賈利軍¹  張冠琪²  韓軍義²

1.山東省冶金設(shè)計院股份有限公司 2.山東墨龍石油機械有限公司

1 背景

隨著習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會上提出中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于 2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取 2060年前實現(xiàn)碳中和。不同行業(yè)的碳減排受到前所未有的關(guān)注，鋼鐵行業(yè)作為國內(nèi)工業(yè)CO2排放大戶，2020年我國粗鋼產(chǎn)量10.65億噸，能源消耗引起的CO2排放量18億噸，約占全國碳排放約15%，面臨巨大的減排壓力。當(dāng)前關(guān)于低碳冶金技術(shù)、碳中和、談達(dá)峰路線的研究成為行業(yè)內(nèi)的重中之重。如何選擇合理可行的低碳冶金路線，是關(guān)系到未來我國鋼鐵產(chǎn)品國際競爭力和行業(yè)能否持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵問題。

從降低鋼鐵生產(chǎn)過程中碳排放總量，實現(xiàn)碳達(dá)峰的角度考慮，可選擇的路徑有以下方案，包括：降低鋼鐵生產(chǎn)總量、高爐煉鐵減碳、廢鋼降碳（廢鋼-電爐、廢鋼—轉(zhuǎn)爐、廢鋼-高爐）、非高爐煉鐵、以及氫冶金（煉鐵）等[1]。

為突破我國因資源、環(huán)保壓力的現(xiàn)在，近年來非高爐煉鐵技術(shù)在我國得到很大的進(jìn)步。在直接還原方面，國內(nèi)山西中晉冶金科技有限公司與中國石油大學(xué)合作開發(fā)了用于氣基豎爐直接還原工藝的還原氣制備技術(shù)，很大程度上解決了我國天然氣不足的問題，此項目命名為 CSDRI[2]。截止目前，熔融還原工藝已有兩座熔融還原煉鐵工廠在運行，寶鋼八一鋼鐵歐冶爐工藝和墨龍HIsmelt熔融還原工藝（以下簡稱ML-HIsmelt）。本文著重就ML-HIsmelt煉鐵工藝的工序能耗及CO2減排進(jìn)行分析說明。

2 ML-HIsmelt工藝簡介及特點[3]

2.1 HIsmelt工藝流程簡介

HIsmelt煉鐵工藝是已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的熔融還原煉鐵技術(shù)之一，屬于當(dāng)今冶金領(lǐng)域前沿技術(shù)，是典型非焦熔融還原煉鐵工藝。其工藝流程如下：生產(chǎn)所需的鐵礦粉、煤和熔劑等爐料在原料場堆存后，經(jīng)原燃料輸送系統(tǒng)輸送到礦粉預(yù)熱預(yù)還原系統(tǒng)、煤粉制備系統(tǒng)，在礦粉預(yù)熱預(yù)還原內(nèi)完成鐵礦粉的預(yù)熱預(yù)還原，被加熱的鐵礦粉經(jīng)過熱礦輸送機進(jìn)入熱礦噴吹系統(tǒng)；原煤進(jìn)入煤粉制備系統(tǒng)后，經(jīng)過干燥破碎后進(jìn)入煤粉噴吹系統(tǒng)，被加熱的熱礦粉和破碎后的煤粉分別經(jīng)過各自的輸送管道、水冷噴槍噴吹到熔融還原爐（簡稱SRV爐）內(nèi)，其中煤粉噴入融池中后，煤開始裂解，碳元素溶于鐵水中，礦石開始熔化并形成熔渣。鐵水熔池中由于劇烈反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體，在熔池中具有強烈的攪拌作用。由于熔池內(nèi)的氣體攪拌和頂部熱風(fēng)噴槍的射流，大量渣鐵混合物被噴濺到熔池上部，形成過渡區(qū)，過渡區(qū)是發(fā)生還原反應(yīng)及熱傳遞的重要區(qū)域，對過渡區(qū)的控制是冶煉操作的核心部分。

生產(chǎn)的鐵水經(jīng)過前置爐排出，進(jìn)入鐵水罐，然后經(jīng)鐵水倒運裝置依次經(jīng)過鐵水脫硫、鑄鐵機生產(chǎn)合格生鐵。冶煉產(chǎn)生的熔渣經(jīng)專用渣口排出，進(jìn)入水渣?；到y(tǒng)。

SRV爐生產(chǎn)的大量高溫煤氣經(jīng)煤氣室導(dǎo)出，依次進(jìn)入汽化冷卻煙道、高溫旋風(fēng)除塵器，進(jìn)行降溫及初除塵，降溫后的半凈煤氣再進(jìn)入余熱鍋爐，進(jìn)一步回收煤氣顯熱，降溫后的煤氣溫度約200℃，進(jìn)入煤氣凈化系統(tǒng)，完成最終凈化，進(jìn)入管網(wǎng)，供下游用戶使用。汽化煙道和余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽，用于發(fā)電。

圖1 HIsmelt工藝流程圖

2.2 HImelt熔融還原工藝主要特點[2]

工藝流程短、工廠建設(shè)相對簡單、占地面積小。 

a)操作簡變、靈活，具有快速響應(yīng)特性。 

b)原料要求低、物料范圍廣，可使用低品質(zhì)的礦粉和非焦煤。

c)鐵水質(zhì)量穩(wěn)定、可生產(chǎn)低硅、低磷鐵水。

d)環(huán)保優(yōu)勢明顯，沒有二次污染物排放，取消焦?fàn)t、燒結(jié)，基本遏制二惡英、呋喃、焦油和酚的污染排放。

2.3 ML-HIsmelt工藝生產(chǎn)實踐 

HIsmelt技術(shù)經(jīng)過近40年的研發(fā)和實驗室研究、工業(yè)化生產(chǎn)，截至目前，已經(jīng)歷兩次工業(yè)化生產(chǎn)。

第一次：在澳大利亞奎那那工廠，2005年～2008年；約生產(chǎn)生鐵塊388273噸，受世界金融危機影響，HIsmelt奎那那示范廠2008年停產(chǎn)，且不在復(fù)產(chǎn)。

第二次：國內(nèi)墨龍公司于2012年確定引進(jìn)HIsmelt熔融還原煉鐵技術(shù)，在原工藝流程的基礎(chǔ)上經(jīng)過優(yōu)化、升級等措施，該項目與2016年6月建成投產(chǎn)，投產(chǎn)至今經(jīng)過不斷的優(yōu)化完善，累積操作經(jīng)驗，優(yōu)化生產(chǎn)指標(biāo)， ML-HIsmelt工藝無論從作業(yè)率、操作穩(wěn)定性以及能耗指標(biāo)方面都有了質(zhì)的提高，截至目前共計產(chǎn)出約150萬噸鐵水，當(dāng)前日最高產(chǎn)量達(dá)到2026噸、月產(chǎn)量達(dá)到55214噸，設(shè)備不間斷作業(yè)已達(dá)到157天，其各項生產(chǎn)指標(biāo)均超過澳大利亞奎那那的HIsmelt工廠。

ML-HIsmelt技術(shù)自投產(chǎn)以來的典型操作參數(shù)見下表1。

表1 ML-HIsmelt典型操作參數(shù)

通過生產(chǎn)實踐檢驗， ML-HIsmelt工藝的優(yōu)越性得到充分體現(xiàn)，無論是原、燃料選取的靈活性適應(yīng)性、較低的冶煉成本、操作簡單靈活、環(huán)境友好型還是鐵水質(zhì)量的穩(wěn)定和優(yōu)質(zhì)等優(yōu)點均得到了很好的驗證，也更進(jìn)一步說明HIsmelt技術(shù)是可行的。

3 ML-HIsmelt工序能耗計算

工序能耗是指鋼鐵生產(chǎn)過程中的某一基本工序中 ,生產(chǎn)單位產(chǎn)品所消耗的能源總量，是衡量工序能耗高低、技術(shù)是否先進(jìn)、節(jié)能效果是否顯著的重要評價指標(biāo)，ML-HIsmelt工藝作作為已商業(yè)化的非高爐煉鐵技術(shù)，相比傳統(tǒng)焦化-燒結(jié)-高爐工藝在流程、原燃料適應(yīng)性等方面具有較大的優(yōu)勢，以下從工序能耗角度對ML-HIsmelt節(jié)能效果進(jìn)行分析說明。 ML-HIsmelt工藝工序能耗指標(biāo)如下表2。