发展非高炉炼铁 建立新型冶金煤炭联合企业

    编者的话 近年来，在钢铁工业快速发展形势的带动下，我国焦炭产量大幅度增长，但是，我们必须注意到，至今在有的地区仍有许多焦化厂不回收利用煤气，造成的资源浪费和环境污染令人关注。资源、能源是人类生活、生产的物质基础和动力，随着人口的增加和经济的不断发展，资源和能源的消耗速度也越来越快。我们不能不从长远利益着想，珍惜资源和能源，我们不能不从实现可持续发展的战略出发，积极而有针对性地探讨如何更有效利润资源和能源的新途径。这是一个必须解决而且必须尽快解决的重大问题。为此，本报编辑特约请北京冶金设备研究设计总院从事这方面研究的有关专家撰写了此篇文章，对如何解决焦化厂“只焦不化”、污染环境等问题提出了具体的解决办法和思路，并提出了发展新型冶金煤炭联合企业的建议，希望此篇文章能对有关企业有所启示和帮助。
    大批焦化厂不回收利用煤气，严重浪费资源并污染环境
    据有关专家预测，2004年，我国焦炭产量将达2.15亿吨，2005年将达2.3亿吨，2006年还将继续增长。强大的焦炭生产能力是我国冶金工业持续发展的基础，同时也给焦炭产业带来了可观的效益。
    焦炭是高炉炼铁的主要能源，一吨炼焦煤经过洗、炼，只能出半吨左右焦炭。炼焦煤仅点煤炭总储量的一小部分，多年来的消耗使炼焦煤资源越来越少。此外，炼焦过程是将焦煤高温干馏，不仅能生产焦炭，每吨煤还伴生300至380Nm3煤气，其主要成分是H2、CH4、CO等气体，还含有焦油、苯、氨、硫化氢、吡啶等化工产品。这些物质多数对人类有毒有害，任意燃烧和排放将严重污染环境。煤气不仅是宝贵的能源，它们还是化肥、医药、农药、塑料、合成橡胶、合成纤维、合成洗涤剂等许多化工产品的原料，实际坐标等于甚至大于焦炭价值，只是按照环保要求回收利用它们的工程投资和运行成本相当高。
    一些发达国家正是考虑到这种代价，为了保护自己的资源和环境，在焦炉达到役期后不再修建或改造，必为进口焦炭。我国焦炭生产和流通企业繁荣昌盛，并不是因为我国焦化工业技术水平比国外高，可以用较低投资回收利用煤气，而是由于许多企业可以廉价利用当地焦煤资源，又不顾忌资源浪费和环境污染，不在回收利用煤气上投资，大量的煤气用大烟囱直接排空或点了“天灯”。这样一来，由于投资少、成本低，焦炭价格也低，生产和经营企业压价销售仍有利可图；而国家和广大民众受惠不多却要为这种行为承担后果。
    需要关注的是，在焦煤丰富、独立焦化厂多而煤气用户少的地区，这种现象相当普遍，如不尽快采取措施，在利润驱使下，有愈演愈烈之势。这是因为虽然我们正在淘汰土焦炉和改良焦炉，改造后的机焦煤反应室与燃烧室分离，可以回收煤气，但由于焦化厂处理、利用煤气要增加大量工程投资和运行成本，如果没有可靠的煤气用户，从企业效益考虑，许多企业都在与监管部门“捉迷藏”；报批文件中有完善的煤气回收利用系统并通过了环境测评，实际上却不投资建设或虽然建设了煤气回收利用系统，但只是应付环保机构，实际上不开动少开动
    按山西焦化集团估算，山西省排空和点“天灯”的煤气量，每年有100亿至200亿m3。按照每年损失煤气150亿m3，每1 m3价格0.7元、热4000千卡/ m3估算，这些煤气价格105亿元，热什相当于标准煤857万吨，相当于6000千卡/公斤烟煤1000万吨！
    由于经济发展对焦炭需求越来越大而资源却越来越少，以及炼焦对环境的严重污染和高额的治理费用，焦炭变得越来越宝贵。按山西2003年焦炭产量6747万吨这个数据估算，其消耗焦煤1亿多吨，煤气产量300亿m3左右，其中只有当数钢铁公司和大城市焦化厂对煤气进行了回收利用。
    发展非高炉炼铁，建立新型冶金煤炭联合企业
    以山西省为例，该省焦炭企业大部分是独立焦化厂，产品80%左右外销，焦炭可以长途运输，煤气则不能，与其花费大量资金将其回收净化再排空烧掉，不如直接排空或烧掉，这是在现有条件下相关企业常见的选择。因此，要想真正解决这个问题，关键在于找到效益较好的变废为宝的途径。这就需要调整产业结构，对焦炉煤气要像古人治水一样，不是单纯围追堵截，而是疏导、利用、研究、开发、鼓励和支持以煤气为主要能源的产业的发展。
    以往，焦炭最大用户是冶金产业，传统流程的钢铁企业炼铁系统除了炼铁高炉，还建有焦化厂、烧结厂。在这些联合企业，焦化厂所生产的焦炭供给高炉炼铁，高炉煤气热值低，焦炉煤气与高炉煤气混合后可供给钢铁厂各种工业炉作为燃料，分馏出来的各种煤化工产品，直到最后剩下的残渣（煤沥青）都能盈利，效益要好得多。大城市的焦化厂以焦炉煤气为主要产品，作为城市民用燃料，焦炭和其他煤化工产品可作为副产品出售。这两种焦化厂将原煤“榨干吃尽”，是真正的“焦化”厂，但他们的发展都有自己的背景，这种模式对于地处郊区、山区等大批后来崛起的独立炼焦厂不一定适用。
    钢铁生产中焦化、烧结、高炉炼铁三大工序的能耗占吨钢综合能耗的72%左右，其中又以高炉炼铁为最大，占吨钢综合能耗的48%左右。降低钢铁生产能源消耗和减少环境污染，从铁前系统特别是高炉炼铁入手最为有效。高炉民炼铁所需能量由化学能和热能两部分组成，这两部分能量主要由焦炭提供，焦炭的价值比煤高。现代高炉技改的一项重要指标是喷煤比，通过喷煤可以降低焦比，从而降低成本；但吨铁焦比降到三百多公斤已经很难，继续下降则需要考虑投入产出是否合算。因此，早已有人开始研究试验能否不用焦炭而直接用煤炼铁。由于市场需要，这项技术发展很快，已成为重要的冶金产业之一。
    直接还原和熔融还原正是不用焦炭作为主要能源的钢铁冶金工艺，统称非高炉炼铁，区别在于直接还原是铁矿在固态下直接还原为金属铁，熔融还原是生产液态生铁。高炉炼铁已经过多年发展，技术先进，形成了强大生产能力，完全取代它不仅有技术上的问题，还有经济上的问题，在今后一二十年里，它仍将是炼铁主要工艺。特别是在中国，高炉数量大、焦炭资源丰富，高炉炼铁存在的时间会更长一些，但积极发展蜚 高炉炼铁技术也是应当关注的重要发展趋势。
    按目前的环境和条件，煤铁资源丰富的地区，应发展符合国家产业结构调整方向、可以用焦炉煤气和非炼焦煤作为主要能源的非高炉炼铁，即发展“焦化+直接还原或熔融还原”的新型冶金煤炭联合企业，在炼焦的同时，用焦炉煤气和煤作为主要能源炼铁，并用直接还原或熔融还原铁的固休渣生产水泥等建材。这种产业结构不仅能有效利用焦炉煤气和当地丰富的非炼焦煤，且能以较低成本生产大量耗能大的冶金、建材产品，非常适合煤铁等矿产资源丰富、以基础和原材料工业为支柱地区的经济发展。
    熔融还原由于直接采用廉价的非炼焦原煤炼铁，节省了宝贵的焦煤资源，可以不建对环境污染大的炼焦厂、烧结帮，减小污染70%以上，节省铁前系统设备投资一半以上，节省加工费用1/4左右。另外，其能量密度高、还原速度快、生产效率可提高20%左右。直接还原产品简称DRI，也称海绵铁，主要作为电炉炼钢原料，性价比合适时还可以作为高炉炼铁、转炉炼钢、铸造等其他工业的原料和置换剂、脱氧剂等功能材料，用途广泛，市场缺口大。更重要的是，生产该产品的主要能源不是用焦炭而是用天然气、煤气和非炼焦煤，其产量在近二三十年里连续快速增长，目前已形成年产五千万吨左右的规模。世界各国都非常重视这个产业及其生产技术，中国也正在调整产业结构，鼓励发展直接还原生产，目前开展的工作主要是优化工艺、设备，尽量提高生产企业的经济效益和社会效益。
    采用先进实用技术，促进煤铁资源丰富地区的经济发展
    要有效利用焦煤资源，解决“只焦不化”和“要焦不要气”的问题，现实而有效的途径就是创建新型冶金煤炭联合企业。在这方面，采用先进实用的装备和技术，是重要的环节之一。目前，直接还原铁生产技术发展很快，值得关注，也是促进煤铁资源丰富地区经济发展的重要思路。
    直接还原技术按还原剂是气体还是煤分为气基法和煤基法，按还原设备有竖炉法、回转窑法、隧道窑法、转底炉法等。世界上DRI产量90%以上是气基法生产的，还原设备则以竖炉为主。我国直接还原铁的生产能力只有五六十万吨。现在，越来越多的人认识到竖炉工艺的优越性，随着先进适用工艺的推广应用，我国非高炉炼铁产业必将取得重大进展。
    对比其他工艺，直接还原主体设备采用外热式竖炉结构，有如下优势：
    一是外热竖罐移动床式反应室效率高。其预热、还原、冷却三段根据不同的作用和温度分别选用不同材质和结构，气氛和温度适合DRI反应，便于传热和化学反应进行，提高了热效率和设备寿命，金属化率、设备利用系数和作业率比较高，而能耗较低。
    二是焦炉反应室与燃烧室为间隔式结构，方便灵活。每个竖式反应罐（室）都是一座连续生产的还原炉，可像拼积木一样将若干组竖罐并列，组成任意规模的还原设备，设计和组织生产方便、灵活。
    三是设备简单可靠，生产成本低。该设备炉料靠自重下落，炉体固定不动，主体设备简单可靠、附属设备少、造低低、操作方便、运行可靠、作业率高。
    四是原燃料适用范围较宽。该设备对原料强度要求较低，可以使用进口高品位块矿，也可以使用国产铁精粉制造的球团矿和压团矿；能源可以使用神府等地烟煤，也可使用其他不粘结的褐煤、无烟煤或煤气，这样就使得企业可以根据本地区资源和本企业经济效益情况，在较大范围内选择原燃料，降低成本，提高效益，也有利于当地利用资源优势发展经济。
    值得注意的是，这种竖炉煤基直接还原工艺不仅有大量高炉炼铁的理论和实践经验作为依据并由世界著名冶金设备厂商开发，而且经过十来年的工业性试验和二十多年的规模生产，证明其技术成熟可靠、产量质量稳定，经济技术指标在扩大规模后可望进一步优化。北京冶金设备研究设计总院通过研究国内外DRI技术和市场，开发出以罐式炉为主体设备、国产铁精粉为原料、非炼焦煤作为能源的PF法竖炉直接还原铁生产新工艺。PF法有国内外大量冶金工艺、设备方面的经验可供借鉴，所用材料、设备全部国产化，并在炉窑结构和烧嘴布置方面有新的发展和优化。
    总之，竖炉直接还原工艺和装备先进可靠、工程投资少、生产成本低，在煤铁资源丰富的地区，既可完全以非炼焦煤作为能源生产海绵铁，也可用煤作为还原剂、用焦炉煤气作为外热燃料生产海绵铁。其略加改造，还要完全用焦炉煤气作为还原剂和热源生产海绵铁，或作为熔融还原预还原炉。这样，我们就可以在生产焦炭的同时，利用焦炉煤气和非炼焦煤炼铁，用废渣制作建材，有效利用宝贵的煤气资源并减少污染，同时可以延长产业链，增加产品附加值，有利于将资源优势转化为经济优势。