有關煉鐵工藝未來發(fā)展趨勢的分析
鋼是當今人類社會和經濟活動的重要材料，已滲透至人們生活的方方面面。
全球面臨著不斷提高能源利用效率、保護環(huán)境等嚴峻挑戰(zhàn)，鋼材的更廣泛應用仍是解決材料問題的關鍵。2017年，全球鋼產量已達16.747億噸，較2016年增長2.8%。未來，世界鋼產量將保持持續(xù)增長的觀點已是行業(yè)內外的共識。
然而，未來支撐鋼生產的鐵元素來源則存在相當的不確定性。傳統高爐煉鐵面臨的節(jié)能環(huán)保及原燃料適應性壓力，各種非高爐煉鐵工藝的成熟可靠性、新煉鐵方法開發(fā)前景，以及廢鋼的循環(huán)使用量等，都將影響各自在未來煉鋼的鐵源供應中的比重及供給的持續(xù)性。本文將著重探討有關高爐煉鐵工藝的發(fā)展及未來適應性，并分析廢鋼使用量對高爐煉鐵的影響，以期拋磚引玉，與行業(yè)專家同仁共謀我國煉鐵健康發(fā)展良策。
各種煉鐵工藝的發(fā)展狀況及未來適應性
高爐煉鐵工藝。
在過去的20余年里，我國高爐煉鐵生產的快速發(fā)展，帶動了全球高爐生鐵產量的大幅度增加。2017年，全球高爐生鐵的產量達11.748億噸，我國則占其中的60.5%，達7.108億噸。
國外高爐生鐵總量一直在4.5億噸的規(guī)模徘徊。然而，這種總量的不變并非代表著各國生產的穩(wěn)定，而是一些發(fā)達國家生鐵產量的下降和一些發(fā)展中國家生鐵產量的增加，是一個綜合平衡的結果，詳見圖1。例如，歐洲（不含俄、烏）的總產量已由1989 年的1.442億噸降低到2017年的1.065億噸，北美（美國、加拿大、墨西哥）的總產量由6790余萬噸降低到2017年的3291.5萬噸，其中美國由5097.8萬噸降低到2233.5萬噸。而印度的產量則由1989年的1219萬噸增加至2017年的6597.7萬噸；韓國由1484.6萬噸增加至4674.4萬噸。
上述國內外高爐生鐵產量的變化狀況，除反映了高爐生產工藝總產量的穩(wěn)定增長外，也反映出各國和各地區(qū)的變化受多種內外因素的影響，如廢鋼供應、國內經濟發(fā)展，以及區(qū)域市場競爭等，存在需要深入研究的內在驅動力。
直接還原工藝。
直接還原鐵作為優(yōu)質的電爐煉鋼原料，一直有很好的市場需求量。而全球由各種直接還原工藝生產的直接還原鐵DRI（含熱壓塊鐵HBI）在經歷了幾十年的艱苦發(fā)展后，2016年已達7276萬噸。
在2016年的直接還原鐵生產中，氣基直接還原工藝生產的比例仍在增加，達到82.5%，煤基回轉窯的比例下降至17.5%。5個直接還原鐵生產大國是：印度1847萬噸，伊朗1601萬噸，沙特589萬噸，俄羅斯570萬噸，墨西哥531萬噸，五大生產國的產量占總量的70.6%。
縱觀直接還原工藝的發(fā)展歷史及現狀，可以看出，直接還原工藝中的煤基直接還原工藝因生產規(guī)模小、效率低以及產品質量差，競爭力較差，發(fā)展較慢。氣基直接還原雖具有較高的效率，但因以天然氣為能源，發(fā)展空間和前景有限。對于用煤制氣直接還原工藝，工藝的成熟性和經濟性仍須嚴峻考驗。
熔融還原工藝。
據報道，近年來世界熔融還原鐵的總產量在600萬噸/年左右，未有大的突破。在3種已工業(yè)化的熔融還原工藝中，Corex 工藝除了寶鋼一座C3000裝置從上海搬遷至新疆八鋼投產外，未有新的建設項目。Finex工藝于2014年1月在韓國浦項投產200萬噸/年的裝置后，雖有多個計劃的項目，但未見實質啟動。Hismelt工藝在澳大利亞的工業(yè)示范裝置已被搬遷到我國山東，并于2017年投產，成為近幾年熔融還原工藝發(fā)展的新動向。一些新的熔融還原工藝，如Hisana工藝，仍在研究開發(fā)中，但其開發(fā)力度大大減弱，進度也放緩。
分析熔融還原工藝的發(fā)展能夠認識到，以克服高爐使用焦炭和塊狀爐料的弊端為目標的各種熔融還原工藝，在經過很長一段時間的開發(fā)和應用熱潮后，一些工藝雖證明了原理的可行性，但無法體現在生產運行方面比高爐煉鐵更突出的優(yōu)勢。此狀況的一個核心問題是，為避開使用焦炭和塊狀爐料所采取的各種新的工藝流程和方法，都在過程能量利用率和工藝及設備條件等方面付出了額外代價。尤其是各個工藝在能量利用效率方面都很難與高爐競爭，僅生產供給煉鋼用的普通鐵水，其經濟價值難以體現。
各工藝對未來發(fā)展的適應能力及高爐煉鐵工藝的定位。
未來社會發(fā)展對鋼鐵生產流程提出了兩大挑戰(zhàn)，一是能量消耗最低，二是CO2排放最少。國外研究了“高爐+轉爐”“Finex+轉爐”“直接還原豎爐+電爐”3種流程中的能耗和CO2排放情況。3種流程中均配加25%的廢鋼。得出的結論如下：
一是包括煤氣發(fā)電的能量轉換在內，“直接還原豎爐+電爐”流程的凈能耗最高(15.34GJ/t鋼水)，“高爐+轉爐”流程的凈能耗最低(14.03GJ/t 鋼水)。
二是“高爐+轉爐”和“Finex+轉爐”流程的直接CO2排放量相當，約1700kg/t鋼水，而“豎爐+電爐”流程的直接CO2排放為600kg/t鋼水，僅為前兩者的35%。但當包括間接CO2排放時，“豎爐+電爐”的CO2總量為1200kg/t鋼水，是前兩者的65%。
綜上所述，高爐煉鐵工藝在產量規(guī)模和全球普及程度上絕對領先，在適應未來發(fā)展要求上，從凈能耗的角度看占據優(yōu)勢，但在CO2的排放上不及直接還原（豎爐）工藝。但考慮到豎爐（氣基）工藝的發(fā)展局限性和熔融還原的經濟性等問題，在世界范圍內，高爐煉鐵仍將是未來最主要的煉鐵工藝。結合我國的資源條件和煉鐵發(fā)展狀態(tài)，高爐煉鐵仍將是可預見的最適應未來發(fā)展的可靠煉鐵生產工藝。
廢鋼，高爐煉鐵的宿敵？
在各種煉鐵工藝中，雖然高爐煉鐵最適合未來發(fā)展，但卻存在一個最大威脅甚至是宿敵——廢鋼。廢鋼煉鋼在噸鋼能耗和CO2排放量方面的優(yōu)勢，已完勝用高爐鐵水煉鋼。未來煉鋼的廢鋼使用量將決定高爐煉鐵的生產規(guī)模。事實上，全球鋼鐵，特別是北美和歐洲的發(fā)展過程，已證實了這種發(fā)展趨勢。
國外狀況。
根據國外統計，2014年，在全球煉鋼使用的18.43億噸金屬料中，高爐鐵水占63.8%，廢鋼占31.7%，直接還原鐵（含熱壓塊）4.1%，熔融還原0.4%。（高爐）鐵與鋼比為0.71，扣除我國則為0.55，即國外接近一半的鋼不是用鐵水生產的，其中主要是用廢鋼。2017年全球包括我國在內，（高爐）鐵鋼比為0.71，（高爐）鐵鋼產量差距是5.0億噸。這種情況在美國表現得更為突出。2017年美國產鋼8164萬噸，而高爐鐵水僅為2233.5萬噸，鐵鋼比低到只有0.27。
未來世界的鋼產量將在16億噸的基礎上繼續(xù)保持甚至增長，但隨著全球廢鋼供應的增加，高爐鐵水比例將相對鋼產量逐漸下降或鐵水產量絕對下降，這應該是一個必然的趨勢。
我國狀況。
我國鋼鐵的發(fā)展過程也正在驗證這個趨勢。我國是鐵鋼比高的國家，而且鑄造鐵比例高曾長期使鐵的產量大于鋼的產量，鐵鋼比大于1。近年來，鋼、鐵產量均大幅度增長，鐵鋼比開始出現下降的趨勢，從1996年的1.05降低到2017年的0.85，而這種鐵鋼比變化帶來的鋼和鐵產量差已由1996年的-500萬噸，拉大到2017年的1.21億噸。
鐵鋼比變化的主要內在原因，正是煉鋼廢鋼使用量的不斷增加。如2001年的廢鋼使用量為4000萬噸，2016年則達到9010萬噸。特別是在2017年，隨著國家全面取締“地條鋼”生產，加之煉鐵環(huán)保限產及停產，使大量廢鋼流入正規(guī)煉鋼生產流程，據報道，全年總的廢鋼消費量達到1.4億噸。
未來高爐煉鐵生產。
在鋼鐵生產節(jié)能減排以及廢鋼供應量不斷增加的大趨勢下，全球的高爐煉鐵產量與鋼產量之間的差距會繼續(xù)擴大，高爐鐵水的總產量會穩(wěn)中有降。當然這不排除個別地區(qū)一段時期的高爐鐵水產量增加。
對于我國來說，隨著經濟從高速增長轉變?yōu)橹兴俜€(wěn)定發(fā)展，以及一些國家不斷加重的貿易保護主義造成的我國鋼材出口量下降，預計在未來一段時間，我國鋼產量將保持基本穩(wěn)定，煉鋼對鐵源的需求也將保持基本不變。
在這種情況下，煉鋼廢鋼的使用量將決定著高爐生鐵的產量。我國的鋼鐵積蓄量已超過80億噸，廢鋼供應量超過1.5億噸/年，而且持續(xù)增加。有專家預測，到2020年，我國廢鋼供應會達到2.7億噸。煉鋼使用廢鋼相較于使用高爐鐵水具有的節(jié)能減排優(yōu)勢，在當今我國嚴格要求鋼鐵生產節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，更顯得突出。如果上述廢鋼供應量得以實現，而且質量得以保證，隨著電爐減少吃鐵水，新建電爐以及新流程電爐投產和轉爐增加廢鋼比，我國高爐煉鐵產量開始逐步下降將是大概率事件。
當然，根據我國現有的煉鐵生產規(guī)模和經濟競爭性，以及廢鋼的供應量，在各種綜合因素的影響下，在相當長一段時間內，高爐煉鐵雖會產量下降，但仍將保持其巨大的生產規(guī)模。
中國鋼鐵新聞網
2019-03-22
2019-03-22