白明華，葛俊禮，龍 鵠，郭延軍，張少壯，趙永和

(1.燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066004;2.秦皇島西重所燕大重型機(jī)械研究院有限公司，河北 秦皇島 066004)

0 前言

在世界當(dāng)代鋼鐵行業(yè)的發(fā)展中，利用直接還原鐵生產(chǎn)與電爐煉鋼相結(jié)合生產(chǎn)潔凈鋼的技術(shù)獲得了快速發(fā)展。直接還原鐵生產(chǎn)是指在低于熔化溫度之下將鐵礦石還原成海綿鐵的過程，與傳統(tǒng)高爐煉鐵方法相比取消了焦?fàn)t、燒結(jié)等工序，具有流程短、污染小、消耗少、不受煉焦煤短缺影響等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)海綿鐵中硫、磷、硅等有害雜質(zhì)含量低，有利于電爐冶煉優(yōu)質(zhì)純凈鋼種。

該技術(shù)對我國節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、調(diào)整鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著重要意義。然而，2012年國內(nèi)直接還原鐵產(chǎn)量不超過60萬t，不到世界直接還原鐵產(chǎn)量7 402萬t的1%。我國的鑄鍛件行業(yè)也正處于結(jié)構(gòu)調(diào)整與發(fā)展期［1］，用于電站、冶金、石油化工、航空及船用設(shè)備的特殊模鍛件的需求量大大增加。優(yōu)質(zhì)鑄鍛件的冶煉需要優(yōu)質(zhì)廢鋼，在我國廢鋼緊缺的條件下，直接還原鐵是其很好的替代品。

由此可見，目前我國無論是直接還原鐵產(chǎn)量還是電爐鋼產(chǎn)量遠(yuǎn)低于世界平均水平，亟需引起關(guān)注。走適合我國國情的道路，發(fā)展直接還原鐵生產(chǎn)成為“十二五”乃至今后相當(dāng)長時(shí)間我國鋼鐵行業(yè)面臨的重要課題。

1 國內(nèi)外直接還原鐵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)還原劑種類，直接還原鐵技術(shù)可分為氣基法和煤基法兩大類。氣基直接還原技術(shù)主要有Midrex法和HYL法，此方法因具有容積利用率高、熱效率高、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)在天然氣豐富的地方得到廣泛使用;煤基法主要包括SL/RN、FASTMET和ITMK3法等。目前世界上90%以上采用以Midrex、HYL為代表的氣基豎爐直接還原法生產(chǎn)。

墨西哥HYL技術(shù)近年來不斷改革發(fā)展，增加了HYL-ZR零重整工藝及HYTEMP熱送技術(shù)［2］，1998年該技術(shù)在墨西哥Ternium Hylsa 4M廠成功運(yùn)行，其設(shè)計(jì)產(chǎn)能為68萬t/a，實(shí)際產(chǎn)量達(dá)93萬t/a，產(chǎn)品的金屬化率為94.4%，含碳量為3.6%。2000年該技術(shù)應(yīng)用于UAE的Gulf海綿鐵廠，生產(chǎn)規(guī)模為20萬t/a，能在滿足鋼廠對直接還原鐵需求的基礎(chǔ)上，大大降低維修成本及人力需求。圖1所示為HYL-ZR零重整工藝示意圖，天然氣經(jīng)加熱后通入豎爐，在豎爐入口處添加適量的氧氣，經(jīng)部分氧化，生成還原所需的氣體。還原氣在豎爐反應(yīng)器中與逆流的鐵礦石反應(yīng)，將其還原成鐵，一部分天然氣在豎爐下部與鐵發(fā)生碳化反應(yīng)生成Fe3C。該技術(shù)將重整、還原和碳化整合在高壓的豎爐裝置中進(jìn)行，占地面積和投資大大降低，同時(shí)產(chǎn)品含碳高，與傳統(tǒng)生產(chǎn)的DRI相比更易于存儲和運(yùn)輸。

圖1 直接還原工藝Fig.1 Direct reduction technology

另外HYL技術(shù)還適用于不同的還原氣來源，包括焦?fàn)t煤氣和煤制氣等。他們將魯奇煤制氣工藝產(chǎn)生的還原氣和完全采用天然氣時(shí)的還原氣成分進(jìn)行對比(表1)，發(fā)現(xiàn)二者具有較大的相似性，處理后的煤制氣其還原性更強(qiáng)，將煤制氣運(yùn)用于直接還原鐵的生產(chǎn)沒有技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

我國從六十年代即開始了直接還原鐵技術(shù)研究，在這半個(gè)世紀(jì)中走過了漫長而曲折的道路，其中天然氣和高品位鐵礦石資源短缺是制約我國直接還原鐵技術(shù)發(fā)展的重要原因。

表1 還原氣體相似性對比Tab.1 Comparison of the similarities for reduction gases

由于天然氣資源短缺，我國直接還原鐵技術(shù)研究開發(fā)一直立足于利用國內(nèi)豐富的煤炭資源上，即走煤基直接還原鐵的道路。在煤基直接還原鐵技術(shù)方案中，主要集中在隧道窯、回轉(zhuǎn)窯和轉(zhuǎn)底爐技術(shù)的研究，特別是前兩項(xiàng)，在國內(nèi)發(fā)展應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。但是，在生產(chǎn)規(guī)模、能源消耗、環(huán)境保護(hù)、產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)穩(wěn)定性以及成本等方面仍然存在著大量的問題沒有得到解決，無法與氣基豎爐直接還原技術(shù)相比較。截止目前，國內(nèi)有產(chǎn)能3 000～10 000 t的隧道窯近兩百座，總產(chǎn)能約60萬t，是目前國內(nèi)直接還原鐵的主要生產(chǎn)工藝;5萬t/a以上規(guī)模的回轉(zhuǎn)窯企業(yè)5家，總產(chǎn)能76.2萬t，但這5家企業(yè)由于成本、環(huán)保、原料等問題現(xiàn)在處于停產(chǎn)狀態(tài)。目前國內(nèi)直接還原鐵總產(chǎn)能還不超過100萬 t/a［3］，這種狀況與我國鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要極不相稱。時(shí)不我待，現(xiàn)在是大力發(fā)展我國直接還原技術(shù)的時(shí)候了。

2 我國現(xiàn)在已具備發(fā)展煤制氣-豎爐直接還原技術(shù)的條件

2.1 經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要

目前我國鋼鐵產(chǎn)品的絕大部分屬低端產(chǎn)品，經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)所需的高端鋼鐵產(chǎn)品仍需大量進(jìn)口。鋼鐵生產(chǎn)的環(huán)境水平、自動(dòng)化水平、能耗水平等與發(fā)達(dá)國家仍然有很大差距。經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)迫切要求鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)品不斷升級換代，迅速從數(shù)量滿足型向品種質(zhì)量滿足型過渡，從環(huán)境消耗型向環(huán)境保護(hù)型過渡，這是促進(jìn)我國煤制氣-豎爐直接還原-電爐冶煉短流程工藝發(fā)展的宏觀需要。另外目前我國電爐煉鋼原料的廢鋼資源貧乏，特別是優(yōu)質(zhì)廢鋼更為缺乏，為直接還原鐵的生產(chǎn)和應(yīng)用提供了廣闊市場。

2.2 進(jìn)行了必要的技術(shù)準(zhǔn)備

通過對國內(nèi)國外多種技術(shù)和工藝的反復(fù)對比，逐漸形成了對中國發(fā)展直接還原鐵道路的認(rèn)識，那就是發(fā)展煤制氣-豎爐直接還原技術(shù)［4-5］。

很多企業(yè)、科研院所和大學(xué)紛紛進(jìn)行試驗(yàn)研究。早在上世紀(jì)七十年代，廣東韶關(guān)鋼鐵廠就進(jìn)行了水煤漿制氣豎爐還原生產(chǎn)海綿鐵的試驗(yàn);1997～1998年，寶鋼公司與山東魯南化工集團(tuán)公司合作，進(jìn)行了德士古爐水煤漿制氣-豎爐生產(chǎn)直接還原鐵的半工業(yè)性試驗(yàn)，連續(xù)20天穩(wěn)定地生產(chǎn)出金屬化率達(dá)93.04%的合格海綿鐵［6］。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示，從德士古爐生產(chǎn)出來的煤氣經(jīng)過脫除CO2、H2S后，在加熱爐加熱到850℃ ～950℃后進(jìn)入豎爐還原球團(tuán)礦，該試驗(yàn)的各項(xiàng)裝置及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)合理、成功，對推進(jìn)以煤制氣-豎爐直接還原鐵技術(shù)的發(fā)展有重要意義。中國重型機(jī)械研究院股份公司(時(shí)為寶鋼集團(tuán)西安重型機(jī)械研究所)參與并承擔(dān)了豎爐及附屬裝置的設(shè)計(jì)和全部試驗(yàn)工作，取得了爐型、風(fēng)口、裝出料裝置、爐頂爐下密封結(jié)構(gòu)等寶貴的第一手資料。

圖2 BL法生產(chǎn)海綿鐵半工業(yè)性試驗(yàn)工藝流程圖Fig.2 Flow chart of semi-commercial experiments of BL direct reduction process for DRI

秦皇島西重所燕大重型機(jī)械研究院有限公司自主開發(fā)的高溫直接還原鐵熱輸送系統(tǒng)工藝流程如圖3所示［7-8］。該系統(tǒng)是將溫度約為700℃的熱直接還原鉄從豎爐底部密封運(yùn)輸至電爐，全程保溫，含耐熱保溫抗磨輸送料車，特種密封技術(shù)和定量定時(shí)輸送控制技術(shù)等。該運(yùn)送系統(tǒng)做為整體密封，除具有保溫層和隔熱層的運(yùn)送小車外，整體上還設(shè)置有保溫蓋，因此可以防止熱還原鐵的二次氧化，并能最大程度控制直接還原鐵的熱損失。

圖3 直接還原鐵熱送系統(tǒng)圖Fig.3 HDRI transportation system

這些工作為煤制氣-豎爐直接還原在我國的工業(yè)化應(yīng)用做了寶貴的前期技術(shù)準(zhǔn)備。

2.3 煤制氣技術(shù)在中國逐漸成熟

煤制氣技術(shù)在我國化工行業(yè)有著長期成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，其中德士古(Texaco)爐、魯奇(lurgi)爐、UDI爐，殼牌(Shell)爐等都有大量成功應(yīng)用。近年來國內(nèi)加強(qiáng)了煤的清潔利用技術(shù)、主要是煤的氣化技術(shù)的研究開發(fā)。據(jù)了解，華東理工大學(xué)煤潔凈技術(shù)研究所煤氣化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了"氣流床粉煤氣化在直接還原鐵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用"的全流程計(jì)算機(jī)模擬研究，開發(fā)了50 000 m3/h粉煤氣化成套裝備與技術(shù)［9］;遼寧撫順恩德機(jī)械有限公司在引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了恩德粉煤流化床氣化爐(為改進(jìn)型溫克勒爐)，單臺裝置最大產(chǎn)氣量40 000 m3/h。據(jù)該公司稱，該爐完全可以用于生產(chǎn)還原氣，并且已有國外還原豎爐提供商與其探討合作的可能性。在多種煤制氣技術(shù)方案中，由于恩德爐是常壓氣化，且設(shè)備投資較低，可利用多種劣質(zhì)煤，制氣成本低廉，產(chǎn)氣效率較高［10］，因此國內(nèi)有專家推薦恩德爐應(yīng)是我國煤制氣豎爐直接還原的首選氣化方案，但是恩德爐也存在粉塵大，環(huán)保問題需要解決。

2.4 生產(chǎn)直接還原鐵的原料國內(nèi)可以解決

我國直接還原鐵發(fā)展緩慢的重要原因之一是我國缺少高品位鐵礦，外購高品位塊礦或球團(tuán)的價(jià)格與運(yùn)費(fèi)昂貴，造成直接還原鐵生產(chǎn)成本上升，產(chǎn)品缺乏市場競爭力。近年來，隨著我國選礦技術(shù)，特別是精選技術(shù)的不斷提高，鐵精礦品位大幅提高，精選鐵精礦品位可達(dá)65%～70%［11］。用國產(chǎn)高品位鐵精礦生產(chǎn)適合直接還原的TFe65%以上氧化球團(tuán)或冷固球團(tuán)成為可能，從而解決了發(fā)展煤制氣豎爐直接還原的“下鍋米”問題。

3 發(fā)展煤制氣豎爐直接還原需要解決的問題

雖然說現(xiàn)在已經(jīng)具備了發(fā)展煤制氣豎爐直接還原的基本條件，但現(xiàn)實(shí)的情況是，迄今為止國內(nèi)還沒有一套工業(yè)化生產(chǎn)的煤制氣豎爐還原裝置，還有一些問題需要解決。

3.1 煤制氣與豎爐的匹配

煤制氣技術(shù)在我國已經(jīng)是成熟的技術(shù)，豎爐生產(chǎn)直接還原鐵技術(shù)在國際上也是成熟的，但是二者結(jié)合起來卻是創(chuàng)造性的，目前國內(nèi)還沒有一套成熟的煤制氣-豎爐設(shè)備，這既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。這兩個(gè)工藝不是簡單的組合在一起，而是有機(jī)的結(jié)合，設(shè)計(jì)出合理的工藝流程，使煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生的煤氣在溫度、壓力及成分上均滿足豎爐生產(chǎn)的要求，并減少對環(huán)境的污染。

另外，還原氣在升溫過程中，由于CO含量較高會發(fā)生歧化反應(yīng)，從而產(chǎn)生析炭現(xiàn)象，該現(xiàn)象在400～800℃的溫度區(qū)間容易發(fā)生，另外鐵、鎳及其金屬氧化物對此有催化作用。析炭反應(yīng)所產(chǎn)生的沉積物易堵塞管道、惡化還原氣成分，不利于豎爐運(yùn)行工況。國內(nèi)采用高鋁耐火球式熱風(fēng)爐的形式可使還原氣溫度迅速提高，減輕析碳現(xiàn)象，但安全操作，閥門密封，熱風(fēng)閥的漏風(fēng)控制等問題尚待解決，如果從國外引進(jìn)相關(guān)設(shè)備，這個(gè)問題也值得引起重視。

3.2 原料的優(yōu)化

一方面是加強(qiáng)低成本高品位鐵精礦的精選技術(shù)的探索(含工藝與設(shè)備)，使大規(guī)模生產(chǎn)的精選鐵精礦品位穩(wěn)定在68% ～70%以上，滿足直接還原球團(tuán)生產(chǎn)需要;另一方面探索冷固結(jié)球團(tuán)、內(nèi)配煤球團(tuán)等在豎爐生產(chǎn)過程中的實(shí)際應(yīng)用和效果，分析溫度、壓力及物料性能對爐況的影響。

3.3 豎爐爐型的進(jìn)一步研究和優(yōu)化

我國專家具有豐富的高爐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，因此豎爐爐型設(shè)計(jì)難度不大，可參考高爐設(shè)計(jì)，但是還沒有形成系統(tǒng)的直接還原豎爐設(shè)計(jì)理論。筆者課題組正在利用軟件對豎爐爐內(nèi)的流場和溫度分布進(jìn)行模擬，考慮球團(tuán)熱脹、還原膨脹對豎爐生產(chǎn)順行的影響，用以確定最合適的豎爐爐內(nèi)相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行豎爐爐型的研究。

3.4 投資及生產(chǎn)成本核算

從經(jīng)濟(jì)角度考慮如何節(jié)省投資，降低成本，需要結(jié)合建廠條件，做到資源的綜合利用。最好將化工、冶金行業(yè)聯(lián)合起來，這樣可以做到優(yōu)勢互補(bǔ)。另外需要研究更先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)和操作工藝，在引進(jìn)吸收國外技術(shù)的同時(shí)不斷創(chuàng)新發(fā)展。部分關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化。從生產(chǎn)成本來考慮，主要看是否能得到便宜且符合要求的煤和鐵礦石，并且能將工藝進(jìn)行很好的銜接。據(jù)報(bào)道，目前的煤制氣成本已大幅降低，達(dá)到了0.5元/m3左右，基本能滿足直接還原鐵生產(chǎn)成本控制的需求。另外近幾年新勘探發(fā)現(xiàn)的鐵精礦資源較充足，一些地區(qū)的鐵精礦可以選到需要的品位，這些都需要從工藝角度進(jìn)一步的優(yōu)化，以降低成本。

3.5 國家支持，建設(shè)氣基豎爐直接還原工業(yè)化示范項(xiàng)目

目前，曹妃甸工業(yè)園區(qū)、唐鋼青龍、遼寧海城、遼寧盤錦、山西、內(nèi)蒙等地都在規(guī)劃和籌建豎爐直接還原鐵廠。

在“十二五”期間，可建設(shè)一座與電爐鋼生產(chǎn)相配套的有熱送系統(tǒng)的20～50萬t/a生產(chǎn)能力的煤制氣豎爐直接還原鐵廠，實(shí)現(xiàn)真正的短流程煉鋼生產(chǎn)。建議示范項(xiàng)目采用國內(nèi)成熟的煤制氣工藝，引進(jìn)國外豎爐技術(shù)(比如Midrex技術(shù)或HYL技術(shù))，設(shè)備國內(nèi)制造，在技術(shù)引進(jìn)中，由用戶單位、科研單位和高等院校共同組成項(xiàng)目專家委員會，全程參與示范項(xiàng)目建設(shè)與技術(shù)引進(jìn)工作，以利于后續(xù)的消化吸收和國內(nèi)推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

(1)和發(fā)達(dá)國家相比，我國的直接還原鐵產(chǎn)量比例非常低，但國內(nèi)直接還原鐵具有很大市場，說明直接還原鐵需求與發(fā)展的前景非常廣闊，空間非常巨大。

(2)大力發(fā)展我國的直接還原鐵技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)的共識，煤制氣豎爐直接還原技術(shù)是適合我國國情的可選工藝。

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