煤基直接还原炼铁技术及非高炉炼铁能耗分析

1、煤基直接还原炼铁技术及非高炉炼铁能耗分析摘要：非高炉炼铁技术或称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。依产品的形态不同，非高炉炼铁技术可分为熔融还原与直接还原两种工艺方法。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，其产量占到直接还原炼铁的90%左右，煤基直接还原炼铁，目前以回转窑为主，也是最主要的煤基直接还原炼铁工艺。关键词：非高炉炼铁；直接还原；熔融还原；煤基；气基近代高炉已有数百年历史，其工艺

2、已达到相当完善的地步。高炉反应器的优点是热效率高、技术完善，设备已大型化、长寿化，单座高炉年产铁最高可达400万t左右,一代炉役的产铁量可达5000万t以上，可以说，没有现代化的大型高炉就没有现代化的钢铁工业大生产。但是在它日益完善和大型化的同时，也带来了流程长、投资大以及污染环境等问题。高炉工艺流程存在以下问题：一是高炉必须要用较多焦炭，而炼焦煤越来越少，焦炭越来越贵；二是环境污染严重，特别是焦炉的水污染物粉尘排放烧结的SO2粉尘排放，高炉的CO2排放很高；三是传统炼铁流程长，投资大；四是从铁、烧、焦全系统看重复加热、降温，增碳、脱碳，资源、能源循环使用率低，热能利用不合理。高炉法虽然仍是当

3、今炼铁生产的主体流程，但非高炉炼铁法已成为炼铁技术发展的方向。非高炉炼铁技术或称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。依产品的形态不同，非高炉炼铁技术可分为熔融还原与直接还原两种工艺方法。随着世界上废钢铁积累日益减少，电炉流程迅速发展，这就要求采用直接还原新工艺，生产出的海绵铁供电炉炼钢。此外，由于炼焦煤资源日渐短缺，焦炉逐渐老化以及人们对焦炉污染日益关注，八十年代以来，各发达国家纷纷谋求开发另外的无焦炼铁工艺一一熔融还原，其中Corex流程已实现工业化生产。综合起来看，当前炼铁工艺正朝着少焦或无焦炼铁方向发展，而直接还原与熔融还原技术正适合这种发展方向。所以说我国应适度发展直接

4、还原与熔融还原技术。直接还原是以非焦煤为能源，在不熔化不造丫的条件下，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。熔融还原是以非焦煤为能源，铁矿物在高温熔融状态下完成还原过程，获得液态铁水的技术方法。由于优质废钢资源的短缺，海绵铁作为电炉钢重要的原料之一受到重视与发展。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，其产量占到直接还原炼铁的90%左右，气基直接还原炼铁使用天然气重整制备高质量的富氢气体(75%H225%CO)作为还原剂，以竖炉作为还原反应器，气固充分接触，还原反应与热量交换好，因此，反应器效率

5、高，吨铁能耗低。由于我国的天然气资源短缺，难以用于生产海绵铁。直接还原的产品直接还原铁(DRD是铁氧化物在不熔化、不造渣且在固态下还原生成的金属铁产品。为提高产品的抗氧化能力和体积密度，DRI热态下挤压成形的产品称为热压块(HBI),DRI冷态下挤压成形的产品称为DRI压块。煤基直接还原炼铁，目前以回转窑为主，也是最主要的煤基直接还原炼铁工艺，另外还存在隧道窑直接还原炼铁工艺，近年来，以处理钢铁厂废弃物的转底炉工艺，我国也在尝试变成直接还原炼铁工艺。1煤基直接还原炼铁的几种工艺1.1回转窑工艺目前，在全世界的煤基直接还原炼铁工艺中，回转窑流程约占煤基直接还原炼铁总产量的95%以上。回转窑工艺有

6、三种，分为一步法、二步法和冷固结球团法。乙步法”是指把细磨铁精矿造球，在链篦机上经干燥、900C预热，直接送入回转窑进行固结和还原，所有工序在一条流水线上连续完成。上步法”是将上述工艺过程分两步来完成，即先把铁精矿造球，经1300c高温氧化焙烧，制成氧化球团；然后再将氧化球团送入回转窑进行还原；两个工艺可以分别在两地独立进行，故称匕步法”。冷固结球团法是在磁铁矿精粉中加入少量特制的复合型粘合剂造球，在200c左右干燥固结，然后送入回转窑进行还原，省去了高温焙烧氧化固结过程。回转窑法最著名的为SL-RN流程，是由SL流程和RN流程结合而成的。开发者为加拿大的SteelCoLtd、德国的Lurgi

7、A.G.、美国的RepublicSteel有限公司和NationalLead公司，S、L、R、N即这四个开发者的首字母。该流程于1954年开发完成，在1969年实现工业化，在澳大利亚建成第一座30mSL-RN工业回转窑，之后得到了较快的发展。1.2隧道窑工艺隧道窑法是由ESieurin于1908年发明的。它使用外热式反应罐和隧道窑，窑体可分为加热、还原和冷却三个区域。在还原段装有燃烧器，以液体或气体燃料为能源使还原段温度保持在1200c左右，还原段高温炉气向加热段流动，对反应罐进行预热，使其温度随着向还原段的逐渐接近而逐步提高。台车进入还原段后，煤气化反应放出大量CO,使矿粉得到还原，生成海绵

8、铁。还原完成后，台车进入冷却段，冷却段中有一股由吸入的冷空气形成的气流，在气流中，密封的反应罐逐步冷却至常温。出窑后，将海绵铁取出，去掉残煤和灰分即可得到产品。该工艺可用于生产粉末冶金用铁粉和海绵铁。反应罐的材质多为SiC或黏土，SiC罐耐用，导热性好，成本较高；黏土罐造价低，但性能较差。反应罐内矿粉和还原剂分层装入罐内，还原剂采用煤粉，混入石灰石粉作为脱硫剂。隧道窑生产工艺的特点：(1)原料、还原剂、燃料容易解决；(2)生产工艺易掌握，生产过程易控制；(3)设备运行稳定，产品质量均匀。窑炉是海绵铁生产的关键设备。2004年之前，我国部分海绵铁生产厂家从倒焰窑改为煤烧隧道窑，使还原工段设备档次

9、上升了一个台阶。但煤烧隧道窑存在环境污染、能耗高等问题，根据国家的环保政策，隧道窑煤气化已势在必行，2005年开始，我国新上的海绵铁项目绝大部分采用了煤气，加之国家行业管理部门提倡鼓励新上长窑、大窑，以形成规模经济、降低能耗和提高经济效益，在这种背景下，新一代大型煤气隧道窑应运而生。煤基隧道窑还原主要用于生产高纯铁粉，金属化率要求大于95%,因此，造成特殊的布料方式(环行布料)，传统煤基隧道窑还原窑内温度控制在11801200C,吨铁煤耗高达1500kg,罐材寿命短、冶炼周期长(约4050h,包括预热、加热与冷却段)。1.3转底炉技术1.3.1Fastmet工艺转底炉起源于环形加热炉，原用于轧

10、钢钢坯的加热，近年来被移植用于钢铁厂粉尘的处理，进而演化成炼铁设施。转底炉可用于生产金属化球团矿，为钢铁公司处理粉尘。Fastmet流程主体设备是转底炉。转底炉呈密封的圆盘状，炉底在运行中以垂线为轴作旋转运动。两侧炉壁上设有燃烧器为炉内提供所需热量。利用粉状还原剂和粘结剂与铁精矿混合均匀制成球团，经干燥后送入转底炉，均匀地铺放于旋转的炉底上。随着炉底的旋转，含碳球团被加热到12501350C,经过1020min的还原得到海绵铁。海绵铁通过出料螺旋连续排出炉外，温度约为1000C。根据需要，可将出炉后的海绵铁热压成块或使用圆筒冷却机冷却，也可热装入熔炼炉处理成铁水（Fastmet和熔炼联合被称为

11、Fastmelt工艺）。燃料（天然气、油、煤）和预热空气通过烧嘴进入炉内燃烧（包括还原气相产物CO的燃烧），产生还原所需的足够温度和热量。燃烧废气逆向流动，最后从加料口的排气口排出，经二次燃烧、热交换和洗涤除尘后从烟囱排出。Fastmet的基本还原原理是将燃烧着的火焰的高温经炉壁通过辐射传给料层，使含碳球团中的铁矿粉在高温下被其中的碳/挥发分还原。含碳球团的还原过程比较复杂，因为煤不仅作为固体还原剂，而且其挥发分具有气体还原剂的特点。挥发分中含有的少量H2和CO可以直接作为还原剂，大部分的碳氢化合物裂解后生成的H2和C也可作为还原剂。在研究含碳球团的还原时，重点都集中在碳的还原作用上，往往忽略

12、了挥发分的还原作用。试验结果证明，随温度的升高，含碳球团的还原过程应该包括三部分：挥发分的热解；铁氧化物被挥发分中CO和H2以及其裂解产物H2和C还原；铁氧化物被碳还原。此方法可应用于以下几个方面。（1）用铁精粉生产DRI或HBI将铁精粉与煤粉混合压球后加入转底炉，球团在炉内受控的还原气氛中被加热。当达到反应温度时，铁氧化物被还原为金属铁。反应所需的热能全部由煤提供。从转底炉出来的海绵铁带有较多显热，可采用热压块工艺加工为热压块铁，以便运输与存储。该法生产的热压块铁TFe含量达92%,金属化率高达95%,C含量约4%,脉石含量约2.4%,S含量仅为0.04%,可见其品质纯净，脉石与硫等杂质含量

13、很低，可作为优质废钢的理想替代品。而且与废钢相比，其质量均匀稳定，波动小，对于炼钢生产极为有利。（2）回收电炉除尘灰与轧钢铁鳞电炉除尘灰与轧钢铁鳞的特点是含有较多非铁金属的氧化物，如锌、铅、镉等，被美国环保部门定为有害物质，称作KO61。在干铁法工艺处理过程中，这些非铁氧化物将以气态逸出，并在后续的烟气处理装置中予以收集，此时KO61已转化为提炼有价值非铁金属的原料。转底炉中ZnO的脱除率高于95%,生成的海绵铁金属化率高达91%。转底炉焙烧含锌粉尘时以气态逸出的非铁金属氧化物在尾气处理过程中，由布袋除尘器收集，其成分以ZnO为主，可作为提炼锌的原料使用。（3）回收传统钢铁厂废弃物传统钢铁厂废

14、弃物包括转炉除尘灰，轧钢铁鳞，热轧污泥，连铸氧化铁皮及高炉粉尘与污泥。这些物质总体来说碳的含量很高，与电炉除尘灰相比，锌含量较低，而铅、镉等含量极少。由于原料中的铁与碳含量较高，在经过转底炉焙烧后，生成的海绵铁金属化率高于90%,其尾气收尘富含ZnO,可予以回收提炼，增加收入来源。1.3.2ITmk3法ITmk3法这是Midrex及其母公司神户制钢1996年9月提出的一种第三代炼铁技术。该技术基于Fastmet工艺，利用粉矿与煤粉制成含碳球团，然后把球团装入转底加热炉内，加热到13001500C；球团被还原和熔融，使珠铁与渣分开，珠铁中不含杂质。冶炼过程仅用10min,即可生产出高纯珠铁供电炉

15、使用。ITmk3技术适用于多种类型的铁矿和煤种，可利用铁粉矿和低品位含铁原料（磁铁矿、赤铁矿或含铁粉尘）一步处理生产出直径1020mm的优质珠铁，取消焦炉和烧结装置，使投资成本降低。ITmk3法在中试阶段，曾用多种铁氧化物生产出珠铁；可用煤粉、石油焦、焦粉或其他固体的、液体的或气体的还原剂。用ITmk3技术生产出的珠铁产品不会再氧化或粉化，所以比DRI和HBI产品更便于管理、运输；产品中碳的质量分数为2.5%3.5%,硅、镒和磷的含量取决于原材料，而硫的含量则取决于还原剂的硫含量。日本神户制钢所2002年宣布，该项目计划在美国明尼苏达州开工兴建一所示范工厂进行ITmk3法实证实验，但至今未报道

16、结果。ITmk3法也面临解决工程问题。1.3.3Inmetco工艺德国曼内斯曼德马格公司获得Inmetco技术推广许可后，在基础研究和工程化方面都在Fastmet工艺上做了大量工作和多方面改进。其工艺优点如下：（1）球团装料防止结块和不均；（2）高温段燃烧采用扁烧嘴，均匀温度分布；（3）防止局部过热和控制炉膛气氛；（4）改摩擦传动代替齿轮条传动，提高运行可靠性；（5）卸料系统开发出新的金属收集和运输装备；（6）高温废气通过换热生产高压蒸汽，低温废气预热助燃空气；废气和物料余热被回收和利用，实现高能量利用率（>80%）；（7）实现污染排放量最小化（废气中SOx<50mg/m3,NOx

17、<200mg/m3）,无液态废物。公司并将该工艺和埋弧式电弧炉结合，延伸发展为一种生产铁水的新工艺，即Redsmelt。在美国印第安纳州IronDynamics公司（SteelDynamics公司的子公司）建成年产60万t还原铁的生产线。该生产线的转底炉直径50m，环宽7m。转底炉生产的热还原铁直接进入埋弧电炉，生产铁水供SteelDynamics公司的电炉使用。1999年4月投入试运行，1999年12月恢复生产。2000年，君津厂用Immetco法建成年处理能力18万t的直接还原生产线。德国的曼内斯曼钢铁公司已获得Inmetco工艺的使用权，拟用此工艺在德国建造一座直径28m的环形转底

18、炉，处理从欧洲各钢铁公司回收的含金属粉尘和废料。1.3.4 DRyIron工艺MaumeeR&B公司的专利技术已命名为DRyIron法，它克服了通常煤基还原带来的粉化、脉石含量高、硫高、金属化率低等缺点。MR&E公司在美国俄亥俄州匹兹堡的试验厂进行的大量工业试验表明，该工艺不仅可用铁精矿粉为原料生产质量稳定的海绵铁或热压块铁，而且同样适用于钢铁厂各类含铁废弃物的回收利用。DRylron法简化了原料准备，用压块代替造球，不需要将原料磨得很细和加入较多水分，含碳铁氧化物压块后不经干燥直接入炉焙烧。其工艺优点如下：（1）用铁精矿粉生产海绵铁（DRI）或热压块铁（HBD）作原料。其产品

19、质纯净，脉石与硫等杂质含量很低。而且与废钢相比，其质量均匀稳定，波动小，对于炼钢生产极为有利。（2）回收电炉除尘灰与轧钢铁鳞，杂质金属去除率高。杂质中的金属元素：铅、锌、镉等被有效去除。（3）回收传统钢铁厂废弃物。传统钢铁厂废弃物包括转炉除尘灰、轧钢铁鳞、热轧污泥、连铸氧化铁皮及高炉粉尘与污泥。这些物质总体来说碳含量很高，与电炉除尘灰相比，锌含量较低，而铅、镉等含量极少。处理后，其产品金属化率高，Zn、Pb含量大幅度降低。（4）MR&E公司的低NOx控制专利技术处理尾气，从而使其对环境的污染降至最低限度。1.3.5 Comet工艺1997年4月，比利时冶金研究中心（CRM）提出的Com

20、et（coal-basedmetallization）工艺。与其它转底炉直接还原工艺如Inmetco和Fastmet的区别在于完全取消了造球工艺，直接将烘干后的粉状氧化铁料和还原剂多层相间地布在转底炉床上，即一层还原剂、一层矿石的方式布料。通过安装在炉子出口处的筛分机，很容易将直接还原铁与富余的煤粉、石灰、煤的灰分和硫化钙分离。生产的海绵铁硫含量低于0.05%，脉石含量约为5%。该种海绵铁特别适合于用作电弧炉原料。Comet工艺的炉温高，生产出直接还原铁易于运输和储存。试验室研究表明，Comet工艺生产的海绵铁金属化率可达90%，生产率低的损失可由不安装造块设备来补偿。而硫含量仅为0.04%0

21、.05%,解决了产品硫含量过高的问题。由于传热条件不如Inmetco和Fastmet工艺，物料将在炉内停留更长时间，影响产量。Comet法至今难于实现工业化。卢森堡PaulWurth公司已获得将此工艺用于商业性开发的许可证，后续的工业化研究正在进行。2煤基直接还原炼铁现状及问题2.1 煤基直接还原铁生产现状2.1.1 世界煤基直接还原铁生产概况据统计，1980年全球直接还原铁（海绵铁）的产量仅为728万t,2006年约为5980万t。平均年增长率在8%以上。印度连续四年为最大的直接还原铁生产国，2006年产量接近1500万t，同比增长35%,占世界总产量的25%,委内瑞拉以产量860万t位居第

22、二，伊朗以产量690万t位居第三，墨西哥以产量620万t位居第四，沙特阿拉伯以产量360万t位居第五。2006年上述5国直接还原铁产量占世界总产量的2/3。到2008年底还有一些新增产能将投放市场。同时还酝酿再建几个大型直接还原铁厂，全球直接还原铁厂家数量不断壮大。6500S55045U）3534）25年份图1国际钢协统计的19942006年世界直接还原铁产量2.1.2 我国煤基直接还原铁生产概况我国直接还原铁需求量如果按电炉钢产量占钢总产量的20%十，则我国电炉钢产量应达到8000万t以上，电炉钢原料中按使用20%t接还原铁计算，则年需直接还原铁1600万t以上，约为目前世界直接还原铁总产量

23、的1/31/4。我国DRI产量从2002年开始以每年约10万t的速度增长，大于2001年以前的增长速度，但总产量仍较低，2005年DRI产量仅为50万t,与印度2006年的1492.0万tDRI产量相比，仍有很大差距。2002年，我国从国外进口直接还原铁（海绵铁）130万t,2003年进口量达250万t。但目前国外普遍控制海绵铁出口，进口量逐渐减少。2006年，我国进口直接还原铁及其他海绵铁块团31.37万t，比去年同期下降了58.08%。而我国的直接还原铁的需求量巨大，国内直接还原厂不能满足国内巨大的需求量。2.2煤基直接还原炼铁的综合分析主要煤基直接还原炼铁工艺的特点和技术参数见表1。用长

24、期稳定工业生产珠铁的实践证明其技术经济可行性。表1各种煤基直接还原炼铁工艺指标项目回转窑隧道窑Fastmet处理原料球团、冷固结球团粉矿含碳球团粉料处理设备氧化球团或冷固结球团工序无制备含碳球团工序主体还原设备回转窑隧道窑转底炉气体温度/c1000118014001600矿的温度/C1000100012501350尾气热能利用换热器无换热器金属化率/%>90>9380全铁/%约86约886070金属铁/%>80>825060吨铁煤耗/kg100015001100产品用处电炉、转炉炼钢电炉、转炉炼钢专门电炉、或少量加入转炉、电炉产能(海绵铁)最大达15万t目前最大2万t目

25、前最大20万t作业率中高低投资大小大由表1可见，目前的各种煤基直接还原炼铁的能耗都是相当高的，因此，目前只作为气基海绵铁的补充，全球产量不足600万to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

26、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。2.3煤基直接还原炼铁工艺的现状主要结果如下：(1)现有各种煤基直接还原炼铁工艺都存在反应速度慢、能耗高的问题，目前只作为气基海绵铁生产的补充。(2)目前煤基直接还原炼铁最大的问题是固态条件下的还原反应效率过低，提高铁矿低温反应性能是煤基直接还原炼铁走向成功、高效、环保的关键所在。(3)现有的煤基直接还原炼铁工艺，距低能耗、低污染的炼铁目标相差甚远，发展节能减排型煤基直接还原炼铁任重而道远。3非高炉炼铁与高炉炼铁能耗对比3.1 高炉能耗分析（1）高炉是个高效化的竖炉。高炉生产是个煤气和炉料逆向运动的

27、反应器。高热值的煤气从炉缸均匀地上升，而炉料从炉顶按一定规律布料后连续下降。由于高炉是具有一定高度的竖炉，炉料在这个竖炉中可以得到充分地预热、还原、熔融、滴落、生铁在炉缸内渗碳以及炉渣和生铁的改性等物理化学过程。在高炉内能源得到合理充分利用。所以，目前我国高炉炼铁的能耗可以在410kg标准煤/t左右。在转底炉中被还原的球团，大多数是中上层受到煤气加热和还原，而在底部接触煤气就较弱。所以，在转底炉中，只能布一层球团。如果有球团布二层以上的现象，在底部的球团就几乎接触不到还原气和热量，也就不能被充分还原。因此，转底炉的能耗要比高炉高，且球团的质量是不均匀，生产规模也有限制。但是，作为处理含有害物质

28、的尘泥是有利的。（2）炉料在高炉内有一半左右是进行间接还原，有利于节能。炼铁学理论说明，铁矿石进行直接还原是吸热反应，间接还原是放热反应。炉料在高炉内约有50%的炉料是进行间接还原反应。所以，高炉炼铁要比直接还原铁工艺要少用能源。（3）高炉是个高效能源转化器。在高炉内焦炭是起5个作用：一是与氧气反应生成CO,CO2,同时放热，是炼铁的主要热量来源；二是也为铁矿石还原提供充足的碳和CO,是还原剂的来源；三是焦炭在高炉内是起骨架作用，支撑着炉料，同时起着透气窗的作用，使煤气在高炉内可以均匀、阻力较小地运动；四是焦炭还对生铁起到渗碳作用，可以使生铁质量合格，实现生铁中的铁、碳平衡；五是焦炭在炉缸中有

29、填充作用。高炉休风时，炉缸是被焦炭填满，使炉缸内有较大的空间，有利于快速恢复生产。焦炭在高炉内少部分转换为煤气，热风炉的热风热量是依靠燃烧45%左右高炉煤气而获得的。热风热量占高炉炼铁所需热量的19%左右。所以说高炉是个高效能源转化器，有能源转换功能。高炉煤气得到充分回收利用（去烧热风炉）是高炉能源利用效率高的表现。3.2 非高炉炼铁工艺能耗分析非高炉炼铁工艺的能耗高主要问题是大量高热值煤气如合科学合理充分利用。煤气去发电的能源利用率只有32%42%,在能源利用率和成本核算上是不合适的，且增加较大投资和运行费。我国一些企业拟采用煤造气，建设直接还原生产线。煤造气在技术上是过关了，但是在能源利用率和成本核算上是不合适的。富余煤气去发电的能源利用率只有32%-42%,在总能耗上降不下来，成本上升，经济上要亏本。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。煤基直接还原工艺是要建设专门的造气装置，