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有關煉鐵工藝未來發展趨勢的分析

文章來源:本站 發布時間:2019-3-13 點擊數: 136 次

鋼是當今人類社會和經濟活動的重要材料,已滲透至人們生活的方方面面。

全球面臨著不斷提高能源利用效率、保護環境等嚴峻挑戰,鋼材的更廣泛應用仍是解決材料問題的關鍵。2017年,全球鋼產量已達16.747億噸,較2016年增長2.8%。未來,世界鋼產量將保持持續增長的觀點已是行業內外的共識。

然而,未來支撐鋼生產的鐵元素來源則存在相當的不確定性。傳統高爐煉鐵面臨的節能環保及原燃料適應性壓力,各種非高爐煉鐵工藝的成熟可靠性、新煉鐵方法開發前景,以及廢鋼的循環使用量等,都將影響各自在未來煉鋼的鐵源供應中的比重及供給的持續性。本文將著重探討有關高爐煉鐵工藝的發展及未來適應性,并分析廢鋼使用量對高爐煉鐵的影響,以期拋磚引玉,與行業專家同仁共謀我國煉鐵健康發展良策。


各種煉鐵工藝的發展狀況及未來適應性


高爐煉鐵工藝。

在過去的20余年里,我國高爐煉鐵生產的快速發展,帶動了全球高爐生鐵產量的大幅度增加。2017年,全球高爐生鐵的產量達11.748億噸,我國則占其中的60.5%,達7.108億噸。


國外高爐生鐵總量一直在4.5億噸的規模徘徊。然而,這種總量的不變并非代表著各國生產的穩定,而是一些發達國家生鐵產量的下降和一些發展中國家生鐵產量的增加,是一個綜合平衡的結果,詳見圖1。例如,歐洲(不含俄、烏)的總產量已由1989 年的1.442億噸降低到2017年的1.065億噸,北美(美國、加拿大、墨西哥)的總產量由6790余萬噸降低到2017年的3291.5萬噸,其中美國由5097.8萬噸降低到2233.5萬噸。而印度的產量則由1989年的1219萬噸增加至2017年的6597.7萬噸;韓國由1484.6萬噸增加至4674.4萬噸。

上述國內外高爐生鐵產量的變化狀況,除反映了高爐生產工藝總產量的穩定增長外,也反映出各國和各地區的變化受多種內外因素的影響,如廢鋼供應、國內經濟發展,以及區域市場競爭等,存在需要深入研究的內在驅動力。


直接還原工藝。

直接還原鐵作為優質的電爐煉鋼原料,一直有很好的市場需求量。而全球由各種直接還原工藝生產的直接還原鐵DRI(含熱壓塊鐵HBI)在經歷了幾十年的艱苦發展后,2016年已達7276萬噸。

在2016年的直接還原鐵生產中,氣基直接還原工藝生產的比例仍在增加,達到82.5%,煤基回轉窯的比例下降至17.5%。5個直接還原鐵生產大國是:印度1847萬噸,伊朗1601萬噸,沙特589萬噸,俄羅斯570萬噸,墨西哥531萬噸,五大生產國的產量占總量的70.6%。

縱觀直接還原工藝的發展歷史及現狀,可以看出,直接還原工藝中的煤基直接還原工藝因生產規模小、效率低以及產品質量差,競爭力較差,發展較慢。氣基直接還原雖具有較高的效率,但因以天然氣為能源,發展空間和前景有限。對于用煤制氣直接還原工藝,工藝的成熟性和經濟性仍須嚴峻考驗。


熔融還原工藝。

據報道,近年來世界熔融還原鐵的總產量在600萬噸/年左右,未有大的突破。在3種已工業化的熔融還原工藝中,Corex 工藝除了寶鋼一座C3000裝置從上海搬遷至新疆八鋼投產外,未有新的建設項目。Finex工藝于2014年1月在韓國浦項投產200萬噸/年的裝置后,雖有多個計劃的項目,但未見實質啟動。Hismelt工藝在澳大利亞的工業示范裝置已被搬遷到我國山東,并于2017年投產,成為近幾年熔融還原工藝發展的新動向。一些新的熔融還原工藝,如Hisana工藝,仍在研究開發中,但其開發力度大大減弱,進度也放緩。

分析熔融還原工藝的發展能夠認識到,以克服高爐使用焦炭和塊狀爐料的弊端為目標的各種熔融還原工藝,在經過很長一段時間的開發和應用熱潮后,一些工藝雖證明了原理的可行性,但無法體現在生產運行方面比高爐煉鐵更突出的優勢。此狀況的一個核心問題是,為避開使用焦炭和塊狀爐料所采取的各種新的工藝流程和方法,都在過程能量利用率和工藝及設備條件等方面付出了額外代價。尤其是各個工藝在能量利用效率方面都很難與高爐競爭,僅生產供給煉鋼用的普通鐵水,其經濟價值難以體現。


各工藝對未來發展的適應能力及高爐煉鐵工藝的定位。

未來社會發展對鋼鐵生產流程提出了兩大挑戰,一是能量消耗最低,二是CO2排放最少。國外研究了“高爐+轉爐”“Finex+轉爐”“直接還原豎爐+電爐”3種流程中的能耗和CO2排放情況。3種流程中均配加25%的廢鋼。得出的結論如下:

一是包括煤氣發電的能量轉換在內,“直接還原豎爐+電爐”流程的凈能耗最高(15.34GJ/t鋼水),“高爐+轉爐”流程的凈能耗最低(14.03GJ/t 鋼水)。參見圖2。


二是“高爐+轉爐”和“Finex+轉爐”流程的直接CO2排放量相當,約1700kg/t鋼水,而“豎爐+電爐”流程的直接CO2排放為600kg/t鋼水,僅為前兩者的35%。但當包括間接CO2排放時,“豎爐+電爐”的CO2總量為1200kg/t鋼水,是前兩者的65%。參見圖3。


綜上所述,高爐煉鐵工藝在產量規模和全球普及程度上絕對領先,在適應未來發展要求上,從凈能耗的角度看占據優勢,但在CO2的排放上不及直接還原(豎爐)工藝。但考慮到豎爐(氣基)工藝的發展局限性和熔融還原的經濟性等問題,在世界范圍內,高爐煉鐵仍將是未來最主要的煉鐵工藝。結合我國的資源條件和煉鐵發展狀態,高爐煉鐵仍將是可預見的最適應未來發展的可靠煉鐵生產工藝。


廢鋼,高爐煉鐵的宿敵?


在各種煉鐵工藝中,雖然高爐煉鐵最適合未來發展,但卻存在一個最大威脅甚至是宿敵——廢鋼。廢鋼煉鋼在噸鋼能耗和CO2排放量方面的優勢,已完勝用高爐鐵水煉鋼。未來煉鋼的廢鋼使用量將決定高爐煉鐵的生產規模。事實上,全球鋼鐵,特別是北美和歐洲的發展過程,已證實了這種發展趨勢。


國外狀況。

根據國外統計,2014年,在全球煉鋼使用的18.43億噸金屬料中,高爐鐵水占63.8%,廢鋼占31.7%,直接還原鐵(含熱壓塊)4.1%,熔融還原0.4%。(高爐)鐵與鋼比為0.71,扣除我國則為0.55,即國外接近一半的鋼不是用鐵水生產的,其中主要是用廢鋼。2017年全球包括我國在內,(高爐)鐵鋼比為0.71,(高爐)鐵鋼產量差距是5.0億噸。這種情況在美國表現得更為突出。2017年美國產鋼8164萬噸,而高爐鐵水僅為2233.5萬噸,鐵鋼比低到只有0.27。

未來世界的鋼產量將在16億噸的基礎上繼續保持甚至增長,但隨著全球廢鋼供應的增加,高爐鐵水比例將相對鋼產量逐漸下降或鐵水產量絕對下降,這應該是一個必然的趨勢。


我國狀況。

我國鋼鐵的發展過程也正在驗證這個趨勢。我國是鐵鋼比高的國家,而且鑄造鐵比例高曾長期使鐵的產量大于鋼的產量,鐵鋼比大于1。近年來,鋼、鐵產量均大幅度增長,鐵鋼比開始出現下降的趨勢,從1996年的1.05降低到2017年的0.85,而這種鐵鋼比變化帶來的鋼和鐵產量差已由1996年的-500萬噸,拉大到2017年的1.21億噸。

鐵鋼比變化的主要內在原因,正是煉鋼廢鋼使用量的不斷增加。如2001年的廢鋼使用量為4000萬噸,2016年則達到9010萬噸。特別是在2017年,隨著國家全面取締“地條鋼”生產,加之煉鐵環保限產及停產,使大量廢鋼流入正規煉鋼生產流程,據報道,全年總的廢鋼消費量達到1.4億噸。


未來高爐煉鐵生產。

在鋼鐵生產節能減排以及廢鋼供應量不斷增加的大趨勢下,全球的高爐煉鐵產量與鋼產量之間的差距會繼續擴大,高爐鐵水的總產量會穩中有降。當然這不排除個別地區一段時期的高爐鐵水產量增加。

對于我國來說,隨著經濟從高速增長轉變為中速穩定發展,以及一些國家不斷加重的貿易保護主義造成的我國鋼材出口量下降,預計在未來一段時間,我國鋼產量將保持基本穩定,煉鋼對鐵源的需求也將保持基本不變。

在這種情況下,煉鋼廢鋼的使用量將決定著高爐生鐵的產量。我國的鋼鐵積蓄量已超過80億噸,廢鋼供應量超過1.5億噸/年,而且持續增加。有專家預測,到2020年,我國廢鋼供應會達到2.7億噸。煉鋼使用廢鋼相較于使用高爐鐵水具有的節能減排優勢,在當今我國嚴格要求鋼鐵生產節能環保的大環境下,更顯得突出。如果上述廢鋼供應量得以實現,而且質量得以保證,隨著電爐減少吃鐵水,新建電爐以及新流程電爐投產和轉爐增加廢鋼比,我國高爐煉鐵產量開始逐步下降將是大概率事件。

當然,根據我國現有的煉鐵生產規模和經濟競爭性,以及廢鋼的供應量,在各種綜合因素的影響下,在相當長一段時間內,高爐煉鐵雖會產量下降,但仍將保持其巨大的生產規模。

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