直接还原炼铁技术的发展现状及趋势摘要：主要阐述了直接还原技术的发展现状，简要介绍了气基直接还原和煤基直接还原，展望了直接还原技术的发展趋势。

关键词：直接还原气基直接还原煤基直接还原新进展Present situation and development trend of direct reduction processof Iron oresAbstract: Mainly introduces the development of direct reduction and brief introduction of gas-based direct reduction and coal-based direct reduction.To prospect of direct reduction technology development trend.Key words: direct reduction gas-based direct reduction coal-based direct reduction latest development1、前言传统的高炉工艺经过多年来的发展已经日益完善与成熟，但是传统的高炉炼铁方式投资大、能耗高、流程长、污染较严重, 而我国焦煤短缺、价格昂贵, 同时, 人们的环保意识不断增强, 在这种情况下,直接还原技术应运而生，并得到较快发展。

直接还原是指以气体、液体或者煤为能源与还原剂，在铁矿石低于熔点温度时进行还原得到金属铁的炼铁工艺，其产品称为DRI。

DRI由于其成分稳定, 有害元素含量低, 特别是不易氧化的金属夹杂元素少, 可以用来作为冶炼优质钢、特殊钢的纯净原料, 也可作为铸造、铁合金、粉末冶金等工艺的含铁原料。

由于直接还原工艺不用焦炭炼铁, 原料也是使用冷压球团, 所以是一种优质、低耗、低污染的炼铁新工艺, 也是全世界钢铁冶金的前沿技术之一, 直接还原炼铁法已逐步得到工业化应用。

2、直接还原技术的发展状况早在1770 年, 英国就出现了第一个直接还原法专利, 之后出现过数百种直接还原方案, 但真正实现工业化是从20 世纪50 年代开始的。

1968 年美国MidlandRoss( 米德兰) 公司开发的Midrex 直接还原法获得成功, 直接还原开始迅速发展, 产量稳步上升, 由1970 年的79 万t 增加到2003 年的4 600 万t。

2006 年全球直接还原铁产量为5980 万t，2007年则增至6722万t。

除中国外，从1994年至今，全世界新增的炼铁生产能力有一半是基于直接还原流程。

3、直接还原工艺目前，世界上已应用和正在研究的直接还原工艺有40多种, 实现了工业化规模生产的有20 种之多。

直接还原工艺按还原剂的不同，分为气基直接还原、煤基直接还原。

按还原设备的不同分为流化床法、竖炉法、回转窑法、转底炉法、隧道窑法等。

3.1、气基直接还原气基直接还原法是一种以气体( 主要指天然气) 做还原剂的直接还原工艺。

其主要优点是: 生产效率高、能耗低、操作容易, 是直接还原铁生产最主要的方法,约占DRI 总产量的90%以上。

但因受地理分布的局限, 该方法主要分布在中东、南美等天然气资源丰富的地区。

气基直接还原代表工艺有Midrex 竖炉法、HYL 反应灌法、流化床法等。

3.1.1、Midrex 竖炉法Midrex属于气基直接还原流程，还原气使用天然气经催化裂化制取，裂化剂采用炉顶煤气。

炉顶煤气含CO与H2约70％。

经洗涤后，约60％~70％加压送入混合室与当量天然气混合均匀。

混合气首先进入一个换热器进行预热。

换热器热源是转化炉尾气。

预热后的混合气送入转化炉中的镍质催化反应管组，进行催化裂化反应，转化成还原气。

还原气含CO及H2共95％左右，温度为850一900℃。

剩余的炉顶煤气作为燃料与适量的天然气在混合室混合后送入转化炉反应管外的燃烧空间。

助燃用的空气也要在换热器中预热，以提高燃烧温度。

转化炉燃烧尾气含O2小于1％。

高温尾气首先排入一个换热器，依次对助燃空气和混合原料气进行预热。

烟气排出换热器后，一部分经洗涤加压作为密封气送入炉顶和炉底的气封装置。

其余部分通过一个排烟机送入烟囱，排入大气。

还原过程在一个竖炉内完成。

Midrex竖炉属于对流移动床反应器，分为预热段、还原段和冷却段三个部分。

预热段和还原段之间没有明确的界限，一般统称还原段。

矿石装入坚炉后在下降运动中首先进入还原段。

还原段温度主要由还原气温度决定，大部区域在800℃以上，接近炉顶的小段区域（预热段）内，床层温度才迅速降低。

在还原段内，矿石与上升的还原气作用，迅速升温，完成预热过程。

随着温度的升高，矿石的还原反应逐渐加速，形成海绵铁后进入冷却段。

冷却段内，由一个煤气洗涤器（完成冷却煤气的清洗和冷却过程）和一个煤气加压机（提供循环动力）造成一股自下而上的冷却气流。

海绵铁进入冷却段后在冷却气流中冷却至接近环境温度排出炉外。

3.1.2、HYL 反应灌法采用固定床反应罐还原工艺的HYL流程在海绵铁工业总生产能力中占有较大的比例。

由于反应罐非连续性的操作方式落后于现代化冶金技术，该方法正在逐渐被竖炉工艺所取代。

HYL流程采用蒸汽转化制气技术。

原料天然气首先用活性炭脱硫，然后与过量水蒸气（2倍于实际需要量）混合。

混合气利用转化炉烟气余热预热至840 ℃左右，然后通入转化炉反应管，在850℃下进行催化裂化反应。

转化气中仍含有大量水蒸气。

余热通过一个换热器回收，生产水蒸气。

然后经洗涤，进一步将温度降低至23℃左右，将过剩水蒸气冷凝脱除。

还原气成分为：H 275％，CO14％，CH43％，H2O1％，CO28％。

反应罐组由4个反应罐组成，罐顶设有装料口，罐底设有卸料口。

装卸料口均有密封装置。

还原气入口位于反应罐侧上方，出口位于侧下方。

因此，还原气是自上向下通过反应罐固定床料柱的。

反应罐之间有一套复杂的还原气管路相连接。

这4个反应罐采用交替循环的方式进行工作，其中总有一个处于装卸料状态，称为装卸料罐。

卸料和装料工作完成之后，装卸料罐转变为副还原罐，原副还原罐转变为主还原罐，原主还原罐则相应转变为冷却罐。

还原气排出冷却罐后，首先经过冷却脱水。

然后进入还原气预热器进行加热。

还原气加热过程分为两段。

第一段采用换热方式，将温度提高至约850 ℃。

第二段采用内燃方式将温度进一步提高至1000~1050℃。

高温还原气通入主还原罐，将经过预热和预还原的矿石还原成海绵铁。

主还原罐尾气再经脱水和加热（1050~1150℃）通入副还原罐。

副还原罐尾气经脱水后作为燃料气供加加热炉使用。

一个还原周期包括装卸料约为12h，4个阶段平均分配。

HYL流程使用块状炉料，以球团矿和天然块矿为佳。

产品特点是含碳较高。

3.1.3、流化床法流化床法直接采用铁精矿或者粉矿物料，不需造块，还原温度低，其产品为热压块。

该流程设有四个流化床反应器。

第一个流化床用于矿粉预热，燃料为天然气或煤气，助燃剂采用空气，床内操作温度为760℃。

经过整粒的矿粉在预热流化床内通过高温燃气被加热至还原温度，矿粉中的水分和大部分硫也同时被脱除，随废气排走。

另外三个流化床用于矿粉的还原。

经过预热的矿粉依次进入三个还原流化床。

最后从第三个还原流化床中排出。

还原气的行进路线与矿粉相反，自第三个流化床进入，自第一个流化床排出。

因此，矿粉周围的还原性气氛越来越强。

排出第三个流化床时，矿粉已被还原成R m>90％，温度为780~790℃的海绵铁。

海绵铁经过一个有耐火材料衬里的管道。

用气力输送到热压机喂料仓，通过双辊热压机加工成高密度海绵铁压块。

3.2、煤基直接还原煤基直接还原法是指以固体( 煤炭等) 做还原剂的直接还原方法。

该方法较气基法存在生产效率低、生产规模小、容易出现结圈结瘤的缺点, 然而它主要用廉价的非焦煤为还原剂, 有效地避免了气基法的不足。

目前主要分布在天然气资源缺乏, 但拥有优质的铁矿资源和丰富煤炭资源的地区, 如南非、印度、新西兰等地。

我国天然气资源非常有限, 但煤炭资源尤其是非焦煤却很丰富。

因此, 煤基法直接还原铁工艺是我国的首选工艺。

3.2.1、回转窑法回转窑法是煤基直接还原的主要工艺，除Accar法采用重油作还原剂以外，其余回转窑工艺都采用煤粉作为还原剂。

入炉原料通常采用球团矿或者块矿，也有采用粉矿的，还原温度为1000至1150℃，产品为冷压块DRI。

回转窑法目前的发展较为成熟，主要工艺有SL/RN,Codir，Accar，DAV,DRC等，其优点是产品经磁选之后铁品位较高且质量较好，是电炉优质钢的优质原料之一。

但回转窑法也存在一些问题：首先，生产过程容易产生结圈现象而损坏炉衬；其次，生产规模小，那一大型化；另外，设备投资、操作费用高，在能耗方面竞争力不足，达到18-25GJ/t；同时，回转窑在环保方面不具有竞争力，落后于竖炉、流化床以及转底炉工艺。

因此，虽然回转窑法目前是最主要的煤基直接还原工艺，但在未来的发展空间有限。

3.2.2、转底炉法近年来，转底炉法是煤基直接还原的开发热点，发展十分迅速，也是煤基直接还原工艺中产能最大的。

主要工艺有Fastmet，Itmk3，DryIron等。

3.2.2.1、FASTMET工艺FASTMET 流程是将氧化铁球团矿炉料、粉矿和钢铁厂废料转变为有用的金属铁, 使用煤粉或其它的含碳材料作为还原剂。

最终产物直接还原铁可以被热压成块, 作为热态DRI 被送入中转容器; 如果需要冷的DRI, 也可将它进行冷却, 或者直接送入电化铁炉( EIF) 以炼出FAST IRON 液态铁。

在操作过程中, 如果原料是矿石, 精矿粉和煤粉，在装入RHF 炉之前要制成球团并经过干燥, 在RHF炉中炉料被铺成一层。

当这些原料是钢铁厂废料, 则它们首先应被压块。

压块可以提供更多的灵活性, 并减少对这些原料的碾磨需求, 而且不必对生压块进行干燥。

这些压块在RHF 中也是铺成一层。

随着炉膛的旋转, 这些压块被RHF 中1300℃以上的温度通过辐射加热, 铁氧化物被还原成金属铁,铁氧化物的还原过程基本上是在固体状态下由固定碳还原，固体碳也固溶到金属铁中形成碳化铁。

钢铁厂废料中的锌氧化物、铅氧化物和其它具有挥发性的金属氧化物也将在此过程中被还原成金属单质或被蒸发。

这些金属蒸汽在从烟道出炉之前又将被烟气氧化。

炉料在炉内的停留时间在6 ~10 min。

在这段停留时间里, 85%~95%的铁氧化物会被还原成金属铁。

FASTMET 流程中的快速还原速度归功于高的还原温度, 高的热交换速度, 以及矿块中的碳与铁氧化物之间的紧密接触。

其烟气在出炉前已经完全燃烧, 含氧量大约为2%。

而热交换器可将烟气的热量用于预热RHF 的燃烧器的助燃空气和干燥原材料。