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            鋼鐵工業綠色發展,瓶頸何在?如何破題?
            供稿:本站編輯 時間:2020/11/25 點擊:127 0

            事件

            9月22日,習近平主席在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表的重要講話內容——“中國將加大國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”,勾勒出了我國未來綠色發展的時間表和路線圖。中國作為最大的發展中國家,推進低碳綠色發展,不僅是立足于自身國情和實際的考量,更是立足于為全球應對氣候變化做出中國貢獻的大國擔當。

            當前,綠色化鋼鐵面臨兩大課題:一是源頭治理,發展以氫冶金為代表的低碳或無碳煉鐵新流程;二是改變鋼鐵原料結構,根據不同國家的資源特點與發展趨勢,開發低成本廢鋼熔煉技術,大幅降低鐵鋼比。

            盡管氫冶金有無比美妙的發展前景,但在大規模工業化廉價制氫技術開發成功之前,很難形成工業化鋼鐵新流程。而根據我國資源條件,盡快改變國內鋼鐵工業的原料結構,實現節能減排已成為迫在眉睫的發展目標。

            深度

            鐵鋼比高是我國綠色鋼鐵發展瓶頸

            圖1展示了近150年全世界鋼鐵工業的發展概況。從圖中可以看出,全球鋼鐵工業發展經歷了2次飛躍:第一次出現在1947年~1973年,氧氣轉爐淘汰平爐,26年內全球鋼產量從2000萬噸/年發展到7億噸/年,增長35倍。第二次飛躍出現在1996年~2019年,23年內全球鋼產量翻一番,2019年達到18.69億噸。國際鋼鐵的發展再次證明:技術進步(轉爐淘汰平爐)和新興市場發展(中國崛起)是推動世界鋼鐵發展的根本動力。

            我國是一個發展中的大國。國家大,對鋼鐵的需求旺盛,推動了國內鋼鐵工業迅速發展。作為發展中大國,缺乏足夠的廢鋼資源支撐龐大的鋼鐵工業。這也決定了我國必然采用高爐—轉爐生產流程,主要以鐵礦石為原料迅速發展鋼鐵工業。由此也帶來了我國鋼鐵工業目前面臨的重大戰略問題——鋼鐵工業原料結構不合理,鐵鋼比過高。

            以2019年為例,我國粗鋼產量為9.96億噸,占世界鋼產量(18.69億噸)的53.3%;生鐵產量為8.09億噸,占世界生鐵產量(12.60億噸)的64.2%。據此計算,我國鋼鐵工業的鐵鋼比為0.812,比世界平均值(包括中國)0.685高15.7%。鐵礦石和廢鋼是主要的含鐵原料,鐵鋼比高意味著廢鋼比低。圖2展示了2017年世界主要產鋼國家廢鋼比情況,從中得出兩點結論:

            一是我國廢鋼比在主要產鋼國中最低,僅為18%。

            二是由于我國鋼產量占世界鋼產量的比重超過50%,導致全世界平均廢鋼比從不包括中國的57%下降到包括中國的37%。

            廢鋼作為載能體,不需要像鐵礦石一樣,經高爐還原成鐵水。因此,采用廢鋼短流程工藝的噸鋼綜合能耗約占以鐵礦石為主原料的高爐—轉爐長流程工藝的20%。2019年,國內重點鋼鐵企業的噸鋼能耗如下:長流程為552.06千克標準煤,短流程為106.77千克標準煤。由于長流程生產中,能源消耗量90%發生在鐵前系統,如果在長流程中采用相應的技術措施提高廢鋼比,降低鐵鋼比,可以大幅降低我國鋼鐵工業的總能耗和二氧化碳排放量。同樣以2019年的數據為基礎,我國若能盡快將鐵鋼比從0.812降低到世界(包括中國)平均水平0.685,則噸鋼綜合能耗可降低到465千克標準煤,噸鋼節能86.7千克標準煤。按國內鋼鐵工業碳排放系數1.7計算,噸鋼可降低二氧化碳排放量147.4千克。若鐵鋼比進一步降低到除中國外的世界平均水平0.535,則噸鋼綜合能耗可進一步降低到363.7千克標準煤,平均噸鋼節能188.3千克標準煤,噸鋼減少二氧化碳排放量320.2千克,將對我國鋼鐵工業綠色發展發揮關鍵作用。

            隨著我國經濟的發展和鋼鐵工業的崛起,國內廢鋼鐵的積聚量已超過美國二十世紀60年代~70年代的水平。2015年中國廢鋼鐵的年產量為1.5億噸,不少專家預測,2020年將達到2億噸,2025年將達到2.5億噸,2030年將達到3億噸。屆時,國內鋼鐵工業的平均鐵鋼比將降低到0.7以下,廢鋼比將超過35%,達到世界平均水平。

            降低鐵鋼比,電爐不是唯一方案

            降低鐵鋼比,提高廢鋼比,將改變傳統鋼鐵生產流程的原料結構,因而引起整個鋼鐵流程的技術改變。20世紀50年代~70年代,全球迅速淘汰平爐,采用高爐—轉爐流程。因受鐵水熱量限制,轉爐無法大量熔化廢鋼,通常廢鋼比僅為15%~20%,鐵鋼比大于0.9。造成全球廢鋼積聚,廢鋼價格低,資源無法充分利用。

            為解決這一問題,全球掀起了轉爐高廢鋼比冶煉技術的研發熱潮,采用爐氣二次燃燒、熔池噴碳粉、廢鋼預熱等方法,補償熱量,提高廢鋼比。K(M)S、EOF等工業方法,可將廢鋼比穩定在50%以上,但由于降低了轉爐生產效率,未能得到廣泛推廣。

            同時,電爐通過3項重大工藝改革:一是采用超高功率供電,提高熔化速度;二是采用與轉爐冶煉相似的“平熔池冶煉法”,通過加大留鋼量控制實際爐內廢鋼比≤50%;三是完善各種形式的爐內廢鋼預熱技術(即利用廢煙氣直接預熱廢鋼)。近50年來,不斷縮短冶煉周期,降低冶煉電耗,成為廢鋼冶煉的主要發展方向。

            20世紀80年代,隨著“四位一體”(冶煉—精煉—連鑄—連軋)電爐短流程興起,電爐發展達到頂點,許多專家預測:今后世界鋼鐵工業的發展將是逐步淘汰轉爐,建設電爐。時至今日,40年過去了,這一預言并未實現。

            以美國為代表的歐美發達國家電爐鋼比例高,常被一些學者作為典型案例宣傳優先發展電爐。從美國1939年~1989年50年間粗鋼和電爐鋼產量的變化可知:1965年以前電爐鋼產量很低,電爐鋼比不足10%;20世紀70年代電爐鋼比達到15.2%(產量約200萬噸/年);20世紀70年代以后電爐實際產量沒有明顯提升,但因粗鋼產量逐年降低,從1億噸/年以上下降到8000萬噸/年左右,使電爐鋼比例逐步升高,達到40%(見圖3)。這說明美國電爐鋼比例升高,主要是由粗鋼產量降低造成的。

            日本是一個島國,主要礦產與能源依賴進口。同時,日本又是一個制造強國,鋼產量大,廢鋼積聚量高,廢鋼資源豐富(加工廢鋼68%來自汽車業、91%來自制造業),具有良好的電爐發展條件。1965年以前,日本平爐煉鋼大量使用廢鋼,需從國外進口。1977年以后,日本淘汰了平爐,不再進口廢鋼,電爐鋼比<20%。1975年~1996年是日本電爐高速發展階段,電爐鋼比從17%提升至33%。1996年以后,日本電爐鋼產品需求下降,電爐鋼比降至20%。目前,日本電爐鋼產能達到4000萬噸/年,但實際產量僅為2000萬噸/年,大量出口廢鋼。

            中國是一個新興鋼鐵大國,鋼鐵工業以高爐—轉爐流程為主。近10年,國內廢鋼資源逐年增加,2015年國內廢鋼產量已達到1.6億噸,僅2016年我國就新建電爐33座,產能達到3810萬噸/年。由于電爐廢鋼熔煉成本高,生產同樣產品的電爐鋼成本比轉爐成本高300/噸~500元/噸。電爐鋼成本競爭力低于轉爐,這使得國內電爐鋼比例一直未超過10%。

            為什么適宜全廢鋼冶煉的電爐短流程,40多年來并未如預期在全世界迅速發展呢?技術上的原因主要有3個:

            第一,采用廢鋼的生產流程不僅能耗低、污染小,而且噸鋼投資成本低,特別適合中、小發展中國家采用。但也正是由于這一原因,1975年以后,全球廢鋼價格始終在高位波動。

            第二,電爐主要用于生產長型材(全世界只有美國紐柯鋼鐵等少數鋼企采用電爐+薄板坯連鑄連軋工藝生產板材),由于廢鋼中的殘余元素難以去除,生產超純凈高品質鋼具有較大難度。這使得電爐鋼在生產品質和規格品種方面不能完全取代轉爐。

            第三,也是最主要的原因是電爐廢鋼熔化成本高,產品的市場競爭力遠低于轉爐流程。

            表1展示了國際廢鋼貿易概況。2019年,全球廢鋼出口總量為9945萬噸,進口總量為9996萬噸。在全球十大廢鋼進出口國家中,英國、法國、日本、加拿大、澳大利亞等發達國家均是廢鋼出口國;土耳其、印度、越南和孟加拉等發展中國家均是廢鋼進口國。在廢鋼貿易大國中,美國的出口額是進口額的4.14倍,德國為2.15倍,韓國和比利時進出口平衡。這進一步證明,在世界范圍內,直接出口廢鋼的利潤高于采用廢鋼用電爐生產鋼鐵的利潤。這也就形成了廢鋼資源豐富的發達國家向資源匱乏的發展中國家大量出口廢鋼的格局。

            轉爐高廢鋼比、高效化冶煉工藝兼具提效降本優勢

            2016年,國內廢鋼產量約為1.6億噸,其中8000萬噸用于煉鋼生產,1000萬噸~1560萬噸用于鑄造,6500萬噸用于“地條鋼”生產。當年,我國政府嚴厲打擊“地條鋼”,廢鋼價格大幅降低。這引發了國內轉爐研發高廢鋼比冶煉和大量建設電爐的兩大技術熱潮。

            2016年至今,短短4年內,我國轉爐高廢鋼比、高效化冶煉技術的開發迅速興起,開發出第一代和第二代高廢鋼比、高效化冶煉技術,目前正在進行第三代技術開發。

            第一代技術的特點是采用多元化廢鋼裝入制度,分別在鐵水罐、轉爐和鋼包中加入適量廢鋼,解決高廢鋼比冶煉帶來的裝入困難;采用各種方法預熱廢鋼,實現入爐廢鋼全預熱;少渣冶煉,提高轉爐熱效率;全流程高效化生產,提高轉爐生產效率。

            第二代技術在第一代技術的基礎上,簡化廢鋼加入工藝,優化廢鋼預熱方法。第二代技術采用爐前預熱廢鋼,以廢鋼料斗加入為主、高位料倉預熱廢鋼加入為輔的廢鋼預熱和加料工藝。廢鋼預熱采用明焰燃燒,尚未采用去除二噁英等污染物的清潔燃燒技術。

            第三代技術目前尚處于研發過程中,目標是實現轉爐廢鋼比≥40%。主要需要解決的關鍵技術:一是預熱廢鋼一次性快速加入技術;二是高效燃燒和均勻加熱技術,預熱后廢鋼溫度≥800℃,廢鋼預熱效率≥68%;三是清潔燃燒技術,有效控制燃燒產物中二噁英等污染物排放量;四是解決廢鋼預熱中因局部過熱或軟熔造成預熱廢鋼粘結的技術難題。

            近幾年國內轉爐高廢鋼比、高效化冶煉技術的興起,為全世界提供了新的廢鋼熔煉技術和經驗,也為今后開發適宜靈活調整爐料結構的新型轉爐工藝和裝備技術打下基礎。轉爐高廢鋼比、高效化冶煉工藝的技術創新包括:

            一是在全世界首先開發應用了爐外廢鋼預熱技術,未采用電爐用廢煙氣直接預熱廢鋼工藝,而是采用外部煤氣燃燒預熱廢鋼,轉爐煤氣正;厥。生產實踐已證明,在廢鋼比40%條件下,可節約轉爐煤氣量60%;廢鋼預熱熱效率比在線預熱工藝提高1倍。

            二是廢鋼爐外預熱可以有效補償轉爐熱量,第一、第二代工藝的生產實踐已證明,入爐廢鋼全預熱,可確保轉爐廢鋼比≥30%、鐵鋼比≤0.8。

            三是采用轉爐高廢鋼比、高效冶煉工藝的實踐也證明,轉爐生產效率可提高30%~50%:冶煉周期從40分鐘~45分鐘縮短到20分鐘~35分鐘,日產爐數從40爐/爐提高到50爐/爐~60爐/爐,并帶動煉鋼流程的高效化生產。

            四是采用轉爐高廢鋼比、高效冶煉工藝后,廢鋼的熔化成本從電爐的250元/噸~300元/噸降低到30元/噸~70元/噸(隨各廠煤氣價格波動)。轉爐煉鋼的輔料消耗和渣量可降低30%。

            表2對傳統轉爐、現代化電爐和第一、二、三代轉爐高廢鋼比、高效化冶煉工藝進行了比較。

            從表2可以看出,開發和完善轉爐高廢鋼比、高效化冶煉工藝,不僅解決了轉爐廢鋼比低的技術難題,而且和目前最先進的電爐指標相比,可以大幅降低廢鋼熔化成本,提高轉爐生產效率和降低生產成本(減少渣量和輔料消耗)。這解決了電爐采用高廢鋼比冶煉面臨的生產成本高,缺乏市場競爭力,產品質量和規格品種受限,市場不足以及廢鋼價格偏高等技術困難,有利于國內大幅提高廢鋼比,降低鐵鋼比,實現鋼鐵工業綠色化發展的要求。

            3點政策建議

            一是根據我國鋼鐵工業的流程特點和今后的發展趨勢,今后5年~10年應把降低鐵鋼比、提高廢鋼比作為綠色鋼鐵的發展重點,盡快把國內鐵鋼比降低到世界平均水平。

            二是在產業政策方面,應根據國家綠色化的發展目標和規劃,有計劃地關停部分高爐,降低生鐵產量。大力鼓勵各鋼鐵企業努力提高廢鋼用量,鼓勵用廢鋼置換生鐵產能,盡快降低各鋼鐵企業的鐵鋼比。

            三是積極鼓勵國內鋼鐵企業大力開展自主創新,適當安排部分國家級科技資金和重點攻關項目開展轉爐高廢鋼比、高效化冶煉新工藝與裝備技術的科研開發工作,促進國內轉爐煉鋼技術達到國際領先水平。


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