煤制气竖炉炼钢：钢企跨界煤化工新模式?

与高炉流程相比，竖炉直接还原铁—废钢电炉流程的流程短，单套设备产能可达到年产250万吨，节能和减排CO2、SO2、NOx效果显著，是钢铁工业摆脱焦煤资源和烧结工艺的羁绊、实现绿色低碳的一项先进的炼铁技术，是我国直接还原炼铁技术的主要发展方向之一，也是传统钢铁产业转型升级的一条途径。

直接还原铁需求将有大增长

近10年来，我国的钢产量平均年增长率达到7.5%~16%，我国的钢铁蓄积量也以16%以上的年增长率迅速增加。据专家预测，到2015年我国的钢铁蓄积量将达到90亿吨。随着钢产量增长速度放缓和废钢铁产生量的增加，钢铁料消耗及转炉与电炉的比例会向着废钢铁比重增大的方向变化。若2015年废钢单耗按200千克/吨、粗钢产量按7.5亿吨计算，炼钢废钢需求量将达1.5亿吨;若2020年废钢单耗按300千克/吨、粗钢产量按8亿吨计算，炼钢废钢需求将达2.4亿吨。使用废钢的比例上升后，对纯净的铁源直接还原铁的需求将有爆发性增长。

受到资源的制约，我国直接还原铁(DRI)产量不到全球直接还原铁产量的1.5%，也不到全国高炉生铁产量的千分之二。目前我国DRI的产量不足80万吨，废钢比逐渐提高将推动中国DRI的发展。根据中国废钢铁应用协会估计，近期我国DRI的市场需求量为1500万吨~2000万吨。因此迫切须要充分利用国内资源，大力发展非高炉炼铁技术，加快发展我国的直接还原产业，提高短流程电炉炼钢的比例，降低钢铁流程的产品综合能耗，促进钢铁工业可持续发展。

发展适应国情的直接还原工艺

近几年处理大型高炉无法使用的含锌、铅和碱金属高的钢铁厂含铁尘泥的转底炉工艺在中国发展较快。转底炉的共性缺点是生产率不高，炉内的氧化性气氛使产品再氧化及原料杂质含量高，使其产品的金属化率等指标不容易达到市售DRI产品的标准，转底炉的铁产品高回收率、低成本渣铁分离技术还不成熟，因此很难受到广泛重视。但是煤基转底炉直接还原技术不用焦炭、烧结矿，可以完全使用非炼焦煤，可以直接处理传统高炉炼铁流程很难利用的各类低品质难选的含铁资源，如含硅、铝、镁、钛等量很高的氧化物，含铁45%~50%的难选且难还原的赤铁矿、钒钛磁铁矿、有色金属冶炼含铁废渣(炼铜渣、赤泥、硫酸渣等)，在国内众多的低品质含铁资源综合利用工程中有较好的推广应用前景。

由于我国天然气储量和产量难以满足经济的发展要求，发展煤制天然气是一条缓解我国天然气供求矛盾的有效途径。煤制天然气具有清洁、高效等优点，美国、丹麦等许多的国家在几十年前就开始大力发展煤合成天然气产业，2008年韩国浦项投资9亿美元建设煤制天然气项目。在市场需求和天然气价格大幅上涨的拉动下，以及政府部门的大力支持下，大量投资流向煤制天然气工程，煤制天然气的技术也不断发展成熟，我国目前正在建设、2016年陆续投产的煤炭深加工煤制天然气示范项目产量将达700亿立方米/年以上。

根据我国的资源状况，直接还原铁产业应该首先发展与大型直接还原竖炉装置有效联接的低成本煤制气工艺(包括甲烷化)，尽早建设形成30万吨/年~200万吨/年DRI的煤制气大型竖炉直接还原无焦炼铁生产示范线;其次应进一步开发、完善处理低品质难选矿或难选含铁废渣的煤基转底炉技术装备，使其能够低成本、低能耗地生产出合格的废钢替代品。

大型气基竖炉直接还原法具优势

近几年中国钢铁工业的发展遇到很大困难。以经济效益为中心、以市场需求为导向，控制产品总量，降低生产成本，提高产品竞争力成为中国钢铁业的主要发展方向。

尽管近几年吨钢能耗、水耗、固废等排放量指标有所改善，但由于总产量不断增长，资源、环境、生态负荷的约束已经很大。钢铁节能减排，清洁生产，最大限度地减少SO2、NOx、CO2和烟粉尘排放，构筑绿色产业体系，是我国钢铁企业转型升级的主要目标。

在国家产业升级、节能减排的大背景下，目前众多的高耗能企业徘徊在生死线边缘，急于寻求一种清洁生产的新工艺技术来升级、改造传统产业，大型煤制气竖炉直接还原工艺为钢铁企业实现绿色生产提供了一种选择。

生产经验表明，高功率电炉冶炼时炉料中搭配30%～50%直接还原铁，可提高生产率10%～25%，提高作业率25%～30%，比高炉—转炉流程可多减排CO240%~65%，钢材的物理性能明显提高。

根据文献报道，阿联酋钢铁公司(ESI)的年产160万吨DRIEnergiron(新一代直接还原技术)竖炉，其DRI产品含碳约2%~3%，DRI生产能力较电炉高10%左右。由于竖炉年作业率为90%，该厂的电炉在一段时间内必须完全使用冷DRI冶炼。在90%热DRI+10%冷DRI和100%冷DRI两种原料条件下，其天然气竖炉直接还原的工序能耗分别为61.91千克标煤/吨和98.32千克标煤/吨，其电炉的平均工序能耗为65.55千克标煤/吨，与我国宝钢股份公司的150吨电炉相当。

ESI公司Energiron工艺的吨钢综合能耗为铁矿石至钢水的能源消耗，应包括竖炉、电炉和球团工序的能耗。ESI直接还原竖炉部分的工序能耗为380.71千克标煤/吨。根据物料平衡计算，每吨钢消耗1143千克DRI，则每吨钢水消耗的DRI的能耗折算为435.15千克标煤。ESI的天然气竖炉—电炉短流程炼钢工艺的吨钢综合能耗为500.7千克标煤。再计入球团生产工序的能耗(以30千克标煤计)，则竖炉—电炉短流程炼钢工艺的吨钢综合能耗为548千克标煤，比2012年《中国钢铁工业年鉴》报告的全国重点钢铁企业的平均吨钢综合能耗(603千克标煤)低9%。

根据煤化工专家介绍，在煤制天然气成本中，原材料和燃料动力费用所占比例约为60%，如果采用单位天然气发生量投资最低，氧耗、电耗最低的碎煤固定床加压气化工艺建设煤制天然气项目，在煤矿坑口使用含税价格为170元/吨褐煤，煤制天然气的生产成本为1.06元/立方米(已扣除副产品收入0.468元/立方米)。如果采用含税价为340元/吨的高硫煤、次烟煤在钢铁厂生产煤制天然气，其单位成本约为1.28元/立方米，再采用燃气—蒸汽循环热电联供机组发电，1立方米天然气可发电4千瓦时，电价可以控制在0.32元/千瓦时以下。通常大型竖炉—电炉短流程炼钢工艺生产每吨钢须消耗天然气约370立方米，耗电约420千瓦时。如果钢铁企业能够掌控一部分廉价煤炭资源，就能控制煤制天然气的生产成本，也就能够保证煤制天然气—竖炉—电炉炼钢生产的成本竞争力持平或超过传统钢铁流程，同时获得天然气代替焦炭、原煤的环境效益。

目前在我国富产煤炭的东北、华北、西北的大多数钢铁企业，若政府支持钢铁企业与煤炭生产企业的部分产能整合，通过天然气管网形成原煤—天然气—钢铁产业链，就能够建成大型煤制天然气—生产DRI—煤气发电—电炉联产和短流程钢铁企业，有助于为传统大型钢铁联合企业转型、升级换代和钢铁产品清洁生产提供一种模式，减少或完全摆脱钢铁厂对焦化、烧结两个最大污染源的依赖。

竖炉直接还原炼铁不需要焦炭和烧结矿，产品品质优良，可以自用也有大量外销的市场。高炉炼铁最大的优势是单台设备的年产能可达到300万吨，受到大型钢铁企业的青睐。为了在产能上能够与传统高炉相媲美，2011年初美国纽柯钢铁公司开始建设年产250万吨DRI的天然气竖炉，预计2013年底投产。2013年7月，奥钢联与西门子签约，投资5.5亿欧元在美国德克萨斯州休斯敦建设年产200万吨HBI(热压铁)的直接还原竖炉，计划2016年投产。可以预见，10年内竖炉直接还原法就可能实现单台设备年产300万吨DRI。在中国的内蒙古或辽宁西部可能出现由钢铁企业出资、与采煤企业合营的煤化工企业，在煤矿坑口生产低成本的煤制天然气，通过天然气管道输送到环渤海的钢铁厂，建设采用大型直接还原竖炉生产海绵铁、采用电炉炼钢、实现发电自给的新型短流程绿色钢铁企业的示范工程，可代替一部分目前使用焦炭、烧结矿的钢铁产能。