能源、环保与日本炼铁技术

一、序言
　　21世纪的主要问题是资源、能源和环保。为解决上述课题，钢铁工业，特别是炼铁部门负有重大的责任。本文对上世纪90年代有关炼铁工序的课题进行分析回顾的同时，并展望今后为适应能源、环保方面的课题应采取的技术措施。
二、日本高炉十年来的进步
　　炼铁部门近十年来特别着力开发的技术主要有以下各项：
(1)炼铁各工序采用控制系统和自动化；
(2)喷吹煤粉设备的加强和高喷煤比作业；
(3)开发低价原燃料和含铁粉尘的使用法；
(4)低二氧化硅烧结法、低FR和超低利用系数的操作法；
(5)高炉、焦炉延长使用寿命的技术和缩短高炉检修停工期的技术；
(6)关于下一代重大技术(DIOS、SCOPE21)的开发等。
　　炼铁指标十年来的变化如表1。从此可知，由于扩大了对廉价高炉煤气的应用，使燃料比不断上升，同时使煤在一次能源中的比重和吨钢能耗亦同步上升；另外，为降低成本，廉价的澳洲褐铁矿和非、弱粘结性煤的用量亦大幅上升，后者在炼焦煤中的比重竟高达60％以上。

表1 炼铁技术经济指标十年来的变化

三、和世界高炉的比较
　　只有知道世界各国高炉的现状后方知日本高炉的实力。据此，兹和美国全国及亚洲大厂的中国宝钢、韩国浦项光阳厂的高炉技术经济指标对比如表2。

表2 日本高炉和世界相关高炉的指标对比

从该表可以看出：
　　(1)和美国对比：美国的钢产量和日本相当，但由于铁钢比低(1999年仅为0．53)，故生铁产量较少。美国高炉由于大量装入废铁等金属原料和喷人天然气、氧气，故实现了低焦比和高利用系数，加上原燃料价格比日本低，但生铁成本反比日本高，这主要由于高炉规模小、设备老导致效率低，加上焦炭多由外供(本厂焦炉因设备老化和环保不合格而停炉)，致可变成本高之故。其根本原因是由于对降成本效果大的上道工序投资不足所造成。
　　(2)和中国、韩国高炉的对比。以设备先进而多用海外原燃料的光阳、宝钢等条件类似的高炉对比，他们在用煤方面用国产煤比日本多，但在矿石方面以澳大利亚和巴西供应为主。他们比日本的焦炭质量高、烧结矿比例高，并采用高利用系数操作。仅从原料价格看，成本理应比日本高，但由于高效发挥先进设备潜力和工资低，致成本反比日本低。

从以上和海外高炉的对比，可初步得出日本高炉下一步应采取的主要措施为：
　　(1)为确保原料选择自由度和相应的使用技术；
　　(2)为保持成本竞争力应采取的设备集约化和技术创新；
　　(3)节能、环保技术。
四、日本高炉今后的课题
　　对已有的炼铁技术按现有的原燃料价格和炼铁厂的局部条件进行评价时，其大多数属于“低成本、增耗能”或“增成本、低耗能”的，真正作到节能和降成本兼顾的极少。反应了现有技术的活力已达极限。
今后面对的是资源劣化、能源费用上升和减排温室气体等重大问题，具体情况如下：
　　(1)煤炭、矿石品质的劣化。日本高炉所用的煤炭和矿石的品质将呈劣化趋势。初步预测其品质变化如表3。

表3 矿石、煤炭的品种构成变化

　　由于高炉原燃料的品质劣化，将使高炉的燃料比进一步增大。对各种品位不同的矿石的燃煤耗和生铁成本试算结果如表4(以澳矿A―L的成本为1对比)，使用低品位原燃料虽对降低成本有利，但由于煤耗增大带来的防止地球温室化对策费用的增加，故应有个合理界限。

表4 不同品种矿石的煤耗和生铁成本比较

　　(2)能源费用的上升。由于防止地球温室化对策号召能源由煤向天然气转换，但届时天然气和煤的价差将进一步拉大。以1995年的煤炭价格为l，对预测的相对价格见表5。故高炉今后将进一步依赖供应稳定和价廉的煤炭，但需进一步搞好节能和防温化对策。

表5 化石能源的价格预测

　　(3)对应二氧化碳减排等的措施。各种炼铁法的能源费用和减排二氧化碳的效果对照如表6，它以喷煤比60kg／t的高炉操作值为基础而计算的(并考虑设有高炉煤气发电和石灰烧成的联合企业)。尽管有―些新法对减排二氧化碳有利，但能源费用亦相应上升。为此除非在要求大幅减少二氧化碳的特殊条件下，仍以在高炉法基础上减排二氧化碳较为实用。
　　使用废钢熔化对减排二氧化碳十分有利，但目前所用废钢的74％为市场供应，从而使扩大应用受到限制。另为了防止地球温室化而过度使用天然气时，则对下一代持续减排二氧化碳不利。从世界能源贮量出发，还是在以煤为基本能源的高炉法的基础上采取减排二氧化碳的措施较妥。
　　另外，高炉在对大气和水的防止污染方面应考虑标准将日益严格化。幸而过去日本即注意到此点并采取了相应的对策，今后进一步强化即可。

表6 高炉法和其它新炼铁法的能源费用和减排CO₂效果

　　(4)设备的老化。钢铁工业在和海外先进的装备竞争中，延长高炉、焦炉等设备的使用寿命是十分重要的，为此，对它们正采取各种延长寿命的措施。但是焦炉平均使用寿命已超过30年左右，应考虑建设新型焦炉以保证今后焦炭供应体制的时候已经来到。
五、对炼铁技术的新展望
　　炼铁部门今后的任务是在能源费用低和防止温室化条件下供应廉价的洁净铁源。为此有必要开发低成本和节能兼顾的技术，在开发时观念上应有所创新。具体内容如下：
　　(1)从钢铁厂内外对低温余热、低质能源的彻底利用。据钢铁联盟自主行动计划中“2010年10％的节能目标”，依靠已开发完了的技术占54％，依靠下一代新技术的占46％，如PC比的增大、烧结和炉渣的余热回收、废钢铁的利用、DIOS、SCOPE21等有关炼铁的技术占半数以上。但在现有经济环境下难以实现的尚不少，希望尽快解决技术成熟的低温余热、低质能源利用的投资效率问题。
　　(2)废物的再生利用。按照钢铁联盟自主行动计划中2010年高炉喷吹废塑料100万t的要求，除高炉已大量试喷外，焦煤中掺人1％废塑料的效果亦好。目前因收委托处理费致效益很好，从长远看还应改进废塑料的收集、运输和加工技术，以力争多用。
　　(3)从海外矿山到成品全过程的成本、能源最小化。可考虑在海外矿山利用当地廉价的天然气把劣质铁矿石生产成高炉用的经济还原铁后运来日本使用。按60％的还原铁使用130kg/t时总体便可节煤12.4kg/t(从日本高炉看则可节约28.2kg/t)。这亦属于―种国际分工，既可利用海外的优质能源，又可节约矿石中无用的结晶水和氧的运输耗能，故效果明显。
　　(4)生物能的利用。如利用含碳少的废木屑等生物质能代替煤的―部分即等于减少了相应的二氧化碳排放量，如高炉喷入100kg／t(干)木屑可代替50kg／t煤粉，既节约了能源，又利用了废物。尽管在废木屑的收集和运输方面尚存在一些问题，可结合厂内外低温余热的利用开发经济实用的技术。
　　(5)参与清洁开发机制(COP等)。减排二氧化碳离不开有效的国际协作，应充分利用这――机制，对发展中国提供节能技术和共同开发，以求作到共同改善地球生态环境。
　　日本高炉不管将来的煤炭消费结构如何变化、海外进口还原铁和焦炭亦难预测，但作为钢铁联合企业的重要组成部分，包括下游工序在内仍应以煤炭为主要能源时最为经济。如还原铁使用过多时，将造成供应全厂的高炉煤气不足，还必须采取相应的节能措施。
　　根据钢铁联合企业能源平衡的原则，考虑采取新技术后，除总能耗下降的同时，非弱粘结性煤的比重亦可上升，具体方案如下：
　　(1)现有模式：按钢产量1亿t，铁钢比0．75，PC 100kg／t计，全年耗煤炭5830万t，非、弱粘结性煤比35．5％；
　　(2)方案1：采用常规高炉法70％，(PC 200kg／t)，DIOS法20％(耗煤800kg／t)，冷废铁熔化法10％，为解决电力和煤气不足，增加煤气化和煤发电各耗煤约300万t／a，总的煤炭消耗达5750万t／a，非、弱粘结煤比达73．5％；
　　(3)方案2：常规高炉90％(PC 150kg／t)、冷废铁熔化法10％，补充煤电约300万t／a，总的煤炭消耗量达5570万t／a，非、弱粘结煤比为61．2％。
　　总而言之，要想降低高炉生铁的成本和能耗并有利降低二氧化碳，还得从以上提出的方向中因地利宜采取有效对策。
六、结 语
　　今后的高炉将面临资源劣化、能源费用上升和防止地球温室化的要求等严峻形势，必须开发节能和降低成本兼顾的技术。现在已开发的技术对同时达到节能和降低成本两个要求尚有困难。必须立足于观念创新，从彻底利用低温余热、从矿山到成品的系统节能以及废物和生物质能的利用方面着力开发新技术。