MIDREX气基直接还原炼铁法的能耗与生产率的改善
2010-02-07 10:33:17   来源： ()　   评论：0 点击：

　　直接还原炼铁装置不需要象高炉那样大规模的设备投资，也不需要焦炭，因此，在以出产天然气的发展中国家为中心，作为炼铁的铁源设施而发展起来了。近年，发达国家对于灰分少的洁净铁源的需求量正在日益增大，也同样将直接还原铁作为废钢的替代品。再者，由于HBI技术的开发，海上运输直接还原铁成为可能，开辟了世界范围的市场。由于最近的钢铁需求量的增大，直接还原铁装置的建设需求也在日益高涨，从2005年开始，采用MIDREX法的直接还原炼铁装置处于建设突增的状况。

　　1．生产率与单位能耗的发展史

　　在MIDREX直接还原炼铁法的发展过程中，贡献最大的项目是生产金属化率高、灰分少的直接还原铁的竖炉的生产率持续性的改善。尤其是，最关键的重点是竖炉内消耗的CO和H2量的改善。这些改善对生产率和单位消耗的改善给予了很大的贡献。CO和H2气的消耗量在这30年间改善幅度达到25％以上。这主要依靠对原料性状的控制、竖炉内部的气流的均质化导致的固－气接触的改善、还原气体的高温化等。

　　上世纪70年代的还原气体温度为780℃，到90年代提高至850℃，竖炉的生产率约提高了13％。到90年代后期，通过对原料球团施行特殊的包覆，还原气体的温度提高到900℃，竖炉的生产率进一步提高了约11％。这些改善是在没有变更MIDREX直接还原工艺基本性机械结构的情况下实现的。

　　2．最近的技术发展

　　竖炉技术改善工作的近期重点在于借助吹氧进一步提高还原气体的温度。这是将高纯度的氧气(12～20Nm3／t－DRI)吹入高温还原气体之中的技术。上世纪90年代后期引入此项技术，还原气体温度约为1000℃，竖炉内的温度达900℃以上，竖炉的生产率约提高了12％。到2005年，此项技术重新命名为“OXY＋”而进行了改良。

　　OXY＋就是向通常的重整生成的高温还原气体中再加入借助天然气的部分氧化生成追加的高温还原气体。这种部分氧化是用特别设计的燃烧器使氧和天然气部分燃烧的结果。

　　借助这种OXY＋生成的追加的还原气体(CO和H2)不需要重整，是不增设重整炉就可以提高竖炉生产率的技术。因而，即使是已建厂也一样，在工厂有多余氧气的时候，不增设重整炉也可以提高竖炉的生产率。

　　表1中列示了关于竖炉生产率的演变史。从上世纪70年代到90年代，主要依靠余热回收的强化和固－气接触的改良，以及主要通过原料性状的调整等导致竖炉内还原层温度(炉料温度)的提升而逐渐实现了生产率的改善。对直接还原炼铁装置本体而言，可以说，大体达到了单位能耗改善的极限。从上世纪90年代后半期开始，重点逐步放到了依靠提高还原层温度(吹氧或者OXY＋)来改善生产率和借助增强还原气体(OXY＋)改善生产率。

　　表1  Midrex工艺生产率提高的历程                    
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　　实 DRI生产率  与实例1的  富化天然气  还原煤气温度  料层温度  加氧气  天然气   电耗
　　例    t/h    生产率比较      ％           ℃          ℃      Nm3/t   Nm3/t   kWh/t
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　　1     88.8     1.000        4.5          780         789       0.0    268.6    135
　　2    100.3     1.130        3.5          850         814       0.0    262.3    120
　　3    110.2     1.241        3.5          918         834       0.0    257.9    109
　　4    121.5     1.368        4.5         1050         860      17.5    260.3     99 
　　5    129.2     1.455        3.0          961         857      30.2    265.8     93 
　　6    133.6     1.504        3.0         1050         898      41.2    264.6     90 
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　　实例1：初期的实践操作——70年代；           实例4：吹氧实践——90年代后期； 
　　实例2：使用块矿的实践——80年代；           实例5：OXY＋实践——2000年；
　　实例3：使用氧化物料包覆层的实践——90年代； 实例6：吹氧和OXY＋的组合使用——将来。

　　3．还原铁的高温排出(HOTLINK)

　　前面表述的开发成果是MIDREX法冶炼装置的发展经历，而作为最近的新方案，正在实施以将下游的炼钢过程也包含在内的最佳生产效率的提高为目标的技术改良，即工艺整体的单位能耗和生产率的改善。

　　作为把竖炉生产的高温还原铁送往下游的炼钢设备的方法，已经提出了下列3种方案。

　　1)用转送车送供炼钢设备；
　　2)用输送机送供炼钢设备；
　　3)借助重力供给炼钢设备。

　　借助气力输送也可以作为一种选择方案考虑，但存在高温的输送气体、管内的高温输送引起还原铁的粉化、高的输送能量费用、输送过程中还原铁温度降低等问题，一般认为这并非上策。在这3种方案之中，借助重力供给炼钢设备(HOTLINK)作为将竖炉排出的700℃以上的高温还原铁供给炼钢设备的方法最为简单，从节约费用和质量稳定性(再氧化等)的观点出发，也是一种被推荐的方法。部分而言，已被具体化的其它方法则牺牲了作为重要条件的还原铁的化学成分、还原铁的粒度和温度等等，在用到已建的装置上的时候，由于平面布置上的问题等，是处于不得不予采用的状况，但是在新建工艺设备的时候，按照保持还原铁的品质、降低输送成本、简化设备维护、实现高生产率等观点，可以说，作为借助重力输送的简单系统的HOTLINK是优越的最为适当的方法。

　　HOTLINK将竖炉置于靠近炼钢设备外侧的上方，由竖炉排出的高温直接还原铁先贮存在设置在其下面的贮罐里，再供给下面的炼钢设备(电炉)。

　　4．HOTLINK的详细情况

　　HOTLINK的最重要之处在于与下游的炼钢设备的运转时间的匹配。电炉炼钢设备是周期(间歇)运转，其定期维护的时间安排与上游的直接还原炼铁装置不同，如何与基本上是连续运行的直接还原炼铁装置协调？这对提高装备总体的综合生产率至为重要。

　　首先，为了与间歇运行的炼钢设备(电炉)的运行相匹配而设置的是高温还原铁贮存罐。由竖炉排出的高温还原铁一度贮存到贮存罐里，抵消与间歇运行的下游的炼钢设备(电炉)运行的时间差异。

　　再者，为了抵消定期维护的时间安排与上游的直接还原炼铁设备的差异，以及突发性停炉导致的停炉时间的区别，需要经由旁路，通过产物冷却器将高温直接还原铁冷却成冷DRI，或者用制团机制成HBI，将向炼钢设备(电炉)的供料一度排出系统之外予以贮存的设备。这些贮存设备排出的直接还原铁再经由另外的系统供给炼钢设备。标准的HOTLINK生产率的比较列于表2。

　　表2  HOTLIK工艺流程的生产率比较               
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　　                                实例1    实例2   实例3   实例4 
　　 Midrex装置的产品              高温DRI   冷DRI   冷DRI     HBI  
　　 Fe的收得率（从DRI/HBI到钢水）  0.96      0.94    0.89    0.91 
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　　 能量使用                                                        
　　     天然气，mmBtu/t－钢水      12.9      12.5    13.2    13.5 
　　     电耗，kWh/t－钢水           565       695     701     742   
　　     氧气，Nm3t－钢水          15～20    15～20  15～20  15～20
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　　实例1：经由HOTLIK,100％使用临近的热DRI  实例3：电炉100％使用远方的冷DRI
　　实例2：电炉100％使用临近的冷DRI         实例4：电炉100％使用远方的HBI 

　　通过装入高温的DRI，直接有下列效果：

　　①电弧炉的电力消耗降低120～140kWh／t－钢液；
　　②电弧炉的电极消耗减少0．5～0．6kg／t－钢液；
　　③电弧炉的产量增加，电气系统小型化，并且有减少输送过程中和贮存过程中的再氧化、粉化等间接效果。

　　HBI有可以从海上输往国外这一优点，但另一方面，在还原铁生产上，与生产DRI相比较，由于生产HBI时原料球团不能包覆(还原层的温度上限比生产DRI低)，需要制团机等原因，总体的单位能耗增大。各种制品的典型的技术规范列于表3。

　　表3  各种直接还原产物的指标        
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　　                   DRI       热DRI      HBI 
　　TFe，％          90～94       →        →  
　　金属铁，％       83～89       →        →  
　　金属化率，％     92～95       →        →  
　　含碳量，％      1.0～3.5      →        →  
　　P*，％        0.005～0.09     →        →
　　S*，％        0.001～0.03     →        →  
　　脉石*，％       2.8～6.0      →        →  
　　堆密度，t/m3    1.6～1.9      →        →  
　　表观密度，t/m3  3.4～3.6   3.4～3.6  5.0～5.6
　　排出温度，℃       40       ＞700       80  
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　　* 取决于矿石的来源。            
         
　　5．结语

　　本文阐述了关于MIDREX直接还原炼铁装置的历史和最近的技术发展。神户钢铁公司和Midrex公司的MIDREX直接还原炼铁工艺的优越性得到公认，从2004年到2005年为世界各地所采用。现在，两公司正在设计或建设中的项目如下：

　　＊马来西亚：LionGr
　　＊卡塔尔：QASCO公司
　　＊俄罗斯：LebedinskyGOK公司
　　＊阿曼：Al－Ghaith公司
　　＊沙特阿拉伯：HADEED公司
　　＊特立尼达·多巴哥：纽柯公司
　　＊巴基斯坦：Al－TuwairqiGr

　　在围绕MIDREX法直接还原炼铁装置的情况中，如何降低环境负荷、对应地球变暖，在近年也已成为重大的课题。一般认为，这不仅是要从如何处理排出物的观点，而且是要从减少排放绝对量的观点来应对的问题。在这个意义上，减少能量消耗本身不仅仅是出自降低成本的观点，而且在环境对应上也已成为重要的要素。

　　MIDREX直接还原炼铁装置的产量占有世界还原铁产量的64％，在环境保护方面也担负着重要的任务，对于以天然气为主体进行铁钢生产的各个国家，今后也会持续很大的影响，是一种常可期待不断改进的方法。

　　神户钢铁公司和Midrex公司在有效地利用煤炭气化技术而让使用天然气的MIDREX法换成煤炭燃料的工艺，并与煤基的直接还原炼铁技术ITmK3组合起来，进一步提高效率的工艺等新技术方面也在积极地开展合作，打算继续进行以能源多样化和高效化为目标的技术开发，为世界钢铁工业做出贡献。