摘 要：煤制天然氣煉鋼，代表了行業(yè)發(fā)展大趨勢(shì)，經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和環(huán)保。中國(guó)對(duì)煤制氣的研究、國(guó)產(chǎn)化技術(shù)都很成熟。通過(guò)煤耗的計(jì)算，煤制氣煉鋼耗煤24.67萬(wàn)噸，大大少于煤基直接還原煉鐵工藝的150萬(wàn)噸煤。推算出可以不建井工煤礦，節(jié)省的投資40.88億元，投入到煤制氣煉鋼，總投資還減小，煤制氣的天然氣價(jià)格也低。目前中國(guó)的非焦煤直接還原鐵技術(shù)更是落后于世界。少建設(shè)2臺(tái)15萬(wàn)千瓦的火電機(jī)組，開(kāi)發(fā)luhuhu河的水電資源，進(jìn)一步降低電的成本。開(kāi)展煤制氣煉鋼的循環(huán)發(fā)電技術(shù)和鋼鐵余熱發(fā)電彌補(bǔ)。本文通過(guò)對(duì)煤直接還原鐵和煤制氣煉鋼的對(duì)比，認(rèn)為應(yīng)該采用煤制氣煉鋼技術(shù)。

關(guān)鍵詞：煉鋼工藝與比較;煤?jiǎn)魏?節(jié)能降本;節(jié)省投資

1煤基直接還原鐵技術(shù)代表行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

在2011年，某中資企業(yè)中標(biāo)，與非洲T國(guó)的國(guó)家開(kāi)發(fā)公司NDC聯(lián)合開(kāi)發(fā)N省L縣的煤電鋼項(xiàng)目。建設(shè)60萬(wàn)/年露天煤礦和240萬(wàn)噸/年的井工煤礦、4x150MV的火電機(jī)組和100萬(wàn)噸/年鋼材，投資30億美元，合同規(guī)定期限20年。中資控股80%，NDC以資源入股占20%。某公司經(jīng)過(guò)勘探，證實(shí)是弱粘煤而不是煉鋼用的焦煤[1]。某中資公司近幾年一直致力于煤基直接還原煉鐵技術(shù)的研究。通過(guò)在武漢的實(shí)驗(yàn)，年產(chǎn)100萬(wàn)噸鋼，需要150萬(wàn)噸煤。加上4臺(tái)15萬(wàn)千瓦時(shí)發(fā)電機(jī)組，一年要300萬(wàn)噸煤。因此《可研報(bào)告》設(shè)想的是露天20年，規(guī)模60萬(wàn)噸/年，井工240萬(wàn)噸/年。T國(guó)的國(guó)家意志是要低價(jià)格的電，所以該國(guó)的優(yōu)惠政策至今都沒(méi)有對(duì)外公布。

非焦煉鐵技術(shù)是當(dāng)今鋼鐵生產(chǎn)工藝中最受關(guān)注的技術(shù)之一。根據(jù)產(chǎn)品的形態(tài)不同，非焦煉鐵技術(shù)可分為直接還原（DRI）和熔融還原兩種工藝方法。直接還原是以非焦煤為能源，在不熔化不造渣的條件下，原料保持原有物理形態(tài)，鐵的氧化物經(jīng)還原獲得以金屬鐵為主要成分的固態(tài)產(chǎn)品的技術(shù)方法。直接還原煉鐵工藝分為氣基直接還原和煤基直接還原。氣基直接還原煉鐵工藝是最主要的直接還原煉鐵技術(shù)，氣基豎爐是直接還原鐵生產(chǎn)工藝中最成熟、能耗最低、單機(jī)產(chǎn)能最大的，其單機(jī)產(chǎn)能與大型高爐的水平相當(dāng)，是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的占據(jù)主導(dǎo)地位的直接還原工藝。全球直接還原鐵產(chǎn)量中，氣基豎爐產(chǎn)量占82.4%，煤基法產(chǎn)量占17.6%。2017年世界直接還原鐵總產(chǎn)量為8710萬(wàn)t。

中國(guó)直接還原鐵（DRI）產(chǎn)量不到全球直接還原鐵產(chǎn)量的1.5%，也不到全國(guó)高爐生鐵產(chǎn)量的千分之二。產(chǎn)量不足80萬(wàn)噸，總體上講，規(guī)模小，生產(chǎn)成本高，缺少高品質(zhì)的原料。我國(guó)曾建煤基回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵生產(chǎn)線7條，年產(chǎn)能約65萬(wàn)t。2007年世界鐵礦石價(jià)格上升以來(lái)，依靠進(jìn)口球團(tuán)生產(chǎn)DRI出現(xiàn)了虧損，同時(shí)礦山企業(yè)生產(chǎn)鐵精礦的效益又大于DRI生產(chǎn)，導(dǎo)致我國(guó)7條生產(chǎn)煉鋼用DRI的回轉(zhuǎn)窯全部因經(jīng)濟(jì)虧損而被迫停產(chǎn)閑置[2]。目前，我國(guó)大多數(shù)直接還原生產(chǎn)線的能耗和成本較高，經(jīng)營(yíng)困難，說(shuō)明尚有較多要改進(jìn)的地方。非高爐煉鐵所用的氣源需另外供應(yīng)。能耗高于高爐煉鐵流程的主要原因有兩個(gè)方面：一個(gè)是非高爐煉鐵生產(chǎn)過(guò)程要產(chǎn)生大量的高熱值煤氣，這些熱值煤氣在回收利用方面還有待進(jìn)一步加強(qiáng);另一個(gè)是非高爐煉鐵對(duì)于鐵礦石的還原大多數(shù)是吸熱反應(yīng)，而高爐煉鐵大多數(shù)放熱反應(yīng)。

2 M礦的煤層情況

礦區(qū)的煤類，根據(jù)區(qū)內(nèi)各煤層的原煤干燥無(wú)灰基揮發(fā)分為23.64—28.28%，浮煤揮發(fā)分為28.53-38.93%，根據(jù)中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（MT/T849-2000）《揮發(fā)分產(chǎn)率分級(jí)》，區(qū)內(nèi)煤層屬中高揮發(fā)分煤（MHV）。

根據(jù)煤質(zhì)分析成果，按《中國(guó)煤炭分類》（GB/T5751-2009）標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)內(nèi)煤層均屬22號(hào)煙煤（YM）類。M8、M8-1、M9、M11、M12煤層屬弱粘結(jié)煤（RN）;主要有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的M8、M9、M11煤層屬弱粘結(jié)煤（RN）。

“弱粘煤在一定條件下可以作為氣化用煤”[4]。圖1粗煤氣的組成和揮發(fā)分山西太原利用弱粘煤制氣，有論文《大同弱粘煤用于Φ3.3m水煤氣型兩段爐制氣的生產(chǎn)實(shí)踐》[5]。從下圖1可以看出，揮發(fā)分Vdaf/%在平均25%時(shí)的粗煤氣組成。其中的H2和CO具有很強(qiáng)的作為冶金用的還原作用。

礦區(qū)各煤層的煤灰熔融性：變形溫度（DT.℃）平均界于1072-1265℃，軟化溫度（ST.℃）平均為1173-1400℃，熔融溫度（FT.℃）平均為1243-1430℃。

根據(jù)中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（MT/T853.1-2000）《煤灰熔融性軟化溫度分級(jí)》（MT/T853.1-2000）與《煤灰流動(dòng)溫度分級(jí)》（MT/T853.2-2000）。礦區(qū)M8、M8-1、M9、M11、M12煤層的煤灰熔融性屬中等軟化溫度灰（MST）和中等流動(dòng)溫度灰（MFT）。

3 煤基直接還原鐵能耗VS氣基直接還原鐵能耗

3.1 煤基直接還原鐵煤耗

主要煤基直接還原煉鐵工藝的特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1[6]。

由表1可見(jiàn)，目前的各種煤基直接還原煉鐵的煤耗都是很高的，目前我國(guó)高爐煉鐵的能耗可以在410kg標(biāo)準(zhǔn)煤/t左右，其根本原因是目前的各種工藝并不是完善的，存在不少問(wèn)題?；剞D(zhuǎn)窯反應(yīng)溫度低（由于結(jié)圈等原因不能高），導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)條件變差，停留時(shí)間長(zhǎng)，散熱大，噸鐵煤耗達(dá)到1000kg左右。從能量利用角度，過(guò)多的煤氣還需換熱加以利用。隧道窯通過(guò)罐裝礦粉，可省去造球工藝，但是罐子傳熱只能通過(guò)對(duì)流與傳導(dǎo)換熱方式，因此，停留時(shí)間長(zhǎng)，熱損失大，同時(shí)罐子、海綿鐵的余熱、廢氣熱量尚未得到利用，導(dǎo)致煤耗高達(dá)1500kg/t海綿鐵。轉(zhuǎn)底爐由于溫度高，反應(yīng)速度快，但熱能利用率差，噸鐵實(shí)際煤耗居高不下。諸多原因?qū)е旅夯苯舆€原煉鐵的發(fā)展受到挫折，發(fā)展煤基直接還原煉鐵工藝任重而道遠(yuǎn)[6]。

3.2 氣基還原鐵

根據(jù)煤化工專家介紹，在煤制天然氣成本中，原材料和燃料動(dòng)力費(fèi)用所占比例約為60%，通常大型豎爐-電爐短流程煉鋼工藝生產(chǎn)每噸鋼須消耗天然氣約370立方米，耗電約420千瓦時(shí)[3]。

1）氣基還原鐵需要多少煤。

1噸煤產(chǎn)多少氣

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

1噸100%的純炭理論上可以產(chǎn)3733立方米煤氣。M煤礦的固定炭碳含量為35.67--61.46%，平均值48.56%，3733x48.56%=1812.7立方米。實(shí)際生產(chǎn)中要去雜質(zhì)及損耗，燃燒的限度有關(guān)系，在此取1噸煤產(chǎn)1500m3氣。1噸鐵水要370m3方天然氣，即1噸鐵需要370/1500=0.2467噸煤。100萬(wàn)噸鋼鐵需要24.67萬(wàn)噸煤。

如果用采用國(guó)產(chǎn)化率最高，投資省的多噴嘴法，535kg煤產(chǎn)生1Km3氣[7]（當(dāng)然與煤種和煤質(zhì)有關(guān)）。主要有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的M8、M9、M11煤層屬弱粘結(jié)煤（RN）。在此取一個(gè)保守的數(shù)據(jù)，以550kg產(chǎn)1000m3氣。大型豎爐-電爐短流程煉鋼工藝生產(chǎn)每噸鋼須消耗天然氣約370立方米，則1噸鋼需要煤370×0.55=203.5kg煤。生產(chǎn)100萬(wàn)噸鋼材需要20.35萬(wàn)噸煤。低于按照1500m3的轉(zhuǎn)化需要煤24.67萬(wàn)噸。

合計(jì)：年產(chǎn)100萬(wàn)噸鐵，需要煤炭24.67+13.482=38.152萬(wàn)噸煤。其中制氣需要的煤24.67萬(wàn)噸。而煤基直接還原鐵煉鋼實(shí)際消耗原煤=150-21.15=128.85萬(wàn)噸，還不包含電耗。

4 煤制氣投資和成本

4.1 投資與運(yùn)營(yíng)能耗比較

根據(jù)《中國(guó)應(yīng)發(fā)展煤制天然氣豎爐直接還原綠色煉鐵工藝》（周渝生齊淵洪嚴(yán)定鎏洪益成鋼鐵研究總院2014年3月）。我國(guó)目前正在建設(shè)、2016年陸續(xù)投產(chǎn)的煤炭深加工煤制天然氣示范項(xiàng)目產(chǎn)量達(dá)年700億立方米以上。主要項(xiàng)目見(jiàn)表6。

與煤制氣耗煤24.67萬(wàn)噸比較，需多耗104.18萬(wàn)噸煤，采用煤基直接還原鐵，需要的煤量大，必須實(shí)行井工開(kāi)采，按照《可研報(bào)告》成本達(dá)到70美元/噸，需要9019.5萬(wàn)美元，還不包含電。而采用氣基還原鐵方案，需要的煤很少，露天開(kāi)采就可以滿足。采用硬巖露天采礦機(jī)免爆工藝+皮帶運(yùn)輸，露天成本就30美元/噸，價(jià)值24.67×30=740.1萬(wàn)美元。兩者相比，煤基直接還原鐵1年多耗9019.5-740.1=8279.4萬(wàn)美元。按照1：7的匯率，折合人民幣57955.8萬(wàn)元人民幣。

4.2 水煤氣化工藝煤制天然氣生產(chǎn)成本

在此，露天煤礦采用硬巖采礦機(jī)免爆工藝+皮帶機(jī)運(yùn)輸工藝，采用硬巖露天采礦機(jī)免爆工藝+管狀皮帶運(yùn)輸工藝，當(dāng)采到+950m時(shí)煤炭生產(chǎn)成本190.39元/噸。當(dāng)采到+900時(shí)214.77元/噸。當(dāng)采到+850m時(shí)為226.90元/噸。按照250元/噸，天然氣成本定為1.458元/m3。

可再釆用燃?xì)庖徽羝h(huán)熱電聯(lián)供機(jī)組發(fā)電，1立方米天然氣可發(fā)電4千瓦時(shí)，電價(jià)可以控制在0.32元/千瓦時(shí)以下。根據(jù)第一篇論文，計(jì)算《創(chuàng)新采礦設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)安全環(huán)保降風(fēng)險(xiǎn)》。

單位成本低于0.32元/千瓦時(shí)，利用M礦的煤炭資源，就能控制煤制天然氣的生產(chǎn)成本，也就能夠保證煤制天然氣一豎爐一電爐煉鋼生產(chǎn)的成本競(jìng)爭(zhēng)力持平或超過(guò)傳統(tǒng)鋼鐵流程，同時(shí)獲得天然氣代替焦炭、原煤的環(huán)境效益。

4.3 煤礦規(guī)模的確定

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：井工煤礦必須是雙回路電源。鋼鐵行業(yè)也怕停電堵塞爐子。所以設(shè)想將煤礦、火電廠和煉鋼建在一起。從兩臺(tái)15萬(wàn)千瓦時(shí)的發(fā)電機(jī)組分別接線。以保證對(duì)鋼鐵廠和煤礦的一類負(fù)荷可靠供電。

每臺(tái)機(jī)組運(yùn)行年7500小時(shí)，按照321克煤發(fā)1千瓦時(shí)，選用2臺(tái)15萬(wàn)千瓦火電機(jī)組。每臺(tái)年運(yùn)行7500小時(shí)，需要煤T火為：

T煤火=2*15*7500*0.321=72.225萬(wàn)噸煤。

年產(chǎn)100萬(wàn)噸鐵，所需電由火力發(fā)電機(jī)組提供，制氣需要的煤，需要煤炭24.67萬(wàn)噸。

合計(jì)年需要煤炭=72.225+24.67=96.895萬(wàn)噸。

所以建設(shè)一個(gè)120萬(wàn)噸/年的露天煤礦就夠了。

如果采用煤直接還原鐵的工藝，并建設(shè)4臺(tái)15萬(wàn)千瓦時(shí)的火電機(jī)組，《可研報(bào)告》，需要建設(shè)240萬(wàn)噸/年的井工煤礦和60萬(wàn)噸/年的露天煤礦。井工煤礦投資大、建設(shè)工期長(zhǎng)、安全風(fēng)險(xiǎn)大，投資回報(bào)率低。計(jì)算的礦井項(xiàng)目總投資635450.26千美元，按美元兌換人民幣1：7計(jì)算，44.48億元。如果采用免爆+管狀皮帶機(jī)工藝，噸煤投資300元，按照120萬(wàn)噸/年的規(guī)模，投資3.6億元。節(jié)省投資40.88人民幣億元。不建井工煤礦，少建設(shè)2臺(tái)15萬(wàn)千瓦的煤電機(jī)組。節(jié)省的錢(qián)來(lái)投資水電站和煤化工。

井工煤礦的建設(shè)是“投資大、建設(shè)工期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)成程度高、資本回報(bào)率低”。運(yùn)行中又是高危行業(yè)。由于近幾年要求井工煤礦的“機(jī)械化、智能劃、綠色礦山、無(wú)人則安”，投資大，開(kāi)采成本高，導(dǎo)致煤價(jià)賣(mài)得高。煤價(jià)占了火力發(fā)電成本的75%，有水電的競(jìng)爭(zhēng)，豐水季節(jié)都出現(xiàn)棄水現(xiàn)象，往往在枯水季節(jié)起調(diào)峰的作用，火電廠經(jīng)營(yíng)舉步維艱。隨著大型水電站的進(jìn)一步新建。中國(guó)少部分部分火電廠已經(jīng)破產(chǎn)，更多的正奔走在破產(chǎn)的路上。

已登記水電站。luhuhu河的支流，從Linganga鐵礦旁邊流經(jīng)mchuhucma煤礦東邊。mchuchuma東邊規(guī)劃的到Linganga鐵礦的公路通道上，附近有一處適合建水電站。這里是一個(gè)大峽谷，縣城供電系統(tǒng)已距離此水電站位置2.8公里。河岸一邊傾角是45°，另一邊傾角是60度。峽谷深300米，有水文觀測(cè)站，記錄了多年的水文資料。這處水力資源，iringa省是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，我經(jīng)過(guò)向ceo請(qǐng)示，以姆處處瑪井工煤礦的保安電源，作了登記。利用自己的水泥、鋼材建設(shè)水電站，成本無(wú)人可以匹敵，作為煤礦和鋼鐵廠的保安電源。

5 結(jié)論

采用煤制氣煉鋼大大降低煤耗，因而可以不建設(shè)井工煤礦，減少投入40億元，改為投入煤化工和開(kāi)發(fā)水電站。運(yùn)行過(guò)程中，每年能節(jié)約煤104.18萬(wàn)噸，可以節(jié)約5.79億元。建議采用煤制氣煉鋼工藝。

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作者簡(jiǎn)介

曹太彬（1971-），男，漢，四川省夾江縣，大專，礦山開(kāi)采工程師，研究方向：低成本、節(jié)能環(huán)保型礦山開(kāi)采，控制國(guó)外投資風(fēng)險(xiǎn)的方式。