我國鋼鐵工業(yè)面臨工藝流程再造問題

　　中國工程院院士徐匡迪在談改革開放40年中國鋼鐵工業(yè)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及未來發(fā)展路徑時(shí)提出，我國鋼鐵工業(yè)目前存在三個(gè)主要問題：

　　1)鋼鐵工業(yè)發(fā)展沒有嚴(yán)格按照生態(tài)環(huán)境的要求健康綠色發(fā)展；

　　2)鋼鐵工業(yè)發(fā)展初期只考慮短期的供需效應(yīng)，沒有考慮合理布局；

　　3)中國鋼鐵工業(yè)面臨工藝流程再造問題。

　　針對(duì)鋼鐵工藝流程再造問題，徐匡迪院士指出：“現(xiàn)在中國鋼鐵行業(yè)的長流程占比近90%，而美國、歐盟短流程已經(jīng)占到40%以上，美國生產(chǎn)普通鋼材的主要流程就是用短流程的電弧爐冶煉，爐外精煉然后就軋制”。

　　徐匡迪院士還表示：“如果我國鋼鐵工藝流程再造成功，一方面可以降低對(duì)國外鐵礦石的依存度，另一方面可以大大降低碳排放，符合綠色發(fā)展要求。用短流程冶煉還可以調(diào)峰運(yùn)行，解決能源供應(yīng)的峰谷問題和環(huán)境問題，同時(shí)降低能耗。在當(dāng)前技術(shù)水平下，如果企業(yè)有自有電廠，長流程生產(chǎn)1噸成品鋼要消耗700多公斤標(biāo)準(zhǔn)煤，而短流程只需消耗其60%左右。此外，由于工藝流程的再造，將產(chǎn)生出很多新的產(chǎn)業(yè)，如廢鋼回收和加工等產(chǎn)業(yè)。”

　　我國由于廢鋼及天然氣資源短缺，長流程工藝在鋼鐵工業(yè)中占絕對(duì)統(tǒng)治地位，但要推進(jìn)我國鋼鐵工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，就需要進(jìn)行鋼鐵工藝流程的再造。因此，完善長流程、發(fā)展短流程、推動(dòng)DR-EAF(直接還原電爐煉鋼)短流程的構(gòu)建，應(yīng)該是我國鋼鐵工藝流程再造的發(fā)展方向之一。

　　2北美鋼鐵工藝流程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

　　2012年以來，北美鋼鐵工藝流程悄然發(fā)生變化。盡管目前北美鋼鐵流程仍以BF-BOF(高爐-轉(zhuǎn)爐流程)長流程為主要工藝流程，而以DR-EAF短流程為輔，但短流程的流程效能越來越強(qiáng)烈地顯現(xiàn)出來。

　　2015年，在北美鋼鐵工業(yè)中，采用DR-EAF短流程工藝，只有10家運(yùn)營或在建設(shè)中。2015年后，直接還原鐵生產(chǎn)有了突破性進(jìn)展，啟動(dòng)建設(shè)了一批直接還原鐵項(xiàng)目，促進(jìn)了DR-EAF短流程的構(gòu)建與發(fā)展。其中一個(gè)項(xiàng)目值得注意，即歐洲奧鋼聯(lián)公司在美國德克薩斯州建造了一座年產(chǎn)200萬噸HBI(熱壓塊鐵)直接還原鐵廠，并于2016年投產(chǎn)。

　　該項(xiàng)目以下幾個(gè)特點(diǎn)值得我國鋼鐵企業(yè)關(guān)注。

　　1)歐洲奧鋼聯(lián)公司直接在美國投資建造直接還原鐵廠，利用美國廉價(jià)且豐富的頁巖氣資源，生產(chǎn)直接還原鐵，并將產(chǎn)品運(yùn)回奧地利，供林茨鋼鐵廠使用。這條工藝路線與歐洲傳統(tǒng)鋼鐵工藝流程不同，是鋼鐵流程的再造。

　　2)該直接還原鐵廠100%生產(chǎn)HBI，保證長途運(yùn)輸中DRI(直接還原鐵)的氧化鐵損最低。

　　3)天然氣短缺是歐洲生產(chǎn)DRI的短板，奧鋼聯(lián)的這種生產(chǎn)方式，是奧地利鋼鐵企業(yè)DR-EAF短流程的成功嘗試，是鋼鐵流程的創(chuàng)新，在歐洲影響非凡。

　　4)數(shù)據(jù)顯示，采用長流程的鋼鐵廠，噸鋼CO2排放量約1600kg，而采用短流程的鋼鐵廠，噸鋼CO2排放量約800kg。由此可見，短流程鋼鐵工藝可以大幅度降低CO2排放，它是實(shí)現(xiàn)綠色鋼鐵的重要手段。

　　3我國發(fā)展鋼鐵短流程的最大短板是天然氣短缺

　　綜觀全球，特別是天然氣產(chǎn)量豐富的國家和地區(qū)(如中東、美國、南美、東南亞、非洲)，近年DR-EAF短流程均有實(shí)質(zhì)性地發(fā)展。例如，伊朗氣基豎爐直接還原鐵電爐煉鋼年產(chǎn)量有望達(dá)到2000萬噸以上，而美國DR-EAF短流程已步入常態(tài)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。另外，還存在其他發(fā)展模式，例如印度，由于煉焦煤短缺，采用煤基+氣基兩種工藝生產(chǎn)直接還原鐵，之后進(jìn)行電爐煉鋼，印度已成為全球直接還原鐵生產(chǎn)大國。

　　這些國家的生產(chǎn)實(shí)踐證明，DR-EAF短流程具有建設(shè)成本低、能耗低、CO2排放低的特點(diǎn)，已被鋼鐵界所認(rèn)可，但發(fā)展DR-EAF的前提條件是必須有足夠氣體資源做支撐。

　　我國天然氣資源相對(duì)短缺，利用天然氣發(fā)展氣基直接還原煉鐵受到限制。但是，我國可以采用高化學(xué)能或廉價(jià)的氣體資源(如焦?fàn)t煤氣、頁巖氣、煤制氣)生產(chǎn)直接還原鐵，與電爐煉鋼對(duì)接，這是我國鋼鐵流程未來發(fā)展的方向之一，是推進(jìn)我國DR-EAF短流程工藝再造的關(guān)鍵所在。

　　4我國發(fā)展DR-EAF短流程工藝的最大優(yōu)勢在于焦?fàn)t煤氣的利用與創(chuàng)新

　　盡管我國天然氣短缺，但我國擁有大量的焦?fàn)t煤氣，應(yīng)該合理利用我們的優(yōu)勢，發(fā)展DR-EAF短流程工藝，推動(dòng)鋼鐵工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

　　由于歷史和資源稟賦原因，我國鋼鐵制造流程以長流程為主導(dǎo)，可以為直接還原生產(chǎn)提供足夠數(shù)量和高質(zhì)量的氣體資源——焦?fàn)t煤氣。這是我國發(fā)展DR-EAF短流程的最大優(yōu)勢。

　　焦?fàn)t煤氣含有60%H2，是高化學(xué)能氣體資源，是寶貴的氫資源，是不可多得的還原劑。焦?fàn)t煤氣用作燃料是低效率的，應(yīng)該用作還原劑。焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵是氫冶金在鋼鐵流程再造中的應(yīng)用。另外，氫冶金在冶金過程中不與焦炭接觸，生產(chǎn)的DRI為高純鐵，產(chǎn)品質(zhì)量高，有利于電爐生產(chǎn)出高純凈鋼。

　　直接還原煉鐵基于氫冶金反應(yīng)原理，而高爐煉鐵基于碳冶金反應(yīng)原理，其反應(yīng)式如下：

　　碳冶金：Fe2O3+3CO = 2Fe+3CO2

　　氫冶金：Fe2O3+3H2 = 2Fe+3H2O

　　由碳冶金轉(zhuǎn)向氫冶金是鋼鐵工藝流程巨大的變化。高爐煉鐵是用焦炭不完全燃燒產(chǎn)生的CO作還原劑，而氫冶金是高化學(xué)能氫作還原劑，還原劑的改變引發(fā)了冶金流程效能的根本性變化。

　　氫是高化學(xué)能還原劑，從反應(yīng)機(jī)理推算，H2的還原潛能是CO的11倍，由此不難看出，氫冶金的能耗大大低于碳冶金。

　　由于H2的分子直徑小，在鐵礦石中的穿透能力是CO的5倍，大大提高了反應(yīng)速度，降低了反應(yīng)溫度，鐵礦石不經(jīng)過相變，可直接還原成純鐵。

　　5 BF-BOF長流程與DR-EAF短流程的融合共存，將成為未來鋼鐵發(fā)展的新趨勢

　　BF-BOF長流程與DR-EAF短流程的融合共存，在美國鋼鐵界已成為常態(tài)，為我國鋼鐵業(yè)發(fā)展提供了新思路，為推進(jìn)鋼鐵業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了新方向。

　　我國鋼鐵工業(yè)長流程的格局，為發(fā)展氣基直接還原鐵生產(chǎn)提供了最佳的氣體資源，可以彌補(bǔ)天然氣短缺的短板，可為大容量的發(fā)展DR-EAF工藝提供可靠的氣體資源，可以保持鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。合理、創(chuàng)新地用好焦?fàn)t煤氣，將為世界鋼鐵發(fā)展提供變革的機(jī)遇和發(fā)展模式，推進(jìn)世界鋼鐵新發(fā)展。

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