直接还原炼铁技术的最新发展（一）
2010-02-07 11:05:52   来源： ()　   评论：0 点击：

摘要撰写人 TsingHua  

出版日期： 2006年4月30日    

直接还原铁可以作为电炉、高炉和转炉的炉料。DRI代替优质废钢更适合于生产对氮和有害元素有 严格要求的钢种,如用于石油套管、钢丝绳、电缆线等的钢种。近年,由于钢铁市场升温,废钢资源呈现世界性紧缺。2003年,我国钢铁企业生产回收的废钢铁和非生产回收废钢铁合计为1502万t;而全年炼钢消耗废钢与辅助炼钢消耗废钢之和为4 750万t。显然,国内的废钢缺口很大。未来几年,随着国际市场废钢资源的短缺,世界对废钢的 需求量将不断增长。当今,在废钢资源全球性紧缺、国际市场价格频频上扬的情况下,对于我国来 说,寻找废钢替代品已迫在眉捷。直接还原铁和热压块铁是最好的废钢替代品。1直接还原炼铁技术发展状况2003年世界直接还原铁总量为4900万t。比2002年增加了10%,不同工艺所生产直接还原铁所占份额如下:Midrex 为64.6%,HyLⅢ为18.4%,HyLⅠ为1.3%,Finmet为5.2%,其他气 基为0.4%,煤基为10.2%。直接还原工艺根据还原剂不同可分为气基和煤基。气基直接还 原工艺中,竖炉Midrex、Arex(Midrex改进型)和HyLⅢ工艺、反应罐法Hy LⅠ、流化床法Fior和Finmet工艺,都已获得了工业应用,流化床法Fior、Cir cored和碳化铁法在工业上应用不久就停产了。煤基直接还原法中,获得工业应用的有回转窑 法和转底炉法(Inmet-co、Fastmet、Sidcomet、DRylron),新 开发的多层转底炉Primus工艺已于2003年2月投产。1.1气基直接还原工艺气基还原 工艺可分为使用球团矿或者块矿的工艺和使用铁矿粉的工艺。各种气基直接还原铁工艺发展状况如 表1所示。表1各种气基直接还原铁工艺发展状况工艺装备工艺特点所用原料目前状况研究发展F ior(委内瑞拉)4个流化床反应器生产能耗高于竖炉Midrex和HyLⅢ铁矿粉Side tur厂于1976年投产,1985年开始,年产量达到35万t~41万t。由于市场原因于 2000年停产。由委内瑞拉和奥钢联进一步发展成FinmetFinmet(奥钢联和委内瑞 拉)4个流化床反应器铁矿靠重力从较高反应器流向较低反应器直接使用矿粉,是Fior的进一 步改进,比Fior能耗低、人员需求少。与Fior相比,其还原气体中H2含量少,CO没被 氧化去。在Finmet工艺中,矿粉在流化床第一段被还原过程产生的热气体预热,其较高的CO含量可以提高热平衡,并使HBI的w(C)达3%。铁矿粉:<12mm现已有两个厂投产澳大利亚的BoodarieIron和委内瑞拉的Orinoco Iron目前已生产了650万tHBI目前,VAI正在开发新一代Finmet工艺:Finm etmegatrain,能力为110万t,是当前反应装置的2倍。Midrex(美国米德 兰公司)竖炉、天然气重整炉、热压块机竖炉炉顶气与天然气混合,共同进入重整炉制取还原气, 还原竖炉和制气设备是相互联系、相互影响的。对铁矿含硫量有一定限制,否则含硫炉顶气进入重 整炉将造成裂解催化剂失效。含碳球团、块矿在世界各地获得非常广泛应用,直接还原铁产量在各 种工艺中占第1位,2003年比例为66.6%。已获得工业广泛应用,在墨西哥、印度尼西亚 、委内瑞拉、巴西、印度有多家生产厂,2003年在各种直接还原法产量中,占第二位,产量比 例为18.4%。HyLⅢ(墨西哥希尔萨公司)竖炉、天然气重整炉、热压块机可分为两部分, 制气部分和还原部分,这两部分可以相互独立。这点与Midrex不同。另,温度和压力比Mi drex高。可以处理含硫量较高的铁矿。这也与Midrex不同。含碳球团或者块矿HyL- ZR是HyLⅢ的进一步改进,没有重整装置。该工艺目前只在墨西哥Monterrey得以实 施。Arex(委内瑞拉奥里诺科黑色冶金公司开发)竖炉是Midrex的改进型,无重整装置 ,竖炉集气体重整与矿石还原于一体球团矿或者块矿Megamod-Midrex直径为7.5 m的竖炉、较大的重整炉年产量超过200万t的Midrex工艺1.1.1使用球团矿或块矿 的气基直接还原工艺使用球团矿或者块矿的有竖炉法Midrex、HyLⅢ、Arex和罐式炉 HyLⅠ。目前,Midrex和HyLⅢ是成熟的工艺,在委内瑞拉、印度、加拿大、美国、伊 朗、沙特阿拉伯等已获得了广泛应用。Midrex主要生产厂有33座。1994年以来投产的 生产厂逐步大型化,每套年产能大都在100万t左右。如表2所示。HyLⅢ是希尔萨公司在H yLⅠ基础上开发出的高压逆流式移动床工艺,20世纪80年代开始在工业上应用。世界上主要生产厂有12座。近年新投产的设备年产能都约为100万t。如表3所示。表21994年以来投产的Midrex生产厂生产厂年生产能力/万t产品投产年印度Ispat工业 公司100DRI1994埃及ANSDKⅡ80DRI1997墨西哥IMEXSA120DRI1997美国AmericanIronReduction120DRI1997委内瑞拉COMSIGVA100HBI1998rinidad&Tobago,Ispat DR3136DRI1999南非撒旦哈(Saldanha)80.4DRI1999埃及ANSDKⅢ80DRI2000 HyL-ZR是新开发的无重整装置的直接还原工艺,目前为止该工艺只在墨西哥蒙特雷(Mont errey)得以实施。其天然气在竖炉内发生部分燃烧,通过控制而产生合乎要求的还原气体,从而对铁矿石进行还原;而传统HyLⅢ工艺一般在添加蒸汽条件下使天然气在催化重整器中裂表31999年以来投产的HyLⅢ生产厂生产厂年生产能力/万t产品投产年墨西哥蒙特雷Hylsa 4M67.5DRI1998沙特阿拉伯HadeedⅢ110DRI1999俄罗斯LebedinskyGOK90HBI1999委内瑞拉DOSVEN150(两套设备)HBI2000解。为了获得 w(H2)达80%的还原气体,通过洗涤去除CO2。Megamod厂的Midrex设备是 大型的Midrex设备,如今直接还原铁年产量超过170万t,生产率超过220t/h。直 径为8m的竖炉年产直接还原铁能力270万t。1.1.2气基粉矿直接还原工艺在直接还原生 产中,采用细矿粉的直接入炉与块矿和球团矿相比其原料成本具有明显优势。气基粉矿直接还原一 般都采用化床工艺。很长时间以来,获得商业应用的粉矿直接还原铁工艺只有Fior工艺(如表 1所示)。Finmet工艺是Fior工艺的进一步发展<1>,是基于粒度小于12mm的粉 矿的气体直接还原工艺。已经有两个工业厂投产,年设计产能都超过200万t热压块铁。两个厂2003年共产163万tHBI。1.1.3气基直接还原工艺工业生产结果表4中汇总了气基直接还原的一些工业生产数据 <2>。Midrext和HyLⅢ工艺的天然气消耗为9.7~10.7GJ/t,而Finm et为13.3GJ/t。对这些工艺来说重要的是天然气的价格。而Finmet工艺使用更便 宜的粉矿,补偿了较高的天然气消耗。表4气基直接还原工艺的操作结果矿石或球团矿/(kg· t-1)块矿/(kg·t-1)粉矿/(kg·t-1)天然气/(GJ·t-1)电功率/(kW·t-1)氧/(m3·t-1)产品Midrex1200 300-9.7 93.0 30DRI/HBIHyLⅢ1 181 295-10.7 98 34DRI/HBIFinmet--1 500 13.3 165-HBI1.2煤基直接还原在煤基直接还原工艺中,已获得工业应用的有回转窑和转底炉工 艺。表5表示主要煤基直接还原工艺的发展现状<3~6>。转底炉由于反应速度快、原料适应性 强等特点,近年来得到了快速发展。转底炉工艺有许多种,包括Inmeto、Fastmet、Comet、Sidcomet、IDI(IronDynamics Inc)I、TMK3、DRyIron等。表5主要煤基直接还原工艺的发展现状工艺装备工艺特 点所用原料目前状况研究发展Primus(卢森堡PaulWurth)多层转底炉、熔融炉两 段式工艺,除了转底炉外,还有熔融炉,能直接生产出铁水煤粉与矿粉在炉内混合,该工艺能把Z n、Pb、碱金属等与铁分开铁矿粉、煤粉铁屑、钢铁厂粉尘已完成工业试验目前卢森堡Diff erdange已投产8.2万t/a的装置,处理含铁废料。直径8.3m,8层RedSme lt(德国和意大利)造球装置、转底炉装置和埋弧炉熔融还原装置这是三段工艺的直接还原,造 球和转底炉装置相当于转底炉技术,埋弧炉可把热态DRI熔融成铁水和渣,产能大于30万t铁 精矿粉,或者含铁废料制成的球团,专门为处理金属废料开发Ellwood厂于1978年投产年处理废料2.5万t的工厂。SMSDemag目前正在开发RedSmeltNST工艺,即用氧/煤基熔融装置代替埋弧炉,降低成 本。DRyIron转底炉、干压块机、DRI冷却机无粘结剂的矿煤干压块、转底炉单层装料和温度控制在1288℃的高温辐射加热。常规铁矿粉或者含铁废料、焦粉第一个DRyIron设备是新日铁在光 厂建设以处理残渣的Fastmet(美国和神户合作开发)转底炉、球团装置使用冷固结球团, 取消了高温氧化球团环节。反应速度快,生产效率高。产品质量差,全铁含量低,脉石含量高,脱 硫能力较差,所以产品硫含量过高。粒度为8~12mm的自还原球团2000年新日铁在广畑厂 投产了一条年产能达19万t的Fastmet工艺来处理残渣。2000年以来,又在君津厂投 产了两座转底炉,一座处理低锌灰尘,另一座处理高炉瓦斯灰和转炉尘。其年处理循环料的能力均 为18万t。2001年又在神户的和歌山厂投产一年产能14万t的转底炉设备来处理富锌冶金炉尘。

　　•小高炉吨铁风耗在1300m3以上，个别的达到1500m3。

　　鼓风机每产生1m3风，要消耗0.085 kgce/t的能量。宝钢等企业4000m3级高炉的风耗在950m3/t左右。小高炉因风耗高于大高炉350m3/t左右风耗，在能源消耗上就要比大高炉高出25.28 kgce/t能耗。

　　中小高炉一般是采用大风机、大风量，进行高强度冶炼，来获得高利用系数。这就造成了吨铁风量偏高的结果。炼铁学基本理论表明：高炉利用系数=冶炼强度÷燃料比。在冶炼强度低于1.2t/m3•d时，提高冶炼强度，来实现高系数是对的。对于冶炼强度已经是高于1.2 t/m3•d冶炼强度条件下，再通过提高冶炼强度来实现高利用系数，是不科学的高炉操作方针。因为这种做法提高利用系数是有限的，同时会造成燃料比的迅速提高。这对于炼铁节能减排和降低生产成本是不利的。这时，就应采取降低燃料比的操作方针来实现高利用系数。太钢、宝钢、首钢、武钢等企业的高炉燃料比是在500kg/t以下，而高炉利用系数可在2.5 t/m3•d左右，吨铁风量是在930～1100m3/t，这是一种科学的高炉操作方针。

　　•小高炉炉顶压力一般在100kPa以下，而宝钢大高炉顶压在235kPa左右，相差135kPa。炉顶压力提高10kPa可降燃料比0.3%～0.5%，相当于1.15kgce/t左右能耗。相差135kPa的小高炉炉顶压力，会使炼铁能耗上升15.578kgce/t。

　　•小高炉的生铁含Si量一般控制在0.8%左右，而大高炉一般是在0.4%左右，相差0.1%左右。生铁含Si下降0.1%，可使高炉焦比下降4kg/t，相当于4kgce/t能耗。

　　•小高炉煤气中CO2含量在18%左右，大高炉在22%左右，宝钢高炉可达24.47%。CO2含量升高0.5%，可降工序能耗8.5kgce/t。小高炉比大高炉CO2含量约低4%，造成能耗高24kgce/t。

　　•高炉冷却设备和炉体散热占高炉总支出热量的6.96%。小高炉单位容积的比表面积肯定要比大高炉要大。因此，小高炉的炼铁能耗要比大高炉的能耗高出80～90kPa。鉴于这个科学分析的结果，我们从节能减排和降低炼铁成本的角度出发，就不应再为小高炉唱赞歌了，应当为促进我国向高炉大型化发展做出努力。

　　这里还存在对小高炉利用系数高的误区。小高炉是采取小炉容、大炉缸的设计图纸制造。这就造成小高炉利用系数高于大高炉的假象。科学评价高炉利用系数要用炉容除以炉缸面积这个指数来进行计算。宝钢高炉这个指数是在28.25，临钢和三明380m3高炉的这个指数为17.89。如果以2007年宝钢利用系数为2.39 kgce/t，做为基准值。我们采用上述指数进行计算，可得出，临钢380m3高的3.39 kgce/t系数进行换算后，也就相当于宝钢高炉的2.14 t/m3•d [（3.39×17.89÷28.25=2.14]。

　　2） 小转炉煤气和蒸气回收装置配置不齐全，或回收量少，使二次能源丢失

　　大转炉可回收煤气100m3/t，蒸气50kg/t，实现转炉炼钢能耗为负值，可回收28.5kgce/t左右的二次能源。我国小于20t以下的转炉，一般没有煤气和蒸气回收装置，也就是不对二次能源进行回收利用。小转炉钢水质量不稳定，炉外精炼设备配置率低，生产的钢材也不是高附加值的品种。

　　3） 生产流程连续化、紧凑化可节能

　　•炼钢厂不设混铁炉，铁水直接去炼钢，可使铁水物理热损失减少。

　　•钢坯进行热送热装，进行直接轧制，可实现轧钢节能30%以上。

　　•生产流程连续化、紧凑化可减少物流过程中的损失，有间接节能的效果。

　　3.6高技术含量产品的生产能耗一般要高于简单产品

　　宝钢、武钢等企业的高技术含量产品比例较高，钢材加工有热轧、冷轧、涂镀层等工艺。这些企业的吨钢综合能耗是一般要高于只生产普通螺纹钢筋的企业。