高炉炼铁与非高炉炼铁的能耗比较

王维兴

2009年中国生铁产量为54374.82万吨，比上年增长幅度5.87%，占世界生铁总产量的60.53%；非高炉直接还原铁产量约为60万吨，占全国铁产量的0.11%。

2009年全世界高炉生铁产量为89826.1万吨，直接还原铁产量为5356.2万吨，直接还原铁产量占世界铁产量的5.96%，比上年下降5.4%，说明目前生铁的生产仍是以高炉流程为主，并且在短期内不会得到较大的改观。非高炉炼铁与高炉流程相比较具有一定的优势，主要体现在可以不用或少用主焦煤，减少高炉流程必需的烧结、球团、焦化工序的污染物排放等。目前，非高炉炼铁生产指标比较好的企业，所用原燃料的要求较高，使用天然气为燃料，生产的规模与大型高炉相比还是比较小。总之，世界上大多数非高炉生产企业是在特定条件下组织的生产，这也是目前全世界非高炉炼铁生产尚没有得到普及的根本原因。2009年在上海召开的第五届国际炼铁科技大会上，有些学者发表文章指出，炼铁学理论和生产实践表明，融熔还原的能耗是一定要高于高炉炼铁的能耗，得到了炼铁科技工作者的认同。目前，我国发展煤基直接还原铁工艺技术设备尚存在一定不足，在成本、能耗、质量和规模等方面与高炉炼铁还有不同程度的差距，需要进行深入研究和开发。

1.为什么高炉炼铁流程能够长盛不衰

高炉炼铁技术已有数千年的发展历史，在20世纪以后又得到不断地完善和提高，已是一个比较成熟、先进的生产工艺流程，在多方面表现出许多优势。

1.1 高炉是高效化的竖炉

高炉生产是个煤气和炉料逆向运动的反应器。高热值的煤气从炉缸均匀地上升，而炉料从炉顶按一定规律布料后连续下降。由于高炉是具有一定高度的竖炉，炉料在这个竖炉中可以得到充分地预热、还原、熔融、滴落，生铁在炉缸内渗碳以及炉渣和生铁的改性等物理化学过程，在高炉内能源得到合理充分利用。目前我国高炉炼铁的能耗在410kgce/t左右。在转底炉中被还原的球，大多数是中上层受到煤气加热和还原，而在底部接触煤气较弱。所以，在转底炉中，只能布一层球。如果布球两层以上，在底部的球就几乎接触不到还原气和热量，也就不能被充分还原。因此， 转底炉的能耗要比高炉大，且球团的质量不均匀，生产规模也有限制。但在处理含有害物质的尘泥方面还是有利的。

1.2 炉料在高炉内有一半左右是进行间接还原，有利于节能

炼铁学理论说明，铁矿石进行直接还原是个吸热反应，进行间接还原是个放热反应。炉料在高炉内约有50%的炉料是进行间接还原反应。所以，高炉炼铁要比直接还原铁工艺要少用能源。

1.3 高炉是高效能源转化器

在高炉内焦炭起5方面作用：一是与氧气反应生成CO、CO2，同时放热，是炼铁的主要热量来源;二是也为铁矿石还原提供充足的碳和CO，是还原剂的来源;三是焦炭在高炉内是起骨架作用，支撑着炉料，同时起着透气窗的作用，使煤气在高炉内可以均匀，阻力较小地运动;四是焦炭还对生铁起到渗碳作用，可以使生铁质量合格，实现生铁中的铁、碳平衡;五是焦炭在炉缸中有填充作用。高炉休风时，炉缸是被焦炭填满，使炉缸内有较大的空间，有利于快速恢复生产。

非高炉炼铁所用的气源需另外供应。煤基直接还原工艺是要建设专门的造气装置，而且要求CO+H2含量要大于90%。煤在转换为还原气的过程中是要有较多的能量损失，并且投资和运行费用也较高（约占总投资的三分之一）。这是目前煤基直接还原工艺生产成本高的主要原因之一（还有副产煤气去发电能源利用率低等）。

焦炭在高炉内少部分转换为煤气，热风炉的热风热量是依靠燃烧45%左右高炉煤气而获得的。热风热量占高炉炼铁所需热量的19%左右。所以说高炉是高效能源转化器，有能源转换功能。高炉煤气得到充分回收利用(去烧热风炉)是高炉能源利用效率高的表现。

2.高炉与非高炉炼铁能耗比较

2.1 对2009年重点钢铁企业炼铁系统的能耗分析

2009年我国重点钢铁企业高炉工序能耗为410.65kgce/t，烧结工序为54.95kgce/t，焦化工序为112.28kgce/t，球团工序为29.96kgce/t。计算冶炼1t生铁所需要的炼铁系统能耗（包括烧结、焦化、球团、高炉四个工序）具体分析如下：

焦化工序

2009年重点企业高炉炼铁焦比为374kg/t。

冶炼1t生铁所用焦炭的焦化工序能耗为：

112.28 kgce/t×0.374＝41.99kgce/t。

烧结工序

冶炼1t生铁需要消耗铁矿石为1674kg/t，在高炉炉料结构中烧结矿的配比按75%计算。冶炼1t生铁用烧结矿的烧结工序能耗为：

54.95 kgce/t×1.674×75%＝68.98kgce/t。

球团工序

冶炼1t生铁需用球团矿量为（炉料结构中球团矿占15%）1674kg/t×15%=251.1 kg。

冶炼1t生铁用球团的球团工序所需的能耗为：29.96kgce/t×0.2511＝7.52kgce/t。

2009年，全国重点钢铁企业冶炼1t生铁，炼铁系统所消耗的平均能耗为：41.99kgce/t(焦化)+68.98kgce/t(烧结)+7.52kgce/t(球团)+410.65kgce/t(炼铁)＝529.11kgce/t。

2.2 对2009年太钢炼铁系统能耗的分析

2009年太钢炼铁工序能耗为353.89kgce/t，烧结工序能耗为46.94kgce/t，焦化工序能耗为75.55kgce/t，球团工序为16.21kgce/t；入炉焦比为309kg/t。2009年太钢高炉炉料结构为：烧结72.35%，球团为21.44%。

按本文2.1节中计算方法可知，太钢冶炼1t生铁炼铁系统所需的能耗为：

焦化：75.55kgce/t×309kg/t＝23.34kgce/t。

烧结： 46.94kgce/t×1674kg/t×77，35%＝60.78kgce/t。

球团：16.21kgce/t×1674kg/t×21.44%＝5.81kgce/t。

23.34 kgce/t（焦化）+60.78kgce/t（烧结）+5.81kgce/t（球团）+353.89kgce/t（高炉）＝443.82kgce/t。

结论：2009年全国重点钢铁企业冶炼1t生铁，炼铁系统所需要消耗的能源为529.11kgce/t；同期我国先进水平的太钢生产1t生铁，炼铁系统所消耗的能源为443.82kgce/t。这两个数据均比目前非高炉炼铁工艺的能耗要低。

非高炉炼铁的能耗：

2008年5月是宝钢COREX-3000燃料比较好水平，为987.1kg/t（其中焦炭占20%）。2009年C3000的燃料比平均为1057kg/t。

C2000的燃料比的情况: 印度京德1号为997 kg/t，京德2号为994 kg/t，焦比在燃料比的15%～20%。南非萨尔达纳为1020～1050 kg/t焦比在燃料比的13%～15%。

2008年4～7月韩国FINEX煤气得到回收利用后，燃料比由780～850kg/t降到700kg/t左右。

日本神户制钢与美国克里夫兰·克里夫斯公司结盟，建设了ITmk3设施，实际是转底炉的改进和延伸。产品为冷态的渣铁，能耗高于高炉炼铁。

澳大利亚HISMELT工厂经过不断的改进，喷煤比已由2吨多降低到700多kg/t。

我国煤基直接还原铁生产工序能耗大多数在800kg/t以上，个别的企业在1.0t/t以上。北京密云铁矿、天津钢管公司等单位均因煤基直接还原铁能耗和成本高，而停产。

上述的数据表明， 非高炉炼铁的能耗是要比高炉炼铁系统的能耗高250～650kgce/t。

非高炉炼铁工艺的能耗高主要原因是，所产生的大量高热值煤气没有充分得到循环利用或科学利用。目前，大多数是用煤气去发电。而煤气转变为电能的能源利用效率是在32%～45%，使企业能源利用效率低，生产成本高。融熔还原生产还脱离不了焦炭和矿粉造块，其能耗肯定是要比高炉工序能耗高。能耗高，肯定成本高，污染物排放高。现在宣传和舆论界在这方面有不正确的导向，要实事求是，应以予澄清。要让各级领导，特别是具有决策权的领导，认识到非高炉炼铁工艺与高炉炼铁系统能耗的真实情况。目前，韩国还在建大高炉，没有扒掉高炉，去继续建FINEX，值得我们深思。

3.关于发展非高炉炼铁技术探讨

非高炉炼铁是21世纪全世界钢铁界的前沿技术，是技术发展的大方向，但尚存在较多重大技术问题需要进一步突破。如所产生的煤气如何进行整治，得到合理回用，熔融还原如何减少对焦炭的依赖，用普通铁精矿进行非高炉炼铁工艺经济性的提高和技术的提升等。

根据我国资源、能源条件的限制，我国的炼铁生产技术工艺将在较长一段时间内仍将是要以高炉流程为主。而且，目前高炉生产流程的能耗和污染物排放量均是优于非高炉生产流程。特别是在生产规模、投资和生产成本等方面高炉流程是占有比较大的优势。

目前，我国加大淘汰落后产能的工作力度，坚决不允许企业扩大钢铁产能，只能进行落后产能的替代。但是，一些企业希望走发展非高炉炼铁的道路，认为是节能减排，企业可以得到较大的发展。目前，这是一条走不通的路。因为，目前非高炉炼铁技术发展尚需进一步完善和提升，所要求的条件还比较苛刻，在技术性、经济性、可行性及生产规模等方面均要进行充分科学地论证。现在，钢铁企业经营利润率处于较低水平，建设新项目一定要慎重从事，要听取多方面意见，特别是不同的意见，这对企业的生存和发展是非常有益的。

对有经济实力和技术水平较高的企业和研究单位，应当及时跟踪国内外非高炉炼铁技术发展态势，抓住主要矛盾，进行深入的非高炉炼铁技术研究和开发，借鉴国内外已有的各方面的经验，使我们少走弯路，提高效率和效益。目前，我国不宜再忽悠让一批企业去上非高炉炼铁项目。

3.1 转底炉应用范围

转底炉在处理钢铁企业所产生的含铁尘泥具有优势。因为这些含铁尘泥中含有高碱金属（K、Na），并有铅、锌等对高炉生产有害的金属。采用转底炉去处理掉含有害杂质的尘泥，再回收利用好含铁物质，是合理的科学方法。因转底炉在生产规模、能耗、生产成本等方面尚有不足之处。所以转底炉不能做为钢铁企业生产的主流程设计。目前，转底炉还有布球、出球、产品抗氧化等方面技术问题需要进一步改进。

3.2 直接还原铁要高质量

一些直接还原铁企业将产品定位于给高炉使用。因为他们的产品金属化率不高，含有害杂质多，高炉还可以用，电炉企业不愿意用。因为电炉企业使用这些低质量的直接还原铁之后，能耗上升、金属收得率低，产量和质量均受到影响。直接还原铁如果含FeO高，对电炉炉衬的侵蚀很严重，大大降低电炉的寿命。

高炉炼铁使用金属化炉料后，是有降低炼铁燃料比的作用，可使高炉炼铁减少CO2排放。但是，用系统节能的观点去进行分析，就会发现，采用金属化率高的炉料之后，炼铁系统的能耗是比较高的，且生产成本升高较多。2007年德国专家曾对此有过系统的分析。因为生产金属化率高的炉料所需的能耗和成本也是比较高的，虽然高炉使用金属化率高的炉料会有一定效益，但抵偿不了原料准备的代价。从技术发展方向看，发展金属化高的烧结矿和球团矿是冶金学的发展方向。所以，应加强这方面的技术研究和开发。企业如果利用本企业的二次能源工业去生产金属化炉料，是经济的，是技术发展的大方向。

我国直接还原铁质量上普遍低于世界水平，这与我们所用的原料质量低有关。我国在选矿技术上已有较多突破，建议企业要充分利用高水平的选矿技术，将所用铁矿石的品位进行提高，同时可去除一些有害杂质，对所用的矿石进行再选，在经济上、产品质量上是有利的。