二.气基直接还原的基本原理
气基还原（“间接还原”）原理 （1）CO和H2还原铁氧化物的步骤 Fe2O3→Fe3O4 →FeO →Fe(>570℃) Fe2O3→Fe3O4 →Fe(<570℃)
气基还原（“间接还原”）原理（续） （2）CO和H2还原铁氧化物平衡状态图
标准态（273K）下铁还原需要的热量
废钢0.263t
氧气转炉
钢水1t
26 KW•h电力
图6. 熔融还原(Elred法)—转炉流程示意图
什么是短流程（续）
2. 钢铁生产方法及流程（续） DR—EAF短流程与BF—BOF 长流程的比较： 吨铁投资少 ~50% 操作成本低 ~37% 环境保护易实现 质量好控制
流 程 长流程 短流程 吨钢投资 能源消耗 100% 约50% 100% 约50% 运输量 100% 约70% 生产成本 环境保护 质量控制 生产规模 建设周期 100% 约63% 易实现 好 灵活 短
直接还原技术现状
(1)
90 80 70
DRI产量持续增长，以天然气为能源的气基竖炉占主导地位
73.32Mt
Other gas 0.7% Hyl 15.2%
直接还原铁产量/Mt
60 50 40 30 20 10 0 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
钢水1t
550kW•h（电） 25m3氧气
图3. 竖炉直接还原—电炉流程示意图
什么是短流程（续）
2. 钢铁生产方法及流程（续） 五种流程（续）
氧化球团
1.266t
直接还原回转窑
直接还原铁 0.879t 0.806t Fe(91.7%Fe) 废钢、铁合金0.269t 添加碳1kg 电极4kg
527kg煤 66 KW•h（电）
直接还原与熔融还原
技术与工艺
黄柱成 2014年11月
课程教学目标
掌握和了解直接还原与熔融还原 的技术原理与工艺流程及其特点 ，开展直接还原与熔融还原相关 课题的研究工作
概念
直接还原法以气体燃料、液体燃料或非 焦煤为能源和以CO、H2或C为还原剂， 是在铁矿石（或含铁团块）呈固态的软 化温度以下进行还原获得金属铁的方法 熔融还原法以非焦煤为能源和还原剂， 在高温熔态下进行铁氧化物的还原，渣 铁能完全分离，得到类似高炉的含碳铁 水。其目的在于不用焦炭，取代高炉炼 铁法
(3)
直接还原铁热态输送至电炉冶炼成为发展热点
采用500~700℃ DRI热装，吨钢电耗降低110~160kwh，熔炼时间减少 10~20%，电炉产能提高15%以上 已实现工业化的有保温罐法 (印度ASSAR公司)，气体管道输送法(Hyl公 司)，热输送机法(德国Aumund公司)

(4)
回转窑法在印度发展迅速
什么是短流程（续）
2. 钢铁生产方法及流程（续） DR—EAF短流程与SR—BOF长流程的比较： 冶金反应过程合理 流程更短 质量好控制 本质意义：
SR—BOF：非焦煤炼铁 DR—EAF：短流程
钢铁生产过程中氧位的变化
二、钢铁冶金流程预测
2020年钢 铁冶金流 程预测
三、短流程炼钢发展背景
电炉
钢水1t
550kW•h（电） 25 KW•h辅助设备用 电 3氧气 25m
图4. 回转窑直接还原—电炉流程示意图
什么是短流程（续）
2. 钢铁生产方法及流程（续） 五种流程（续）
废钢、铁合金
1.063t 添加碳8kg 电极4kg 550kW•h（电）
电炉
¯¯¯¯¯¯ 钢水1t 图5. 废钢—电炉流程示意图
产物中H2/CO比约为1:1 解决全球性的二氧化碳大量排放问题 催化剂容易因积炭和烧结等原因而失活 ，难以实 现工业化
甲烷三重整
三重整反应是指甲烷水蒸气重整、二氧化碳重整 、部分氧化重整三个反应在同一个反应器内同时 进行的反应，三个反应耦合为一个反应。
反应原料中各组分的含量可以调节，从而使生成 的合成气的H2/CO值可调，因此该过程操作灵活 。
(6)
流化床法发展受挫

能耗高、还原气一次利用率低、尾气回收利用能耗高、运行稳定性差 流化床法产量仅占全球DRI总产量的0.5%，近期尚无新建生产线的报道
(7)
隧道窑法异常发展


隧道窑法热效率低、能耗高、生产周期长、污染严重、产品质量差、单 机生产能力小等问题，难以满足现代钢铁生产的需求 目前仅用于粉末冶金铁粉生产的一次还原工序 但其技术含量低、适合小规模生产、投资小的特点符合小型企业投资需 要，近年来在我国得到发展
甲烷部分氧化
CH4+1/2O2=CO+2H2 △H=－36KJ/mol
该反应是一个温和的放热反应，可在较低的温度 (750～800℃)下达到90％以上的热力学平衡转化 率 而且反应速率比水蒸汽重整反应快1～2个数量级 ，产物中H2/CO比约为2:1
二氧化碳甲烷重整
CH4+CO2=2H2+2CO △H=247KJ/mol

据统计印度现有回转窑产能约1950万吨/年，其产量占总产量的70%以上 南非、巴西、秘鲁和中国等均有工业化生产线，但发展缓慢 回转窑法由于能耗高、运行稳定性差、单位产能投资高等问题难以成为 直接还原生产发展的主导
2.综合评述-直接还原工艺及发展现状
(5) 转底炉法备受关注


以内配碳球团为原料，料层升温、还原速度快，生产周期短 采用单一辐射传热的方式，热效率低；炉膛气氛难以控制，生产稳定性 差；还原剂灰分进入产品，造成DRI产品质量差 但在冶金厂尘泥综合利用以及复合矿产综合利用领域具有明显优势
钢铁工业存在的突出问题
● 能耗高
占全国能耗总量的16%左右
● 污染严重
产生大量颗粒物, SOx、NOx、CO2和废水等
钢铁行业“三废”排放情况
废水量：~8 %
SO2 ：~7 % 烟尘量：~8 % 固废量：13~15 %
废钢资源优势
（1）、废钢铁是再生资源，可无限循环利用。 从钢材→制品→使用→报废→回炉炼钢，每830年一个轮回，无限循环使用 （2）、废钢铁是一种载能资源，用废钢铁炼钢 可以大量节约能源。废钢直接炼钢比矿石炼铁 后再炼钢可节能60%，节水40% （3）废钢铁是一种环保资源，废钢直接炼钢比 铁矿石炼铁炼钢可减少排放废气86%，废水76% 和废渣97%，有利于清洁生产和排废减量
Itmk3
粉矿
图11 按还原剂和铁矿石种类分直接还原工艺
区域 3
直接还原技术及工艺现状(续)
1.国外现状(续) 技术现状(续) 按炉型分： •竖炉 •回转窑 •转底炉 •流化床等
直接还原技术及工艺现状(续)
1.国外现状(续) 技术现状(续) 按含铁料粒度分： •块矿/球团 •粉矿
2.综合评述-直接还原工艺及发展现状
什么是短流程（续）
2. 钢铁生产方法及流程（续） 五种流程
输出煤气 110m3 焦油30kg 焦煤 0.022t 0.589t
铁矿石0.788t
焦炉
0.041t 0.389t
烧结机
0.926t
0.020t
0.411t
球团 0.431t
输出煤气 675m3
46m3氧气 26W•h（电）
高炉
输出煤气80m3 废钢0.263t 0.823t BOF 钢水1t
1.长流程自身的原因：流程长、投资大、 成本高、环境污染重。 2.合理利用资源：废钢、复杂矿。 3.能源：炼焦煤减少。 4.钢的品种和质量。 5.市场应变能力。
发展直接还原技术是实现钢铁清洁化生产的需要
◇长流程：炼焦、烧结----高炉炼铁----转炉炼钢
优点：技术成熟、效率高、产量大、生产成本低等。 缺点：炼焦、烧结、炼铁、炼钢等工序污染严重，对环境的污染占钢铁 流程的70％以上，且焦炉在装煤、出焦时的煤气泄漏十分严重；而烧结过程 排放大量的粉尘及污染物质也难以解决。 ◇短流程：直接还原铁、废钢----电炉炼钢 优点：高温工序少、投资低、能耗低、运输量少、劳动生产率高、建设 周期短和有利于环境保护等。 缺点：废钢含杂质元素多，如果炉料中DRI比例较低，将影响电炉钢产品 的质量。
第二部分 直接还原理论与工艺
一、直接还原技术及工艺现状
1.国外现状 技术现状 按还原剂分： •气基 块矿/球团 •煤基
固态 液态 区域4 区域1 煤气 区域 2
Midrex HYLSA
SN/RL COREX
煤
Circored Fior FINMET 炭化铁
Fastmelt Comet Inmetco Circofer
煤制气工艺
煤气化过程按反应的不同可以分为两个阶段：煤 热解、煤焦气化。
固定床气化：在气化过程中，煤由气化炉顶部加 入，气化剂由气化炉底部加入，煤料与气化剂逆 流接触 流化床气化：它是以粒度为0～10mm的小颗粒煤 为气化原料，在气化炉内使其悬浮分散在垂直上 升的气流中，煤粒在沸腾状态进行气化反应，从 而使得煤料层内温度均一，易于控制，提高气化 效率 气流床气化：它是一种并流气化，用气化剂将粒 度为100µ m以下的煤粉带入气化炉内，也可将煤 粉先制成水煤浆，然后用泵打入气化炉内。煤料 在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应 和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉
图2. BF—BOF流程原料及能源流向图
什么是短流程（续）
2. 钢铁生产方法及流程（续） 五种流程（续）
氧化球团
1.266t
直接还原竖炉
直接还原铁 0.926t 0.806t Fe(91.7%Fe) 废钢、铁合金0.269t 添加碳1kg 电极4kg
264m3天然气 110 KW•h（电）
电炉
反应式 发生热量kJ/kgFe