摘 要：能用于冶金的优质炼焦煤占煤储量的比例很小，经逐年大量开采，储量锐减，价格上涨；同时，传统的冶金工业所排放的气体是严重的污染源。为缓解优质炼焦煤的不足和达到日趋严格的排放标准，发展了用天然气代替焦炭的非高炉直接还原炼铁法，将固体铁矿石直接还原成海绵铁。由于天然气不含灰分、硫、磷等有害杂质，从而大大提高了生产效率和钢铁质。量。本文结合我国钢铁工业现状，分析了钢铁企业用能特点，天然气在炼铁高炉喷吹，以及钢铁冶炼直接还原中使用天然气的工艺技术效能优势；进行了天然气市场价格比较及冶炼应用增效推算。提出了在我国天然气市场发展早期，首先应开发冶金用气市场，发挥天然气可为终端用户使用的一次能源优势；通过市场合作，实现互惠双赢，加快“西气东输”步伐的建议。

主题词：冶金，天然气，焦炭，替代能源，经济效益，分析

一、钢铁企业用能特点

我国能源消费结构中钢铁占18.2%。钢铁工业是耗能大户，每吨钢综合能耗为0.7～0.9t标准煤；联合企业每吨钢消耗电能400～600kw.h。

钢铁生产所用的能源主要有炼焦煤、动力煤、燃料油和天然气等；而钢铁生产工艺主要使用的是焦炭、电力、气体燃料和蒸汽等。在各种燃料中，气体燃料的燃烧最容易控制，热效率也最高，是钢铁厂内倍受欢迎的燃料。钢铁生产的燃料消费成本占总成本的41%，投入的一次能源约有40%转变成为工艺副产煤气，其中焦炉煤气为46%；高炉煤气为45%；转炉煤气为9%。钢铁企业的生产车间基本上都使用各种热值不同的气体燃料，气体燃料在钢铁生产的热能平衡中占有重要地位。天然气中含有大量烃类气体，热值高，经转化后可得到以h2和co为主的还原性气体，供铁矿石还原培烧、高炉喷吹和铁矿石的直接还原等，是气体燃料中最受欢迎的一种。

通常钢铁企业的炼铁系由焦化、烧结、高炉工序组成，&127;所消耗的能源占钢铁生产总能耗的30%以上。特别是要用焦炭。我国的煤炭资源虽然丰富，但是用于冶金的焦煤资源不足，保有储量中焦煤仅占5.9%，而且地理分布不均。焦煤数量不足，质量下降是限制我国钢铁生产发展的薄弱环节。80年代以来重点企业冶金焦炭质量不断下降，近十年中，灰分由13.58%上升到14.58%(比国外高3%～4%)，含硫量由0.66%上升到0.72%。焦炭的质量成了影响我国钢铁生产的重要因素之一。

近年来，国内冶金企业对焦炭的需求使弱粘结性和高挥发份的气、肥等配焦煤在炼焦配比中不断增加，导致焦炭碎焦增多，强度质量下降。炼焦煤中，焦煤干燥无灰基挥发分vdaf＞20.0～28.0%，煤气产率vt=270～310m3/t；肥煤vdaf＞28.0～37.0%，vt=310～410m3/t；气煤vdaf＞37.0%，vt=410～1000m3/t。由此，也使先进的燃气－蒸汽联合循环发电方式在冶金企业得到了较好的应用。这些都为天然气以低成本优势进入冶金市场提供了良好的机遇。

二、天然气与炼铁高炉喷吹技术[3～5]

高炉炼铁是目前钢铁冶炼获得生铁的主要手段。近年来，为缓解优质炼焦煤的不足，发展了综合喷吹技术。高炉可以喷吹气体、液体、固体等各种燃料。气体燃料有天然气、焦炉煤气等。天然气的主要成分是ch4（90%以上），焦炉煤气的主要成分是h2(55%以上)，液体燃料有重油、柴油、焦油等；它们含碳量高，灰分少，发热值高。固体燃料有无烟煤和烟煤，其成分与焦炭基本相同；缺点是灰分高，硫含量高。1981年前，我国重点钢铁企业高炉炼铁大多数喷吹重油，此后政策性改油为煤，目前全部为喷吹煤粉。

为提高炼铁高炉燃料利用率和热效率，降低后续炼钢炉外脱硫等工序成本，目前又发展了炉身喷吹高温还原气体工艺。该工艺是将碳氢化合物燃料先在炉外分解，制成高温（1000℃左右）、还原性强的气体，再从炉腰或炉身下部间接还原激烈反应区喷入高炉，减少高温区的热支出，可以大幅度地降低高炉燃料消耗。国外炼铁高炉喷吹由天然气(150m3/t铁)高温转换的还原气体，使焦比（每炼一吨生铁所需的焦炭量。k=每日燃烧焦炭量/日产生铁，kg/t)降到了300kg/t铁以下，高炉利用系数（每立方米高炉有效容积一昼夜生产的生铁吨数。ηv=日产量/有效容积，t/m3.d)提到2.4以上(我国平均600kg/t铁，高炉利用系数1.7)。

前苏联地区因天然气资源丰富，高炉冶炼一般都是喷吹天然气。80年代以来，由于世界天然气的大量开采、有效输送，以及价格相对平稳，使美国、英国、法国等国家的也有相当部分高炉炼铁选用了喷吹天然气工艺。日本钢铁企业高炉炼铁喷吹燃料主要为优质重油，兼有天然气。

现有的各种固体燃料因含有灰分等杂质，气化方法都不能提供合格的冶金还原煤气。以重油为主的液体燃料对部分氧化法在理论上是可行的，但存在较多问题，尚需进一步试验发展。冶金还原煤气的主要气体燃料是天然气、其他还有石油气及焦炉煤气，其转化反应的目的是把ch4变成可利用的co和h2。焦炉煤气的转化尚无定型方法。我国因存在天然气供给问题，使炼铁高炉喷吹高温还原气没有得到很好地发展。无疑，天然气在高炉炼铁中有相当大的市场空间。

三、天然气与钢铁冶炼直接还原技术[5～6]

全世界炼焦煤仅占煤总储量的10%，随着逐年大量开采，储量锐减，价格上涨。据联合国环保组织调查，传统的钢铁工业是严重的污染源，所排放的有害气体（co2、co、nox、so2）造成使全球变暖，海洋扩大的“温室效应”。90年代以来，国内外逾来逾严格的环境污染排放标准，促使企业选择新的生产流程。

世界各国冶金工作者致力于开发用天然气作还原剂，发展了不用焦炭的非高炉直接还原炼铁法（以下简称直接还原法）。将铁矿石在固态还原成海绵铁，也称为直接还原铁dri。

直接还原是在固态温度下进行的，得到的直接还原铁未能充分渗碳而含碳量较低（＜2%），因此海绵铁具有钢的性质，而且实际上也多作为废钢代用品使用。直接还原法具有直接把铁矿石炼成钢的一步法特征。由于直接还原渣铁不能分离，实际生产中直接还原铁仍需要用电炉精炼成钢，但电炉精炼的作用主要是熔化脱出杂质和调整钢的成分，而不是氧化脱碳。由于是直接还原和电炉精炼生产钢，就产生了新的钢铁冶金生产短工艺流程。直接还原对于15×104～30×104t/a特钢厂具有无限的生命力。

直接还原工业化试验起始于20世纪50年代，到60年代后随着天然气的大量开采，1968年美国midrex法成功，直接还原才得到迅速发展。尽管近年来世界钢铁生产一直徘徊在8×108t/a左右，但采用直接还原法的短流程钢铁企业产量自1975年以来，却以平均每年12.31%的速度增长。日本学者认为，2020年直接还原－电炉法将与高炉－转炉法冶炼平分秋色，达到45%以上。

1.直接还原发展的背景

直接还原发展生产海绵铁客观原因有：

（1）世界多数国家严重缺乏焦煤，其中不少国家有优质丰富的铁矿以及天然气和烟煤资源，它们因地置宜地借助本国资

源发展直接还原工厂，如委内瑞拉、印度尼西亚、墨西哥等国有丰富天然气及优质铁矿，主要发展气基竖炉，以1995年统计为准产量达2829×104t/a，占dri总产量的92%。

（2）随着电炉流程生产线的发展，电炉钢产量日益增长，1997年世界钢产量7.8×108t/a，氧气转炉钢产量占57%，电炉炼钢占33%，平炉钢占13%。近年来世界制钢生产中连铸比迅速增长，已占72.7%，钢铁联合企业自产优质废钢减少，发展

（3）近十年来钢铁工业受到高分子材料及硅酸盐材料的竞争，世界钢的总产有停滞不前的趋势，自1988年达到7.83×108t/a 后，始终未有突破。但以质量、性能及品种产品取胜的小型特殊钢厂如雨后春笋，蓬勃发展。电炉钢选择原料，自然更多地选择直接还原铁，如不锈钢厂首先选择低碳粒铁或低碳海绵铁作原料。为发展精品，提高附加值，直接还原低碳海绵铁用于直接生产电工纯铁、铁氧体及工业铁料。

2.气基竖炉直接还原

气基midrex法由供料系统、还原竖炉、烟气处理、天然气处理、天然气重整炉组成。铁矿石经计量后从炉顶布入炉内。经过预热，在还原区与工艺燃料天然气反应，反应约6h即完成冶炼，再由冷空气直接冷至100℃以下，最后产品由炉底排出。冶炼产生废气仍含约70% co＋h2，通过重整炉，加入补充天然气裂化处理，使气体中co＋h2浓度上升到90%～95%，温度为900℃，重新进入竖炉循环使用。其反应式为：

ch4＋h2o →co＋3h2↑（天然气裂化反应）

fe2o3＋3h2→2fe＋3h2o

fe2o3＋3co→2fe＋3co2↑

气基法的能耗低，效率高，质量好，易操作，作业温度低，产品无需再分选。气基法生产dri对于天然气丰富地区具有生命力。

3.气基 dri法主要指标及技术经济优越性

(1）钢中有害元素sn、sb、as、bi含量大幅度降低，提高了钢材断裂韧性、热加工塑性、冷加工可塑性。

(2)钢中s、p含量降低，提高钢材冲击韧性，降低脆性转变点温度。

（3）缩短电炉精炼期，提高ni、mo等有价元素收得率。

（4）降低钢中[h]及[n]含量。

(5）用dri炼优质合金钢热变形能力良好，适合于作深冲钢板(见表1)。

气基dri指标 表1

.64 38.85 21.47～24.15 21.47 石家庄市 530 济南市 420 合肥市 460 郑州市 455 沈阳市 537 22.18 24.84 40.81 28.32 46.52 长春市 541 大连市 580 哈尔滨市 560 杭州市 560 29.11 32.60 53.56 37.16 61.06 29.52～37.57 26.83 厦门市 810 深圳市 890 南京市 760 广州市 619

注：计算参数：

1.焦炭热值25mj/kg，含灰分12%，含硫0.7%。

2.天然气热值37.26mj/m3。

3、理想焦炭热值价格计算依据：

a.无灰简单升值：+12%；

b.无灰标准升值：+84%（参照国家物价总局1992年11月制定的《最新煤炭出厂价格汇编》提供的计算方法：冶炼用炼焦精煤的灰分与价格的比值为1:7，即每降1%的灰分，价格升值为7%）；

c.无灰无硫升值：在无灰基础上+14%（冶炼还原含硫每增加0.1%，影响效率2%）。

2．炼铁高炉喷吹天然气效益推算

在高炉炼铁过程中，一般说高炉焦硫分每增加0.1%；焦比即升高3～6%，而生铁产量则降低5%。高炉焦灰分每升高1%，焦比约上升1～2%,而生铁产量则降低2%左右。天然气在炼铁高炉中作为部分代焦还原喷吹使用，由于上述因素，国外经验表明高炉系数可由目前的1.7提高到2.4，提高生产效率41.2%（见表3）。

天然气代替煤粉高炉炼铁喷吹效益推算表 表3 生产指标\喷吹燃料 焦 比（kg/t铁） 喷 吹 比 高炉系数(t铁/m3.d) 说 明 煤 粉 550 85（kg煤/t铁） 1.7 国内重点钢铁企业平均指标 天 然 气 400 150 (m3气/t铁） 2.4 有关文献[3]提供国外高炉冶炼指标 冶炼燃料参考价 焦耗成本(元/t铁) 煤/气耗成本 (元/t铁) 工效成本(元/t铁) 生铁成本(元/t铁) 降本增效(%) 焦 炭 450元/t 煤 粉 200元/t 247.5 17 535.5 800 天然气1 0.8元/m3 180 120 314.9 614.9 23.1 天然气2 1.0元/m3 180 150 314.9 644.9 19.4

发展其加工业，需要投入巨额资金，而且产品的销路还将面临着国内外激烈的市场竞争。发展独立的天然气电业，在