摘 要
簡(jiǎn)述了當(dāng)前我國(guó)鋼鐵行業(yè)和煉鐵工藝面臨的形勢(shì)、國(guó)內(nèi)外煉鐵生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展,由此分析研判了今后煉鐵技術(shù)發(fā)展方向,短期內(nèi)是適應(yīng)城市鋼廠建設(shè)的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用,中長(zhǎng)期是低碳、低成本的工藝技術(shù)及智慧制造裝備技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用,并指出了與此相關(guān)的需重點(diǎn)關(guān)注及研發(fā)的裝備、工藝和技術(shù),重點(diǎn)介紹了寶武鋼鐵在產(chǎn)城共融、低碳冶煉、智慧制造和低成本冶煉方面的已取得進(jìn)展和為促進(jìn)我國(guó)未來(lái)煉鐵技術(shù)發(fā)展所規(guī)劃、設(shè)計(jì)的“寶鋼方案”。
1 前言
當(dāng)前,我國(guó)鋼鐵行業(yè)處正處在“一嚴(yán)兩高”的局面:“一嚴(yán)”是環(huán)保政策越來(lái)越嚴(yán);黨的十九大和習(xí)近平總書記明確指出,要堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn),環(huán)境治理首次上升到政治的高度列入黨和政府重要工作目標(biāo), 國(guó)務(wù)院印發(fā)了《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》,今年 4 月 22 日,五部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》,進(jìn)一步提高了我國(guó)工業(yè)行業(yè)的排放要求。“兩高”是鋼產(chǎn)量高企、鋼鐵原燃料價(jià)格高企;2018 年鋼鐵行業(yè)在盡管要求去產(chǎn)能、加大環(huán)保治理和執(zhí)法力度,但鋼鐵產(chǎn)量仍高達(dá) 9.28 億噸,2019 年受結(jié)構(gòu)調(diào)整和利益驅(qū)動(dòng),鋼鐵月均產(chǎn)能屢創(chuàng)歷史新高,資源供求關(guān)系出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性的轉(zhuǎn)變,原燃料價(jià)格大幅上漲。隨國(guó)際貿(mào)易環(huán)境持續(xù)惡化,國(guó)內(nèi)外鋼鐵產(chǎn)品需求可能減少,同時(shí)產(chǎn)品價(jià)格不可避免將進(jìn)一步降低, 鋼鐵企業(yè)鐵水成本壓力加大,企業(yè)效益受到嚴(yán)峻考驗(yàn)。可以預(yù)見:今后 5~10 年內(nèi),我國(guó)鋼鐵行業(yè)可能很少會(huì)有 2018 年一樣效益的機(jī)會(huì)了;鋼材總產(chǎn)量必然要逐步縮減,企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈。
煉鐵作為鋼鐵制造業(yè)“龍頭”工序,不僅是能耗和排放大戶,也是制造成本最高的單元,煉鐵能否既適應(yīng)城市鋼廠的要求,又具有強(qiáng)大的成本競(jìng)爭(zhēng)力,很大程度上決定了鋼鐵企業(yè)的生存和去留問(wèn)題。因此,在國(guó)家環(huán)保政策收緊、鋼鐵行業(yè)減量提質(zhì)的背景下,探討和分析未來(lái)煉鐵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),對(duì)廣大煉鐵工作者正確選擇技術(shù)技術(shù)路線,確定研發(fā)重點(diǎn)和主攻方向,實(shí)現(xiàn)煉鐵轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展,具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2 煉鐵生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀
2.1 工藝型式及對(duì)比
目前煉鐵的主要工藝仍是高爐煉鐵、直接還原和熔融還原三種。
1、效率和規(guī)模對(duì)比
從總量占比看,2018 年全球鋼鐵產(chǎn)量達(dá)到 18.08 億噸,其中,中國(guó)鋼鐵產(chǎn)量為 9.283 億噸;鐵水產(chǎn)量共計(jì)約 13.3 億噸,其中高爐煉鐵 12.39 億噸,占總鐵水產(chǎn)量 93.0%,占絕對(duì)優(yōu)勢(shì);直接還原鐵 8410.2 萬(wàn)噸, 占總鐵水產(chǎn)量 6.3%;熔融還原鐵約 850 萬(wàn)噸,占總鐵水產(chǎn)量 0.6%;從單體設(shè)備最高年產(chǎn)看,非高爐煉鐵裝備只能達(dá)到最大高爐煉鐵的 40%左右;從作業(yè)率來(lái)看,非高爐煉鐵最高不超過(guò) 95%,而高爐則最高能達(dá)到99%以上。
2、能耗與排放對(duì)比
國(guó)外研究了“高爐+轉(zhuǎn)爐”,“Finex+轉(zhuǎn)爐”,“直接還原豎爐+電爐”三種流程中均配加 25%的廢鋼的能耗和CO2排放情況,得出的結(jié)論是:包括煤氣發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換在內(nèi),“直接還原豎爐+電爐”流程的凈能耗最高(15.34GJ/t 鋼水),“高爐+轉(zhuǎn)爐”流程的凈能耗最低(14.03GJ/t 鋼水);“高爐+轉(zhuǎn)爐”和“Finex+轉(zhuǎn)爐”流程的直接CO2 排放量相當(dāng),約 1700kg/t 鋼水,而“豎爐+電爐”流程的直接 CO2 排放為 600kg/t 鋼水,僅為前二者的 35%。但當(dāng)包括間接 CO2 排放時(shí),“豎爐+電爐”的 CO2 總量為 1200kg/t 鋼水,是前兩者的 65%。
3、成本競(jìng)爭(zhēng)力對(duì)比
已工業(yè)化的熔融還原工藝中,HIsmelt 工藝成本最低,Finex 工藝次之,Corex 成本最高,但基本都高于同等規(guī)模高爐成本。浦項(xiàng)雖然聲稱其新投產(chǎn) Finex 工藝生產(chǎn)成本只比同規(guī)模高爐下降 5%,同時(shí)還強(qiáng)調(diào) Finex 與高爐兩種流程結(jié)合可以發(fā)揮合成的作用,使鐵水綜合成本更低。這些以克服高爐使用焦炭和塊狀爐料為目標(biāo)的熔融還原工藝,雖證明了原理的可行性,但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(guò)程能量利用率和工藝及設(shè)備條件等方面付出了額外代價(jià),因此無(wú)法體現(xiàn)在生產(chǎn)運(yùn)行方面比高爐煉鐵更具突出優(yōu)勢(shì),另外,僅生產(chǎn)供給煉鋼用的普通鐵水,其經(jīng)濟(jì)價(jià)值難以體現(xiàn)。
從以上對(duì)比,目前高爐工藝和非高爐工藝的主要優(yōu)劣勢(shì)是:高爐煉鐵工藝在產(chǎn)量規(guī)模和全球普及程度上絕對(duì)領(lǐng)先,但在碳排放、污染物及顆粒物排放上不及直接還原(豎爐)工藝;豎爐(氣基)煉鐵工藝和熔融還原煉鐵工藝短板在規(guī)模和經(jīng)濟(jì)性。因此,考慮到直接還原的發(fā)展局限性和熔融還原的經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題,結(jié)合我國(guó)的資源條件,在可預(yù)見的未來(lái),高爐煉鐵仍將是最主要的煉鐵工藝;而從長(zhǎng)期看,必須要關(guān)注、研發(fā)更少碳排放、污染物排放的直接還原、熔融還原煉鐵工藝技術(shù)。
2.2 行業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展研判
2.2.1 我國(guó)煉鐵技術(shù)發(fā)展情況
我國(guó)擁有世界最大的鐵水生產(chǎn)量和最多的煉鐵工藝裝備,2018年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量占世界粗鋼總產(chǎn)量51.3%,除少數(shù)非高爐煉鐵、短流程煉鋼外,其中絕大部分粗鋼是使用高爐煉鐵鐵水生產(chǎn)的。目前我國(guó)煉鐵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀是:
(1)隨環(huán)保政策日益加嚴(yán),有些甚至遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),煉鐵排放及煙氣治理工藝技術(shù)得以大規(guī)模研發(fā)與應(yīng)用,部分工藝、技術(shù)已經(jīng)步入世界先進(jìn)行列。當(dāng)前很多企業(yè)都在投入巨量資金進(jìn)行環(huán)保改造,以盡可能達(dá)到“超凈排放”,并獲得環(huán)境污染天氣時(shí)的“限產(chǎn)豁免權(quán)”。
(2)總體水平有提升,但差異較大,部分煉鐵廠燃料消耗、碳排放長(zhǎng)期偏高。有部分企業(yè)鐵前操作指標(biāo)已處于世界一流或領(lǐng)先水平,但多數(shù)鋼廠落后于國(guó)外先進(jìn)水平。煉鐵廠多而分散,高爐平均爐容小,勞動(dòng)生產(chǎn)率低,技術(shù)發(fā)展水平不平衡;高爐平均燃料比較發(fā)達(dá)國(guó)家平均高 20kg/t～30kg/t,焦炭灰分及入爐礦石品位較差、不穩(wěn)定,另外,部分企業(yè)盲目追求高冶煉強(qiáng)度超過(guò)了高爐穩(wěn)定而且經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)所允許的范圍, 導(dǎo)致燃料比升高,嚴(yán)重影響高爐壽命,國(guó)內(nèi)高爐平均一代爐齡在 10~15 年。近年來(lái),隨著環(huán)保加嚴(yán),小高爐迅速減少、關(guān)停,高爐大型化趨勢(shì)明顯,但煤氣利用率低、燃料比高的狀況并未根本改變。
(3)多數(shù)企業(yè)開始推進(jìn)煉鐵智慧制造,但水平和層次不平衡,高端的已經(jīng)進(jìn)入自動(dòng)化、智能化、模型化階段,低端的僅僅是逐步實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動(dòng)化,還談不上智慧制造。
2.2.2 國(guó)外煉鐵技術(shù)發(fā)展情況
1、基于現(xiàn)有主體工藝進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和研究。
燒結(jié)工藝上,主要是節(jié)能減排的操作、工藝改進(jìn)、革新等新技術(shù),如日本 JFE 公司開發(fā)的超級(jí)燒結(jié)工藝(Super-Sinter)、豎式爐冷卻燒結(jié)礦余熱發(fā)電技術(shù)、微波燒結(jié)技術(shù)等;煉焦工藝上,主要是多種工藝優(yōu)化、裝備改進(jìn)的節(jié)能減排技術(shù),如日本多家研究單位及鋼鐵廠聯(lián)合開發(fā)的大幅提高弱粘結(jié)煤煉焦新技術(shù)、焦?fàn)t無(wú)組織排放治理、清潔高效梯級(jí)篩分內(nèi)置熱流化床煤調(diào)濕技術(shù)等;高爐工藝上,主要有各種以節(jié)能減排、提高效率為目的工藝裝備改進(jìn)、新型爐料及噴吹物等技術(shù),如低 CO2 排放高爐煉鐵新技術(shù)、新工藝等。
2、大規(guī)模開展低碳冶煉工藝、技術(shù)研究。
近年來(lái),為應(yīng)對(duì)氣候變暖、降低 CO2 等溫室氣體排放量,以及為降低生產(chǎn)過(guò)程的碳排放成本或?qū)崿F(xiàn)碳交易增值,國(guó)外先進(jìn)同行紛紛推出了面向未來(lái)的煉鐵減碳規(guī)劃,典型工藝代表有歐洲的超低二氧化碳煉鋼項(xiàng)目(ULCOS)、日本的環(huán)境和諧型煉鐵工藝技術(shù)項(xiàng)目(COURSE50)、韓國(guó)的 COREA2030 項(xiàng)目、瑞典的HYBRIT 項(xiàng)目和美國(guó)的 MOE 項(xiàng)目等。
3、智能與智慧制造有了新的進(jìn)步與發(fā)展。
主要是煉鐵生產(chǎn)過(guò)程的可視化、自動(dòng)化、智能化技術(shù)得到進(jìn)一步的研發(fā)與應(yīng)用,尤其操作控制的模塊化。
3 未來(lái)煉鐵技術(shù)發(fā)展方向和重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注技術(shù)
3.1 煉鐵技術(shù)發(fā)展方向研判
從行業(yè)發(fā)展形勢(shì)看,短期內(nèi)我國(guó)鋼鐵行業(yè)目前面臨最大的挑戰(zhàn)是環(huán)保排放問(wèn)題,而從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,一是減碳是大勢(shì)所趨,二是成本競(jìng)爭(zhēng)力仍是可持續(xù)發(fā)展的根本保證。因此,未來(lái)煉鐵技術(shù)發(fā)展方向,短期是適應(yīng)城市鋼廠建設(shè)的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用,如煙氣粉塵排放、固廢消納等工藝技術(shù)等;中長(zhǎng)期是低碳、低成本的工藝技術(shù)及智慧制造裝備技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用,如全系統(tǒng)鐵水成本最優(yōu)的配煤配礦技術(shù),無(wú)人化、智能化、模型化的裝備與系統(tǒng),以及降低碳排放的新工藝、新技術(shù)。具體實(shí)現(xiàn)途徑是:
(1)立足現(xiàn)有工藝進(jìn)行改進(jìn)、革新
通過(guò)技術(shù)及局部工藝革新改進(jìn)高能耗、高排放的缺點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好生產(chǎn);通過(guò)煉鐵工藝裝備升級(jí)改造,提高效率,降低成本,實(shí)現(xiàn)煉鐵生產(chǎn)全流程的智能化、數(shù)字化、可視化,即智慧制造,也將是后續(xù)的技術(shù)發(fā)展方向;加快城市鋼廠建設(shè),實(shí)現(xiàn)低碳清潔生產(chǎn),研發(fā)節(jié)碳減排、資源循環(huán)利用與廢棄物消納技術(shù)。
(2)研發(fā)全新的低碳、低排放的非高爐煉鐵工藝、技術(shù)
高爐煉鐵工藝需消耗大量煤基化石能源,占企業(yè)煤耗的 70%以上,是鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程最大的碳排放工序,煉鐵系統(tǒng)的粉塵排放占比例40%以上,煙氣排放占比約 60~70%,雖然先進(jìn)高爐的燃料消耗水平已降低到500 kg/thm 以下,但在現(xiàn)有的工藝條件下,進(jìn)一步降低燃料消耗的潛力已十分有限,因而,探索低碳新工藝、降低碳素消耗是實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)煤炭減量化、降低碳排放成本的關(guān)鍵途徑;非高爐煉鐵工藝較傳統(tǒng)高爐煉鐵在原燃料要求與排放上有優(yōu)勢(shì),一旦在規(guī)模、成本上獲得突破,將對(duì)傳統(tǒng)高爐造成極大挑戰(zhàn)與沖擊。
3.2 應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注、研究的工藝技術(shù)
3.2.1 產(chǎn)城共融工藝、技術(shù)
世界領(lǐng)先鋼鐵企業(yè)經(jīng)驗(yàn)表明:建設(shè)城市鋼廠、與城市深度融合是企業(yè)發(fā)展的必由之路,國(guó)外日本、德國(guó)、韓國(guó)等國(guó)的鋼鐵廠也都有很好的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),如日本千葉制鐵所建設(shè)了“熱分解氣化改質(zhì)資源再生利用設(shè)備”,處理城市垃圾,將熱分解的氣體改質(zhì)后供鋼廠作能源使用,實(shí)現(xiàn)與城市融合;浦項(xiàng)年建成固體廢物發(fā)電廠,進(jìn)軍生活廢棄物燃料化事業(yè)等。目前我國(guó)煉鐵行業(yè)對(duì)煙氣、粉塵治理與排放方面比較重視,技術(shù)先進(jìn)度、成熟度也較好,但對(duì)城市固廢消納方面基本處于探索階段,距離社會(huì)需求差距較大。煉鐵目前已有和未來(lái)需要探索的產(chǎn)城共融技術(shù)見表 1。
表 1 煉鐵目前已有和需研發(fā)產(chǎn)城共融技術(shù)
3.2.2 低碳冶煉相關(guān)工藝、技術(shù)
我國(guó)政府在巴黎氣候大會(huì)承諾:2030 年左右單位 GDP 的CO2 排放降低 60%~65%。鋼鐵行業(yè) CO2 排放占我國(guó)總排放量的 16.02%,其中,鐵前系統(tǒng)碳排放約占 11.7%,鋼鐵行業(yè)尚無(wú)明確的應(yīng)對(duì)技術(shù)方案;碳排放權(quán)交易系統(tǒng)已首次在發(fā)電行業(yè)啟動(dòng),初期每噸碳價(jià)將在 30~40 元,專家預(yù)測(cè) 2020 年中國(guó)碳交易市場(chǎng)碳價(jià)為人民幣74 元/噸,2025年碳價(jià)為108 元/噸,若鋼鐵業(yè)納入碳排放權(quán)交易系統(tǒng),過(guò)高的碳排放必然使企業(yè)付出沉重的成本代價(jià)。因此,煉鐵工作者必須要關(guān)注與研發(fā)低碳煉鐵技術(shù),重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注工藝、技術(shù)是:
(1)為消除預(yù)處理工序的污染及應(yīng)對(duì)原燃料質(zhì)量變差的工藝、技術(shù),以非高爐煉鐵技術(shù)為主。如歐盟HIsarna、UL-CORED;日本COURSE 50;浦項(xiàng) Finex;寶鋼歐冶爐;希爾(HYL)法、MIDREX 法工藝等。
(2)采用其它能源代替碳的新型煉鐵工藝、技術(shù),主要研究方向是以氫代替碳和電解煉鐵。如日本氧氣高爐爐身噴吹 COG 改質(zhì)富氫煤氣技術(shù)和氫氣高爐技術(shù);奧地利“H2 Future”;美國(guó)氫閃速熔煉(HFS)和熔融氧化物電解技術(shù)(MOE);歐盟堿性熔池直接電解鐵礦石等。
(3)提高高爐爐身效率的高效煉鐵技術(shù),主要研究方向是改變高爐還原平衡以大幅降低消耗。如歐盟高爐爐頂煤氣循環(huán)(TGRBF)、全氧+真空變壓吸附(VPSA);日本 COURSE 50 碳鐵復(fù)合爐料生產(chǎn)和使用技術(shù)。
3.2.3 智慧制造裝備及技術(shù)
智慧制造是實(shí)現(xiàn)煉鐵未來(lái)轉(zhuǎn)型升級(jí)、改善作業(yè)人員勞動(dòng)負(fù)荷、生產(chǎn)條件的重要手段,具體應(yīng)結(jié)合裝備現(xiàn)狀,分層、分步策劃與實(shí)施,可推進(jìn)步驟及區(qū)域見下圖 1。
圖 1 煉鐵智慧制造分層示意圖
3.2.4 低成本冶煉工藝、技術(shù)
產(chǎn)城共融、低碳冶煉是保證企業(yè)從環(huán)保的角度(合規(guī)合法市場(chǎng))生存下來(lái);而要從市場(chǎng)的角度(競(jìng)爭(zhēng)力)生存下來(lái),必須要推進(jìn)智慧制造、實(shí)現(xiàn)低成本冶煉。企業(yè)長(zhǎng)期沒(méi)有利潤(rùn),是不可能長(zhǎng)期存在于發(fā)展的。“低成本冶煉”需要重點(diǎn)關(guān)注的工藝、技術(shù)是:
(1)高效生產(chǎn)技術(shù):即立足已有工藝條件提高單機(jī)容量或提高單機(jī)產(chǎn)能,以提高生產(chǎn)效率,降低消耗、固定成本。如高爐高利用系數(shù)生產(chǎn)、超高厚料層(1000mm 以上)燒結(jié)、不同冶煉條件下高爐的穩(wěn)定生產(chǎn)技術(shù)等。
(2)高性價(jià)比礦煤資源的使用:主要是提高煉焦弱粘結(jié)煤、低品位礦的使用比例。如大比例弱粘煤配煤煉焦技術(shù)、低價(jià)非主流鐵礦資源使用技術(shù)等。
4 寶鋼煉鐵未來(lái)發(fā)展
在探索未來(lái)煉鐵技術(shù)發(fā)展方面,寶鋼也已經(jīng)或即將進(jìn)行多方面的嘗試,并逐步形成了面對(duì)未來(lái)可持續(xù)發(fā)展“寶鋼方案”。寶鋼規(guī)劃未來(lái)發(fā)展之路是:比超低排放更清潔的城市鋼廠;適應(yīng)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的低碳煉鐵;依靠工藝和技術(shù)創(chuàng)新的成本變革;以數(shù)字化和數(shù)模化為基礎(chǔ)的智慧制造。目標(biāo)是:重點(diǎn)研發(fā)基于低成本條件下的低碳、環(huán)保、智慧、高效煉鐵技術(shù),形成一批有較大影響力的、引領(lǐng)煉鐵行業(yè)發(fā)展的核心技術(shù),使鐵區(qū)環(huán)保指標(biāo)、主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、自動(dòng)化和智能化程度達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平,鐵水成本在國(guó)內(nèi)處于先進(jìn)水平,助推寶鋼煉鐵成為業(yè)內(nèi)最好的煉鐵。
4.1 產(chǎn)城共融
以在行業(yè)內(nèi)率先實(shí)施生產(chǎn)過(guò)程超低排放和實(shí)現(xiàn)固廢不出廠為主要目標(biāo),深入研究源頭和末端協(xié)同治理技術(shù)及廠內(nèi)固廢、城市廢棄物的預(yù)處理和減量化處理技術(shù),以超低排放和與城市共融為標(biāo)志的綠色煉鐵工藝。
(1)環(huán)保改造:原料場(chǎng)及輸送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全封閉改造,燒結(jié)和煉焦煙氣實(shí)現(xiàn)脫硫脫硝改造,達(dá)到煙氣超凈排放。
(2)固廢消納:高爐和煉焦工序消納化工廢棄物(焦油渣、氧化鐵皮、環(huán)氧片、萘油渣、輕油渣等);燒結(jié)工序消納軋鋼酸堿污泥、焦化廢棄物、城市生物污泥等;高爐噴吹消納廢塑料、廢輪胎等。
(3)轉(zhuǎn)底爐建設(shè):計(jì)劃 2019 年年底投產(chǎn),從而實(shí)現(xiàn)高鋅灰和廠內(nèi)含鐵固廢的全量回收與利用。
(4)推進(jìn)超低排放研究:鐵前系統(tǒng)策劃超低排放的研究,已立項(xiàng)“煙氣超低排放技術(shù)研究與生產(chǎn)應(yīng)用” 科研大項(xiàng)目,聚焦鋼鐵生產(chǎn)超低排放技術(shù)及新型污染因子治理。
4.2 低碳冶煉
以提高爐身還原效率、使用富氫還原劑、高爐 Corex 化、電加熱代替碳加熱為主要方向,重點(diǎn)研究頂煤氣循環(huán)氧氣高爐、高爐復(fù)合噴吹富氫物質(zhì)、碳鐵復(fù)合及預(yù)還原新型爐料開發(fā)、微波電加熱燒結(jié)新工藝四大低碳煉鐵技術(shù)。在分析業(yè)界主流技術(shù)方向,結(jié)合未來(lái)發(fā)展需要的基礎(chǔ)上,寶鋼正在策劃建立具有多功能頂煤氣循環(huán)氧氣高爐工業(yè)化試驗(yàn)示范平臺(tái),期望形成頂煤氣循環(huán)高爐富氧冶煉、氫冶金和微波燒結(jié)等寶鋼獨(dú)有的未來(lái)煉鐵核心工藝技術(shù),實(shí)現(xiàn)減碳 15%的目標(biāo)。
(1)頂煤氣循環(huán)氧氣高爐的研發(fā)與建設(shè)
以脫除 CO2 頂煤氣循環(huán)氧氣高爐工藝為核心,以八鋼 430m3 高爐為原型,建設(shè)工業(yè)規(guī)模試驗(yàn)基地,探索還原劑利用率 100%、大幅降低碳排放的煉鐵新工藝,主要內(nèi)容包括:采用高富氧鼓風(fēng)(富氧率最高可達(dá)到 100%);頂煤氣自身循環(huán)利用,煤氣脫除 CO2、加熱后從爐身和風(fēng)口噴入高爐;采用高爐煤氣 CO2 脫除技術(shù);采用煤氣加熱技術(shù)。下圖 2 是頂煤氣循環(huán)氧氣高爐工藝示意圖。
圖 2 頂煤氣循環(huán)氧氣高爐工藝示意圖
(2)氫及富氫冶金的研發(fā)
圖 3 核氫冶金技術(shù)耦合的總體技術(shù)路線設(shè)想圖
目前處于項(xiàng)目論證階段。項(xiàng)目技術(shù)路線及目標(biāo):近期以第一階段為主要目標(biāo),并開展第二、第三階段的預(yù)研究。第一階段:低碳冶金。即以高溫堆制氫+高爐富氫冶煉+核電取代燃煤自備電站,實(shí)現(xiàn)低碳冶金;第二階段:零碳排放冶金。即以高溫堆制氫+高爐富氫冶煉+核電+冶金氣加氫制化工原料,在第一階段技術(shù)基礎(chǔ)上,結(jié)合煤化工技術(shù),將其轉(zhuǎn)化為化工原料,從而實(shí)現(xiàn)零碳排放冶金;第三階段:無(wú)碳冶金。即以高溫堆制氫+純氫還原氣基豎爐煉鐵+核電+電爐煉鋼,實(shí)現(xiàn)無(wú)碳煉鋼、冶金行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí),擺脫對(duì)化石燃料的依賴。圖 3 是核氫冶金技術(shù)耦合的總體技術(shù)路線圖。
4.3 智慧制造
使用大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù),建立大型工藝智能控制模型,建成多基地高爐遠(yuǎn)程診斷控制中心、智能燒結(jié)黑燈工廠、四大車及爐頂無(wú)人化智慧煉焦生產(chǎn)線、堆取料機(jī)無(wú)人化生態(tài)智慧型料場(chǎng)等行業(yè)領(lǐng)先的智慧制造生產(chǎn)示范線。2016 年以三號(hào)高爐爐前自動(dòng)化示范性改造為起點(diǎn),2017 年全面啟動(dòng)智慧制造建設(shè),從自動(dòng)化、無(wú)人化、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)三大方向嘗試推進(jìn)智慧制造。目前,開始從先行先試的示范產(chǎn)線向其他產(chǎn)線復(fù)制推廣,實(shí)現(xiàn)由“線”向“面”拓展,最終,寶鋼煉鐵廠將建成以環(huán)保智慧型料場(chǎng)為起點(diǎn),包括智慧煉焦、智慧燒結(jié)、智慧高爐組成的智慧產(chǎn)線,以及確保智慧產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行的智慧型設(shè)備管理體系。下圖 4 是寶鋼煉鐵廠智慧制造歷程。
圖 4 寶鋼煉鐵廠智慧制造歷程
未來(lái) 5~10 年的規(guī)劃與設(shè)想是:
(1)操作無(wú)人化、少人化:機(jī)器人替代“3D”人工作業(yè)、機(jī)器視覺(jué)識(shí)別替代人工監(jiān)控、機(jī)器深度學(xué)習(xí)替代人工決策;到 2024 年,煉鐵廠“3D”作業(yè)場(chǎng)所 100%實(shí)現(xiàn)無(wú)人化、少人化。
(2)過(guò)程控制運(yùn)用成分大數(shù)據(jù)與數(shù)模:高爐生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)閉環(huán)控制,閉環(huán)控制率大于 90%;焦?fàn)t生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)智慧煉焦;燒結(jié)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)“黑燈”。
圖 5 寶鋼多基地基地遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示意圖
(3)全面推進(jìn)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)診斷:設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、診斷模型、智能運(yùn)維平臺(tái)及移動(dòng)端互聯(lián);到 2024年,煉鐵廠所有關(guān)鍵設(shè)備智能監(jiān)測(cè)覆蓋率 100%。
(4)操控集中化、遠(yuǎn)程化:當(dāng)前正在開展鐵前系統(tǒng)的深度整合,即將高爐、原料、燒結(jié)、煉焦全部在煉鐵控制中心集中管控;同時(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)滬外基地的遠(yuǎn)程操作與控制,今后將具備對(duì)寶鋼股份多生產(chǎn)基地具有遠(yuǎn)程監(jiān)視與智能診斷的系統(tǒng)。圖 5 是寶鋼多基地遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示意圖。
4.4 低成本冶煉
以“資源寬口徑、鐵水低成本”為目標(biāo),重點(diǎn)研究低價(jià)礦煤使用、高爐高利用系數(shù)冶煉及穩(wěn)定順行長(zhǎng)壽技術(shù),形成以靈活的大比例弱粘煤配煤技術(shù)、低價(jià)非主流鐵礦資源使用技術(shù)、穩(wěn)定高效長(zhǎng)壽的高爐控制技術(shù)為標(biāo)志的低成本鐵水冶煉技術(shù)。
5 結(jié)論
(1) 在國(guó)家環(huán)保政策收緊、鋼鐵行業(yè)減量提質(zhì)的背景下,煉鐵工作者必須要準(zhǔn)確把握未來(lái)煉鐵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),正確選擇技術(shù)技術(shù)路線,確定研發(fā)重點(diǎn)和主攻方向,才能助力企業(yè)生存并實(shí)現(xiàn)煉鐵轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展。
(2) 從工藝型式看,在可預(yù)見的未來(lái),高爐煉鐵仍將是最主要的煉鐵工藝;而從長(zhǎng)期看,必須要關(guān)注、研發(fā)更少碳排放、污染物排放的直接還原、熔融還原煉鐵工藝技術(shù)。
(3) 未來(lái)煉鐵技術(shù)發(fā)展方向,短期是適應(yīng)城市鋼廠建設(shè)的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用,中長(zhǎng)期是低碳、低成本的工藝技術(shù)及智慧制造裝備技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)途徑一是在立足現(xiàn)有工藝上進(jìn)行改進(jìn)、革新,二是探索、研發(fā)全新的低碳、低排放的非高爐煉鐵工藝、技術(shù)。
(4) 基于我國(guó)行業(yè)及煉鐵水平現(xiàn)狀,今后應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注與研發(fā)的工藝、裝備和技術(shù)是:產(chǎn)城共融工藝、技術(shù);低碳冶煉相關(guān)工藝、技術(shù);智慧制造裝備及技術(shù);低成本冶煉工藝、技術(shù)。
(5) 寶鋼結(jié)合自身特點(diǎn)和發(fā)展經(jīng)歷,在探索未來(lái)煉鐵技術(shù)發(fā)展方面,形成自己的“寶鋼方案”,助推寶鋼煉鐵成為業(yè)內(nèi)最好的煉鐵,即比超低排放更清潔的城市鋼廠;適應(yīng)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的低碳煉鐵;依靠工藝和技術(shù)創(chuàng)新的成本變革;以數(shù)字化和數(shù)模化為基礎(chǔ)的智慧制造。
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