中國廢鋼鐵應(yīng)用協(xié)會(huì)直接還原鐵工作委員會(huì)，天津奧沃冶金技術(shù)咨詢有限公司 

1前言

在全球“脫碳”大潮的背景下，以減少碳足跡、降低碳排放量為中心的傳統(tǒng)鋼鐵冶金工藝技術(shù)變革已成為鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展的新趨勢。用氫氣代替煤炭，改變能源消耗結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“低碳”甚至“零碳”工藝的產(chǎn)業(yè)化，是徹底解決鋼企生產(chǎn)過程中環(huán)境污染和碳排放問題的技術(shù)方向。

“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”已經(jīng)成為“十四五”的重點(diǎn)任務(wù)之一，鋼鐵行業(yè)向低碳轉(zhuǎn)型，綠色、節(jié)能、環(huán)保的非高爐冶煉技術(shù)迎來了難得的機(jī)會(huì)。6月1日起開始執(zhí)行的《鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能置換實(shí)施辦法(2021版)》明確提出：建設(shè)非高爐煉鐵、提釩轉(zhuǎn)爐、回轉(zhuǎn)窯一礦熱爐(RKEF)等設(shè)備，產(chǎn)能核定須“一事一議”上報(bào)工業(yè)和信息化部；退出配套燒結(jié)、焦?fàn)t、高爐等設(shè)備建設(shè)氫冶金和Corex,Finex,Hismelt等非高爐煉鐵項(xiàng)目的煉鐵產(chǎn)能，以及利用回轉(zhuǎn)窯一礦熱爐一AOD爐工藝生產(chǎn)不銹鋼的煉鋼產(chǎn)能，可實(shí)行等量產(chǎn)能置換。在政策導(dǎo)向下，鋼鐵企業(yè)對非高爐冶煉技術(shù)的關(guān)注增加，形成了多工藝裝備、工藝路線創(chuàng)新發(fā)展趨勢，我國非高爐冶煉技術(shù)迎來一波發(fā)展小高潮。

2我國非高爐行業(yè)現(xiàn)狀

2.1 隧道窯工藝

隧道窯工藝在國內(nèi)總體呈縮減趨勢。由于該工藝相對簡單、技術(shù)含量低,原料、還原劑、燃料容易解決，工藝實(shí)用性強(qiáng)，前期投資小，適合小規(guī)模生產(chǎn)，是粉末冶金行業(yè)普遍使用的冶金還原生產(chǎn)工藝。

但隧道窯法單機(jī)產(chǎn)能小、自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、能耗高、環(huán)境污染大。近年對環(huán)保和能耗的日益強(qiáng)化，多數(shù)隧道窯從煤炭改為天然氣供能，大幅增加了生產(chǎn)成本，使得隧道窯發(fā)展明顯受限。2017年以來我國國內(nèi)沒有新建隧道窯生產(chǎn)線,現(xiàn)有生產(chǎn)線也受環(huán)保和成本壓制，生產(chǎn)規(guī)模呈縮減趨勢。且由于規(guī)模小、原料外購為主、得不到穩(wěn)定供應(yīng)保證、產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)大，較少應(yīng)用于煉鋼海綿鐵的生產(chǎn)。

而國外發(fā)展有所不同，近年來，伊朗、印度等鐵礦資源豐富且缺乏焦煤的國家引進(jìn)了中國隧道窯工藝技術(shù)，生產(chǎn)煉鋼海綿鐵。唐山奧特斯窯爐公司在伊朗Kavian公司一期年產(chǎn)7萬噸項(xiàng)目兩條２０６米天然氣隧道窯均正常生產(chǎn)，生產(chǎn)反響不錯(cuò)，并計(jì)劃籌建二期項(xiàng)目；伊朗ＫＮＺ一期項(xiàng)目已經(jīng)完工，2021年6月順利投產(chǎn)。另外，該公司在印度也有隧道窯生產(chǎn)線業(yè)績。湖北中基窯爐也有在伊朗建設(shè)隧道窯的業(yè)績。

2.2 回轉(zhuǎn)窯工藝

國際上常用的煤基還原技術(shù)多是回轉(zhuǎn)窯“二步法”技術(shù)，即：采用氧化球團(tuán)或高品位塊礦加入回轉(zhuǎn)窯的還原工藝，印度有300余條年產(chǎn)2-15萬噸的回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線。天津鋼管公司引進(jìn)英國DAVY技術(shù)的回轉(zhuǎn)窯“二步法”也證明了這是一種技術(shù)成熟的工藝，其單機(jī)產(chǎn)能最高達(dá)到18萬噸，超過了15萬t/年的設(shè)計(jì)能力，可生產(chǎn)出TFe>92.0%的高品質(zhì)煉鋼海綿鐵。采用“一步法”回轉(zhuǎn)窯工藝，即用冷固結(jié)球團(tuán)或預(yù)干燥球團(tuán)直接加入到回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行還原焙燒，由于球團(tuán)強(qiáng)度不夠，粉化問題突出，面臨一定的生產(chǎn)操作問題。

回轉(zhuǎn)窯裝置是常用的冶金裝備、容易獲得，回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝技術(shù)被廣泛應(yīng)用于鋼廠塵泥處理、含鋅渣生產(chǎn)氧化鋅等固廢綜合利用，以及鈦鐵礦還原、鉻鐵礦還原、紅土鎳礦直接還原生產(chǎn)鎳鐵，目前建成并生產(chǎn)運(yùn)行的回轉(zhuǎn)窯還原生產(chǎn)線有數(shù)百條之多，鋼鐵企業(yè)近年來鋼廠粉塵利用多是采用回轉(zhuǎn)窯還原工藝:日鋼、舞鋼、立恒鋼鐵、建邦鋼鐵、美錦鋼鐵、萊鋼、本鋼、晉源、邯鋼、衢州鋼鐵扽數(shù)十家鋼廠均采用回轉(zhuǎn)窯鋼廠粉塵處理工藝。酒鋼煤基氫冶金中試基地(年處理能力8萬噸)也是基于煤基氫冶金技術(shù)的回轉(zhuǎn)窯工藝，經(jīng)調(diào)試改造后于2020年10月份生產(chǎn)基本實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)。內(nèi)蒙古中盛科技年產(chǎn)60萬噸（4*15萬噸）回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵項(xiàng)目，其中一期采用大無縫拆下的兩條年產(chǎn)15萬噸回轉(zhuǎn)窯裝置，項(xiàng)目正在設(shè)計(jì)及設(shè)備訂貨階段，預(yù)計(jì)2022年3月份投入運(yùn)行。

回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝在鉻礦還原、鈦鐵礦還原生產(chǎn)取得了不錯(cuò)的生產(chǎn)效果,豐鎮(zhèn)市新太新材料公司采用鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原—熱送熱裝工藝生產(chǎn)高碳鉻鐵，電耗降低25%，焦耗降低近50%，產(chǎn)量提高超過30%?；剞D(zhuǎn)窯直接還原鈦鐵礦的工藝過程是指將合格的鈦鐵礦原料、部分還原煤送至車間日用料倉，按一定的比例配料后用帶式輸送機(jī)送往窯尾加料端，經(jīng)喂料管加入窯內(nèi)。回轉(zhuǎn)窯具有2.5—3°的傾斜度，借助回轉(zhuǎn)窯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和傾角作用，使裝入的爐料緩慢向排料端運(yùn)動(dòng)。燃燒煤及部分還原煤則從窯頭排料端噴入，與定量的一次空氣進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生高溫?zé)煔?。煙氣與爐料成逆流運(yùn)動(dòng)，將爐料加熱900-1050℃，不超過1150℃，并將鈦鐵礦還原為高品位富鈦料。

2.3 轉(zhuǎn)底爐工藝

轉(zhuǎn)底爐因具有環(huán)形爐膛和可轉(zhuǎn)動(dòng)的爐底而得名，其原料是鐵礦粉和煤粉制成的含碳球團(tuán)，經(jīng)配料、混料、制球和干燥后加入轉(zhuǎn)底爐中，爐膛溫度可達(dá)1250~1350℃左右，含碳球團(tuán)高溫下隨爐底旋轉(zhuǎn)一周的過程中，鐵礦被碳快速還原、生成金屬化球團(tuán)，最后由螺旋出料機(jī)推出爐外，經(jīng)冷卻后運(yùn)往熔分爐作原料、或作電爐煉鋼原料。由于轉(zhuǎn)底爐工藝過程中煤灰滲入，產(chǎn)品鐵品位較低(一般為70-80%左右)、S高，轉(zhuǎn)底爐工藝應(yīng)用的重點(diǎn)方向主要在于高爐污泥或除塵灰等鋼廠廢棄物的處理、以及多金屬礦利用。

2015年，中冶賽迪與燕山鋼鐵公司開發(fā)設(shè)計(jì)的處理鋼鐵廠含鋅塵泥的20萬噸/年轉(zhuǎn)底爐投產(chǎn)，該項(xiàng)目每年可處理高爐、轉(zhuǎn)爐除塵灰等冶金固廢約20萬噸，實(shí)現(xiàn)脫鋅率＞85%，金屬化率＞75%，獲得約14萬噸金屬化球團(tuán)、0.5萬噸氧化鋅粉塵、13萬噸蒸汽，具有很高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保價(jià)值。2016年，雙方進(jìn)行第二條生產(chǎn)線開發(fā)設(shè)計(jì)合作。在燕鋼轉(zhuǎn)底爐項(xiàng)目基礎(chǔ)上，2016年,中冶賽迪和寶武集團(tuán)聯(lián)合進(jìn)行了轉(zhuǎn)底爐直接還原技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，在寶鋼湛江建成了年處理20萬噸含鋅粉塵轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線，并實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)100%固廢不出廠，成為國內(nèi)轉(zhuǎn)底爐處理含鋅粉塵的標(biāo)桿企業(yè)，并在寶武集團(tuán)內(nèi)推廣應(yīng)用。目前，寶武集團(tuán)生產(chǎn)運(yùn)營的轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線有6條，即將投產(chǎn)生產(chǎn)線2條：包括寶鋼湛江二期年處理20萬噸含鋅粉塵生產(chǎn)線、上海本部2條年處理25萬噸含鋅粉塵生產(chǎn)線、韶關(guān)鋼鐵年處理25萬噸含鋅粉塵生產(chǎn)線、江蘇永鋼年處理25萬噸含鋅粉塵生產(chǎn)線，武鋼在建的2條年處理20萬噸含鋅粉塵生產(chǎn)線預(yù)計(jì)7月份投產(chǎn)等。

除了上述生產(chǎn)線之外，國內(nèi)還建有多條轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線，其中用于復(fù)合礦的綜合利用（四川龍蟒、攀鋼研究院）、高鋅含鐵塵泥利用（萊鋼、馬鋼、沙鋼、日照鋼鐵、燕山鋼鐵、寶鋼湛江）、生產(chǎn)預(yù)還原爐料（山西翼城、天津榮程）等。

2.4 煤基豎爐工藝

煤基豎爐因其產(chǎn)量可以擴(kuò)大、具備規(guī)模優(yōu)勢，一些試驗(yàn)工廠的指標(biāo)可以達(dá)到煉鋼標(biāo)準(zhǔn)而得到行業(yè)重視，有不少企業(yè)在進(jìn)行煤基豎爐方面的工業(yè)試驗(yàn)。目前武漢科思瑞迪公司（COSRED）在湖北宜昌建有一座年產(chǎn)1萬噸中試生產(chǎn)線，總體裝備運(yùn)行良好，采用品位70%以上的鐵精粉可生產(chǎn)出全鐵95%以上的海綿鐵，并可生產(chǎn)粉末冶金用的還原鐵產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量好。COSRED煤基豎爐生產(chǎn)操作控制的工藝參數(shù)很少，主要為還原溫度和還原時(shí)間，還原溫度通過燃燒室的燃燒溫度來進(jìn)行控制和調(diào)整，還原時(shí)間通過還原室下部的排料速度來進(jìn)行控制和調(diào)整。煤基豎爐的生產(chǎn)操作簡單，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，而且生產(chǎn)的穩(wěn)定性高、易損件少、維護(hù)量小。目前已在緬甸擴(kuò)建一條年產(chǎn)5萬噸煤基豎爐海綿鐵生產(chǎn)線，在越南建有一條年產(chǎn)10萬噸煤基豎爐海綿鐵生產(chǎn)線。目前年產(chǎn)30萬噸煤基豎爐還原鐵項(xiàng)目在報(bào)批中。

2.5 氣基豎爐

我國現(xiàn)有的氫冶金技術(shù)中，富氫還原高爐與氣基直接還原豎爐兩類工藝發(fā)展逐漸受到行業(yè)的認(rèn)可。氣基直接還原豎爐即通過使用氫氣與一氧化碳混合氣體代替一氧化碳作為還原劑，將鐵礦石轉(zhuǎn)化為直接還原鐵（DRI），之后再投入電爐進(jìn)一步冶煉。氣基豎爐的顯著優(yōu)點(diǎn)是單套設(shè)備產(chǎn)量大、不消耗焦煤，節(jié)能、環(huán)境友好、低能耗、低CO2排放。氣基還原工藝因其在節(jié)能減排、低碳環(huán)保方面的作用受到政策層面支持，氣基還原技術(shù)是產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良的低碳綠色先進(jìn)煉鐵技術(shù)，發(fā)展氣基還原具有積極意義。

氣基豎爐直接還原法是當(dāng)今世界上的主流直接還原工藝，全球采用氣基豎爐直接還原工藝生產(chǎn)的海綿鐵占比≥75%。氣基豎爐技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于低價(jià)氣源的獲得，我國天然氣資源匱乏，在非煉焦煤、天然氣和焦?fàn)t煤氣較便宜的地區(qū)和企業(yè)，富氫合成氣的成本能否大幅度降低，決定了能否建設(shè)大型豎爐直接還原與煤制氣無焦煉鐵聯(lián)合工藝。

受碳減排、碳中和政策推動(dòng)影響，寶武集團(tuán)和河鋼集團(tuán)等大型鋼鐵企業(yè)已開始布局富氫技術(shù)：2020年11月23，河鋼集團(tuán)與特諾恩雙方簽訂合同，建設(shè)高科技的氫能源開發(fā)和利用工程，其中包括一座年產(chǎn)60萬噸的ENERGIRON直接還原工廠。寶武集團(tuán)計(jì)劃在湛江籌建100萬噸氣基豎爐項(xiàng)目，目前已完成項(xiàng)目前期溝通論證工作，即將進(jìn)入項(xiàng)目合同簽訂階段。

其次。山西中晉太行礦業(yè)公司30萬噸焦?fàn)t煤氣豎爐直接還原鐵工廠經(jīng)過多年籌備，已于2020年11月底全部建成、完成聯(lián)動(dòng)負(fù)荷試車,并于2021年6月9日進(jìn)行點(diǎn)火投產(chǎn)，并生產(chǎn)出合格海綿鐵產(chǎn)品。

2020年5月，京華日鋼控股集團(tuán)與鋼研院簽訂了年產(chǎn)50萬噸氫冶金及高端鋼材制造項(xiàng)目合作協(xié)議。建設(shè)具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的首臺(tái)套年產(chǎn)50萬噸氫冶金及高端鋼材制造項(xiàng)目合作，計(jì)劃今年年底開始建設(shè)。

內(nèi)蒙古自治區(qū)明拓集團(tuán)有限公司，計(jì)劃采用米德雷克思的氣基豎爐技術(shù)，以合成煤氣為還原氣，建設(shè)年產(chǎn)能力110萬噸的還原鐵廠，供應(yīng)下游電爐生產(chǎn)不銹鋼產(chǎn)品。

2.6 熔融還原工藝

熔融還原煉鐵工藝省去了燒結(jié)及焦化兩個(gè)環(huán)節(jié)，同樣產(chǎn)能下可節(jié)省大量的投資及運(yùn)行成本，并且產(chǎn)品也是鐵水，因此備受鋼鐵企業(yè)關(guān)注。目前，寶鋼新疆八一鋼鐵的歐冶爐日益步入常規(guī)生產(chǎn)、山東墨龍公司HIsmelt熔融還原煉鐵生產(chǎn)裝置在運(yùn)行中，建龍內(nèi)蒙古賽思普科技有限公司熔融還原鐵生產(chǎn)線已建成出鐵，邢鋼、遼寧天匯管線材各有一套裝置在建。

寶鋼集團(tuán)年產(chǎn)150萬噸的COREX 3000熔融還原煉鐵生產(chǎn)裝置于2011年搬遷到新疆八一鋼鐵廠，并結(jié)合高爐煉鐵原理和成熟的技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)化改造，2015年7月出鐵并成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，重新命名為歐冶爐。2017年3月，經(jīng)過近19個(gè)月長周期檢修的歐冶爐并入生產(chǎn)序列，正常生產(chǎn)出鐵，2019年-2020年進(jìn)行冬季持續(xù)生產(chǎn)作業(yè)。冶金焦比逐步降至月均124kg/t，周均最低118kg/t，燃料比月均838kg/t，鐵水硅素降至0.9%以下，鐵水物理熱穩(wěn)定，月均作業(yè)率93%。其中月作業(yè)率最優(yōu)達(dá)到99.45%，月產(chǎn)量最高達(dá)到11.4萬噸。2020年八鋼歐冶爐實(shí)際產(chǎn)鐵110萬噸，該廠的鐵水成本略低于本廠高爐。

 山東墨龍公司2012年將澳大利亞奎那那HISmelt工廠整體搬遷,并對原礦粉預(yù)熱系統(tǒng)、礦粉噴吹系統(tǒng)、SRV爐高溫煤氣系統(tǒng)、公輔動(dòng)力系統(tǒng)等進(jìn)行了創(chuàng)新優(yōu)化。山東墨龍公司HIsmelt熔融還原煉鐵項(xiàng)目2016年12月建成投產(chǎn)，經(jīng)過多次停開爐探索實(shí)踐后，工廠操作穩(wěn)定性大幅提高，能耗大幅降低。工廠日最高產(chǎn)量可達(dá)到1930噸，月產(chǎn)量達(dá)到51914噸，設(shè)備不間斷作業(yè)可達(dá)157天，各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)均超過澳大利亞原工廠，產(chǎn)品高純鑄造生鐵含磷量低（平均在0.015%~0.03%），含硅、錳及五害元素（鉛、錫、砷、銻、鉍）含量非常低，脫硫后滿足高端鑄造產(chǎn)品的需求。

2019年9月北京建龍重工集團(tuán)內(nèi)蒙古賽思普科技有限公司投資10.9億元的30萬噸氫基熔融還原法高純鑄造生鐵項(xiàng)目開工建設(shè)，2020年9月所有設(shè)備安裝完畢，進(jìn)入聯(lián)動(dòng)試車；2021年3月26日點(diǎn)火烘爐，4月12日正式點(diǎn)火送風(fēng)，并于次日凌晨一次性產(chǎn)出高純鑄造生鐵，標(biāo)志著氫基熔融還原冶煉技術(shù)成功落地轉(zhuǎn)化。與傳統(tǒng)高爐工藝相比，賽思普工藝取消了傳統(tǒng)高爐必不可少的燒結(jié)工藝和焦化等工序，可實(shí)現(xiàn)二氧化硫和氮氧化物排放量減少38%，粉塵排放量減少89%，無二噁英和酚氰廢水排放。設(shè)計(jì)年還原用氫1萬噸，可減少二氧化碳排放量11.2萬噸/年。

2020年9月，邢鋼搬遷優(yōu)化方案及選址已獲省政府批準(zhǔn)，目前項(xiàng)目的可行性研究報(bào)告已完成，搬遷后將使用“HIsmelt熔融還原+電爐”的短流程工藝，邢鋼80萬噸熔融還原鐵項(xiàng)目進(jìn)入到實(shí)質(zhì)性階段。另外，遼寧天匯管線材有限公司也在籌建一條年產(chǎn)30萬噸熔融還原試驗(yàn)工廠，信通首承80萬噸熔融還原鐵項(xiàng)目也在籌建中。

綜上，國內(nèi)非高爐冶煉行業(yè)已經(jīng)形成了多工藝裝備、工藝路線齊頭并進(jìn)的創(chuàng)新發(fā)展趨勢。

3 非高爐冶煉技術(shù)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
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