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炼钢炉/冶金机械 |
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近年日本炼铁工序的节能环保技术简介 |
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日本在钢铁发展达到顶峰的上世纪70年代，曾拥有高炉~70座，年炼铁能力~1.1亿t。石油危机以后从节能的角度出发，对小型落后的高炉采取了大幅度关停的措施，到1995年仅保留高炉31台。最为突出的是新日铁釜山厂，由钢铁联合企业变为只剩1个线材工厂并依靠外部供坯生产的钢铁厂；广烟厂和堺厂由于高炉关停后只有靠转炉吹氧喷煤熔化废钢铁炼钢。对保留生产的高炉也全面实施了节能环保技术，如高炉顶压发电、热风炉利用余热提高风温、烧结机利用余热发电以及用喷煤粉全部代替了喷油，并达到了100kg/t以上的水平，这些措施均对能耗达到国际先进水平作出了很大的贡献。同时在含铁粉尘用于烧结机配料和高炉渣用于水泥等方面也进步很快，1995年的利用率已达到96%左右。
1995年以后为了贯彻“世界21世纪议程”中提出的可持续发展方针以及以减排CO2为中心的节能环保企业2010年志愿计划，除了开展高炉喷吹废塑料代煤和开发直接还原铁技术以合理利用资源和能源外，还利用90年代后期钢铁需求疲软导致高炉低利用系数生产的有利时机，大力开发扩大喷吹煤粉以代焦炭而降低成本的技术，部分高炉月度喷煤比高达254~266kg/t铁，具体情况如表1所示。表1 日本喷煤比较高的高炉各项指标
 由此，在1998年和1999年，日本全国喷煤比也创造了129.5kg/t和132.9kg/t的历史新纪录。2000年以后随着钢产量和生铁产量的上升而高炉又减少了3座（中山制钢关停2×850m3高炉和JFE钢铁千叶分厂关停2000m3高炉），由于利用系数的提高，喷煤比开始略有下降，具体见表2。表2 近年日本高炉产量和燃比指标的变化
 由于高炉开工座数由2001年之前的31座和平均炉容3800m3，减少为2005年的28座，加上不少高炉大修扩容，2005年平均单炉容积为4004m3，最大炉容为5775m3。2005年全国的平均利用系数为2.03。
为了适应今后钢产量继续增长对铁水产量的要求，日本钢铁企业鉴于高炉的传统炼铁工艺乃高能耗工艺且节能潜力已接近极限，因此不愿新建高炉而采取了扩大废钢铁利用量的措施。除无高炉的新日铁广烟厂和堺厂采用了转炉吹氧喷煤化铁炼钢外，有高炉的新日铁名古屋厂和JFE钢铁京滨厂正在筹建用焦炭熔化废钢铁的50万t/a竖炉中，能耗和CO2排放量仅为高炉产铁水的1/2，投资仅百亿日元，也比新建高炉低，且可充分利用日本废钢铁有余的资源优势。
鉴于高炉顶压发电、利用余热、提高风温和改善原燃料等常规节能技术我国各厂都在推广应用，故不在此进行介绍。本文重点介绍具有日本特色的废物循环利用技术和直接还原铁生产技术，以供大家参考。
2001年各钢铁厂高炉生铁产量和燃比
2001年，7户高炉生产公司共有31座高炉生产，共产生铁7928万t，燃比为513kg/t，其中焦比383kg/t，喷煤比130kg/t。具体分厂指标如表3。表3 2001年各厂高炉生铁产量和燃比
 直接还原炼铁法的开发简介
美国Midrex公司于上世纪70年代开发成功在竖炉中900℃下以天然气代焦炭为还原剂对球团块加热和生产直接还原铁（DRI）的技术，由于它的设备远比高炉简单而规模小，且不用资源少而价格昂贵的焦炭，产品又供特殊钢电炉厂用优质原料，因此在产天然气的地区开始推广应用，以代替高炉炼铁法，称之为Midrex法。
神户制钢在参与此法的推广中，于1983年并购了Midrex公司并主导了在全球的推广工作，充分发挥了其钢铁生产的技术经验，通过对还原气体吹氧提温以提高生产效率，并采取热装法直接装入电炉，既有利于降低电耗，又可简化流程，从而加速了推广应用，到2003年已达3500万t。
为了在没有天然气的地区推广直接还原炼铁法，神户和Midrex公司又陆续开发成功了用普通煤为还原剂生产直接还原铁的Fastmet法和产出铁水的Fastmelt法以及用粉煤和粉矿直接生产出粒铁的ITMK3法。各种方法的特征对照如表4。表4 高炉炼铁法和各种直接还原炼铁法的比较
 以下兹对后3种方法介绍如下：
（1） Fastmet法。 采用此法时先将铁矿粉和煤粉混合后压制成球团状，装入环形加热炉铺成1~2层炉料，在高达1350℃下快速加热，在炉内停留6~12分钟后便形成直接还原铁而排出炉外。球团块还原时产生的CO可作为环形加热炉的燃料利用，由此可大量节省燃料。为了对此进行验证，神钢在加古川厂建成2万t/a的工试装置，从1985年12月开始进行了历时三年工试。另外还试用了对钢铁厂所产含铁、锌粉尘的回收利用，由于在高达1350℃的高温下进行还原，可同时将含铁粉尘内的锌、铅等有害金属挥发去除，使生成的直接还原铁内不含有害重金属。而对挥发后锌、铅等成分在高温废气中再度被氧化后，可在冷却后除尘器处作为氧化锌回收后供有色冶炼厂作原料利用，从而不仅可变废为宝，更加大了它的节能、环保和经济效果。
神钢已于2000年向新日铁广烟厂提供了年处理炼钢含锌粉尘19万t的设备。另于2002年向新日铁光厂提供了处理5万t电炉含锌粒尘及氧化铁皮等废渣的回收处理设备，连粉尘中的镍、铬等高价金属也得到了有效的回收利用，效果更好。据此，神钢将加古川厂的工试设备适当改造扩大后用于本公司钢铁含锌粉尘的回收处理设备加以利用。表5 干燥后球团块和DRI的化学成分（单位：%）
 （2）Fastmelt法。以煤为还原剂生产的还原铁存在煤中灰分和硫波动的问题，为此开发出了Fastmelt法。即将上法产出的直接还原铁在高温下加入熔化炉进行熔化，在使渣、铁分离的同时脱硫。熔化炉产生的CO，也供环形炉燃用。
用于熔化的能源，可以因地制宜使用电或煤。使用煤时由于熔化炉产生的气体较多，从而整个系统不需外部另供气体燃料。1座Fastmelt商用设备可年产铁水50万t左右，从而除了可供电炉钢厂应用外，还可供转炉钢厂作为高炉的补充铁水供应源。据云，神钢已与我国石家庄钢铁厂商妥计划合资建此项设备以供电炉用铁水，另外还和其它厂签订了2~3项类似的合同。
（3）ITMK3法。 它是以粉矿、粉煤为原料直接生产出将渣分离出的“粒铁”的工艺。如果以目前的主流高炉为第一代炼铁法，Midrex法等直接还原铁生产法为第二代炼铁法时，那么ITMK3法堪称第三代炼铁法，它与以往的炼铁法完全不同，使用的是炭铁复合技术。
神钢于1996年在试验中发现上述奇异现象后即开展了系统试验研究，经在加古川厂中试对工艺思路验证后，在美国会同有关方于2004年共同进行了2.5万t/a的工试，现正计划合资建设第一套50万t/a实用化设备，计划将于2008年投产。
工艺原理
在1350~1450℃下，将含炭复合球团矿加热后便产生以下反应：
Fex+yCO=xFe+yCO2 （1）
CO2+C=2CO （2）
C（s）=C（渗炭） （3）
Fe（s）=Fe（l）（熔融）（4）
上述反应在10分钟内完成，并使渣铁完全分离。
工艺流程
（a）采用铁矿粉和煤粉制成含炭复合球团；（b）把球团加入环形炉内，在1350~1450℃下进行加热、还原、熔融、分离出铁和渣；（c）在炉内将熔融铁凝聚成粒状，冷却后和渣分别排出。
今后应用展望
ITMK法不用焦炭和块矿，可用普通煤和低品位矿等高炉不便应用的劣质原料，且工艺设备简单，因此灵活性大而投资低（50万t/a设备估计为150亿日元），符合合理利用资源和环境友好的战略方针，预计今后将很快应用。另和该法类似但以褐煤作为还原剂的“UBC”法，已由神钢主持在印尼小试，并计划于2010年中试，看来它的发展前景相当广阔。
在循环经济的推动下加强废物使用
1996年公布的减排CO2为中心的节能环保企业2010年志愿计划中提出钢铁产业废物利用率达99%和消化废塑料100万t的目标，对推动钢铁业的废物利用起了重大作用。特别是2000年通过颁布“建设循环型社会基本法”及相关配套法规后，循环利用厂内、厂外废物更成为21世纪的基本国策，更发挥了极大的推动作用，而每项进展都对节能环保带来极大的效果。
现对炼铁工序的有关部分简要介绍如下。
（1）高炉喷吹废塑料代煤技术。
NKK学习德国不来梅钢铁厂的经验，于1996年10月在京滨厂1#高炉（4093）上试喷产业废塑料成功，不久便推广到福山厂高炉和神户加古川厂高炉。2000年4月开始全面实施“容器包装再生法”以后，改用喷吹生活混合废塑料为主。到2005年京滨、福山两厂年喷吹~15万t，计划2010年达30万t；神钢则年喷2万t。喷吹废塑料除代煤粉实现了节能效果外，由于塑料的含氯量和发热量大于煤粉，除起到还原剂的作用外，高炉煤气的热值也得到一定程度的提高，故总的能量利用率可达75~80%，高于废塑料油化、气化的65%，属于一种较好的利用方式，但较焦煤中掺入废塑料的94%则略差，因此今年通过招标方式选用委托处理户后，炼焦利用方式的发展更快。此外，为防止含氯废塑料中氯过多时产生的盐酸对管道的腐蚀，高炉喷吹废塑料控制含氯废塑料比为≤2%（焦煤掺用为5%），也增加了预处理的复杂性。
高炉喷吹废塑料的预处理系统大致为：对成捆运来的废塑料拆包后，除人工检出明显杂物外并分为固形类（如PET瓶类）和膜片类（如包装袋类）。对固形类通过破碎机处理为适于向高炉喷吹的粒度后贮存；对膜片类先破碎为4~5mm小片并利用比重法将多余的PVC等含氯废塑料分离出单独处理，对合格的塑料则送造粒机制成适合喷出的粒度后存仓。对含氯废塑料经专门回转窑加热处理使氯和部分氢蒸发后再经冷却后以盐酸回收后，供钢铁厂冷轧工场酸洗用。对脱氯后的部分则同样送造粒后存仓。然后由存仓转运喷吹罐以喷入高炉风口内。为保持在风口适度停留和合理燃烧，需控制造粒的合理粒度。
日本钢铁企业争相使用废塑料，除节能环保意识较强外，还有处理每t废塑料可收到2~4万日元处理费的鼓励政策，这点很值得我们学习。
（2）君津厂的30万t含铁粉尘全部得到利用。
君津钢铁厂作为千万t级大钢厂每年产生的大量含铁粉尘大部掺入烧结矿原料中得到有效利用，但每年仍有30万t含锌0.7~0.9%的含铁粉尘恐影响高炉顺行而作为废物填埋处理。为完成志愿计划中厂内废物利用率达99%的目标，2000年引进美国环形炉技术，对粉尘制球团利用环形炉在脱锌的同时制成金属化率达70~85%、强度达50kg/cm2的直接还原球团，加入高炉利用不仅代替了烧结矿，且焦比也有所下降，加上由废变宝，经济效果更好。这个18万t/a的创新工程于2000年获得了经产省大臣节能奖。接着在2002年又建成了12万t/a的环形炉，使全部的含铁粉尘得到了利用。神钢学习该厂经验利用自行开发的环形炉也对高炉系统的含铁粉尘作了有效利用，其它厂也在学习中。
（3）利用高炉渣开发高功能产品。
近年来高炉渣作为水泥用原料已得到充分的利用，但各大钢仍在积极开发高功能产品。如JFE钢铁开发成功的抑制路面温度上升产生热岛现象的路面铺装保水材，优于一般的水泥制品。新日铁则开发成功利用高炉渣和腐植物混合材以有利海洋藻类生长的新材料，均是明显的例证。(end)
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(3/26/2007) |
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