FINEX与高炉炼铁工艺对比

张龙强 周 翔

一、引言

近代高炉炼铁工艺经过150多年的发展，在生产效率、工艺技术、装备大型化等方面日臻成熟，各项潜力得以较为充分的发挥，为人类文明和经济发展做出了巨大贡献。但高炉生产依赖的焦煤资源供应不足，加之烧结及焦化工序污染严重，其可持续发展面临巨大挑战。因此，基于不用焦炭的非高炉炼铁技术，成为近30多年来世界钢铁业着力研究和发展的前沿技术之一。非高炉炼铁技术分为熔融还原与直接还原两种工艺。直接还原以天然气或非焦煤为能源，在铁矿石软化温度以下还原获得固态直接还原铁（DRI）或海绵铁。熔融还原以非焦煤为能源，在高温熔态下还原铁氧化物得到铁水。

2010年，全球非高炉炼铁总产量约7737万吨，占全球生铁总量的7.4%，其中，熔融还原工艺产铁约620万吨，仅占全球生铁总量的0.6%。过去的3年，熔融还原生铁产量占比始终在0.6%左右，该工艺发展速度较为缓慢，目前仅COREX和FINEX两种工艺实现了工业化生产。

二、FINEX工艺发展历程

FINEX工艺的开发源于COREX工艺，主要改进有两方面：一是以多级流化床取代了COREX的预还原竖炉，二是原料由块矿和球团矿变为粉矿。1995年，浦项公司COREX C2000投产，但鉴于其工艺存在诸多不足，如还原竖炉中炉料粘结严重影响顺行和作业率，焦比高、煤种要求严格、燃料比高等，浦项与VAI 在1992年就开始联合研发FINEX技术，1996年通过流态化床铁矿粉煤基气体还原试验，确认了流态化还原工艺，1999年进行了半工业试验。2003年6月，浦项将已投产的COREX C2000改造成年产60万吨的FINEX 1示范工厂。经过4年的摸索完善后，150万吨FINEX 2于2007年投产，产能有了较大突破。2011年6月，产能有进一步突破的200万吨FINEX 3工程开工建设，预计2013年7月建成投产。

通过FINEX工艺演进历程看出，目前全球仅浦项拥有该工艺，经过20年的研发、生产和改进，200万吨规模的第三套装备已经开工建设。这不仅说明了该项工艺持续取得进展，同时也表明了炼铁界对其仍存有顾虑，大规模商业化推广时机尚未成熟。

三、高炉与FINEX两种炼铁工艺对比分析

考虑到FINEX 3尚未建成，本文重点分析已经运行4年的FINEX 2，就其生产、运行、投资、技术经济及节能减排等各项指标与同规模高炉工艺进行比较。

（一）对比范围

FINEX工艺所需原料为粉矿，燃料为焦丁、成型煤和煤粉，所用煤为非炼焦煤，没有高炉所需要的焦化、烧结、球团生产车间，这也是该工艺宣传的竞争点之一。但考虑到两种工艺都用焦炭，本文比较范围的界定如下：高炉工艺包括烧结、球团和高炉系统，FINEX工艺包括FINEX装置及制氧、发电等辅助设施。150万吨生铁规模对应的高炉容积应为1750m3，按照78%烧结矿配加22%酸性球团矿炉料结构，需要配套的烧结机面积为180m2，球团装备为10m2竖炉，所有装备均配置环保及余热、余压回收装置。

（二）指标对比与分析

1. 原、燃料供应

（1）原料。高炉工艺所需为烧结矿和球团矿，其中烧结矿和球团矿的生产原料主要为粉矿和铁精矿，高炉含铁原料综合入炉品位一般要求TFe≥58%，近年来随着铁矿石价格的快速增长，实际入炉品位往往达不到58%。2010年，国内重点钢铁企业平均入炉品位57.14%，最低仅为50.34%。高炉工艺对原料的其他成分无特殊要求。FINEX工艺原料为粉矿（目前来自澳大利亚），对原料要求较为严格，TFe为60%-62%，粒度 ～8mm，平均为1mm-1.5mm，以赤铁矿为主。

（2）燃料。两种工艺所需燃料均为焦炭和煤，相应的指标要求见表1、表2。

表2 喷吹用煤（型煤）主要指标表 %

通过比较两种工艺对原、燃料性能要求可以看出，FINEX工艺对原料要求较为苛刻，而高炉工艺更能适应原料的变化，可以选择的范围更广。两种工艺对燃料质量的要求相当。

2. 生产技术经济指标

两种工艺生产技术经济指标见表3。

表3 高炉与FINEX炼铁生产指标对比

3. 消耗指标

FINEX 2燃料消耗的最好指标在2008年，折成煤后的燃料比为710kg/t（焦炭按1.4倍折算，成型煤和煤粉按1.0倍折算），其中焦炭为70kg/t，喷煤粉120 kg/t -150kg/t，余为成型煤。该指标对应的矿为澳大利亚粉矿，全铁品位63%，对应的煤是弱粘结性煤，其灰分为10%-11%。

浦项多项试验表明，焦丁加入量越大，炉况越顺行，燃料消耗越小，若没有焦炭，燃料比将增加30%以上。目前，FINEX 2实际燃料消耗约为760kg/t（折煤），依照前述燃料结构计算，焦炭消耗约为76kg/t，煤粉消耗150kg/t，型煤消耗504kg/t。其他消耗指标及与高炉工艺对比见表4。可以看出，高炉工艺因工序较多，能耗指标偏高，FINEX工艺虽然燃料消耗较大，但煤气均可回收且热值高于高炉煤气，因此，能耗指标略有优势。

4. 环保指标

表1 焦炭（焦丁）主要指标表 %

表4 高炉工艺与FINEX工艺消耗指标对比

表5 高炉工艺投资组成表 万元

FINEX工艺没有烧结工序，矿石和燃料中的硫在熔融炉中以CaS形式进入炉渣，没有高炉工艺中烧结烟气SO2污染，总的SOx排放量远少于高炉工艺。FINEX工艺主要是氧气冶炼，没有高炉工艺鼓风带入的大量氮气，因此NOx生成量明显减少。另外，FINEX工艺因工序较少，粉尘和废水等污染排放量也优于高炉工艺。

另外一项重要的排放指标是CO2。全球温室气体排放问题已经成为政治议题，上升到国家竞争的层面。CO2排放量取决于含碳燃料消耗量，对已经产生的CO2的治理效果并不明显，绝大部分最终仍以CO2形式排入大气中。对高炉和FINEX两种工艺CO2排放指标的比较，实际是对燃料比的对比。如前所述，在这一指标上，FINEX工艺并无优势。

5. 投资

（1）1750m3高炉工艺系统投资。1750m3高炉工艺系统由料场、180m2烧结机、10m2竖炉、1750m3高炉以及配套公辅、环保、资源能源回收等设施组成，投资组成详见表5。

（2）150万吨FINEX 2投资。据浦项提供的信息，目前开工的200万吨FINEX3生产线与2007年建设的150万吨FINEX 2生产线投资额度相当。考虑到当年的物价水平，在净增50万吨产能的情况下，投资额不变体现出第3套生产线作了较大改进。FINEX3投资1.3万亿韩元，约合78亿元，投资组成见表6。高炉工艺若加上料场1.5亿元投资，总投资约11.4亿元，相比FINEX工艺的78亿元投资，优势十分明显。

6.成本

生产成本属于企业秘密，难有准确数据，本文通过原燃料需求量折算的方法，推算两种工艺生铁的制造成本，其中原料均为进口矿，计算结果仅供参考。高炉炼铁生产成本中，原料成本约占60%，燃料（包括焦炭、煤粉）约占近30%，综合考虑烧结和球团工序投入，炼铁工艺燃料采购成本占生产成本比重本文取76%；FINEX工艺仍处于起步阶段，研发、管理等费用相对较高，特别是氧消耗量大（约占成本20%），原燃料成本占比较低，约为50%-60%（本文取57%）。

FINEX工艺粉矿品位取61%，吨铁消耗粉矿约1.57吨，高炉入炉品位取58%，吨铁铁精矿消耗约1.52吨。两工艺成本比较见表7。通过成本计算可以看出，FINEX工艺生铁成本比高炉工艺高500多元。

表6 浦项FINEX3投资组成表

表7 高炉与FINEX两种工艺成本折算表

7. 占地面积

150万吨FINEX2占地面积约15万m2（也有资料显示，该数据为30万m2以上，15万m2应不含原料场），高炉工艺的占地面积约为22万m2，其中180m2烧结机占地5万m2，10m2球团竖炉占地3万m2，1750m3高炉占地约为14万m2。

可以看出，高炉工艺因工序较多，占地面积大于FINEX工艺，对总图布置紧张的企业而言，FINEX工艺优势较为明显。

四、综合对比分析

FINEX较高炉工艺而言，目前最大的竞争优势是焦炭用量明显减少，依照其设计初衷，未来存在完全不用焦炭的可能。如能实现，其竞争力将进一步增大与1750m3高炉配套的焦炉工序占地面积约15万m2，投资约5亿元，还增加了废水和SOx等排放量）。

综合来看，FINEX工艺除了焦炭用量少，并有可能最终不用焦炭外，仅占地面积和环保指标有一定优势，能耗指标两者基本相当，但在原料选择、投资等指标方面与高炉工艺（原料场、焦化、烧结、球团、炼铁）相比差距较大，特别是投资差距巨大。FINEX替代高炉工艺尚不具备条件。

五、建议

1.高炉工艺

焦炭在高炉内除了作热源和还原剂外，还有不可替代的骨架作用，这是高炉依赖焦炭的主要原因，也是高炉大型化的重要支撑。考虑到焦煤资源短缺以及环保排放压力的制约，未来高炉工艺必须寻求大幅度减少焦炭用量的技术和工艺。另外，高炉工艺还需在以下方面重点关注。

（1）高炉炉型设计和工艺操作要适应原燃料的变化。随着全球铁矿资源开采力度的不断加大，原矿品位有走低趋势，高炉工艺必须适应低入炉品位的变化，炉型选择要综合原燃料条件和钢种及钢材产品需求，避免盲目追求大型化。

（2）低碳炼铁。炼铁工序（焦化、烧结、炼铁）CO2排放占钢铁厂CO2总排放量超过85%。除努力降低燃料比外，还要从燃料结构方面有所突破，如应用天然气和废塑料等，研究表明，消耗每吨煤炭的碳排放量为0.7吨，消耗每吨天然气的碳排放量为0.39吨。另外，还应重点研发的低碳炼铁工工艺技术有碳氢共冶金、全氧冶炼及高炉煤气的资源化利用等。

2.FINEX工艺

FINEX工艺经过不断的完善和创新，目前已经取得了较大进展，但距离工业化、规模化推广仍有较大差距，替代高炉工艺的条件明显不足。作为熔融还原技术的领先者，FINEX工艺仍需要继续针对存在的问题予以改进和创新。

（1）尽快实现非焦冶炼。非焦冶炼是包括FINEX工艺在内的非高炉炼铁技术的初衷和核心竞争力，目前FINEX生产仍然依赖焦炭，不利于该工艺的推广应用。

（2）大幅度降低投资。相比高炉工艺，FINEX工艺处于起步阶段，即便充分考虑该因素，FINEX工艺庞大的投资也令其难以推广。需要通过包括减少流化床数量在内的系统改进，大幅度降低投资强度。

（3）提高原料适应性。FINEX工艺的原料仅为粉矿，且理化指标要求较高，不利于推进替代高炉工艺的进程。扩大原料供应范围和种类是FINEX工艺需要解决的重大问题。

（4）降低燃料比。目前FINEX工艺燃料比为760 kg/t（折煤）高于高炉工艺约683kg/t（折煤）的水平，未来还需在减少燃料消耗方面进一步加强研发投入。