寶鋼集團浦鋼搬遷羅涇工程的技術創(chuàng)新

自21世紀以來，中國的鋼鐵工業(yè)保持了快速增長，年增長率超過25%。鋼鐵產(chǎn)量和年產(chǎn)量占世界產(chǎn)量和出口量的約30%。資源和環(huán)境的壓力越來越大。傳統(tǒng)的使用環(huán)境、高能耗和低效率資源的舊方法不符合時代的要求。探索我國鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的道路,建設綠色環(huán)保、節(jié)能和循環(huán)經(jīng)濟的新型鋼鐵廠,是時代賦予鋼鐵工作者的使命。寶鋼集團浦鋼公司結合世博會搬遷,在寶山區(qū)羅涇地區(qū)建設一個最終規(guī)模300~400萬t的鋼鐵廠。廠區(qū)位于寶鋼分公司西北約5km處,工程按計劃分兩期建設,160萬t規(guī)模的一期工程計劃2007年10月建成投產(chǎn)。由于上海市建設國際大都市的規(guī)劃要求,考慮到浦鋼搬遷至羅涇的廠址毗鄰上海市水源地的地理位置,新鋼廠建設必須符合綠色環(huán)保、節(jié)能和資源循環(huán)利用的要求,不宜于規(guī)劃建設“鐵、焦、燒”的傳統(tǒng)的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)。經(jīng)過反復論證,選擇了熔融還原的煉鐵工藝,在世界上首次采用了COREXC-3000的工藝。為了最經(jīng)濟地利用COREX的大量副產(chǎn)品——中等熱值的COREX煤氣,建設世界上首次采用COREX煤氣發(fā)電的CCPP燃氣輪機發(fā)電機組,同時為合理利用多余的COREX煤氣,實現(xiàn)寶鋼集團效益最大化,建設與寶鋼分公司相連的煤氣、氧氣、氮氣、氬氣能源通廊,構建寶鋼集團的北部能源通廊。浦鋼搬遷羅涇的建設指導思想就是要走可持續(xù)發(fā)展的道路,打造綠色環(huán)保、節(jié)能、循環(huán)經(jīng)濟的新型鋼廠,為我國鋼鐵工業(yè)的調(diào)整與發(fā)展起到某種示范作用。本文以正在建設的羅涇鋼廠為實例,對綠色環(huán)保、節(jié)能、循環(huán)經(jīng)濟的新型鋼鐵廠的主要特點進行描述,對其產(chǎn)品的競爭力進行初步分析。1設備和工廠流程1.1相關設備與設備羅涇鋼廠按照一次規(guī)劃分期實施的原則,一期主要建設內(nèi)容如下。(1)COREX煉鐵廠:1座C3000COREX煉鐵爐及配套的煤壓塊、煤氣脫硫和煤氣壓差發(fā)電(TRT)等設施,年產(chǎn)鐵水150萬t。(2)煉鋼廠:1套機械攪拌法鐵水預處理裝置、2座150t轉爐、1座150tRH、1座150tLF精煉裝置及煉鋼車間的其它配套設施,年產(chǎn)鋼水157.1萬t。1座250mm連鑄機及配套設施,年產(chǎn)152.5萬t連鑄坯。(3)軋鋼廠:配有粗軋機、精軋機、精整及熱處理線的4200mm寬厚板軋機1套,年產(chǎn)160萬t中厚板。(4)CCPP發(fā)電廠:1套169.45MW燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組(簡稱CCPP),年送電量12.45億kW·h。(5)配套的公共輔助設施。1.2工廠流程1.2.1不建燒結和焦化車間,比傳統(tǒng)長流程更采用COREX熔融還原煉鐵-煉鋼-100%連鑄-中厚板軋機的緊湊型現(xiàn)代鋼廠生產(chǎn)流程,與傳統(tǒng)的長流程相比,由于不建燒結和焦化車間,具有占地少、物料在鋼廠停留時間縮短、流動資金占用少、資源利用好、環(huán)境保護好和勞動生產(chǎn)率高等優(yōu)點。目前在世界上少數(shù)鋼廠(韓國、南非及印度)已在發(fā)展此流程,已初步顯示出上述的優(yōu)點。1.2.2生產(chǎn)工序密度采用COREX煉鐵法替代污染嚴重的傳統(tǒng)“高、燒、焦”煉鐵法,省去了燒結、焦化兩個污染較為嚴重的生產(chǎn)工序。按照設計,冶煉過程中僅需要約50kg/t(鐵水)的碎焦炭,與傳統(tǒng)煉鐵工藝相比本項目每年可節(jié)約焦炭300kg/t(鐵)(節(jié)約焦煤70萬t/a),有利于緩解我國焦煤資源的緊張局面,有利于鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2.3發(fā)酵水和爐發(fā)電煉鋼采用全量KR法鐵水脫硫、轉爐雙聯(lián)法脫磷、真空精煉、全連鑄、電爐熱兌鐵水和爐用多功能氧槍等先進技術和裝備。本項目COREX及轉爐產(chǎn)生的煤氣,除用于工業(yè)爐窯作燃料外,選用燃氣-蒸汽聯(lián)合發(fā)電機組發(fā)電,供本廠用戶的用電。其發(fā)電效率高(43.88%),遠高于蒸汽發(fā)電機組,可充分利用煤氣,節(jié)約能源。1.2.4產(chǎn)品的控制板坯連鑄機采用了減少夾雜物含量、促進夾雜物上浮、減少裂紋、減少板坯中心偏析、提高板坯表面質(zhì)量等一系列技術措施。寬厚板軋機采用雙機架高剛性4200mm4輥可逆式軋機,精軋機最大軋制力達到90MN;采用較高的軋制速度和較高的軋制力矩,精軋機的功率達到2×9MW,最大軋制速度7.04m/s;采用高精度、高速的軋輥定位系統(tǒng);采用CVC板形控制技術;采用工作輥彎輥裝置,精軋機工作輥彎輥裝置的彎輥力達到4MN/側。1.2.5為鋼板公司提供燃氣短缺的問題能源通廊既解決了因CCPP發(fā)電廠年發(fā)電時間小于COREX煉鐵年作業(yè)時間造成的大量COREX煤氣(COREX爐產(chǎn)生286000m3/h的煤氣)沒有去處的問題,還可以定量向?qū)氫摲止咎峁┘s35000m3/hCOREX煤氣,部分解決寶鋼分公司燃氣短缺的矛盾。建設能源通廊實現(xiàn)了羅涇工程環(huán)保、節(jié)省投資的目標,也體現(xiàn)了集團一體化和效益最大化的目標。2還原煤氣排放根據(jù)已投入商業(yè)生產(chǎn)運行的南非ISCOR公司SALDANHA鋼廠C2000COREX爐、韓國浦項鋼鐵公司C2000COREX爐的實際指標,COREX熔融還原與傳統(tǒng)“高、燒、焦”煉鐵工藝相比,在環(huán)保方面具有明顯的優(yōu)越性:(1)該工藝將還原與融化兩個過程分開,分別在還原豎爐和熔融氣化爐兩個反應器內(nèi)進行,煤氣中酚、氰、苯類和焦油等大分子化合物含量大為降低;(2)與傳統(tǒng)“高、燒、焦”煉鐵工藝(全硫分的80%左右以SO2形式排入大氣環(huán)境)相比,SO2的排放量(COREX煤氣作為燃料燃燒產(chǎn)生)大大減少。由于COREX裝置鼓入氧而不是空氣,并始終處于還原氣氛,最大限度地避免了SO2、NH3、NOx等污染物的生成;(3)COREX系統(tǒng)無燒結、焦化工序,故煙/粉塵的產(chǎn)生總量和排放總量要比傳統(tǒng)“高、燒、焦”工藝低很多,SO2等氣態(tài)污染物的產(chǎn)生總量和排放總量也比傳統(tǒng)工藝低很多。主要污染物的排放水平見表1。由表1可以看出,羅涇鋼廠因采用COREX煉鐵工藝,主要污染物排放指標大大低于1級清潔生產(chǎn)水平,與國內(nèi)重點鋼鐵聯(lián)合企業(yè)以及國外先進鋼鐵聯(lián)合企業(yè)相比,主要污染物排放水平處于國際清潔生產(chǎn)先進水平之列,反映了COREX工藝省去燒結、焦化工序后,在環(huán)保方面所帶來的巨大變化。3能源和資源的利用3.1yb9031-98按照《環(huán)境保護工程指南》yb9051-98中規(guī)定的高爐、焦爐、燒結工序的能耗分別為:(1)桿子不小于1200m3高爐,有爐頂煤氣余壓發(fā)電裝置,工序能耗不應大于12610MJ/t(430.96kg/t);(2)焦爐有干熄焦裝置時工序能耗不應大于4400MJ/t(150.38kg(標煤)/t);(3)現(xiàn)有高爐的運行能耗工序能耗不應大于1760MJ/t(60.15kg(標煤)/t)。有爐頂煤氣余壓發(fā)電裝置的高爐煉鐵、焦爐、燒結的工序總能耗標準應為:430.96+150.38×0.3+60.15×1.6=572.31kg(標煤)/t(16746MJ/t)羅涇鋼廠COREX煉鐵設計工序能耗為13701.83MJ/t,小于16746MJ/t。與寶鋼分公司現(xiàn)有高爐2003年實際生產(chǎn)指標進行了比較,見表2。COREXC3000爐年產(chǎn)鐵水150萬t,寶鋼分公司1座4000m3級高爐年產(chǎn)鐵水在300萬t以上,規(guī)模雖不在一個等級,但COREXC3000設計工序能耗仍比寶鋼分公司4000m3級高爐系統(tǒng)“鐵、焦、燒”實際工序能耗低3.5%,顯示出這一工藝在節(jié)能方面所具有的優(yōu)勢。3.2資源循環(huán)對于采用COREX流程的鋼廠來講,如何以最經(jīng)濟合理的方式利用COREX爐冶煉產(chǎn)生的大量中等熱值煤氣,是決定項目成敗的關鍵。3.2.1羅環(huán)境參數(shù)選擇和利用COREXC3000爐每噸鐵耗氧528m3,產(chǎn)生出熱值為8231kJ/m3的煤氣28.6×104m3/h。關于COREX煤氣利用,主要有3個方向:發(fā)電、生產(chǎn)海綿鐵、用作燃料。經(jīng)分析比較,COREX煤氣用于發(fā)電和生產(chǎn)海綿鐵,其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益相當,作為燃料則經(jīng)濟效益最差;如代替天然氣作燃料,則經(jīng)濟效益最佳,用于發(fā)電和生產(chǎn)海綿鐵次之。羅涇鋼廠COREX煤氣利用遵循的原則是:爭取COREX煤氣的零排放或少排放;爭取最佳的經(jīng)濟效益;服從寶鋼集團構建北部能源通廊的戰(zhàn)略要求。依照這樣的思路,一期工程COREX產(chǎn)生的煤氣,除供本廠作燃料外,剩余的煤氣中83%用作發(fā)電,17%通過能源通廊送往寶鋼分公司,二期工程擬建直接還原鐵裝置利用COREX煤氣生產(chǎn)海綿鐵。為了提高發(fā)電效率,選擇了燃氣-蒸汽聯(lián)合發(fā)電廠(CCPP),使發(fā)電效率達到43.8%,發(fā)出的電全部供羅涇鋼廠。一期工程建成后,由CCPP發(fā)電廠供電以及利用COREX煤氣壓力高的特點設置余壓回收透平發(fā)電裝置(TRT)回收煤氣壓力能供電,與全廠用電量基本持平。COREX煤氣的循環(huán)使用,實現(xiàn)了能源的最佳利用。3.2.2羅經(jīng)濟廢水處理羅涇項目非常重視廢棄物的綜合利用,把廢棄物的處置與綜合利用結合起來,充分利用廢棄物的價值造福于社會。羅涇一期工程年產(chǎn)固體廢棄物1398754t/a,其中外送可循環(huán)利用廢料1173854t/a(主要用作建材和燒結的原料),羅涇廠內(nèi)可循環(huán)利用的廢棄物224900t/a(主要作為煉鋼的廢鋼使用)。羅涇鋼廠一期工程資源循環(huán)利用簡圖見圖1。4產(chǎn)生挑戰(zhàn)的挑戰(zhàn)4.1國內(nèi)外水平比較采用COREX爐流程鋼廠的產(chǎn)品競爭力如何是業(yè)內(nèi)人士普遍關心的一個問題,同樣是決定該項工藝能否得到認同并從而得到發(fā)展的一個問題。在噸鋼綜合能耗方面,羅涇鋼廠全廠綜合能耗為620.16kg(標煤)/t,與國內(nèi)外先進鋼鐵企業(yè)相比(2001~2003年公開資料中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)),寶鋼分公司為675kg(標煤)/t,韓國浦項光陽廠為734kg(標煤)/t,日本新日鐵為729kg(標煤)/t,日本JFE為766kg(標煤)/t,中國臺灣中鋼為750kg(標煤)/t,因而處于世界領先水平。考慮到羅涇一期工程規(guī)模偏小,工序只到熱軋,沒有冷軋工序等不可比因素,全廠綜合能耗620.16kg(標煤)/t,仍處于先進水平。在鐵水成本方面,礦石、煤炭及輔料按照2000~2005年6年的價格取均價,1座COREX爐年產(chǎn)量150萬t,鐵水成本約1230元/t,與相同產(chǎn)量的2000m3高爐這一時期的鐵水成本相當。4.2與現(xiàn)有高爐的比對在產(chǎn)量上,COREXC2000爐設計日產(chǎn)鐵水2000t,設計年產(chǎn)量60~80萬t,實際達到的最高產(chǎn)量是印度JINDAL的2座COREXC2000爐,2003~2004年度的年產(chǎn)量達到165萬t。羅涇鋼廠采用COREXC3000爐,設計日產(chǎn)鐵水4000t,設計年產(chǎn)量150萬t,與現(xiàn)有正在生產(chǎn)運行的4座COREXC2000爐相比,單座COREXC3000爐的日產(chǎn)量和年產(chǎn)量提高1倍,對供貨商和浦鋼來講都是很大的挑戰(zhàn)。在達產(chǎn)和年產(chǎn)鐵時間方面,COREX爐與現(xiàn)有高爐相比,達產(chǎn)的過程較為緩慢。印度JINDAL1號COREX爐1999年8月8日投產(chǎn),2號COREX爐2000年4月15日投產(chǎn),2003~2004年度達到了設計能力,耗時近4年。寶鋼分公司4號高爐只用10多天就達產(chǎn)。高爐年作業(yè)率可以達到日歷時間的98%~99%,COREX作業(yè)率只能達到日歷時間的約96%,相差2%~3%,對鋼廠的生產(chǎn)經(jīng)營帶來一定的影響。4.3爐原料及配煤方案COREX爐對鐵礦石、煤炭的品質(zhì)和物理化學性能指標的要求明顯高于高爐。羅涇鋼廠采用的配礦比(質(zhì)量分數(shù))為:高爐球團加塊礦占90%(球團占50.4%,塊礦占39.6%),篩下的粉礦占10%;入爐原料即混合礦的鐵的質(zhì)量分數(shù)為66.18%。煤種在國內(nèi)選擇3種煤混合配比,要求粒度為0~50mm(其中+15mm者>50%),固定碳的質(zhì)量分數(shù)為55%~65%,灰分的質(zhì)量分數(shù)為5%~12%,固定碳/灰分>5,硫的質(zhì)量分數(shù)(干基)<0.5%,粒度<5mm的煤送煤壓塊系統(tǒng)制成煤壓塊入爐使用。對于配礦、配煤的較高要求,使得COREX爐可供選用的鐵礦石、煤炭品種范圍非常有限,這也是南非SALDANHA和印度JINDAL把COREX爐工廠建在臨近塊礦、燒結礦和煤炭供應基地的主要原因。羅涇鋼廠遠離國外鐵礦石供應基地,國內(nèi)可供選用的煤炭資源也很有限,投產(chǎn)以后降低成本的任務艱巨。5排放污染物總量及排放總量分析(1)浦鋼搬遷羅涇項目是根據(jù)上海市建設國際大都市的規(guī)劃要求,按照建設綠色環(huán)保、節(jié)能、資源能源循環(huán)利用的新型鋼廠這一指導思想進行規(guī)劃,鋼廠采用的先進工藝及技術裝備也正是體現(xiàn)這一建設指導思想。(2)因采用COREX煉鐵工藝,主要污染物排放指標大大低于1級清潔生產(chǎn)水平,SO2等氣態(tài)污染物的產(chǎn)生總量和排放總量比傳統(tǒng)高爐流程的工藝低數(shù)倍之多,環(huán)保效果非常顯著。(3)羅涇鋼廠COREX煉鐵工序