以气代焦 天然气与冶金市场双赢.doc

以气代焦 天然气与冶金市场双赢 酒钢宏兴股份公司 邹明 中国石油吐哈油田分公司 徐志刚 摘 要能用于冶金的优质炼焦煤占煤储量的比例很小，经逐年大量开采，储量锐减，价格上涨；同时，传统的冶金工业所排放的气体是严重的污染源。为缓解优质炼焦煤的不足和达到日趋严格的排放标准，发展了用天然气代替焦炭的非高炉直接还原炼铁法，将固体铁矿石直接还原成海绵铁。由于天然气不含灰分、硫、磷等有害杂质，从而大大提高了生产效率和钢铁质。量。本文结合我国钢铁工业现状，分析了钢铁企业用能特点，天然气在炼铁高炉喷吹，以及钢铁冶炼直接还原中使用天然气的工艺技术效能优势；进行了天然气市场价格比较及冶炼应用增效推算。提出了在我国天然气市场发展早期，首先应开发冶金用气市场，发挥天然气可为终端用户使用的一次能源优势；通过市场合作，实现互惠双赢，加快“西气东输”步伐的建议。 主题词冶金，天然气，焦炭，替代能源，经济效益，分析 一、钢铁企业用能特点 我国能源消费结构中钢铁占18.2。钢铁工业是耗能大户，每吨钢综合能耗为0.7～0.9t标准煤；联合企业每吨钢消耗电能400～600kw.h。 钢铁生产所用的能源主要有炼焦煤、动力煤、燃料油和天然气等；而钢铁生产工艺主要使用的是焦炭、电力、气体燃料和蒸汽等。在各种燃料中，气体燃料的燃烧最容易控制，热效率也最高，是钢铁厂内倍受欢迎的燃料。钢铁生产的燃料消费成本占总成本的41，投入的一次能源约有40转变成为工艺副产煤气，其中焦炉煤气为46；高炉煤气为45；转炉煤气为9。钢铁企业的生产车间基本上都使用各种热值不同的气体燃料，气体燃料在钢铁生产的热能平衡中占有重要地位。天然气中含有大量烃类气体，热值高，经转化后可得到以H2和CO为主的还原性气体，供铁矿石还原培烧、高炉喷吹和铁矿石的直接还原等，是气体燃料中最受欢迎的一种。 通常钢铁企业的炼铁系由焦化、烧结、高炉工序组成，所消耗的能源占钢铁生产总能耗的30以上。特别是要用焦炭。我国的煤炭资源虽然丰富，但是用于冶金的焦煤资源不足，保有储量中焦煤仅占5.9，而且地理分布不均。焦煤数量不足，质量下降是限制我国钢铁生产发展的薄弱环节。80年代以来重点企业冶金焦炭质量不断下降，近十年中，灰分由13.58上升到14.58比国外高3～4，含硫量由0.66上升到0.72。焦炭的质量成了影响我国钢铁生产的重要因素之一。 近年来，国内冶金企业对焦炭的需求使弱粘结性和高挥发份的气、肥等配焦煤在炼焦配比中不断增加，导致焦炭碎焦增多，强度质量下降。炼焦煤中，焦煤干燥无灰基挥发分Vdaf＞20.0～28.0，煤气产率Vt270～310m3/t；肥煤Vdaf＞28.0～37.0，Vt310～410m3/t；气煤Vdaf＞37.0，Vt410～1000m3/t。由此，也使先进的燃气－蒸汽联合循环发电方式在冶金企业得到了较好的应用。这些都为天然气以低成本优势进入冶金市场提供了良好的机遇。 二、天然气与炼铁高炉喷吹技术[3～5] 高炉炼铁是目前钢铁冶炼获得生铁的主要手段。近年来，为缓解优质炼焦煤的不足，发展了综合喷吹技术。高炉可以喷吹气体、液体、固体等各种燃料。气体燃料有天然气、焦炉煤气等。天然气的主要成分是CH4（90以上），焦炉煤气的主要成分是H255以上，液体燃料有重油、柴油、焦油等；它们含碳量高，灰分少，发热值高。固体燃料有无烟煤和烟煤，其成分与焦炭基本相同；缺点是灰分高，硫含量高。1981年前，我国重点钢铁企业高炉炼铁大多数喷吹重油，此后政策性改油为煤，目前全部为喷吹煤粉。 为提高炼铁高炉燃料利用率和热效率，降低后续炼钢炉外脱硫等工序成本，目前又发展了炉身喷吹高温还原气体工艺。该工艺是将碳氢化合物燃料先在炉外分解，制成高温（1000℃左右）、还原性强的气体，再从炉腰或炉身下部间接还原激烈反应区喷入高炉，减少高温区的热支出，可以大幅度地降低高炉燃料消耗。国外炼铁高炉喷吹由天然气150m3/t铁高温转换的还原气体，使焦比（每炼一吨生铁所需的焦炭量。K每日燃烧焦炭量/日产生铁，kg/t降到了300kg/t铁以下，高炉利用系数（每立方米高炉有效容积一昼夜生产的生铁吨数。ηV日产量/有效容积，t/m3.d提到2.4以上我国平均600kg/t铁，高炉利用系数1.7。 前苏联地区因天然气资源丰富，高炉冶炼一般都是喷吹天然气。80年代以来，由于世界天然气的大量开采、有效输送，以及价格相对平稳，使美国、英国、法国等国家的也有相当部分高炉炼铁选用了喷吹天然气工艺。日本钢铁企业高炉炼铁喷吹燃料主要为优质重油，兼有天然气。 现有的各种固体燃料因含有灰分等杂质，气化方法都不能提供合格的冶金还原煤气。以重油为主的液体燃料对部分氧化法在理论上是可行的，但存在较多问题，尚需进一步试验发展。冶金还原煤气的主要气体燃料是天然气、其他还有石油气及焦炉煤气，其转化反应的目的是把CH4变成可利用的CO和H2。焦炉煤气的转化尚无定型方法。我国因存在天然气供给问题，使炼铁高炉喷吹高温还原气没有得到很好地发展。无疑，天然气在高炉炼铁中有相当大的市场空间。 三、天然气与钢铁冶炼直接还原技术[5～6] 全世界炼焦煤仅占煤总储量的10，随着逐年大量开采，储量锐减，价格上涨。据联合国环保组织调查，传统的钢铁工业是严重的污染源，所排放的有害气体（CO2、CO、NOX、SO2）造成使全球变暖，海洋扩大的“温室效应”。90年代以来，国内外逾来逾严格的环境污染排放标准，促使企业选择新的生产流程。 世界各国冶金工作者致力于开发用天然气作还原剂，发展了不用焦炭的非高炉直接还原炼铁法（以下简称直接还原法）。将铁矿石在固态还原成海绵铁，也称为直接还原铁DRI。 直接还原是在固态温度下进行的，得到的直接还原铁未能充分渗碳而含碳量较低（＜2），因此海绵铁具有钢的性质，而且实际上也多作为废钢代用品使用。直接还原法具有直接把铁矿石炼成钢的一步法特征。由于直接还原渣铁不能分离，实际生产中直接还原铁仍需要用电炉精炼成钢，但电炉精炼的作用主要是熔化脱出杂质和调整钢的成分，而不是氧化脱碳。由于是直接还原和电炉精炼生产钢，就产生了新的钢铁冶金生产短工艺流程。直接还原对于15104～30104t/a特钢厂具有无限的生命力。 直接还原工业化试验起始于20世纪50年代，到60年代后随着天然气的大量开采，1968年美国Midrex法成功，直接还原才得到迅速发展。尽管近年来世界钢铁生产一直徘徊在8108t/a左右，但采用直接还原法的短流程钢铁企业产量自1975年以来，却以平均每年12.31的速度增长。日本学者认为，2020年直接还原－电炉法将与高炉－转炉法冶炼平分秋色，达到45以上。 1.直接还原发展的背景 直接还原发展生产海绵铁客观原因有 （1）世界多数国家严重缺乏焦煤，其中不少国家有优质丰富的铁矿以及天然气和烟煤资源，它们因地置宜地借助本国资源发展直接还原工厂，如委内瑞拉、印度尼西亚、墨西哥等国有丰富天然气及优质铁矿，主要发展气基竖炉，以1995年统计为准产量达2829104t/a，占DRI总产量的92。 （2）随着电炉流程生产线的发展，电炉钢产量日益增长，1997年世界钢产量7.8108t/a，氧气转炉钢产量占57，电炉炼钢占33，平炉钢占13。近年来世界制钢生产中连铸比迅速增长，已占72.7，钢铁联合企业自产优质废钢减少，发展中国家由于废钢量不足，势必发展直接还原；发达国家涂层钢用量日增，使拆除返回中有害杂质急增（据美国材料咨询局统计，美国近25年内废钢中锡、锌增加两倍，废钢中铜增加20），必须采用掺入30～50的DRI海绵铁来稀释。 （3）近十年来钢铁工业受到高分子材料及硅酸盐材料的竞争，世界钢的总产有停滞不前的趋势，自1988年达到7.83108t/a 后，始终未有突破。但以质量、性能及品种产品取胜的小型特殊钢厂如雨后春笋，蓬勃发展。电炉钢选择原料，自然更多地选择直接还原铁，如不锈钢厂首先选择低碳粒铁或低碳海绵铁作原料。为发展精品，提高附加值，直接还原低碳海绵铁用于直接生产电工纯铁、铁氧体及工业铁料。 2.气基竖炉直接还原 气基Midrex法由供料系统、还原竖炉、烟气处理、天然气处理、天然气重整炉组成。铁矿石经计量后从炉顶布入炉内。经过预热，在还原区与工艺燃料天然气反应，反应约6h即完成冶炼，再由冷空气直接冷至100℃以下，最后产品由炉底排出。冶炼产生废气仍含约70 CO＋H2，通过重整炉，加入补充天然气裂化处理，使气体中CO＋H2浓度上升到90～95，温度为900℃，重新进入竖炉循环使用。其反应式为 CH4＋H2O →CO＋3H2↑（天然气裂化反应） Fe2O3＋3H2→2Fe＋3H2O Fe2O3＋3CO→2Fe＋3CO2↑ 气基法的能耗低，效率高，质量好，易操作，作业温度低，产品无需再分选。气基法生产DRI对于天然气丰富地区具有生命力。 3.气基 DRI法主要指标及技术经济优越性 1）钢中有害元素Sn、Sb、As、Bi含量大幅度降低，提高了钢材断裂韧性、热加工塑性、冷加工可塑性。 2钢中S、P含量降低，提高钢材冲击韧性，降低脆性转变点温度。 （3）缩短电炉精炼期，提高Ni、Mo等有价元素收得率。 （4）降低钢中[H]及[N]含量。 5）用DRI炼优质合金钢热变形能力良好，适合于作深冲钢板见表1。 气基DRI指标 表1 项 目 气基DRI 单炉生产能力/万t/a 15～16 窑利用系数/t/m3d 9～12 燃 料 天然气400m3/t 电 耗/kwh/t 约100 热 能GJ/t 11 TFe/ ＞93 金属化率/ ＞93.4 C含量/ 0.77～1.07 S含量/ ＜0.003 4．我国应用直接还原法的情况 我国具有一定的DRI资源条件。并先后在福建、辽宁、吉林和河南等地推广了直接还原技术，但受制于天然气来源的限制，全部采用的是煤基回转窑炉，且生产能力较小。 90年代初与长庆陕北气田同步建设的某大无缝钢管工程，引进英国戴维（Davy）公司关键技术及关键设备，兴建了年产30104t，两条φ580m煤基回转窑炉。全套工程投资135亿元，仅形成了56万吨的年生产能力。尽管采用了国外进口优质矿石，但由于受华北地区煤质量等因素的影响，投产至今没有达到生产优质钢材预期的经济技术指标（日本输油管的SnSbAs杂质元素水平仅为0.0035，而该无缝厂生产的钢管目前为0.018，相差5倍以上）。 四、天然气市场价格比较及冶炼应用增效推算[3～7] 在冶金还原反应过程中，碳烃能源兼有夺取矿石氧量的还原剂及提供反应热量的燃料热载体两个作用。天然气进入冶金流程主要是作为还原剂，代替部分焦炭使用，因此按能源热品值计价惯例（热值及灰、硫分），按比较合理原则，可以焦炭为基准，与天然气热值市场价进行比较，以及推算炼铁高炉喷吹天然气效益。 1．天然气价格比较 按优质洗精煤和焦炭含灰分12，含硫0.7；以及冶炼还原含硫每增加0.1，影响效率2；天然气不含灰分，特微含硫等因素，可推算比较主要地区焦炭与天然气的价格（表2）。 对于目前天然气的价格，与作为工业部门炉料及化工原料应用广泛，且价位较高的的焦炭对比可看出 （1）市场可接受的天然气高端价格与焦炭的简单无灰热品值比较价基本一致；说明一般工业燃料用户基本上仅仅是简单认可了天然气高热值、易控制、无灰分等优越性。 （2）以化工原料为主的低端定价低于焦炭的简单热品值比较价；受计划调拨政策影响，化工用天然气价格严重扭曲，广大南方及其沿海地区普遍低于当地焦炭的热值价格，貌视高价的天然气实为当地优质廉价的原燃料。 （3）目前天然气的接受价格偏离了国家制定的能源按热品值比较计价体系；说明天然气作为精料的工艺技术优势未被充分开发和应用，并为社会所共识。 由表2可看出，天然气价市场调节初期与焦炭的简单无灰无硫热品值价挂钩，具有一定的合理性和用户可接受性。如果先期注重开发冶金用还原气为代表的精料应用市场，体现天然气无灰，无硫或易脱硫，易转换，燃烧完全且稳定等诸多优势，发挥有助于工业产品质量上档、生产效率提高等精料优点，市场调节下的天然气价格则可能更趋合理。 主要城市焦炭与天然气价格比较 表2注 城 市 焦 炭 元/吨 焦炭热值价格 元/GJ 理想焦炭热值价格元/GJ 天然气接受价元/GJ 无灰 无灰无硫 一般工业用户 化工用户 简单价 标准价 简单价 标准价 呼和浩特市 410 16.94 18.97 31.17 21.63 35.53 18.79～21.47 18.25 兰州市 450 西安市 410 重庆市 540 21.20 23.74 39.01 27.06 44.47 21.47～24.15 18.25 成都市 520 天津市 450 18.52 20.74 34.08 23.64 38.85 21.47～24.15 21.47 石家庄市 530 济南市 420 合肥市 460 郑州市 455 沈阳市 537 22.18 24.84 40.81 28.32 46.52 长春市 541 大连市 580 哈尔滨市 560 杭州市 560 29.11 32.60 53.56 37.16 61.06 29.52～37.57 26.83 厦门市 810 深圳市 890 南京市 760 广州市 619