐（工作容積1598m3和1381m3）開始噴吹焦爐煤氣替代天然氣，最大噴吹量達到65kg/t,約合160 Nm3/t。該廠所采取的主要技術(shù)措施是：對焦爐煤氣進行必要的凈化，主要是控制焦爐煤氣的硫化氫含量，對焦爐煤氣進行加壓，對高爐風(fēng)口進行必要的改造。生產(chǎn)初期，遇到了風(fēng)口燒損等問題，后經(jīng)過噴槍材質(zhì)和插入方式改造，實現(xiàn)了長期穩(wěn)定噴吹。自2002年起，歐洲Linz廠的5號和6號高爐（工作容積：1175m3，內(nèi)容積：1298m3）噴吹焦爐煤氣以替代重油。噴吹量125Nm3/t時，降低重油55kg/t。
高爐混噴鈦礦護爐
高爐加鈦礦是保護爐缸的有效手段。但從爐頂加鈦礦給高爐運行帶來很多負面影響，鈦礦從爐頂下降到爐缸，而且分布在爐內(nèi)各個部分，使得作用時間滯后，作用效果大大削弱。由此造成鈦礦需要量增加，渣鐵質(zhì)量下降，而且時常在爐身黏結(jié)，影響高爐順行和造成高爐燃料比明顯升高。
針對這些問題，德國某公司開發(fā)了高爐噴煤中混噴鈦精粉護爐的技術(shù)，并在生產(chǎn)中得到成功應(yīng)用。其主要優(yōu)點是：風(fēng)口噴吹距離爐缸侵蝕部位很近，使得可以用最少的TiO2量取得最好的護爐效果；侵蝕修復(fù)起效時間大大縮短；在爐身沒有含TiO2物料堆積黏結(jié)；含鈦物料的所有反應(yīng)發(fā)生在風(fēng)口帶和爐缸，而不是在爐身和軟熔帶，由此對高爐順行的影響大大減小；少量和高效的Ti（C，N）化合物的生成機理使得對高爐燃料比的影響大大降低，改進了渣的質(zhì)量，不影響爐渣的銷售。應(yīng)用結(jié)果表明：整個混噴吹期間，高爐壓差未變化，和爐頂加鈦礦相比，與煤混合噴吹人造鈦精礦是高爐爐缸保護的更經(jīng)濟和更有效的方式。
粉塵循環(huán)利用工藝
將含有害元素的粉塵單獨處理，是防止高爐內(nèi)有害元素富集造成危害的有效手段。粉塵的處理新工藝主要有：
轉(zhuǎn)底爐工藝
目前，國外已經(jīng)建成多條轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線來專門處理鋼鐵粉塵。新日鐵已經(jīng)建了8條轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線(包括在我國馬鋼)，處理高爐、轉(zhuǎn)爐甚至電爐及不銹鋼粉塵。PaulWurth則開發(fā)了RedIron轉(zhuǎn)底爐廢物處理技術(shù)，已經(jīng)在意大利的Lucchini-Piombino鋼鐵廠建成并投產(chǎn)一個年產(chǎn)量6萬噸的生產(chǎn)廠。
OxyCup 豎爐工藝
德國Kuttner公司開發(fā)了OxyCup豎爐工藝處理含鐵粉塵和大塊廢料（坑溝廢鋼鐵）。該工藝將各種粉塵通過配碳及加入水泥，以壓磚的方式生產(chǎn)出六棱形自還原碳磚。該碳磚連同大塊廢料一起加入到OxyCup豎爐中，生產(chǎn)鐵水。該工藝已在墨西哥、德國、日本、中國的5個工業(yè)生產(chǎn)廠使用，裝置規(guī)模在20t/h~80t/h。
DK工藝
DK工藝是利用小燒結(jié)機和小高爐處理鋼鐵粉塵的生產(chǎn)工藝。該工藝在德國杜伊斯堡建有生產(chǎn)廠，現(xiàn)已有30年的生產(chǎn)歷史。目前，年處理歐洲中部各鋼鐵廠的粉塵約45萬噸，生產(chǎn)28萬噸生鐵，同時回收1.8萬噸鋅精粉。處理的粉塵種類包括：高爐塵、高爐塵泥、轉(zhuǎn)爐塵、轉(zhuǎn)爐塵泥、軋鋼鐵鱗等。此外，2011年還處理了3000噸廢電池。其高爐鋅負荷高達38kg/t，堿負荷也達到8.5kg/t。該工藝的突出特點是：生產(chǎn)工藝和設(shè)備成熟穩(wěn)定，是一種無風(fēng)險的節(jié)能高效鋼鐵廠含鐵廢料處理技術(shù)；能夠利用閑置的小燒結(jié)機和小高爐，無須進行新的設(shè)備投資。
燒結(jié)制粒工藝改進
針對鐵礦資源的劣化，粒度組成下降，精礦比例增加等情況，浦項制鐵開發(fā)應(yīng)用了新的制粒工藝。該工藝首次將各種鐵礦配料后進行篩分。篩上物走一次混合和二次混合常規(guī)流程。篩下物在添加粘結(jié)劑后，進行強力混合，然后用圓盤造球制粒，最后與主料流一起進入二混。其效果是，在使用較多細粒鐵礦的情況下，利用系數(shù)提高了1.1t/dm2。
各種非高爐煉鐵工藝的發(fā)展
直接還原工藝
根據(jù)Midrex公司的統(tǒng)計，2010年，全球直接還原鐵的產(chǎn)量達到7332萬噸，較上年增長4.2%。其中，氣基直接還原占76.4%,
煤基直接還原占23.6%。一批新的氣基直接還原裝置投產(chǎn)，另有一些新的氣基直接還原裝置在天然氣豐富的國家和地區(qū)建設(shè)或擬建。煤基直接還原放緩了其發(fā)展速度，比例在不斷下降。
熔融還原工藝
近年來，各熔融還原工藝進展仍在發(fā)展，但相對緩慢。2011年3月，我國寶鋼的第二套Corex-3000投產(chǎn)，經(jīng)過增加豎爐布氣器等一些工藝改進后，取得了較好的生產(chǎn)指標。但Corex工藝已連續(xù)多年未在我國以外建新廠，而且目前也未見新廠建設(shè)計劃的正式報道。Hismelt工藝的80萬噸示范廠自2008年停產(chǎn)后，一直未恢復(fù)生產(chǎn)。據(jù)報道，該套裝置將被拆遷到印度JSPL廠。2011年6月，F(xiàn)inex工藝200萬噸/年裝置開始在韓國建設(shè)，預(yù)計2013年投產(chǎn)。新的熔融還原工藝Hisarna正在開發(fā)過程中，已于2011年年中在荷蘭建設(shè)了6萬噸/年的試驗廠，并開始進行工業(yè)試驗。
結(jié)語
當(dāng)前，我國煉鐵工業(yè)進入了新的發(fā)展時期，面臨著嚴峻的節(jié)能減排挑戰(zhàn)。我們應(yīng)重視和學(xué)習(xí)國外先進的技術(shù)和理念，同時關(guān)注前沿?zé)掕F技術(shù)的開發(fā)，從而不斷改進提高我國煉鐵工業(yè)的整體水平，保持長期健康的發(fā)展。
