文/北京瀚川鑫冶工程技術(shù)有限公司 張建國(guó)

淺議我國(guó)直接還原鐵技術(shù)的發(fā)展之路

Discussion on the development of direct reduction iron technology in China

文/北京瀚川鑫冶工程技術(shù)有限公司 張建國(guó)

隨著我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，資源環(huán)境問題以及鋼鐵產(chǎn)業(yè)內(nèi)部低端產(chǎn)品多，高端產(chǎn)品少等問題也突顯出來。發(fā)展流程短、污染小、消耗少的直接還原鐵技術(shù)再次提上議程。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外直接還原鐵生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)我國(guó)利用豐富的煤炭資源發(fā)展煤制氣豎爐直接還原鐵技術(shù)的可行性、存在的問題及相應(yīng)的解決辦法進(jìn)行了分析和探討，為我國(guó)直接還原鐵技術(shù)的發(fā)展提供參考。

煤制氣；豎爐設(shè)備；熱送技術(shù)；直接還原鐵

一、概述

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(duì)我國(guó)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，近幾年國(guó)內(nèi)直接還原鐵產(chǎn)量一直在60萬噸左右徘徊，不到世界直接還原鐵產(chǎn)量7402萬噸的1%。

優(yōu)質(zhì)鑄鍛件的冶煉需要優(yōu)質(zhì)廢鋼，在我國(guó)廢鋼緊缺的條件下，直接還原鐵是其很好的替代品。目前我國(guó)無論是直接還原鐵產(chǎn)量還是電爐鋼產(chǎn)量都遠(yuǎn)低于世界平均水平，亟需引起關(guān)注。走適合我國(guó)國(guó)情的道路，發(fā)展直接還原鐵生產(chǎn)成為“十三五”乃至今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間我國(guó)鋼鐵行業(yè)面臨的重要任務(wù)之一。

二、國(guó)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)，1998年該技術(shù)就在墨西哥TerniumHylsa4M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%。早在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(duì)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 直接還原工藝流程圖

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)生成碳化鐵。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(chǔ)和運(yùn)輸

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(duì)比（見表-1），發(fā)現(xiàn)二者具有較大的相似性，處理后的煤制氣還原性更強(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)。

表-1 還原氣體相似性對(duì)比

我國(guó)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(zhǎng)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(guó)發(fā)展的因素。

由于天然氣資源短缺，我國(guó)直接還原鐵技術(shù)研究開發(fā)一直立足于利用國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)有產(chǎn)能3000～10000噸的隧道窯近兩百座，總產(chǎn)能約60萬噸，是目前國(guó)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76.2萬噸，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(guó)內(nèi)直接還原鐵總產(chǎn)能還不超過100萬t/ a，這種狀況與我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要極不相稱。

三、發(fā)展煤制氣—豎爐直接還原技術(shù)的條件

1.經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要

目前我國(guó)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(guó)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(guó)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(jí)換代，迅速?gòu)臄?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(guó)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。

2.具有必要的技術(shù)準(zhǔn)備

通過對(duì)國(guó)內(nèi)國(guó)外多種技術(shù)和工藝的反復(fù)對(duì)比，各科研院所的專家學(xué)者們逐漸形成了對(duì)中國(guó)發(fā)展直接還原鐵的技

術(shù)路線，那就是發(fā)展煤制氣-豎爐直接還原技術(shù)。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。

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)過脫除二氧化碳、硫化氫后，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(duì)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(guó)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。

圖一 還原鐵回轉(zhuǎn)窯

圖二 豎爐法還原鐵工藝設(shè)備

3.煤制氣技術(shù)在中國(guó)逐漸成熟

煤制氣技術(shù)在我國(guó)化工行業(yè)有著長(zhǎng)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。

圖-2 BL法生產(chǎn)海綿鐵半工業(yè)性試驗(yàn)工藝流程圖

近年來國(guó)內(nèi)加強(qiáng)了煤的清潔利用技術(shù)、即煤的氣化技術(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50000m3/h粉煤氣化成套裝備與技術(shù)；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(tái)裝置最大產(chǎn)氣量40000m3/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(guó)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，因此國(guó)內(nèi)有專家推薦恩德爐應(yīng)是我國(guó)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。

4.生產(chǎn)直接還原鐵的原料國(guó)內(nèi)可以解決

直接還原鐵發(fā)展緩慢的重要原因之一是我國(guó)缺少高品位鐵礦，外購(gòu)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。近年來，隨著我國(guó)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%，從而解決了發(fā)展煤制氣豎爐直接還原的“下鍋米”問題。

四、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(guó)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。

1.煤制氣與豎爐的匹配

煤制氣技術(shù)在我國(guó)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(guó)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(guó)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(jiǎn)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(duì)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(huì)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(duì)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(guó)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。

2.原料的優(yōu)化

一方面加強(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(duì)爐況的影響。

3.豎爐爐型的進(jìn)一步研究和優(yōu)化

我國(guó)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(duì)豎爐爐內(nèi)的流場(chǎng)和溫度分布進(jìn)行模擬，考慮球團(tuán)熱脹、還原膨脹對(duì)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。

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(shì)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(guó)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(guó)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。

5.國(guó)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“十三五”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)。示范項(xiàng)目擬定采用國(guó)內(nèi)成熟的煤制氣工藝，引進(jìn)國(guó)外豎爐技術(shù)（比如Midrex技術(shù)或HYL技術(shù)），設(shè)備國(guó)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(huì)，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(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用。

五、結(jié)論

和發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的v產(chǎn)量比例非常低，但國(guó)內(nèi)直接還原鐵具有很大市場(chǎng)，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；大力發(fā)展我國(guó)的直接還原鐵技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)的共識(shí)，煤制氣豎爐直接還原技術(shù)是適合我國(guó)國(guó)情的可選工藝。

［1］金琳.近期和未來影響世界鋼鐵工業(yè)發(fā)展一些重要因素最新分析和評(píng)估［J］鋼鐵經(jīng)濟(jì)，2011（1）．

［2］楊若儀，王正宇，金明芳．煤氣化豎爐生產(chǎn)直接還原鐵在節(jié)能減排上的優(yōu)勢(shì)［J］鋼鐵技術(shù)

［3］彭宇慧，代正華，龔欣，等．氣流床粉煤氣化技術(shù)在直接還原鐵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用［J］化工進(jìn)展，2009（3）．

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