世纪钢铁工业炼铁工艺技术进步的趋向.pptx

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1、2022-7-2411 12020世纪钢铁工业的简明回顾世纪钢铁工业的简明回顾第1页/共65页2022-7-242图1 20世纪以来（1900-2010）世界钢产量与中国钢产量的演变一次大战二次大战氧气转炉与连铸技术出现一次石油危机二次石油危机薄板坯连铸技术出现第2页/共65页2022-7-2431.11.1钢铁工业发展的拉动力，推动力和限制钢铁工业发展的拉动力，推动力和限制力力实践证明：实践证明： 钢铁是目前和今后相当一段时间内人类社会所使用的重要材料； 钢铁是国家工业化的支撑。一个国家要实现工业化必须要跨过钢铁工业的门槛； 1900年以来钢铁工业经历了两个高速增长期，这两个增长期均与人类社

2、会的工业化密切相关； 人类社会经济发展对钢铁的需求的增长是钢铁工业的拉动力；技术进步是钢铁工业发展的推动力，而地球资源、能源、环境的约束则是钢铁工业发展的限制力。第3页/共65页2022-7-244限制力（资源、能源、环境）永远存在限制力（资源、能源、环境）永远存在钢铁工业钢铁工业推动力（技术进步）持续存在 发展发展拉动力（经济增长）时有时无 图图2 2 钢铁工业发展的拉动力，推动力和限制力钢铁工业发展的拉动力，推动力和限制力第4页/共65页2022-7-245图3 20世纪以来（19002010年）世界人均产钢量的演变 第5页/共65页2022-7-246图3 20世纪以来（19002001

3、0年）世界人均产钢量的演变 第6页/共65页2022-7-247 20 世纪世界人口高速增长。由于工业化的拉动力，钢产量增长的速度远大于人口增长的速度。 世界钢铁工业第二个高速增长主要是由中国等发展中国家工业化拉动的。这个高速增长期预计将在2015年前后结束，并进入稳定期。如果目前的发展中国家或地区中有的进入工业化阶段，世界钢铁工业将出现新的增长期。目前全球已实现和正在进行工业化国家的人口不足30亿，其余30亿以上的人口陆续进入工业化阶段将是不可阻挡的潮流，世界钢铁工业继续发展是必然趋势。第7页/共65页2022-7-2481950年年2000年年2006年年第一次高速第一次高速增长期增长期第

4、二次高速第二次高速增长期增长期第一种可能性第一种可能性第二种可能性第二种可能性年份年份世界钢年产量世界钢年产量 亿吨亿吨图图4 4 世界钢铁产量发展趋向预期世界钢铁产量发展趋向预期第8页/共65页2022-7-249 按目前的发展方式，在世界实现工业化过程钢铁工业将以较快速度增加。预计在2030年以前将大大超过20亿吨/年，对地球资源和环境将是难以支撑和承受的负担。如果能开发出一种新的增长方式（新型工业化道路），则有可能出现第二种可能性，用较低人均钢产量支撑工业化进程。世界钢产量增加的趋势是必然的，但走新路的可能性是存在的。第9页/共65页2022-7-24101.3 21世纪钢铁工业面临的挑

5、战 钢铁工业的发展史，从技术层面上讲就是钢铁冶金工艺流程的创新史。 钢铁工业具有两重性：一方面是经济社会发展的支柱，另一方面钢铁工业具有“两高一资”的特性，是人类社会发展的负担。21世纪钢铁工业面临的挑战是如何在克服“两高一资”的前提下，使钢铁工业支撑人类社会经济发展，最根本的是依靠技术进步和创新。第10页/共65页2022-7-24112 2关于钢铁冶金的工艺流程关于钢铁冶金的工艺流程第11页/共65页2022-7-24122.1 钢铁工艺的基础 钢铁工艺的本质是从地球地壳的铁的化合物中提取铁元素并制成人类社会使用的铁基的合金材料。从理论观点讲，钢铁冶金属于Fe-C-O的高温物理化学。钢的生

6、产路线的本质是Fe的氧化物脱氧并使Fe转化为Fe-C合金的过程。第12页/共65页2022-7-2413图图5 钢的生产路线钢的生产路线 第13页/共65页2022-7-2414 从图5可见，从铁矿石直接转化为钢的路是走不通的。从铁矿石直接转化为钢，目前实际上有两条路。一条是将铁矿石转化为直接还原铁，通过电炉熔炼为钢，另一条则是将矿石在高炉内炼成铁水，送转炉（或电炉）冶炼成钢。2010年全球钢产量中， 70%以上的钢是从铁矿石中的铁生产出来的。30%的钢是利用回收废钢生产的。用铁矿石生产钢，资源、能源消耗比废钢生产路线高很多，排放量也大，是“两高一资”的源头。多年来科技工作者试图从炼铁工艺方面

7、寻求出路。 第14页/共65页2022-7-2415 有没有更好的工艺流程可以取代现有的流程？ 如何改进现有的工艺流程，减少资源消耗，降低污染排放，减轻对化石资源的依赖？ 以下就世纪之交的钢铁新工艺流程的探索予以讨论。第15页/共65页2022-7-24163 32020世纪世纪21 21世纪之交的钢铁世纪之交的钢铁新工艺流程的探索新工艺流程的探索第16页/共65页2022-7-2417图图6 世界直接还原铁产量（世界直接还原铁产量（19702010 包括包括DRI/HBI）图图6第17页/共65页2022-7-2418 2008年世界金融危机后和世界钢产量一样，直接还原铁产量下降（2008年

8、为6850万吨）。2010年超过7000万吨为历史最高。这次增长的特点是具有天然气资源的国家得到发展。如果有油气资源，直接还原比高炉炼铁能耗低，排放少。第18页/共65页2022-7-2419 铁矿石直接还原工艺可分为气基与煤基两大类。世界钢协对2008年世界6850万吨直接还原铁进行统计：气基产量占5090万吨，为74.3%（其中：Midrex 3980万吨，Hyl 990万吨，其他110万吨），煤基产量1760万吨，占25.7%。从2010年情况看，气基似乎增长更快。 第19页/共65页2022-7-2420表1 2010年世界各国直接还原铁产量 （万吨）第20页/共65页2022-7-2

9、4213.1.1 气基铁矿石直接还原工艺 气基铁矿石直接还原工艺中，最早的，应用最广的仍是Midrex。 气基铁矿石直接还原工艺中，份额次于Midrex的是Hyl。 Hyl是墨西哥Hylsa开发的，经过Hyl，Hyl ， Hyl ， Hyl- ZR （Zero Reformer）。2006年，Hylsa的母公司Techit宣布和Danieli公司合作，将Hyl- ZR工艺改为“Energiron” ，并在阿联酋建设“Energiron” 工艺的铁矿石直接还原工厂。该厂设计年产直接还原铁160万吨，是近年来建成并投产的规模最大，现代化水平最高的气基还原铁工厂。其流程见图7 。第21页/共65页2

10、022-7-2422 图7 Hyl-Zero Reformer(ZR)直接还原流程 Partial Oxidation andReforming Reactions 2H2 + O2 2H2O 2CH4 + O2 2CO + 4H2 CH4 + H2O CO + 3H2O CO + H2O CO2 + H2Reduction andCarburization Reactions Fe2O3 + 3H2 2Fe + 3H2O Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2 3Fe + CH4 Fe3C + 2H2FuelCO2Removal unitH2OHumidifierIron OreDRI

11、NGNGProcess GasCompressorTop GasScrubberOxygenHYLReactorGasHeaterFuelCO2Removal unitH2OHumidifierIron OreDRINGNGProcess GasCompressorTop GasScrubberOxygenHYLReactorGasHeater第22页/共65页2022-7-2423 今年6月，参加欧洲炼铁炼焦大会期间，部分同志参观过阿布扎比的“Energiron” 工厂。 Midrex流程中产量最大的厂在墨西哥Megsmod，年产176万吨。气基流还有FINMET，采用流态化床，在委内瑞拉建

12、有生产厂，生产HBI 。第23页/共65页2022-7-24243.1.2煤基铁矿石直接还原工艺 3.1.2.1 回转窑流程 与气基直接还原工艺比，煤基直接还原工艺单体产能低，单位能耗高，DRI品位低。煤基直接还原使用回转窑者多，使用非结焦性煤，煤的灰份熔点必须低于铁矿石的还原温度100以上，否则就会结圈。煤基直接还原铁产量高的是印度，以回转窑为主。回转窑流程中以SL/RN流程最多。 第24页/共65页2022-7-2425图8 SL/RN8 SL/RN流程 第25页/共65页2022-7-24263.1.2.2 转底炉 转底炉出现在美国，用于处理钢铁厂的含铁废弃物，并使用铁矿粉和煤粉，日本新

13、日铁和神户使用转底炉，。用含铁废弃物生产金属化球团并回收废弃物中的锌。转底炉在国内国外均有发展。第26页/共65页2022-7-2427 图图9 转底炉流程转底炉流程 第27页/共65页2022-7-2428 神户制钢以转底炉工艺为基础，开发出称之为“ITmk3”的直接还原铁工艺，生产出一种称为Iron nuggets（铁块中Fe 97%、C 2%，比重4.4g/cm3）的产品，用于电炉炼钢。第28页/共65页2022-7-2429图10 ITmk3工艺流程第29页/共65页2022-7-2430第30页/共65页2022-7-2431 ITmk3第一座商业化 Misabi Nugget pr

14、oject是神户制钢与美国动力钢公司的合资厂，产生产能力50万吨。靠近Misabi I ron Range,2007年6月开始建设，2010年元月投产。根据报道ITmk3的CO2 排放低于高炉流程。第31页/共65页2022-7-2432表2 ITmk3与高炉工艺CO2排放的比较第32页/共65页2022-7-24333.1.3 铁矿石直接还原的发展趋向 由于资源条件的限制，直接还原铁的产量在世界铁产量中所占的比例不高。但在一定条件下，直接还原流程在经济上是有利的。进入21世纪直接还原铁的发展加快。直接还原铁主要供电炉使用，由于所含杂质少，有利于冶炼高级钢种，但电耗比用废钢要高。第33页/共6

15、5页2022-7-24343.2 铁矿石熔融还原 开发铁矿在熔融还原工艺的主要目标是摆脱高炉流程对炼焦煤（焦炭）的依赖。寻求生产液态铁水的工艺流程。到目前为止，已实现工业化的只有COREX和FINEX 两种流程。第34页/共65页2022-7-2435表3 世界COREX装置现状 第35页/共65页2022-7-2436图图13 COREX13 COREX流程流程 第36页/共65页2022-7-2437 估计今后不会再有新的COREX装置出现。今年6月在欧洲炼铁炼焦大会上All Siemens VAI的Christian Bhm对COREX流程结论性意见是： By fulfilling th

16、e regulations, utilization of low-cost / high available raw materials, overall fuel savings even for the blast furnace and the impressive ecological advantages, these new processes once again approve themselves as alternates to the blast furnace and /or a reasonable expansion / substitution of exist

17、ing production route。 第37页/共65页2022-7-24383.2.2 FINEX流程 FINEX实际上是在POSCO1992年投产的COREX C-2000的基础上开发出来的。第38页/共65页2022-7-2439图图14 高炉、高炉、COREX到到FINEX流程的演变流程的演变第39页/共65页2022-7-2440图图15 FINEX工艺主要技术改进工艺主要技术改进第40页/共65页2022-7-2441图16 FINEX扩大规模过程第41页/共65页2022-7-2442表4 1.5-mtpy FINEX操作实绩第42页/共65页2022-7-24433.2.

18、3 熔融还原发展趋向 熔融还原流程的目标之一是不用焦炭生产铁水，代替高炉炼铁。不用焦炭生产出铁水目前在技术上可以做到或部分做到，但在工业化上还不可能完全取代高炉。当前，已商业化的COREX和FINEX，在环境排放方面均优于高炉炼铁。 COREX只能在特定条件下采用， HIsmelt目前尚未达到商业化的条件，FINEX具备了取代1800m3及以下高炉的条件， 两者均未达到完全取代高炉炼铁的程度。开发熔融还原工艺的目标是不用焦炭， COREX和FINEX都未完全做到。 熔融还原工艺开发之初CO2排放还未被提到议事日程上。所有已开发的熔融还原流程的CO2排放都比高炉炼铁高。熔融还原工艺今后研究方向如

19、何走，有待进一步研究。第43页/共65页2022-7-24443.3 炼焦工艺技术进步 3.3.1 现有炼焦工艺的改进 型煤炼焦工艺（Formed Coke Process） 配煤调湿技术（Coal Moisture Control） 粉煤干燥预成块技术DAPS（Dry-Cleaned and Agglomerated Precompaction System） 干熄焦技术（Coke Dry Quenching） 巨型单室焦炉（Jumbo Single Chamber System） 无回收焦炉（Non Recovery Coke Oven） 焦炉大型化,炭化室高度增高到7m以上。第44页/共

20、65页2022-7-24453.3.2 Scope21炼焦新工艺的开发 该工艺是日本政府部门与钢铁企业联合开发的。全称为“Super Coke Oven Productivity and Environmental Enhancement toward the 21th century”。第45页/共65页1. Increasing the ratio of poor-coking coal from 20% to 50%.2. Higher productivity for reducing the construction costs.3. Reducing NOx by 30% and

21、no smoke / no dust operation.4. Energy saving by 20% for reducing CO2图图17 Scope 21的目标的目标 第46页/共65页Test operation图图18 Scope 21开发进程开发进程 第47页/共65页2022-7-2448图图19 Scopr 21工艺流程工艺流程 g第48页/共65页2022-7-2449 依据SCOPE21的开发成果，新日铁2006年4月在大分厂建设5号焦炉，2008年5月投产。5焦炉碳化室64孔，每孔炉高6.7米宽0.45米长16.6米，有效容积43.7立方米。设计年产焦炭100万吨。第

22、49页/共65页2022-7-2450表5 大分5焦炉运行情况与SCOPE21开发目标的对比第50页/共65页2022-7-2451 大分5号焦炉是根据SCOPE21的原理设计的。在运行后，做了许多改进。新日铁认为还要改进，以求完善。 5号焦炉投资370亿日元，比常规焦炉高，目前没有建第二座的打算。第51页/共65页2022-7-24523.4 降低CO2排放的ULCOS方案 2004年在欧盟支持下，48家钢铁企业组成的共同体启动了ULCOS program。ULCOS代表的是Ultra Low CO2 steelmaking(超低CO2炼钢)，此项目第一期工作已结束，第二期中在瑞典的LKAB

23、的试验高炉上进行的TGRBF(Top Gas Recycled Blast Furnace)项目已完成。TGRBF的实验流程见图20，图21.第52页/共65页2022-7-2453图20 TGRBF流程的三种模式第53页/共65页2022-7-2454图21 LKAB 的ULCOS实验高炉第54页/共65页2022-7-2455 图22 试验高炉试验进程 第55页/共65页2022-7-2456图23 试验结果1 第56页/共65页2022-7-2457 图 24 试验结果2 第57页/共65页2022-7-2458图25 试验结果3 第58页/共65页2022-7-2459 由于实验高炉实

24、验进行顺利，ULCOS项目组认为TGRBF工艺技术上成功的可能性很大。目前正在准备在Mittal公司的1000立方米级的高炉上进行商业化试验。第59页/共65页2022-7-24603.5现有工艺的发展趋向重视污染排放和环境负荷，重视资源循环利用；重视节能；球团使用比例增加；对non-recovery cokemaking和stamp changing cokemaking开始重视；强调高炉操作高效，高产和低燃料消耗；注意高炉与焦炉的长寿；注意高炉装备现代化和新高炉建设。第60页/共65页2022-7-24614.4.简单的概括简单的概括第61页/共65页2022-7-246220世纪末世界钢

25、铁工业进入第二个高速增长期。我国工业化过程中经济的快速增长是第二个高速增长期中主要的拉动力。21世纪前期仍将处于第二个高速增长期，钢铁工业仍将继续是人类社会实现工业化的支柱产业之一。如何克服钢铁工业的“两高一资”弱点，及资源环境约束带来的困难将是21世纪钢铁工业工艺技术进步的主要趋向。钢铁工业从铁矿石生产钢的基本工艺流程不会改变，仍是铁矿石生铁（脱碳）钢水钢材。为减轻地球环境负荷，必须加强钢材回收循环利用，使废钢炼钢钢水钢材的比例增加，将是技术进步内容之一。第62页/共65页2022-7-2463铁矿石直接还原受限制的因素多，在我国不可能有大发展。COREX不可能真正替代高炉。现有FINEX有可能替代部分1800m3的高炉。高炉炼铁仍将是21世纪从铁矿石炼钢工艺的主流。21世纪铁矿石加工工艺中球团将有大的发展。炼焦工艺技术进步前景广阔。对炼焦新工艺应予以更大关注。提高炼铁工艺流程效率，延长设备寿命是21世纪炼铁工艺技术进步的主题。第63页/共65页不当之处敬请指出 第64页/共65页2022-7-2465感谢您的观看！第65页/共65页