非高炉炼铁工艺现状及未来适应性分析

非高炉炼铁工艺现状及未来适应性分析

张俊峰

中钢石家庄工程设计研究院有限公司河北石家庄050000

摘要：文章阐述了非高炉炼铁技术的发展现状及分类，并对主要工艺流程法作了较为详细的介绍，并对各种工艺流程的特点进行了分析，展望了非高炉炼铁技术在新世纪的发展前景。

关键词：非高炉炼铁；直接还原；熔融还原；二步法熔融还原

引言

高炉炼铁发展至今，因其必须使用储量有限的焦炭为主要燃料，需要以一定粒径的块状铁矿石入炉冶炼等原因，面临着能源、环境、投资等方面的困扰。近几十年来世界各国的冶金工作者们一直致力于研究和改进各种非高炉炼铁技术。

1非高炉炼铁生产工艺技术

直接还原和熔融还原是两种最主要的非高炉炼铁思路，他们较高炉炼铁具有更多的优势，因而具有较大的发展空间。直接还原分为气基和煤基直接还原，其中气基直接还原主要是气基竖炉法、气基流化床法，是利用天然气经裂化产出的H2和CO作为还原剂，在竖炉中将铁矿石在固态温度下还原而成海绵铁，目前主要方法有Midrex和HYL法两种。煤基直接还原是用煤作还原剂在回转窑或循环流化床中将铁矿石在固态温度下还原成海绵铁，其中回转窑工艺是最成熟、应用最广的方法，具有代表性的是SL/RN法。熔融还原法是以煤炭为主要能源，使用天然富矿、人造富矿（烧结矿或球团矿）取代高炉生产液态生铁的方法。

2直接还原工艺现状

2.1直接还原铁产量

迄今为止，只有竖炉、流化床（其他气基还原）和煤基回转窑直接还原三种被纳入国际钢铁协会以及Midrex、Energiron等大公司统计的直接还原生产工艺，近六年其他方法生产的DＲI产品产量接近于零，隧道窑产品归于粉末冶金。转底炉产品质量低于DＲI国际标准，金属化率仅约为50%～85%，只适合作为冶炼半成品原料供给高炉或作为冷却剂供给转炉。

2017年世界直接还原铁总产量为8710万t，比2016年增加了1430万t，其主要原因是伊朗、俄罗斯和美国有新建的工厂，以及埃及和印度生产条件得到改善，其中伊朗和印度是DＲI产量增加最多的国家。伊朗在2017年DＲI产量是2055万t，比2016年同期增加28．3%，主要是因为伊朗拥有大型铁矿石资源和天然气的非凡储量，预计未来几十年里，DＲI产量还将快速增长。印度DＲI/HBI产量比去年同期增长21%，其中煤基产量增加20%，气基产量增长22%，主要来自于Cores合成气和煤制气的DＲI/HBI工厂，而且在2017年印度进口液化天然气的价格是近几年最低，这也促进了DＲI/HBI产量快速增长。因为生产条件改善，埃及2017年DＲI产量比2016年增长了185万t。

2.2气基直接还原

气基直接还原的主流工艺主要有Midrex和HYL/Energiron，两者均采用竖炉作为反应器，还原气多为天然气。与Midrex相比，HYL/Energiron的特点是高温（比Midrex高50～100℃）、高压（HYL/Energiron：＞0．55MPa；Midrex：常压）、高氢气浓度（HYL/Energiron：H2/CO=5．6～5．9；Midrex：H2/CO=1．66）。2011～2018年投产的气基竖炉直接还原炼铁装置（年产量100万t以上）

3熔融还原工艺

3.1一步法熔融还原

一步法是将含铁原料先熔化后还原，早期开发的熔融还原工艺基本上是一步法工艺，如Romelt法，由于一步法有两个缺点：一是熔融态的氧化铁的腐蚀性强，严重损坏炉衬，缩短其使用寿命，生产不经济；二是熔融氧化铁碳热还原产生的大量高CO含量、1500℃以上高温煤气的能量无法有效回用于炼铁，吨铁煤耗达3000kg，煤气净化输出利用的热效率不高。

3.2二步法熔融还原

为了有效利用熔融氧化铁碳热还原产生大量焦炉煤气及反应热，在此基础上开发了二步法熔融还原工艺。即先在竖炉（块矿）或流化床（粉矿）内将矿石进行预还原，然后再加入终还原炉。同时向终还原炉内加入煤和氧气，煤燃烧产生热和H2、CO等还原性气体，将经过预还原流程的矿熔化和进一步还原生成铁水和炉渣，H2和CO则供还原炉作还原剂。目前最成熟的运用二步法熔融还原的工艺是Corex流程。

二步法熔融还原工艺采用预还原和终还原的形式，预还原有效地利用终还原产生的高附加值炉气，将物料进行一定程度的还原后入炉，同时可以减小终还原炉生产成品铁的压力。因此二步法熔融已经成为熔融还原工艺的主要发展方向。

4各工艺的未来发展适应性

纵观直接还原工艺的发展历史及现状可见，直接还原的优点是流程短、无焦炉和烧结厂，污染少，但对原料要求严，需用高品位的铁精矿和灰熔点高、反应性好的煤。其中，煤基直接还原工艺因生产规模小、效率低、产品质量差、生产运行不稳定等导致其竞争力较差，发展较慢；气基直接还原工艺虽具有较高的效率，但必需有廉价、丰富的天然气，且依赖天然气来重整制备还原气体，发展的空间和前景受限，成为多年来限制该技术全球推广的主要瓶颈。而近几年随着煤制气或焦炉煤气制备气基竖炉还原气体技术的实现，使气基竖炉的气源有了多样性的选择，其适应性更加广泛。对于煤制气直接还原工艺，虽其技术过关，但投资、运行成本高，联合工艺的成熟性和经济性仍面临着严峻考验。

对于中国来说，“贫矿多、组分杂”的铁矿资源特点和“多煤少气”的能源结构，并不适合发展天然气气基竖炉直接还原工艺。但是，煤制气和选矿新技术的发展为气基竖炉技术在中国的推广应用提供了成熟条件，同时也为发展短流程竖炉－电炉炼钢工艺提供了可行性保障。钢铁生产短流程尤其是“DＲI（30%～50%）+废钢（70%～50%）+电炉”短流程将有更强的竞争力，其生产率可提高10%～20%，作业率可提高25%～30%，比高炉－转炉流程CO2排放量可降低40%～65%。如果钢铁企业能够掌控一部分廉价煤炭资源且能实现气基竖炉大型化，则生产效率将大大提高，单位投资成本有效降低，再加上低排放、清洁生产的优势，即能保证煤制气－竖炉－废钢－电炉短流程的能耗和生产成本竞争力超过传统高炉－转炉流程，同时可获得以天然气代替焦炭、原煤的环境效益。因此，推进“钢铁生产短流程（废钢+DＲI－电炉炼钢）”是钢铁工业摆脱焦煤资源羁绊、改善能源结构、减少钢铁生产CO2排放、实现低能耗无焦绿色炼铁的主流替代技术，是改善钢铁结构、生产优质产品的低碳绿色先进技术，应该逐步成为今后我国钢铁工业的重点发展方向，且对目前中国钢铁行业的产品结构升级和节能减排都具有重要意义。

结语

当前我国焦煤来源已明显地显现紧张的局面，另外钢铁工业对环境已造成严重污染也主要源于高炉炼铁系统。为使我国钢铁工业实现可持续的发展，必须积极面对炼铁新技术。非高炉炼铁技术自从问世以来发展迅猛，虽然在较短的一段时期内还不能与传统的高炉炼铁工艺相抗衡，但随着其工艺的逐步完善和发展，必将对钢铁工业的发展产生深远影响。2l世纪必将是铁直接还原技术快速发展的世纪。

参考文献：

［1］沈峰满，魏国，高强健，等．直接还原技术现状及其在中国的发展展望［C］．全国非高炉炼铁年会论文集，2014：1～72．

［2］兰洪，朱斌．中国钢铁工业绿色转型的思考［C］．非高炉炼铁学术年会文集，2016：39～43．

［3］周渝生．现有非高炉炼铁工艺简介及评述［C］．非高炉炼铁学术年会文集，2016：12～35．

［4］阴继翔．煤基直接还原技术的发展[J]．太原理工大学学报，2000，31（3）．