張龍強(qiáng) 周 翔

一、引言

近代高爐煉鐵工藝經(jīng)過150多年的發(fā)展，在生產(chǎn)效率、工藝技術(shù)、裝備大型化等方面日臻成熟，各項(xiàng)潛力得以較為充分的發(fā)揮，為人類文明和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。但高爐生產(chǎn)依賴的焦煤資源供應(yīng)不足，加之燒結(jié)及焦化工序污染嚴(yán)重，其可持續(xù)發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，基于不用焦炭的非高爐煉鐵技術(shù)，成為近30多年來世界鋼鐵業(yè)著力研究和發(fā)展的前沿技術(shù)之一。非高爐煉鐵技術(shù)分為熔融還原與直接還原兩種工藝。直接還原以天然氣或非焦煤為能源，在鐵礦石軟化溫度以下還原獲得固態(tài)直接還原鐵（DRI）或海綿鐵。熔融還原以非焦煤為能源，在高溫熔態(tài)下還原鐵氧化物得到鐵水。

2010年，全球非高爐煉鐵總產(chǎn)量約7737萬噸，占全球生鐵總量的7.4%，其中，熔融還原工藝產(chǎn)鐵約620萬噸，僅占全球生鐵總量的0.6%。過去的3年，熔融還原生鐵產(chǎn)量占比始終在0.6%左右，該工藝發(fā)展速度較為緩慢，目前僅COREX和FINEX兩種工藝實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

二、FINEX工藝發(fā)展歷程

FINEX工藝的開發(fā)源于COREX工藝，主要改進(jìn)有兩方面：一是以多級(jí)流化床取代了COREX的預(yù)還原豎爐，二是原料由塊礦和球團(tuán)礦變?yōu)榉鄣V。1995年，浦項(xiàng)公司COREX C2000投產(chǎn)，但鑒于其工藝存在諸多不足，如還原豎爐中爐料粘結(jié)嚴(yán)重影響順行和作業(yè)率，焦比高、煤種要求嚴(yán)格、燃料比高等，浦項(xiàng)與VAI 在1992年就開始聯(lián)合研發(fā)FINEX技術(shù)，1996年通過流態(tài)化床鐵礦粉煤基氣體還原試驗(yàn)，確認(rèn)了流態(tài)化還原工藝，1999年進(jìn)行了半工業(yè)試驗(yàn)。2003年6月，浦項(xiàng)將已投產(chǎn)的COREX C2000改造成年產(chǎn)60萬噸的FINEX 1示范工廠。經(jīng)過4年的摸索完善后，150萬噸FINEX 2于2007年投產(chǎn)，產(chǎn)能有了較大突破。2011年6月，產(chǎn)能有進(jìn)一步突破的200萬噸FINEX 3工程開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2013年7月建成投產(chǎn)。

通過FINEX工藝演進(jìn)歷程看出，目前全球僅浦項(xiàng)擁有該工藝，經(jīng)過20年的研發(fā)、生產(chǎn)和改進(jìn)，200萬噸規(guī)模的第三套裝備已經(jīng)開工建設(shè)。這不僅說明了該項(xiàng)工藝持續(xù)取得進(jìn)展，同時(shí)也表明了煉鐵界對(duì)其仍存有顧慮，大規(guī)模商業(yè)化推廣時(shí)機(jī)尚未成熟。

三、高爐與FINEX兩種煉鐵工藝對(duì)比分析

考慮到FINEX 3尚未建成，本文重點(diǎn)分析已經(jīng)運(yùn)行4年的FINEX 2，就其生產(chǎn)、運(yùn)行、投資、技術(shù)經(jīng)濟(jì)及節(jié)能減排等各項(xiàng)指標(biāo)與同規(guī)模高爐工藝進(jìn)行比較。

（一）對(duì)比范圍

FINEX工藝所需原料為粉礦，燃料為焦丁、成型煤和煤粉，所用煤為非煉焦煤，沒有高爐所需要的焦化、燒結(jié)、球團(tuán)生產(chǎn)車間，這也是該工藝宣傳的競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)之一。但考慮到兩種工藝都用焦炭，本文比較范圍的界定如下：高爐工藝包括燒結(jié)、球團(tuán)和高爐系統(tǒng)，F(xiàn)INEX工藝包括FINEX裝置及制氧、發(fā)電等輔助設(shè)施。150萬噸生鐵規(guī)模對(duì)應(yīng)的高爐容積應(yīng)為1750m3，按照78%燒結(jié)礦配加22%酸性球團(tuán)礦爐料結(jié)構(gòu)，需要配套的燒結(jié)機(jī)面積為180m2，球團(tuán)裝備為10m2豎爐，所有裝備均配置環(huán)保及余熱、余壓回收裝置。

（二）指標(biāo)對(duì)比與分析

1. 原、燃料供應(yīng)

（1）原料。高爐工藝所需為燒結(jié)礦和球團(tuán)礦，其中燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的生產(chǎn)原料主要為粉礦和鐵精礦，高爐含鐵原料綜合入爐品位一般要求TFe≥58%，近年來隨著鐵礦石價(jià)格的快速增長，實(shí)際入爐品位往往達(dá)不到58%。2010年，國內(nèi)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)平均入爐品位57.14%，最低僅為50.34%。高爐工藝對(duì)原料的其他成分無特殊要求。FINEX工藝原料為粉礦（目前來自澳大利亞），對(duì)原料要求較為嚴(yán)格，TFe為60%-62%，粒度 ～8mm，平均為1mm-1.5mm，以赤鐵礦為主。

（2）燃料。兩種工藝所需燃料均為焦炭和煤，相應(yīng)的指標(biāo)要求見表1、表2。

表2 噴吹用煤（型煤）主要指標(biāo)表 %

通過比較兩種工藝對(duì)原、燃料性能要求可以看出，F(xiàn)INEX工藝對(duì)原料要求較為苛刻，而高爐工藝更能適應(yīng)原料的變化，可以選擇的范圍更廣。兩種工藝對(duì)燃料質(zhì)量的要求相當(dāng)。

2. 生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

兩種工藝生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表3。

表3 高爐與FINEX煉鐵生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比

3. 消耗指標(biāo)

FINEX 2燃料消耗的最好指標(biāo)在2008年，折成煤后的燃料比為710kg/t（焦炭按1.4倍折算，成型煤和煤粉按1.0倍折算），其中焦炭為70kg/t，噴煤粉120 kg/t -150kg/t，余為成型煤。該指標(biāo)對(duì)應(yīng)的礦為澳大利亞粉礦，全鐵品位63%，對(duì)應(yīng)的煤是弱粘結(jié)性煤，其灰分為10%-11%。

浦項(xiàng)多項(xiàng)試驗(yàn)表明，焦丁加入量越大，爐況越順行，燃料消耗越小，若沒有焦炭，燃料比將增加30%以上。目前，F(xiàn)INEX 2實(shí)際燃料消耗約為760kg/t（折煤），依照前述燃料結(jié)構(gòu)計(jì)算，焦炭消耗約為76kg/t，煤粉消耗150kg/t，型煤消耗504kg/t。其他消耗指標(biāo)及與高爐工藝對(duì)比見表4?？梢钥闯?，高爐工藝因工序較多，能耗指標(biāo)偏高，F(xiàn)INEX工藝雖然燃料消耗較大，但煤氣均可回收且熱值高于高爐煤氣，因此，能耗指標(biāo)略有優(yōu)勢(shì)。

4. 環(huán)保指標(biāo)

表1 焦炭（焦?。┲饕笜?biāo)表 %

表4 高爐工藝與FINEX工藝消耗指標(biāo)對(duì)比

表5 高爐工藝投資組成表 萬元

FINEX工藝沒有燒結(jié)工序，礦石和燃料中的硫在熔融爐中以CaS形式進(jìn)入爐渣，沒有高爐工藝中燒結(jié)煙氣SO2污染，總的SOx排放量遠(yuǎn)少于高爐工藝。FINEX工藝主要是氧氣冶煉，沒有高爐工藝鼓風(fēng)帶入的大量氮?dú)猓虼薔Ox生成量明顯減少。另外，F(xiàn)INEX工藝因工序較少，粉塵和廢水等污染排放量也優(yōu)于高爐工藝。

另外一項(xiàng)重要的排放指標(biāo)是CO2。全球溫室氣體排放問題已經(jīng)成為政治議題，上升到國家競(jìng)爭(zhēng)的層面。CO2排放量取決于含碳燃料消耗量，對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生的CO2的治理效果并不明顯，絕大部分最終仍以CO2形式排入大氣中。對(duì)高爐和FINEX兩種工藝CO2排放指標(biāo)的比較，實(shí)際是對(duì)燃料比的對(duì)比。如前所述，在這一指標(biāo)上，F(xiàn)INEX工藝并無優(yōu)勢(shì)。

5. 投資

（1）1750m3高爐工藝系統(tǒng)投資。1750m3高爐工藝系統(tǒng)由料場(chǎng)、180m2燒結(jié)機(jī)、10m2豎爐、1750m3高爐以及配套公輔、環(huán)保、資源能源回收等設(shè)施組成，投資組成詳見表5。

（2）150萬噸FINEX 2投資。據(jù)浦項(xiàng)提供的信息，目前開工的200萬噸FINEX3生產(chǎn)線與2007年建設(shè)的150萬噸FINEX 2生產(chǎn)線投資額度相當(dāng)。考慮到當(dāng)年的物價(jià)水平，在凈增50萬噸產(chǎn)能的情況下，投資額不變體現(xiàn)出第3套生產(chǎn)線作了較大改進(jìn)。FINEX3投資1.3萬億韓元，約合78億元，投資組成見表6。高爐工藝若加上料場(chǎng)1.5億元投資，總投資約11.4億元，相比FINEX工藝的78億元投資，優(yōu)勢(shì)十分明顯。

6.成本

生產(chǎn)成本屬于企業(yè)秘密，難有準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，本文通過原燃料需求量折算的方法，推算兩種工藝生鐵的制造成本，其中原料均為進(jìn)口礦，計(jì)算結(jié)果僅供參考。高爐煉鐵生產(chǎn)成本中，原料成本約占60%，燃料（包括焦炭、煤粉）約占近30%，綜合考慮燒結(jié)和球團(tuán)工序投入，煉鐵工藝燃料采購成本占生產(chǎn)成本比重本文取76%；FINEX工藝仍處于起步階段，研發(fā)、管理等費(fèi)用相對(duì)較高，特別是氧消耗量大（約占成本20%），原燃料成本占比較低，約為50%-60%（本文取57%）。

FINEX工藝粉礦品位取61%，噸鐵消耗粉礦約1.57噸，高爐入爐品位取58%，噸鐵鐵精礦消耗約1.52噸。兩工藝成本比較見表7。通過成本計(jì)算可以看出，F(xiàn)INEX工藝生鐵成本比高爐工藝高500多元。

表6 浦項(xiàng)FINEX3投資組成表

表7 高爐與FINEX兩種工藝成本折算表

7. 占地面積

150萬噸FINEX2占地面積約15萬m2（也有資料顯示，該數(shù)據(jù)為30萬m2以上，15萬m2應(yīng)不含原料場(chǎng)），高爐工藝的占地面積約為22萬m2，其中180m2燒結(jié)機(jī)占地5萬m2，10m2球團(tuán)豎爐占地3萬m2，1750m3高爐占地約為14萬m2。

可以看出，高爐工藝因工序較多，占地面積大于FINEX工藝，對(duì)總圖布置緊張的企業(yè)而言，F(xiàn)INEX工藝優(yōu)勢(shì)較為明顯。

四、綜合對(duì)比分析

FINEX較高爐工藝而言，目前最大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)是焦炭用量明顯減少，依照其設(shè)計(jì)初衷，未來存在完全不用焦炭的可能。如能實(shí)現(xiàn)，其競(jìng)爭(zhēng)力將進(jìn)一步增大與1750m3高爐配套的焦?fàn)t工序占地面積約15萬m2，投資約5億元，還增加了廢水和SOx等排放量）。

綜合來看，F(xiàn)INEX工藝除了焦炭用量少，并有可能最終不用焦炭外，僅占地面積和環(huán)保指標(biāo)有一定優(yōu)勢(shì)，能耗指標(biāo)兩者基本相當(dāng)，但在原料選擇、投資等指標(biāo)方面與高爐工藝（原料場(chǎng)、焦化、燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵）相比差距較大，特別是投資差距巨大。FINEX替代高爐工藝尚不具備條件。

五、建議

1.高爐工藝

焦炭在高爐內(nèi)除了作熱源和還原劑外，還有不可替代的骨架作用，這是高爐依賴焦炭的主要原因，也是高爐大型化的重要支撐。考慮到焦煤資源短缺以及環(huán)保排放壓力的制約，未來高爐工藝必須尋求大幅度減少焦炭用量的技術(shù)和工藝。另外，高爐工藝還需在以下方面重點(diǎn)關(guān)注。

（1）高爐爐型設(shè)計(jì)和工藝操作要適應(yīng)原燃料的變化。隨著全球鐵礦資源開采力度的不斷加大，原礦品位有走低趨勢(shì)，高爐工藝必須適應(yīng)低入爐品位的變化，爐型選擇要綜合原燃料條件和鋼種及鋼材產(chǎn)品需求，避免盲目追求大型化。

（2）低碳煉鐵。煉鐵工序（焦化、燒結(jié)、煉鐵）CO2排放占鋼鐵廠CO2總排放量超過85%。除努力降低燃料比外，還要從燃料結(jié)構(gòu)方面有所突破，如應(yīng)用天然氣和廢塑料等，研究表明，消耗每噸煤炭的碳排放量為0.7噸，消耗每噸天然氣的碳排放量為0.39噸。另外，還應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)的低碳煉鐵工工藝技術(shù)有碳?xì)涔惨苯稹⑷跻睙捈案郀t煤氣的資源化利用等。

2.FINEX工藝

FINEX工藝經(jīng)過不斷的完善和創(chuàng)新，目前已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，但距離工業(yè)化、規(guī)?；茝V仍有較大差距，替代高爐工藝的條件明顯不足。作為熔融還原技術(shù)的領(lǐng)先者，F(xiàn)INEX工藝仍需要繼續(xù)針對(duì)存在的問題予以改進(jìn)和創(chuàng)新。

（1）盡快實(shí)現(xiàn)非焦冶煉。非焦冶煉是包括FINEX工藝在內(nèi)的非高爐煉鐵技術(shù)的初衷和核心競(jìng)爭(zhēng)力，目前FINEX生產(chǎn)仍然依賴焦炭，不利于該工藝的推廣應(yīng)用。

（2）大幅度降低投資。相比高爐工藝，F(xiàn)INEX工藝處于起步階段，即便充分考慮該因素，F(xiàn)INEX工藝龐大的投資也令其難以推廣。需要通過包括減少流化床數(shù)量在內(nèi)的系統(tǒng)改進(jìn)，大幅度降低投資強(qiáng)度。

（3）提高原料適應(yīng)性。FINEX工藝的原料僅為粉礦，且理化指標(biāo)要求較高，不利于推進(jìn)替代高爐工藝的進(jìn)程。擴(kuò)大原料供應(yīng)范圍和種類是FINEX工藝需要解決的重大問題。

（4）降低燃料比。目前FINEX工藝燃料比為760 kg/t（折煤）高于高爐工藝約683kg/t（折煤）的水平，未來還需在減少燃料消耗方面進(jìn)一步加強(qiáng)研發(fā)投入。