喷吹法和搅拌法铁水脱硫工艺成本的综合评估
由于社会发展和经济建设的需要，用户对钢铁产品的品种和质量要求越来越高。硫是钢中的有害元素，要生产高质量的钢尤其是特殊用途钢和高附加值的钢就必须降低钢中的硫含量。相对炼钢脱硫或精炼脱硫而言，铁水预处理脱硫工艺更为简单，是降低炼铁和炼钢工序脱硫负担、简化操作和提高炼铁、炼钢技术经济指标的有效途径之一。因此，铁水预处理脱硫逐渐成为现代钢铁工业生产流程中必备的工序。
现代钢铁冶金流程中的铁水脱硫工艺主要有两种工艺形式，即喷吹法和搅拌法。两种工艺在技术上都已经相当成熟。从实际生产中的应用效果来看，二者是互有优缺点。钢铁企业的具体情况不同，选择的出发点也不一样，其中生产成本是考虑的主要因素之一。
近年来，国内部分学者对单条铁水预处理脱硫生产线的生产成本做过计算，主要考虑的是脱硫粉剂消耗。但在实际生产中，脱硫剂消耗不是影响脱硫工艺成本唯一因素，还应从铁水温降、铁损、脱硫渣处理、喷枪或搅拌头消耗、载气消耗和电费等几个方面进行综合评估。
1、影响脱硫生产成本的因素分析
1.1 粉剂消耗
目前国内采用的脱硫剂主要包括CaC2粉、CaO粉、镁及各种复合脱硫剂。就CaC2粉而言，鞍山钢铁集团公司二炼钢厂(以下简称鞍钢二炼钢)喷吹CaC2粉脱硫的粉剂消耗量为每吨铁6㎏，本溪钢铁(集团)有限责任公司(以下简称本钢)的生产条件下喷吹CaC2粉脱硫的粉剂消耗量为每吨铁9.81㎏。在此选取鞍钢的数据。鞍钢二炼钢所购CaC2粉的市场价格为每吨3000元，这样可得出每吨铁消耗CaC2粉的成本为18元。鞍钢二炼钢也曾尝试使用CaC2粉和镁复合进行喷吹，粉剂质量比为m(Mg)/m(CaC2)=1/3)，每吨铁粉剂消耗为1．96kg。根据颗粒镁单价(18000元/t，青岛钢铁厂的数据)和CaC2粉单价可计算出镁复合CaC2粉(m(Mg)/m(CaC2)=1/3)的价格为每吨6750元，这样，每吨铁消耗镁复合CaC2粉的成本为13.23元。
武汉钢铁集团公司第一炼钢厂(以下简称武钢一炼钢)在国内较早采用喷吹CaO脱硫工艺，每吨铁CaO粉消耗为8.28kg，CaO粉的价格按每吨600元计(数据来自中国冶金信息网)，每吨铁CaO粉成本为4.96元。自2001年开始，武钢一炼钢采用喷吹镁复合CaO粉脱硫，研究和生产经验认为，m(Mg)/m(CaO)=1/4时，比较符合生产的具体情况，其每吨铁粉剂消耗为1.68kg，根据镁粉的价格和石灰价格可计算出镁粉复合CaO粉(m(Mg)/m(CaO)=1/4)的价格为每吨4080元。可得，武钢一炼钢喷吹镁复合CaO粉脱硫的成本为每吨铁6.85元。近年来，武钢一炼钢又采用了乌克兰喷吹钝化镁颗粒脱硫工艺，每吨铁粉剂消耗仅为0.468kg，每吨铁粉剂消耗成本为8.43元。武汉钢铁集团公司第二炼钢厂(以下简称武钢二炼钢)在国内最早采用KR法脱硫工艺，生产中先后使用了包括CaC2、Na2C03在内的多种粉剂，经过分析、比较，最终选择了CaO粉进行脱硫，目前每吨铁粉剂消耗已经降至4.69㎏，每吨铁粉剂消牦成本为2.81元，能稳定地实现深脱硫。各种脱硫剂成本比较见表1。
|
方法
|
脱硫剂种类
|
单耗/(㎏·t-1)
|
单价/(元·㎏-1)
|
脱硫成本/(元·t-1)
|
喷吹或搅拌处理时间/min
|
|
喷
吹
法
|
CaC2
|
6.000
|
3.00
|
18.00
|
21.00
|
|
m(Mg)/m(CaC2)=1/3
|
1.960
|
6.75
|
13.23
|
7.70
|
|
|
CaO
|
8.280
|
0.60
|
4.97
|
16.49
|
|
|
m(Mg)/m(CaO)=1/4
|
1.680
|
4.08
|
6.85
|
5.80
|
|
|
Mg
|
0.483
|
18.00
|
8.69
|
5.00
|
|
|
KR法
|
CaO
|
4.690
|
0.60
|
2.81
|
5.00
|
1.2 铁水温降
铁水温降的消极影响是降低铁水带入转炉的物理热，其经济损失主要体现在转炉吃废钢的能力下降，导致转炉冶炼的能耗和物料消耗升高。通过对废钢比提高1％所产生经济效益计算，可看出铁水温降的影响。
提高废钢比可产生的经济效益主要包括两个方面：
(1)降低每吨钢能耗。设转炉公称容量为Y(单位，t)，则废钢比每提高1％，每炉加入的废钢量增加Y/100t，若将每炉钢消耗的能量化成标准煤来算，则废钢比每提高1％，每炉钢减少(Y/100)×599kg标准煤(文献认为转炉炼钢用1t废钢代替铁水可节能至少599kg标准煤)，以市场价格每吨煤230元计，每炉钢从能耗方面节省的成本为1.37元。
(2)降低转炉炼钢钢铁料的消耗。文献经计算和现场操作实践认为，废钢比由2.3％增加到8％，则每吨钢的钢铁料消耗减少3.32kg。由此可近似认为废钢比每增加(减少)1％，则每吨钢的钢铁料消耗减少(增加)0.587kg。在目前的物料价格基础上，每吨铁的成本约在1800元(以宝山钢铁集团公司高炉铁水的成本结构计算而得)，则以每公斤铁水1.80元计价，废钢比每增加1％，每吨钢从钢铁料消耗方面节省了1.06元。
可以看出，废钢比每增加1％，每吨钢的成本可节省2.43元。
有文献认为：铁水温度降低(升高)10℃则废钢比下降(升高)约0.88％。由此，可知铁水每降低(升高)10℃，则每吨钢的成本增加2.14元。近似认为1t铁能炼1t钢，则每吨铁温降1℃增加成本0.214元。
在所有脱硫工艺中喷吹纯镁颗粒的温降最小，数据显示武钢一炼钢喷吹钝化颗粒镁脱硫只需要5min，温降仅为10℃，其温降成本为每吨铁2.14元。
武汉钢铁集团公司喷吹CaO粉脱硫的铁水温降不同资料有所差别。文献研究认为约是24℃,而另一文献则认为在35℃左右，结合其他生产线的数据，在计算中取两者的中间值30℃比较合理、可信，其温降成本为每吨铁6.42元。
喷吹CaC2脱硫的温降取本钢的数据为26～35℃，以30℃来计算，成本为每吨铁6.42元。喷吹镁复合Ca0粉(m(Mg)/m(CaO)=1/4)的温降取武钢一炼钢的数据为19.07℃，其温降成本为每吨铁4.08元。喷吹镁复合CaC2粉(m(Mg)/m(CaC2)=1/3)的温降取鞍钢二炼钢的数据为9.3℃，其温降成本为每吨铁1.99元。KR法(CaO粉)脱硫的温降约为28℃，其温降成本为每吨铁5.99元。
1.3 铁损
铁水预处理脱硫的铁损主要来自于两部分：脱硫渣中含的铁水和扒渣过程中带出的铁水。一般来说，脱硫剂单耗少，脱硫渣含铁相应也就低些，从这一点上比较，颗粒镁脱硫工艺的铁损最少。不过颗粒镁脱硫的渣子较稀、难以扒除，而CaO粉的脱硫渣较干，扒渣较为容易，因此就扒渣过程中带出的铁水来说，CaO粉脱硫工艺要少于镁脱硫。由于条件限制，无法具体细化各工艺的铁损，只能根据查阅文献的方法粗略估计。武汉钢铁(集团)公司喷吹CaO粉脱硫的铁损为每吨铁7.57kg，武汉钢铁(集团)公司KR(CaO粉)法的铁损没有查到具体数据，可根据其粉剂消耗量与喷吹石灰粉剂脱硫的粉剂消耗量之比来估算，二者粉剂消耗量比为0.56:1，生成渣量和铁损比应与之近似，可估算出武汉钢铁(集团)公司KR(石灰粉剂)法的铁损为每吨铁4.24kg。青岛钢铁公司在65t铁水罐上采用喷吹颗粒镁工艺脱硫，铁损经计算为每吨铁3.96kg。其余各工艺每吨铁的铁损量见表2。具体准确的铁损数据有待于今后在有条件的情况下作进一步详细的称量、比较。如前，铁损的单价每吨按1800元来计算。
表2 温降、铁损、铁渣运费各项的成本比较
|
方法
|
脱硫剂种类
|
温降数值/℃
|
温降成本/(元·t-1·℃-1)
|
扒渣中铁损/(㎏·t-1)
|
铁损成本/(元·t-1)
|
铁渣渣量/(㎏·t-1)
|
每吨铁铁渣运费/元
|
|
喷
吹
法
|
CaC2
|
26.0-35.0
|
6.31
|
18.35
|
33.03
|
41.42
|
1.16
|
|
m(Mg)/m(CaC2)=1/3
|
9.3
|
1.99
|
8.30
|
14.94
|
22.86
|
0.64
|
|
|
CaO
|
23.98
|
5.31
|
7.57
|
13.63
|
29.60
|
0.83
|
|
|
m(Mg)/m(CaO)=1/4
|
19.07
|
4.08
|
6.85
|
12.33
|
17.65
|
0.49
|
|
|
Mg
|
8.0-10.0
|
1.93
|
3.96
|
7.13
|
5.67
|
0.05
|
|
|
KR法
|
CaO
|
28.0
|
5.99
|
4.24
|
7.63
|
16.76
|
0.47
|
1.4 脱硫渣及其处理
在喷吹法脱硫工艺里，喷吹钝化颗粒镁工艺的脱硫剂单耗最低，渣量最小。KR法脱硫的动力学条件优于喷吹法，同样是使用CaO粉脱硫，KR法的脱硫剂单耗要远远低于喷吹法，渣量也较低。各工艺吨铁的渣量见表2。参考文献，将渣子运费的单价定为0.028元/kg。
1.5 喷枪和搅拌头消耗
搅拌头的寿命短是困扰KR法脱硫工艺的一个大问题，经过冶金工作者的不断努力，终于使搅拌头的寿命由原来的几十炉提高到了现在的几百炉。据日本和武钢二炼钢的使用情况介绍，搅拌头使用寿命最高可达到500炉以上。
武钢二炼钢使用的搅拌头造价约为1.2万元/个，使用寿命已达到500罐次以上。武钢二炼钢的脱硫铁水罐每罐的铁水量约85t，则搅拌头的费用平均到每吨铁水上为0.27元。
重庆钢铁公司的脱硫铁水罐每罐的铁水量约70t，脱硫喷枪6400元/支，可喷吹300min。以此喷吹时间为喷枪寿命，可计算出喷吹各种不同粉剂的情况下，1支喷枪所能喷吹的罐次和每吨铁水喷枪成本(以每罐70t容量计)，结果如下：
喷吹CaC2粉剂：喷吹时间为21min，可喷吹罐次为14罐次，由此，可以计算出平均每吨铁水消耗的喷枪费用为6.53元。
喷吹镁复合CaC2粉：喷吹时间为7.7min，可喷吹罐次39罐次，每吨铁水消耗的喷枪费用为2.34元。
喷吹CaO粉剂：喷吹时间为16.49min，可喷吹罐次为18罐次，每吨铁水消耗的喷枪费用为5.08元。
喷吹镁复合CaO粉：喷吹时间为5.8min，可喷吹罐次为52罐次，每吨铁水消耗的喷枪费用为1.76元。
喷吹钝化颗粒镁：喷吹时间为5min，可喷吹罐次为60罐次，每吨铁水消耗的喷枪费用为1.52元。
1.6 喷吹载气费用和KR法搅拌头电耗
一般情况下，钢铁企业所使用的脱硫载气为氮气。各个生产线的粉气比或者载气流量根据各自情况有所不同，即使是同一条生产线也随着铁水条件和脱硫要求的不同而有所波动。如：青岛钢铁公司喷吹钝化颗粒镁脱硫的载气使用的是氮气，喷吹流量(在标准状态下，下同)约为1.96m3/(h·t)，重庆钢铁公司喷吹CaO粉脱硫的载气同样是氮气(每罐铁水量为70t)，喷吹流量在1.14～2.14m3/(h·t)，武钢一炼钢喷吹钝化颗粒镁深脱硫所使用的载气也是氮气，喷吹流量约为1.90 m3/(h·t)。考虑到以后工艺的优化和技术进步，计算中采用的流量为1.42m3/(h·t)。
目前工业氮气的市场价格约为200元/km3，氮气的密度为(21.1℃，1个大气压下)1.153kg/m3，由此可计算出各工艺条件下吨铁耗氮气成本，见表3。
表3 各脱硫工艺每吨铁的生产成本表 元
|
方法
|
脱硫剂种类
|
脱硫剂成本
|
温降成本
|
铁损成本
|
铁渣运费
|
喷枪或搅拌头费用
|
喷吹N2气费用
|
搅拌头电费
|
总费用
|
|
喷
吹
法
|
CaC2
|
18.00
|
6.31
|
33.03
|
1.16
|
6.53
|
0.34
|
0
|
65.03
|
|
m(Mg)/m(CaC2)=1/3
|
13.23
|
1.99
|
14.94
|
0.64
|
2.34
|
0.04
|
0
|
33.18
|
|
|
CaO
|
4.97
|
5.13
|
13.63
|
0.83
|
5.08
|
0.08
|
0
|
29.72
|
|
|
m(Mg)/m(CaO)=1/4
|
6.85
|
4.08
|
12.33
|
0.49
|
1.76
|
0.03
|
0
|
25.18
|
|
|
Mg
|
8.69
|
1.93
|
7.13
|
0.05
|
1.52
|
0.02
|
0
|
19.34
|
|
|
KR法
|
CaO
|
2.81
|
5.99
|
7.63
|
0.47
|
0.27
|
0
|
0.04
|
17.21
|
武钢二炼钢KR法脱硫的专用铁水罐罐容为100t，搅拌头电动机容量为132kW，搅拌时间为5min，所耗电量为11kW·h/罐次，取工业用电单价为0.4元/(kW·h)，则平均每吨铁水耗电费为0.04元。
2、两种主要脱硫工艺的生产成本比较、分析
综合以上分析，可以从两种脱硫工艺的脱硫剂成本比较(见表1)与温降、铁损、铁渣运费成本比较(见表2)计算出各种脱硫工艺的综合生产成本见表3。
计算结果表明：在喷吹法中，钝化颗粒镁的脱硫成本最低，每吨铁约19.34元，远远低于喷吹其它几种脱硫剂；KR法脱硫(CaO粉)的脱硫成本比喷吹钝化颗粒镁工艺还要低，每吨铁仅为17.21元，每吨铁水节省脱硫成本2.13元。假设1个大型钢铁企业炼铁厂每年生产900万t铁水，有80％的铁水经过预脱硫处理，也即每年经预处理脱硫的铁水为720万t，则使用KR法脱硫(CaO粉)将比使用喷吹镁粉复合CaO粉剂每年节省1533万元，经济效益显著。
具体比较喷吹钝化颗粒镁脱硫和KR法脱硫(CaO粉)可知：KR法脱硫(CaO粉)在脱硫剂成本方面低于喷吹钝化颗粒镁脱硫，另外，KR法搅拌头吨铁损耗也低于喷吹法喷枪的吨铁损耗。喷吹钝化颗粒镁脱硫工艺则在温降和铁损方面的成本费用更低。总的比较，目前，KR法脱硫(CaO粉)的吨铁脱硫成本稍低于喷吹钝化颗粒镁脱硫。
从发展的角度看，喷吹钝化颗粒镁脱硫在喷枪成本上还有较大的压缩空间，而KR法脱硫(CaO作脱硫剂)工艺在减少温降和渣铁损失方面尚有较大潜力可挖掘。
3、结论
通过上述分析可得到以下结论：
(1)在喷吹法脱硫工艺中喷吹纯颗粒镁脱硫工艺的脱硫成本最低，仅为喷吹CaO粉脱硫工艺的65％，成本优势明显；
(2)KR法(CaO作脱硫剂)脱硫工艺的脱硫成本约为喷吹纯颗粒镁脱硫工艺的89％，在所有铁水脱硫工艺中的成本最低。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
