非高炉炼铁技术及在我国发展的展望

冶金之家网站非高炉炼铁技术及在我国发展的展望赵庆杰，储满生，王治卿，董文献(东北大学钢铁冶金研究所，辽宁沈阳，110004)摘要：非高炉炼铁技术是钢铁工业发展的前沿技术之一，直接还原已成为世界钢铁工业不可缺少的组成部分，熔融还原实现了工业化生产，其环境的优越性得以证实，其低能耗、低成本等优点还有待实践证实。发展直接还原铁生产弥补废钢的短缺，是我国钢铁工业、装备制造业的发展的急需。以国内技术为基础，利用国内铁矿资源，以煤制气一竖炉为主导工艺是我国发展直接还原铁生产的主要方向。加强对国外熔融还原技术发展跟踪，强化国内的开发，尤其是对COREX技术的消化、以及装备的国产化是我国熔融还原发展的重要方向。关键词：非高炉炼铁；直接还原；熔融还原；现状；展望1非高炉炼铁技术及发展现状1.1非高炉炼铁技术发展的起因钢铁工业为了摆脱焦煤资源短缺对发展的羁绊；适应日益提高的环境保护要求；降低钢铁生产能耗；改善钢铁产品结构，提高质量和品质；寻求解决废钢短缺及废钢质量不断恶化的途径；实现资源的综合利用开发了以非结焦煤为能源的非高炉炼铁技术，或称为非焦炼铁技术。非高炉炼铁依产品的形态不同分为：直接还原与熔融还原两部分。尽管到目前为止，传统的高炉一转炉流程在钢铁生产中仍占最重要地位，还没有任何一种方法能够取代高炉炼铁，但非高炉炼铁技术是钢铁工业持续发展、实现节能减排、环境友好发展的前沿技术之一。1.2直接还原技术直接还原的产品直接还原铁(DirectReductionIron缩写为DRI)，是铁氧化物在不熔化、不造渣，在固态下还原生成的金属铁产品。由于DRI的结构呈海绵状，固也称为“海绵铁。为了提高产品的抗氧化能力和体积密度，DRI热态下挤压成型产品称为热压块(HBI)，DRI冷态下挤压成型产品称为DRI压块。直接还原发展是非高炉炼铁中已实现大规模工业化生产的技术，全世界实现工业化生产的直接还原法有数十种。按还原剂的类型，分为气体还原剂法(气基法)、固体还原剂法(煤基法)和电煤法(以电为热源、以煤为还原剂)；按反应器的类型，分为竖炉法、流化床法、回转窑法、转底炉法以及罐式法等。2007年世界直接还原铁(DRI/HBI)的产量约6500万吨，比2006年5980万吨增长10.0%，约为世界生铁10.5亿吨的6.20%。直接还原铁由于产品纯净、质量稳定、冶金特性优良，成为生产优质钢、纯净钢不可缺少的原料，是世界钢铁市场最紧俏的商品之一，直接还原已成为世界钢铁生产的一个不可缺少的组成部分。1.2.1产量持续增加，气基竖炉占主导地位DRI的产量持续迅速增加，见表1。气基竖炉Midrex法和HYL法是世界上最成功、生产规模最大的直接还原工艺，回转窑是煤基直接还原的主要方法。气基工艺的产量约占世界总产量的80%，煤基直接还原仅占20.0%。直接还原各工艺直接还原铁产量所占的比例见表2。冶金之家网站虽然，受到石油、天然气涨价的影响，直接还原的发展速度减缓，但世界DRI仍以10%的速度迅速扩张。俄罗斯、印度、中东等地近年来都有大型气基竖炉直接还原生产厂的建设计划。拉美、北非及亚洲的一些天然气丰富的地区是直接还原铁的主要产地。值得注意的是，印度已成为世界上直接还原铁产能和产量最大的国家，2007年产量已超过2000万吨。1.2.2煤制气一竖炉直接还原为DRI发展开辟了新途径由Midrex公司提出，并在南非实现了工业化生产的COREX熔融还原尾气作为Midrex还原气的工艺技术，以及墨西哥HYL公司基于HYL法提出的HYL—ZR工艺(示于图1)直接使用焦炉煤气、合成气、煤制气为还原气的技术，为天然气资源不足的地区以天然气以外的能源发展气基直接还原工艺开辟了新途径。世界第一座以煤制气为还原气的160万吨/年竖炉直接还原厂将于今年在印度投产。1.2.3转底炉法是煤基直接还原技术开发热点日本、美国等国家开展的转底炉煤基直接还原技术(Fastmet、Inmetco等)因采用含铁原料与还原剂混合造球，还原条件好；能源来源广泛；对原料的适应性强，在钢铁厂粉尘综合利用，以及复合矿利用有明显的优势，受到人们重视。但该工艺因生产的产品的定位不明确，其产品含铁品位低，含S高(TFe85%，S0.10～0.20%)，难以直接用于炼钢生产，用于高炉炼铁的经济合理性还有待生产的验证；以及转底炉设备运转部件庞大，运行维护难度大，投资及运行成本的优势，生产控制和生产产品的稳定性还有待生产的证实等原因，至今，该工艺除北美一个处理钢铁厂含有色金属(铬、镍)尘泥的工厂正常生产多年外，还没有一个生产炼钢用DRI的工业化装置投入正常生产。1.2.4流化床法的发展受挫冶金之家网站流化床法由于采用粉状原料、铁矿粉单体颗粒在高温还原气流中进行还原，粉矿不必造块、还原速度快，在还原机理上是气基法中最合理的工艺方法，因而在直接还原开发和发展的过程倍受关注。但生产实践中流化床法因物料流化所需要的气体流量远大于还原所需要的气量，造成还原气的一次通过的利用率极低(～10%)，气体循环消耗的能量高；流化床是全混床，产品的还原程度不均匀；“失流”及粘结问题一直困扰流化床生产稳定等问题至今未得到有效的解决，造成世界已建成的多个流化床直接还原装置法中只有Finmet法(委内瑞拉Matazas的OrinocoIron)和Circored法(特里尼达与多巴哥PointLisas的Cliffs&Associates)在生产，但产量仅生产能力的50%左右。1.2.5直接还原铁发展前景广阔直接还原是钢铁生产的短流程的基础，短流程是钢铁工业发展的方向，受到钢铁界的推崇。同时，由于DRI生产不使用焦煤，对环境的不良影响小；DRI的用途广泛，市场需求量不断增大；而生产商品DRI的直接还原厂不断减少，进人国际市场DRI的增加速度远低于DRI生产的增加速度，造成国际市场DRI价格不断攀升，成为国际钢铁市场中最紧俏的产品之一。因此，直接还原铁有着广阔的发展前景。1.3熔融还原技术1.3.1熔融还原是钢铁技术的开发热点从上世纪八十年代初开始，短短的十多年时间，以煤为主要能源，以氧或富氧空气为反应介质进行还原和熔化的氧煤工艺(COREX、DIOS、HIsmelt、ROMELT、川崎法等)；以煤为还原剂，以电为主要热源的电煤工艺(INRED、ELRED、COMBISMELT、PLASMASMELT)等数十种熔融还原工艺，通过了工业或半工业性试验。世界各钢铁生产国、生产企业、研究机构纷纷投入大量人力、物力进行熔融还原的开发研究。在学术论坛上形成强大的“熔融还原风暴”，许多专业人士乐观的预言“熔融还原将给钢铁工业带来革命性的改变”，预言“钢铁工业技术的革命，开始了，人们对熔融还原改变钢铁生产面貌，促进钢铁工业技术的发展和影响报以极大的期待。但经过20多年的实践，到目前为止，在数十种通过工业性试验的熔融还原工艺中，只有奥钢联开发的COREX工艺实现了工业化生产。许多熔融还原工艺开发研究进人“休眠状态”。如：日本在通产省的组织和资助下，日本铁钢联盟执行开发的DIOS熔融还原工艺的研究工作已终止。美国、北欧等国家开发的熔融还原工艺也终止了研究。随着世界钢铁生产的增加，焦煤和铁矿石价格的持续飞涨，环境保护、节能降耗、降低生产及投资成本压力的不断增长，再次激发了熔融还原技术的开发热情，先进适用的熔融还原炼铁技术(COREX、FINEX、HIsmelt、Itmk3)成为国外一些钢铁企业开发及应用的热点，熔融还原仍是钢铁技术开发的热点之一。1.3.2COREX实现了工业化生产COREX是第一个实现工业化生产的熔融还原工艺(1989年11月第一台COREX装置投产)。目前，世界有5台(南非一台C一2000，韩国一台C一2000，印度两台C一2000，中国一台C一3000)COREX装置在运行中。1.3.3FINEX熔融还原技术开发取得进展2007年5月30日由浦项与奥钢联联合开发的FINEX法(示于图2)在韩国浦项投人商业化生产。FINEX工艺采用廉价普通煤和粉矿作为原材料、省去炼焦和烧结工艺，以流化床为预还原方法，熔融造气炉与COREX相同，是COREX法的发展和变种。开发者宣称FINEX与传统炼铁技术相比，铁水成本可降低近20%，FINEX技术将大大提高浦项钢铁的成本竞争力。浦项计划在印度和越南的新建钢厂中推广使用FINEX技术，并将该技术作为浦项进一步增长和全球化的关键技术。FINEX在环境优势方面与COREX相似，直接使用粉矿等特点受到人们的青睐。但流化床能否使用鬻精矿粉，运行的稳定性，预还原矿粉的压块，以及生产成本和投资低问题还冶金之家网站有待生产的检验。1.3.4HIsmelt熔融还原进展缓慢HIsmelt的熔融还原炼铁技术经过20余年的研究开发后，2005年力拓矿业集团、美国纽柯公司、日本三菱公司和中国首钢集团共同出资在西澳大利亚奎那那工业区建成的世界首座HIsmelt厂(其生产系统示于图3)，并于2005年11月开始试生产，设计能力为年产80万吨。HIsmelt的优点是结构简单；炉体体积和高度较小；投资成本和维修成本低；工艺无需烧结和炼焦；环保水平较高。但该技术的开发进展缓慢，至今未能达到预期生产能力的5o%。遇到的主要问题是炉衬的侵蚀过快；喷枪的磨损；废气的处理和利用等。HIsmelt熔融还原的特点具有很强的吸引力，有人称HIsmelt炼铁技术一旦被证明可靠和成熟，它将为攀炼铁技术带来一次革命性突破。力拓抓住中国政府渴望节能减排和解决铁矿石市场后顾之忧的迫切心情积攀极向中国推广该技术，并计划向印度、越南等发展中国家推广。1.3.5Itmk3技术开发受阻Itmk3技术是神户制钢在过去十多年煤基转底炉直接还原技术的基础上开发的，称之为第三代炼铁新技术。该技术是以转底炉为反应器，利用低廉的粉矿和煤粉生产出高纯粒铁(含铁在96%以上)，还原时雕仅需10分钟，生产的粒铁具有高炉生铁同等品质。由于不需要炼焦炉和烧结设备，工艺流程简单，原料成本仅为目前生产工艺的1/3，且CO2排放量大大减少。继2004年7月Itmk3试验设备的可行性得到证实后，神户开始着手建商业化生产设备，先后与美国SDI公司，印度和越南等签订了采用Itmk3建设商业化炼锨厂计划，并与美国克利夫兰一克利夫斯(CLF)公司结成技术联盟，向美国、加拿大、澳大利亚和巴西推广使用Itmk3技术。但这些计划至今未见有开工建设的报道，而2006年神户的开发研究机构大幅度减员，在近2年内未见有开发进展的报道，ITmk3技术开发受阻。1.3.6熔融还原发展的展望虽然熔融还原发展缓慢，但一直是钢铁技术发展的热点，钢铁工业发展的前沿技术。熔融还原发展缓慢的主要原因是一步法(没有预还原，在一个反应器内完成还原、熔化、渣铁分离的全过程)生产过程中高(FeO)渣对反应器耐火材料的过度侵蚀、二次燃烧的控制、传热效率以及大量高温尾气的利用等问题(即HIsmelt试验所遇到问题)尚未得到满意的解决；二步法对原料、燃料的要求苛刻；工序能耗高；未能实现全煤作业，仍然需要部分焦炭；单位产能投资高于传统高炉炼铁系统；作业率低(91%～93%)，比传统炼铁系统低5%～7%，造成冶金之家网站与后续工序连接难度大等问题未得到彻底解决。但熔融还原对环境的负面影响比高炉系统低的多，与高炉炼铁系统比，向大气排放的硫化物(SO2、SO2、COS等)约减少80%～90%，氮氧化物(NOX)约减少95%～98%，以及以煤作为主要能源的优势具有巨大的吸引力，被人们视为钢铁工业发展的前沿技术。HIsmelt和FINEX的进展成为世人关注的焦点，钢铁冶金工作者仍然对熔融还原技术抱有极大的期望。2我国非高炉炼铁技术和生产现状2.1直接还原铁的用途及对国民经济发展的作用2.1.1直接还原铁的用途DRI的主要用途是：废钢的代用品，是解决废钢不足重要途径；废钢残留元素的稀释剂，是电炉冶炼高品质纯净钢、优质钢不可缺少的控制残留元素原材料；装备制造业生产石油、合成化工、核设施等装备不可缺少的原材料；转炉炼钢的最好的冷却剂，以DRI作为冷料用于转炉生产可提高转炉的冷料