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煤制气炼钢VS煤直接还原铁的探讨

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摘要：煤制天然气炼钢，代表了行业发展大趋势，经济、节能和环保。中国对煤制气的研究、国产化技术都很成熟。通过煤耗的计算，煤制气炼钢耗煤24.67万吨，大大少于煤基直接还原炼铁工艺的150万吨煤。推算出可以不建井工煤矿，节省的投资40.88亿元，投入到煤制气炼钢，总投资还减小，煤制气的天然气价格也低。目前中国的非焦煤直接还原铁技术更是落后于世界。少建设2台15万千瓦的火电机组，开发luhuhu河的水电资源，进一步降低电的成本。开展煤制气炼钢的循环发电技术和钢铁余热发电弥补。本文通过对煤直接还原铁和煤制气炼钢的对比，认为应该采用煤制气炼钢技术。

关键词：炼钢工艺与比较;煤单耗;节能降本;节省投资

1煤基直接还原铁技术代表行业发展趋势

在2011年，某中资企业中标，与非洲T国的国家开发公司NDC联合开发N省L县的煤电钢项目。建设60万/年露天煤矿和240万吨/年的井工煤矿、4x150MV的火电机组和100万吨/年钢材，投资30亿美元，合同规定期限20年。中资控股80%，NDC以资源入股占20%。某公司经过勘探，证实是弱粘煤而不是炼钢用的焦煤[1]。某中资公司近几年一直致力于煤基直接还原炼铁技术的研究。通过在武汉的实验，年产100万吨钢，需要150万吨煤。加上4台15万千瓦时发电机组，一年要300万吨煤。因此《可研报告》设想的是露天20年，规模60万吨/年，井工240万吨/年。T国的国家意志是要低价格的电，所以该国的优惠政策至今都没有对外公布。

非焦炼铁技术是当今钢铁生产工艺中最受关注的技术之一。根据产品的形态不同，非焦炼铁技术可分为直接还原（DRI）和熔融还原两种工艺方法。直接还原是以非焦煤为能源，在不熔化不造渣的条件下，原料保持原有物理形态，铁的氧化物经还原获得以金属铁为主要成分的固态产品的技术方法。直接还原炼铁工艺分为气基直接还原和煤基直接还原。气基直接还原炼铁工艺是最主要的直接还原炼铁技术，气基竖炉是直接还原铁生产工艺中最成熟、能耗最低、单机产能最大的，其单机产能与大型高炉的水平相当，是业内公认的占据主导地位的直接还原工艺。全球直接还原铁产量中，气基竖炉产量占82.4%，煤基法产量占17.6%。2017年世界直接还原铁总产量为8710万t。

中国直接还原铁（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。产量不足80万吨，总体上讲，规模小，生产成本高，缺少高品质的原料。我国曾建煤基回转窑直接还原铁生产线7条，年产能约65万t。2007年世界铁矿石价格上升以来，依靠进口球团生产DRI出现了亏损，同时矿山企业生产铁精矿的效益又大于DRI生产，导致我国7条生产炼钢用DRI的回转窑全部因经济亏损而被迫停产闲置[2]。目前，我国大多数直接还原生产线的能耗和成本较高，经营困难，说明尚有较多要改进的地方。非高炉炼铁所用的气源需另外供应。能耗高于高炉炼铁流程的主要原因有两个方面：一个是非高炉炼铁生产过程要产生大量的高热值煤气，这些热值煤气在回收利用方面还有待进一步加强;另一个是非高炉炼铁对于铁矿石的还原大多数是吸热反应，而高炉炼铁大多数放热反应。

2 M矿的煤层情况

矿区的煤类，根据区內各煤层的原煤干燥无灰基挥发分为23.64—28.28%，浮煤挥发分为28.53-38.93%，根據中华人民共和国煤炭行业标准（MT/T849-2000）《挥发分产率分级》，区内煤层属中高挥发分煤（MHV）。

根据煤质分析成果，按《中国煤炭分类》（GB/T5751-2009）标准，区内煤层均属22号烟煤（YM）类。M8、M8-1、M9、M11、M12煤层属弱粘结煤（RN）;主要有经济价值的M8、M9、M11煤层属弱粘结煤（RN）。

“弱粘煤在一定条件下可以作为气化用煤”[4]。图1粗煤气的组成和挥发分山西太原利用弱粘煤制气，有论文《大同弱粘煤用于Φ3.3m水煤气型两段炉制气的生产实践》[5]。从下图1可以看出，挥发分Vdaf/%在平均25%时的粗煤气组成。其中的H2和CO具有很强的作为冶金用的还原作用。

矿区各煤层的煤灰熔融性：变形温度（DT.℃）平均界于1072-1265℃，软化温度（ST.℃）平均为1173-1400℃，熔融温度（FT.℃）平均为1243-1430℃。

根据中华人民共和国煤炭行业标准（MT/T853.1-2000）《煤灰熔融性软化温度分级》（MT/T853.1-2000）与《煤灰流动温度分级》（MT/T853.2-2000）。矿区M8、M8-1、M9、M11、M12煤层的煤灰熔融性属中等软化溫度灰（MST）和中等流动溫度灰（MFT）。

3 煤基直接还原铁能耗VS气基直接还原铁能耗

3.1 煤基直接还原铁煤耗

主要煤基直接还原炼铁工艺的特点和技术参数见表1[6]。

由表1可见，目前的各种煤基直接还原炼铁的煤耗都是很高的，目前我国高炉炼铁的能耗可以在410kg标准煤/t左右，其根本原因是目前的各种工艺并不是完善的，存在不少问题。回转窑反应温度低（由于结圈等原因不能高），导致动力学条件变差，停留时间长，散热大，吨铁煤耗达到1000kg左右。从能量利用角度，过多的煤气还需换热加以利用。隧道窑通过罐装矿粉，可省去造球工艺，但是罐子传热只能通过对流与传导换热方式，因此，停留时间长，热损失大，同时罐子、海绵铁的余热、废气热量尚未得到利用，导致煤耗高达1500kg/t海绵铁。转底炉由于温度高，反应速度快，但热能利用率差，吨铁实际煤耗居高不下。诸多原因导致煤基直接还原炼铁的发展受到挫折，发展煤基直接还原炼铁工艺任重而道远[6]。

3.2 气基还原铁

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%，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[3]。

1）气基还原铁需要多少煤。

1吨煤产多少气

C+H2O=H2+CO（1000*1000/12）*2*22.4/1000=3733立方米

1吨100%的纯炭理论上可以产3733立方米煤气。M煤矿的固定炭碳含量为35.67--61.46%，平均值48.56%，3733x48.56%=1812.7立方米。实际生产中要去杂质及损耗，燃烧的限度有关系，在此取1吨煤产1500m3气。1吨铁水要370m3方天然气，即1吨铁需要370/1500=0.2467吨煤。100万吨钢铁需要24.67万吨煤。

如果用采用国产化率最高，投资省的多喷嘴法，535kg煤产生1Km3气[7]（当然与煤种和煤质有关）。主要有经济价值的M8、M9、M11煤层属弱粘结煤（RN）。在此取一个保守的数据，以550kg产1000m3气。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，则1吨钢需要煤370×0.55=203.5kg煤。生产100万吨钢材需要20.35万吨煤。低于按照1500m3的转化需要煤24.67万吨。

合计：年产100万吨铁，需要煤炭24.67+13.482=38.152万吨煤。其中制气需要的煤24.67万吨。而煤基直接还原铁炼钢实际消耗原煤=150-21.15=128.85万吨，还不包含电耗。

4 煤制气投资和成本

4.1 投资与运营能耗比较

根据《中国应发展煤制天然气竖炉直接还原绿色炼铁工艺》（周渝生齐渊洪严定鎏洪益成钢铁研究总院2014年3月）。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达年700亿立方米以上。主要项目见表6。

与煤制气耗煤24.67万吨比较，需多耗104.18万吨煤，采用煤基直接还原铁，需要的煤量大，必须实行井工开采，按照《可研报告》成本达到70美元/吨，需要9019.5万美元，还不包含电。而采用气基还原铁方案，需要的煤很少，露天开采就可以满足。采用硬岩露天采矿机免爆工艺+皮带运输，露天成本就30美元/吨，价值24.67×30=740.1万美元。两者相比，煤基直接还原铁1年多耗9019.5-740.1=8279.4万美元。按照1：7的汇率，折合人民币57955.8万元人民币。

4.2 水煤气化工艺煤制天然气生产成本

在此，露天煤矿采用硬岩采矿机免爆工艺+皮带机运输工艺，采用硬岩露天采矿机免爆工艺+管状皮带运输工艺，当采到+950m时煤炭生产成本190.39元/吨。当采到+900时214.77元/吨。当采到+850m时为226.90元/吨。按照250元/吨，天然气成本定为1.458元/m3。

可再釆用燃气一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。根据第一篇论文，计算《创新采矿设计经济安全环保降风险》。

单位成本低于0.32元/千瓦时，利用M矿的煤炭资源，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一竖炉一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。

4.3 煤矿规模的确定

《煤矿安全规程》规定：井工煤矿必须是双回路电源。钢铁行业也怕停电堵塞炉子。所以设想将煤矿、火电厂和炼钢建在一起。从两台15万千瓦时的发电机组分别接线。以保证对钢铁厂和煤矿的一类负荷可靠供电。

每台机组运行年7500小时，按照321克煤发1千瓦时，选用2台15万千瓦火电机组。每台年运行7500小时，需要煤T火为：

T煤火=2*15*7500*0.321=72.225万吨煤。

年产100万吨铁，所需电由火力发电机组提供，制气需要的煤，需要煤炭24.67万吨。

合计年需要煤炭=72.225+24.67=96.895万吨。

所以建設一个120万吨/年的露天煤矿就够了。

如果采用煤直接还原铁的工艺，并建设4台15万千瓦时的火电机组，《可研报告》，需要建设240万吨/年的井工煤矿和60万吨/年的露天煤矿。井工煤矿投资大、建设工期长、安全风险大，投资回报率低。计算的矿井项目总投资635450.26千美元，按美元兑换人民币1：7计算，44.48亿元。如果采用免爆+管状皮带机工艺，吨煤投资300元，按照120万吨/年的规模，投资3.6亿元。节省投资40.88人民币亿元。不建井工煤矿，少建设2台15万千瓦的煤电机组。节省的钱来投资水电站和煤化工。

井工煤矿的建设是“投资大、建设工期长、风险成程度高、资本回报率低”。运行中又是高危行业。由于近几年要求井工煤矿的“机械化、智能划、绿色矿山、无人则安”，投资大，开采成本高，导致煤价卖得高。煤价占了火力发电成本的75%，有水电的竞争，丰水季节都出现弃水现象，往往在枯水季节起调峰的作用，火电厂经营举步维艰。随着大型水电站的进一步新建。中国少部分部分火电厂已经破产，更多的正奔走在破产的路上。

已登记水电站。luhuhu河的支流，从Linganga铁矿旁边流经mchuhucma煤矿东边。mchuchuma东边规划的到Linganga铁矿的公路通道上，附近有一处适合建水电站。这里是一个大峡谷，县城供电系统已距离此水电站位置2.8公里。河岸一边倾角是45°，另一边倾角是60度。峡谷深300米，有水文观测站，记录了多年的水文资料。这处水力资源，iringa省是一个竞争对手，我经过向ceo请示，以姆处处玛井工煤矿的保安电源，作了登记。利用自己的水泥、钢材建设水电站，成本无人可以匹敌，作为煤矿和钢铁厂的保安电源。

5 结论

采用煤制气炼钢大大降低煤耗，因而可以不建设井工煤矿，减少投入40亿元，改为投入煤化工和开发水电站。运行过程中，每年能节约煤104.18万吨，可以节约5.79亿元。建议采用煤制气炼钢工艺。

参考文献

[1]《M矿地质报告》、《M矿可研报告》.

[2]应自伟，储满生，唐珏，等.非高炉炼铁工艺现状及未来适应性分析[J].河北冶金，2019，000（006）：1-7，31.

[3]周渝生齐渊洪严定鎏洪益成.中国应发展煤制天然气竖炉直接还原绿色炼铁工艺.钢铁研究总院.2014年3月.

[4]陈国兆.煤炭气化技术[M].煤炭工业出版社，2011.

[5]杨惠升.大同弱粘煤用于φ3.3m水煤气型两段炉制气的生产实践[J].煤化工，2002，30（003）：86-88.

[6]煤基直接还原炼铁技术及非高炉炼铁能耗分析.

[7]田守国.13种煤气化工艺比较.2016-09-05.

[8]刘志光.煤制天然气的竞争力分析[J].中外能源，2010（05）：32-36.

作者简介

曹太彬（1971-），男，汉，四川省夹江县，大专，矿山开采工程师，研究方向：低成本、节能环保型矿山开采，控制国外投资风险的方式。

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