直接还原铁生产工艺的分析世界上直接还原铁生产技术已经成熟, 技术发展极为迅速, 根据Midrex 公司预测, 2010年全世界直接还原铁产量将超过7300万t。
于高炉流程存在着生产成本过高和环境污染的两大难题, 炼铁工艺由高炉流程逐步向直接还原铁短流程过渡已成为定局。
当今的钢铁企业对这一革命性技术工艺越早开发越能占据主动; 不敢承担风险, 迟疑不前, 必将处于被动和落后的局面。
因此, 直接还原铁的开发不是“有所为”和“有所不为”的问题, 而是生产工艺的选择问题。
1 世界直接还原铁生产技术现状1.1 生产工艺发展态势由于某些国家天然气资源丰富, 直接还原铁生产技术在南美洲、南非和东南亚诸国的发展极为迅速,而印度则后来居上; 特别是委内瑞拉、墨西哥等国, 生产历史已超过20余年, 生产规模不断扩大, 直接还原铁产量已占本国钢铁产量的绝对份额; 而奥钢联、韩国合作开发的直接还原与熔融还原技术与日俱进; 浦项钢铁公司的直接还原铁生产大有代替高炉炼铁之势。
对这样的发展态势, 作为世界钢铁生产大国的中国, 我们绝不可掉以轻心。
1.2 世界直接还原铁主要生产工艺??? 世界直接还原铁生产工艺大致可分为两大类: 一种是气基竖炉生产工艺; 一种是煤基回转窑生产工艺。
前者生产量约占总产量的92%, 而后者约占总产量的8%。
在这两种生产技术的基础上, 又发展了熔融还原生产技术。
近年来, 将直接还原与熔融还原技术加以组合, 形成了COREX-Midrex联合流程, 颇受人们的关注。
直接还原铁主要生产工艺见表1。
??? 应该指出, 世界上Midrex法和HYL法应用的比较普遍, 各项技术经济指标亦趋稳定, 生产工艺成熟可靠。
特别是墨西哥的HYL法, 生产技术不断创新, 由于开发了“自重整”技术, 使建设费用减少了26% , 电炉的耗电降低了5%～6%。
印度由于缺乏天然气, 但精煤的资源丰富, 因此多采用煤基回转窑的生产方法。
多年的生产实践证明, 煤基回转窑无论是在生产成本、生产效率还是环境保护方面, 均不及气基竖炉法。
1.3 熔融还原法熔融还原法也是采用直接还原的原理, 将铁精矿直接还原成熔融铁, 通常以煤为还原剂, 将还原炉与熔铁炉置于一身, 其最终产品不是海绵铁或热压铁块, 而是熔融铁。
主要的生产厂家如下：(1) 南非的伊斯科公司： COREX—1000, 生产能力为30万t/a, 现已生产了300万t;(2) 韩国：COREX C—2000, 1995年11月投产, 1997 年市场上又出现了C—3000R, 其生产能力约为C—2000的13.5 倍。
目前, 世界上采用熔融还原法生产的共有7家, 总生产能力超过500万t/a, 相当于世界铁水总生产量的1%。
1.4 COREX-Midrex 联合生产工艺??? 该技术是奥钢联与浦项钢铁公司联合开发成功的。
这项技术一出现, 即显示出其独特的优点, 它具有气基竖炉和熔融还原的优点, 又不需外来气源, 因此对天然气缺乏的厂家来说是求之不得的。
COREX-Midrex 联合流程示意图见图1。
对COREX-Midrex联合流程的三点看法：(1) COREX-Midrex联合流程(正准备建1台90万t/a 的装置, 并计划于2005年代替浦项1号高炉(1666m3) ) 虽有其先进性的一面, 但由于开发成功的时间较短, 因此工业生产的考验约在2010年才能有结论;(2) 由于煤与熔融铁直接接触, 煤中绝大部分硫进入熔融铁中, 因此生产出的还原铁并非纯净铁, 其铁中的含硫量(0.015%～0.020%) 相当于高炉铁;(3) 对高炉流程的系统设备和资源(包括技术资源) 未能加以利用。
因此该工艺适合于新建的位于城市周边的钢铁厂或轧钢厂。
2钢铁联合企业生产直接还原铁技术工艺的选择据专家预测, 在未来30～40年, 全世界钢铁生产工艺仍将以高炉流程为主。
就是说, 高炉仍将长时间存在。
有高炉, 就必然有焦炉。
如何在现有的高炉流程的基础上, 加以合理地、科学地改造, 使高炉流程向直接还原铁生产的短流程逐步过渡, 达到既能生产高炉铁, 又能生产直接还原铁, 进一步降低钢材成本, 改善生产环境的目的, 这是广大钢铁工作者义不容辞的责任。
2.1 铁精矿的准备问题直接还原铁开发的初级阶段对入还原炉的铁精矿的技术要求非常苛刻, 一般要求块矿入炉, 铁精矿含铁量在70%以上, SiO2含量在2%以下, 特别对煤基回转窑入炉铁精矿中低熔点金属的含量有更严格的要求。
随着直接还原铁技术的发展, 入炉铁精矿的技术条件越来越放宽, 并以直接还原本身的技术进步加以补偿。
例如, FNEX技术的开发成功, 使块矿入炉变为粉矿或氧化球团矿均可入炉, 这大大有利于直接还原铁技术的开发。
??? 西欧炼铁界开发的精矿加工处理技术, 使还原炉入炉铁精矿达到其技术要求, 保证了还原炉生产的顺行, 其流程示意图见图2。
2.2 气基竖炉还原炉两段反应机理一段: 3Fe2O3 + H2= Fe3O4+ H2O3Fe2O3 + CO= 2Fe3O4+ CO2Fe3O4 + H2= 3FeO+ H2O二段: FeO + H2= Fe+ H2OFeO + CO= Fe+ CO23Fe + 2CO= Fe3C+ CO23Fe + H2+ CO= Fe3C+ H2O2.3 钢铁联合企业直接还原铁生产技术工艺的最佳选择从上面气基竖炉反应机理不难看出, 直接还原铁生产关键技术是还原性气体(70%H2、30%CO)的制备。
国际上气基竖炉的还原性气体通常是用天然气热裂而得。
但对天然气缺乏的大型钢铁联合企业来说, 如何解决还原性气体呢？有些工艺技术是自我完善的, 钢铁联合企业中炼焦厂生产的焦炉煤气本身就是还原性气体(焦炉气中含H255%～56%、CH423%～25%), 对其中的CH4经加氧催化裂解, 即可得到含H274%、CO25% 的还原性气体, 成为直接还原用廉价的、理想的还原剂, 为直接还原铁的生产提供便利的资源。
在炼铁技术改造中, 对铁、焦、烧的技术工艺结构进行重新组合, 形成高炉、直接还原炉和两种产品焦化的联合工艺, 是当今钢铁工业开发直接还原铁技术的最佳选择。
联合流程示意图见图3。
采用联合流程新工艺生产直接还原铁与高炉流程相比, 能够给钢铁联合企业带来明显的经济效益和环境效益。
据资料报道, 利用钢铁厂剩余的焦炉煤气裂解作为还原剂生产直接还原铁, 生产成本可降至33美元/t (国际上每吨直接还原铁生产成本为70～80 美元), 以130万t/a 生产能力估算, 每年可为钢铁厂带来2400万美元的经济效益。
生产直接还原铁可使钢铁厂的劳动生产率大大提高(见表2)。
如果炼焦厂采用两种产品焦化新工艺, 将彻底消灭厂区的污染, 炼铁、烧结厂的污染也将从根本上得到改善(见表3)。
2.4 关于焦炉气的热裂解技术在所推荐的联合工艺流程中, 最核心的技术就是焦炉煤气热裂解技术。
据可靠分析, 这项技术我国在世界上处于领先地位。
早在20世纪60年代, 本钢第二焦化厂就率先开发了焦炉气热裂解技术用于制纯氢, 纯氢与空分氮气合成氨, 以生产尿素。
由于该技术成熟, 近而推广到黑龙江化工厂及邯郸、洪洞等焦化厂, 形成了以焦炉气热裂解技术为主线的新型焦化厂。
当然, 这种技术应用于还原性气体的制备是无可质疑的。
有人要问, 焦炉气热裂解与天然气热裂解比较, 经济、技术效果如何？可以直观地说, 因为焦炉气本身就是还原性气体(含氢为56%～57%), 因此热裂解所需能耗比天然气低一倍, 而还原性气体(H274%、CO25% ) 的产率高一倍。
乌克兰煤气管理局和乌克兰国立设计院对此做了实验比较, 实验结果见表4。
一般来说, 当钢铁联合企业中燃气管理达到较高水平时, 焦炉煤气是有剩余的。
以鞍钢为例, 2001年焦炉气剩余7亿m3( 相当每小时50000m3)。
据资料报道, 原西德的大型焦化厂焦炉气均有剩余。
从我国的燃气结构变化的宏观角度看, 全国的焦炉气将逐年被天然气所取代, 由于焦炉气过剩, 一些独立的焦化厂将被迫停产。
可见, 焦炉气不应作燃料( 焦炉气的热值仅为18MJ/m3) , 而应作为原料(还原气、合成气等)使用, 资源丰富的天然气将作为燃料使用(天然气的热值为33～37MJ/m3), 这是燃气结构调整的大势所趋。
3 现有钢铁联合企业的可持续发展需要直接还原铁当前, 我国的电炉炼钢比仅为16%～18%, 而到2010年我国的电炉炼钢比将达到40%以上。
制约电炉炼钢发展的主要原因之一就是缺乏精料。
直接还原铁就是电炉炼钢最好的精料, 一般要求配比在30%以上。
因此要保证钢铁厂的可持续发展, 就必须生产直接还原铁, 为电炉炼钢提供精料。
由于连铸比的大幅度提高, 重型废钢减少, 特别是不锈钢被广泛应用, 普钢废钢大为减少, 废钢严重不足已成定局。
当前, 我国转炉炼钢的废钢比极为低下, 不能不说与废钢短缺有关, 从而造成我国钢铁工业的铁钢比居高不下(最高达1.1～112)。
为了提高转炉废钢比, 鞍钢曾在1990年从马来西亚购买了5.0万t 海绵铁(HBI) 代替废钢, 在鞍钢180t转炉上进行试验, 试验是成功的。
2001年, 又遇废钢短缺, 且购价昂贵, 鞍钢又从澳大利亚购买了15万t热压铁坯代替废钢。
生产实践证明, 直接还原铁代替废钢无论在技术上还是经济上都是合理的。
为了钢铁厂的可持续发展, 积极开发直接还原铁生产, 可为钢铁厂的长远发展打造一个充满活力的发展空间。
4 结论(1) 新建钢铁厂以及缺乏天然气的钢铁厂, 选用COREX-Midrex 联合流程是值得推荐的。
但由于技术本身的缺欠, 直接还原铁的质量不能达到纯净铁(含硫0.002%以下)的要求, 只能等同于高炉铁。
(2) 现有钢铁联合企业生产直接还原铁, 选用高炉、直接还原炉、焦炉的联合流程是最佳的选择。
(3) 选择合理的工艺技术可以大大降低炼铁的技术改造费用, 大大降低生产成本, 明显改善炼铁系统(铁、焦、烧) 的生产环境, 可谓是一举多得的项目。
(王太炎, 2001年11月)。