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高炉使用高比例球团的战略思考与球团生产的试验研究
王新东1，金永龙2
(1. 河钢集团有限公司, 河北 石家庄 050023;2. 河钢集团有限公司钢研总院， 河北 石家庄 050023)
摘要：从战略发展角度分析了高炉使用高比例球团的优势和存在的问题，指出了高炉使用高比例球团的战略机遇。根据国内高硅铁精粉特点，开展了高硅酸性和熔剂性的镁质球团造球、干燥和焙烧等基础研究，分析了球团抗压强度、高温冶金性能、回转窑生产过程结圈形成机理等基础特性，提出了球团生产的基本操作参数设计特点，实现了链箅机回转窑生产高硅镁质酸性和熔剂性球团的稳定连续生产。完成了高比例球团矿高炉冶炼生产试验。实践证明，高比例球团矿冶炼的高炉生产稳定顺行，各项指标优于高比例烧结矿冶炼的高炉，操作思路可复制、冶炼结果可重现、操作经验可推广，并且环境效益巨大，SO2、NOx、PM和CO2的排放远远优于高比例烧结矿生产的高炉。可以预见，优质冶金球团的制备和高炉高比例球团冶炼将是破解中国钢铁长流程降低污染物排放，实现低碳冶炼和可持续发展的最佳举措。
关键词：高炉；高比例球团；熔剂性球团；减排；低碳
高炉作为生铁生产的主体装备，其炉料结构的发展备受关注。在诸多场合，甚至将“烧结-球团”列为和“模铸-连铸”、“转炉-平炉”同等重要的地位。在20世纪，连铸已经成功取代了模铸，转炉成功淘汰了平炉，而烧结和球团的取代关系却还是在持续博弈，尤其在国内，在“低成本”意识主导下，低价料(或者“经济料”)成为各企业首选。然而优质优价是市场的必然选择，低价料的大量使用，避免不了劣质原料大量进入国内市场，导致近些年国内高炉技术经济指标，如渣比、燃料比等裹足不前或逐渐变差，高消耗(高能耗、高矿耗、低炉龄)的高炉生产现状和优质、低耗、长寿的技术发展和低碳经济发展潮流相悖。为此，彻底改变炼铁工作者的理念和思路，改善高炉原燃料结构，实现高炉稳定、顺行、低耗、长寿，是高炉全生命周期实现低碳减排的重要研究内容，而高比例球团的使用是关键一环。 1 高炉使用高比例球团的SWOT分析
1.1高比例球团使用的优势
球团工艺和烧结工艺相比，在节能、低碳和废气排放方面具有明显优势。 (1)工序能耗方面。近年国内链箅机-回转窑球团的工序能耗下降到27.42 kg/t，竖炉球团的工序能耗下降到31.76 kg/t，2019年平均工序能耗约为28.75 kg/t，而烧结工序平均能耗为50.60 kg/t，即球团工序能耗比烧结工序降低40%以上。按1 kg标准煤热值29 260 kJ计算，按碳完全燃烧产生CO2 的热值为393.3 kJ/mol计，相当于少排放CO2约20 kg/t，而按年产1 000万t规模球团厂估算，每年可比同等规模烧结厂减排CO2约20万t以上。 (2)在废气排放方面。球团生产的烟气处理也优势突出，其烟气排放量只有烧结的75%左右，每吨产品的SO2和NOx排放量分别只有1/2和1/3，因此球团生产的环保投入和运行成本相对烧结都要低。 (3)在燃料适用方面。烧结矿依靠液相黏结，理想的料层透气性是烧结过程顺利进行的关键，适当比例的内配碳(焦粉或无烟煤)是必不可少的；而球团是固相焙烧固结，工艺过程可以完全不用焦或煤，对满足减排控制需要的清洁燃料种类可选性更高。 (4)球团矿和烧结矿相比，球团矿具有品位高、粒度均匀等特点，容易满足高炉生产对低碳排放的要求。由于球团矿品位普遍高于烧结矿，高比例球团的使用，使入炉矿品位提高，渣比降低，炉渣对高炉炉衬冲刷侵蚀、渣流通过焦炭层的侵蚀，以及对软融滴落和透气性影响等都会降低，有利于高炉强化和优化高炉技术经济指标；入炉品位提高，矿耗降低，加上燃料比下降，物流运输量大幅下降，也是节能低碳的一个方面。根据欧美实践，高炉全球团冶炼在技术上是成熟的，带来的直接效果是实现低碳生产。比如，以瑞典SSAB厂使用高比例球团为代表，球团比最高达到近100%(其余为自产含铁固废压块、高含铁钢渣等)，入炉混合矿品位TFe达到65%以上，矿比仅为1 503 kg/t，渣比小于160 kg/t，在煤比为160 kg/t时，燃料比可以控制到460 kg/t以下，炉顶煤气CO利用率达到56%左右；而国内高炉普遍入炉矿比要高100～250 kg/t，燃耗高40～150 kg/t，渣比高100～200 kg/t，因而SSAB高炉生产的低碳效果是显而易见的。 (5)由于球团矿适合长距离运输，适合在矿区附近集中优势资源生产成品球团矿，从而克服矿粉运输过程对环境的不利影响，以及减少原矿结晶水、物理水等在运输过程产生的附加的无用成本。 1.2高比例球团使用的劣势
(1)资源方面。球团的制备需要使用一定细度的精粉。从国际铁矿石供应角度，适合球团生产的精粉供给更加偏紧，尤其是中国炼铁生产所用铁矿粉主要来源于澳大利亚，所占比例达到60%～70%，而澳矿大多是粗粒级的，更适合作为烧结粉；巴西和加拿大等其他铁矿资源，尽管有的适合生产球团，但是受长距离运输成本等限制，在国内使用受市场因素影响较大。而国内矿普遍存在原矿品位低、深度采矿、分选难等问题，导致矿粉生产成本高，直接影响矿企和钢企的经济效益和使用动力。 (2)球团矿的生产技术方面。尽管国内球团制备技术发展较快，链箅机-回转窑大型化、现代化水平较高，近两年国内也建成投产了多台大型和特大型带式球团焙烧机，但还有大批较落后的竖炉工艺。因此，与国外先进企业相比，球团矿质量和各项指标都存在明显差距，尤其是较高比例含硅黏结剂的使用，使本来就含较高SiO2精粉生产的球团质量和冶金性能更趋劣化。而高SiO2精粉，必然使企业更趋向于生产酸性球团，以和高碱度烧结矿配合使用为主，从而限制了高炉使用球团比例的提高。近两年国内大型和特大型带式球团焙烧机已成功建成投产，但投资较大，数量还比较少。 (3)高炉冶炼方面。高比例球团使用的瓶颈主要是成本问题。其实，真正问题的实质还是技术问题，而成本问题只是一个表象。原因如下：1)国内试验的高比例球团生产实践，多数都是不得已而为之，比如早期的杭钢和八钢，都是在烧结矿短缺背景下的短期行为，对高比例球团的使用技术只停留在保证高炉正常出铁水满足后续生产要求，没有深层次的技术突破；而近期部分钢铁企业正在筹划和研究的高比例球团技术，也是基于烧结机停产或限产，不得不考虑新建球团，目前的主要约束也还是所谓的成本因素，深度研究并没有实质性开展；2)近几年的高比例球团试验，例如首钢一定程度上降低了燃料比，但和瑞典几十年的研究最终取得最佳低碳排放相比，投入研发的资金、精力还远远不足，尤其是炉料结构改变后对炉料综合性能的研究和优化、高炉炉型变化的研究、对高炉操作上下部调剂的研究等还明显不够；宝钢的高比例球团试验(大约40%)，也只是停留在资源和成本角度，对更高比例球团的使用缺乏足够的信心和动力；3)国外的成功离不开技术的突破。例如瑞典实现100%球团冶炼技术，除了资源优势外，主要依靠先进的球团生产、高效回收企业含铁固废、高炉炉型设计优化、高炉操作改善等核心技术，实现切实的低耗、优质和低成本。因此，如果高比例球团在高炉应用的理念上和技术上没有突破性进展，是无法实现低成本的。瑞典的成功也是地处同一地区的芬兰彻底取消烧结的动力源。 1.3高比例球团使用的机遇
为了应对全球气候变暖和温室气体减排，低碳是国际社会关注的焦点问题。中国政府承诺“2030年碳达峰和2060年碳中和”的既定目标，正在制定各行业碳达峰和全国碳中和的具体措施和时间节点。2000年以来，中国粗钢产量快速上涨，钢铁行业CO2排放量基本随之逐年上涨。截至2018年，中国粗钢产量达928.3百万t，钢铁行业CO2排放量达1 884.4百万t，吨钢CO2排放量为2.03 t。与2000年相比，粗钢产量增长622.4%，而钢铁行业CO2排放量仅增长382.7%，吨钢CO2排放量下降33.2%，说明中国钢铁行业节能减排工作取得了积极进展，CO2排放控制水平得到很大提升。但是，中国钢铁行业CO2排放量在工业CO2排放总量的占比仍然在上升，占全国碳排放总量的16%左右，并处于国内制造业工业企业的首位。因此，钢铁行业低碳排放成为今后中国低碳路线的重中之重，钢铁行业低碳发展势在必行。在近期讨论的行业低碳路线中，提出了钢铁产量控制、高比例废钢利用或电炉流程发展等政策建议，但受国民经济发展实际需求和市场供给等因素影响较大，从行业发展技术角度考虑，低碳排放工艺和技术研究显然是行业可持续发展的关键，即从钢铁行业内部因素着手，才是解决行业低碳问题的根本途径。 从低碳技术角度，短流程的废钢+电炉或DRI(直接还原铁)+电炉工艺是成熟的，只要资源条件允许，不存在实现的技术壁垒。其中直接还原技术的发展，除了极少数优质块矿可作为DRI生产的原料以外，主要还是依靠优质的球团矿作为原料，从目前国际上正在运行的竖炉来看，对球团矿的质量要求都比较高，如TFe质量分数要求最好大于67%，SiO2质量分数要求不超过1.5%，这样的资源在全世界也是比较稀缺的。而国内不仅仅是高质量球团短缺，作为竖炉还原必须的天然气也是紧缺资源，因而高成本是国内DRI生产必须面对的瓶颈问题。对于熔融还原工艺，尽管世界各国花费了大量的人力、物力、财力和各种资源，开发了很多种直接还原和熔融还原工艺，但是真正实现商业化运行的屈指可数。除了Midex竖炉、基于HYL法发展的Energiron竖炉(HYLⅢ升级版)和回转窑直接还原以外，商业运行的熔融还原工艺只有Corex(Midex竖炉＋气化熔融炉)和韩国的Finex(四级流化床＋气化熔融炉)。根据印度JVSL Corex和南非C-2000运行结果看，燃料比为1 000～1 200 kg/t，其中焦比所占比例为15%～30%，为了稳定顺行最好大于25%，折算吨铁能耗达到20.90 GJ以上，吨铁输出煤气热值约为12.54 GJ，吨铁需净能耗约8.36 GJ。宝钢Corex 3000运行最佳时的燃料比为997 kg/t，其中焦比占17.43%；而韩国1.5 Mt/a 的Finex其燃料比稍好一些，达到868 kg/t，其中焦比为13%。经实测，2004-2006年期间，宝钢高炉能耗为10.08～10.30 GJ/t，煤气热值为4.05～3.97 GJ/t，吨铁净能耗为6.03～6.33 GJ/t。因此，从碳素消耗角度，即使加上烧结、球团和炼焦工艺，现有熔融还原和高炉相比，也并没有优势可言。而期待未商业化的其他炼铁技术(包括所谓的“零碳冶金”或氢冶金)实现重大突破未有定日，远水很难解近渴。因此，短期内高炉作为炼铁生产的主要工艺是必然的，而高炉使用高比例球团冶炼将是近期中国炼铁的主要发展方向。 1.4高比例球团使用面临的挑战
根据以上分析，从需求、资源、技术等现实条件出发，中国高炉工艺还将是钢铁消费需要的铁素资源的重要来源，但其技术发展只有沿着绿色低碳路线才有更好的未来。因此，高比例球团的使用和发展势在必行，最根本的是思路和理念的转变，但挑战也是不可避免的。首先，要克服目前国内普遍存在的“低成本”固有思维，目前的低成本已经导致了高消耗，因此要强调低成本和低消耗、低排放进行统筹考虑，而要转变根深蒂固的传统思维会面临重大挑战。其次，高比例球团使用面临资源挑战，这些资源不仅仅是铁矿资源，还包括能源资源，合理燃料结构(如煤比、天然气、富氢、煤气循环利用等)也是高比例球团使用和低碳发展过程需要同时考虑的。再次，就是技术挑战，国内高比例球团冶炼虽然取得了一定的低碳减排成果，但是技术发展尚不完善，尤其是低硅铁矿精粉的高效采选技术、高质量熔剂性球团制备技术、适于高比例球团冶炼的高炉炉型设计等都进一步制约了中国高比例球团技术的推广，研究极限的低碳技术路线是未来高炉使用高比例球团保持竞争优势和可持续发展的必然需要。
(责任编辑：zgltw)
