前言

“十四五”更趨嚴(yán)格的能耗“雙控”要求和“雙碳”目標(biāo)約束，促使鋼鐵行業(yè)將碳減排擺在更突出的位置，“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。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(shì)。鋼鐵行業(yè)向低碳轉(zhuǎn)型給綠色、節(jié)能、環(huán)保的非高爐冶煉技術(shù)迎來(lái)了難得的機(jī)會(huì)。

氫冶金通常是指利用氫氣生產(chǎn)海綿鐵的氣基直接還原工藝或其它富氫冶金技術(shù)，氫冶金工藝因其低碳低能耗特征受到業(yè)內(nèi)關(guān)注，行業(yè)內(nèi)對(duì)于該工藝的探索一直熱度不減。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(guò)程中環(huán)境污染和碳排放問(wèn)題的技術(shù)方向。

1我國(guó)非高爐行業(yè)現(xiàn)狀

非高爐冶煉技術(shù)分為直接還原工藝和熔融還原工藝。直接還原工藝是使用煤、氣體或液態(tài)燃料為能源和還原劑，在鐵礦石軟化溫度以下，不熔化即將礦石中的氧化鐵還原獲得固態(tài)直接還原鐵( DRI、HBI、HDRI) 的生產(chǎn)工藝。按還原劑可分為氣體還原劑法和固體還原劑法，按爐型可分為豎爐法、回轉(zhuǎn)窯法、轉(zhuǎn)底爐法、隧道窯法和流化床法幾種。熔融還原是指不用高爐而在高溫熔融狀態(tài)下還原鐵礦石的方法，其產(chǎn)品是成分與高爐鐵水相近的液態(tài)鐵水。常用的熔融還原法有Corex工藝、HIsmelt工藝、Finex工藝等。

1.1 隧道窯工藝

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。近年對(duì)環(huán)保和能耗的日益強(qiáng)化，多數(shù)隧道窯從煤炭改為煤制氣或天然氣供能，環(huán)境問(wèn)題大幅改善，但也同時(shí)大幅增加了生產(chǎn)成本，使得隧道窯發(fā)展明顯受限。由于規(guī)模小、原料外購(gòu)為主、得不到穩(wěn)定的原料供應(yīng)保證、產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)大，隧道窯較少用于煉鋼海綿鐵的生產(chǎn)。

隧道窯工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、原料、還原劑、燃料容易解決，前期投資小，適合小規(guī)模生產(chǎn)，是粉末冶金行業(yè)普遍使用的還原生產(chǎn)工藝。近年來(lái)隨著鐵精粉品質(zhì)的提高，高品質(zhì)鐵精粉原料生產(chǎn)的還原鐵粉質(zhì)量?jī)?yōu)異，可應(yīng)用于高端磁性材料和優(yōu)質(zhì)的化工材料，尤其在新能源電池領(lǐng)域應(yīng)用有大幅增加，使得高端還原鐵的需求量有所增加，2021年以來(lái)，一些資源優(yōu)勢(shì)的地方開始再度增加隧道窯生產(chǎn)線。

近年來(lái)，隧道窯在國(guó)外一些國(guó)家得到了一定發(fā)展：伊朗、印度等鐵礦資源豐富且缺乏焦煤的國(guó)家引進(jìn)了中國(guó)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(wàn)噸項(xiàng)目?jī)蓷l206米天然氣隧道窯均正常生產(chǎn)，生產(chǎn)效益良好，廠家順利投建了二期項(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(jī)。湖北中基窯爐也有在伊朗建設(shè)隧道窯的業(yè)績(jī)，還有其它窯爐公司也有非洲建廠業(yè)績(jī)。

 

1.2 回轉(zhuǎn)窯工藝

國(guó)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(wàn)噸的回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線。2020年印度的直接還原鐵產(chǎn)量為3298萬(wàn)噸，其中回轉(zhuǎn)窯工藝的產(chǎn)量為2534萬(wàn)噸，占比76.8%。天津鋼管公司引進(jìn)英國(guó)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(wàn)噸，超過(guò)了15萬(wàn)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。目前，這兩條生產(chǎn)線被內(nèi)蒙古中盛科技拆走，用于其年產(chǎn)60萬(wàn)噸（4*15萬(wàn)噸）回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵項(xiàng)目的一期2*15萬(wàn)噸項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2023年年初建成投入運(yùn)行。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(wèn)題較為突出，面臨一定的生產(chǎn)操作問(wèn)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(lái)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、衢州鋼鐵等數(shù)十家鋼廠均采用回轉(zhuǎn)窯粉塵處理工藝。酒鋼煤基氫冶金中試基地(年處理能力8萬(wàn)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月份開始進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)。

回轉(zhuǎn)窯直接還原法在鉻礦還原、鈦鐵礦的還原生產(chǎn)上也取得了不錯(cuò)的效果,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(guò)30%?；剞D(zhuǎn)窯直接還原鈦鐵礦的工藝過(guò)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(cāng)，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)?；剞D(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(guò)1150℃，并將鈦鐵礦還原為高品位富鈦料。國(guó)內(nèi)主要的回轉(zhuǎn)窯直接還原生產(chǎn)線裝置見(jiàn)表2：