4. 非高炉炼铁2010

4非高炉炼铁4.1非高炉炼铁简介传统的高炉法需使用焦炭，并且含铁原料要进行造块预处理，需配套建设烧结或球团厂及炼焦厂，流程长、投资大、能耗高、污染重，加之炼焦煤资源少，使其进入低速发展期传统的高炉法要靠规模出效益，生产规模一般较大，不适于灵活配套建厂及产品转产随着废钢在炼钢过程中用量的增加，其含有的铜、锡、镍、铬等有害元素被富集，为了稀释有害元素，提高钢产量并扩大原料范围，增大了对纯净的DRI的需要需要一种能直接利用各种廉价原料的炼铁法发展背景非高炉炼铁法的概念与分类非高炉法除高炉外不用焦炭炼铁的各种工艺方法。直接还原法熔融还原法以煤、气体或液态燃料为能源和还原剂，在铁矿石软化温度以下还原获得固态海绵铁的工艺方法在熔融状态下完成还原反应(还原铁矿石)的工艺方法1952年，瑞典韦伯法1976年，瑞典皇家工学院S.艾克托普非高炉炼铁法产品的性质与应用直接还原法产品：海绵铁，直接还原铁（DRI）性质：固态、多孔，含碳低，不含Si、Mn等元素，保存了矿石中的脉石应用：代替废钢作为电炉炼钢的原料熔融还原法产品：液态生铁性质：液态，除含有大量物理热外，还含有较高的碳以及Si、Mn等发热元素应用：主要作为转炉炼钢的原料4.2直接还原法不用焦炭，省去了炼焦设备，总的基建投资比高炉法低，排放显著减少电炉炼钢迅速发展，合格废钢，特别是优质废钢供应不足选矿技术提高，提供了大量高品位精矿，矿石中脉石量降低到冶炼过程中不需再加以脱除的程度发展背景直接还原法的能源供应并未完满解决：最成熟的直接还原法都是以天然气做一次能源，以煤炭为能源的直接还原法仍有待完善直接还原-电炉炼钢流程电耗较高：600~1000kW.h/t高品位矿石不是普遍容易获得的直接还原法发展的障碍目前世界直接还原铁产量仅为6000多万吨，不到高炉产量的10%，制约其发展的原因主要有以下几个方面直接还原法常用技术指标利用系数：与高炉有效利用系数定义相同。一般在0.5~10V燃料消耗（单位热耗）：以消耗一次能源的总热值表示。一般在9.2~25.1GJ/tRQ产品质量：还原度R和金属化率M)(5.1)()(5.1123TFeFeFeR)()()(30TFeCFeFeM煤气质量：氧化度0)()()()()()(222220COHCOOHCOOH原理：直接还原法分类气体还原剂法（气基法）：以天然气为主要能源，代表性方法有竖炉法、反应罐法和流态化法2243HCOOHCH22422HCOCOCH2COFeCOFeOOHFeHFeO22要求：以竖炉法为例矿石：粒度6~25mm，酸性脉石＜3%，还原膨胀率＜20%，强度＞2000N/P还原剂：天然气入炉煤气：氧化度＜5%，温度750~900℃特点：利用系数高，制气设备复杂，投资巨大原理：固态还原剂法（煤基法）：以煤为主要能源，代表性方法有SL-RN法、Krupp法2COFeCOFeO要求：以SL-RN法为例矿石：粒度5~25mm，酸性脉石＜3%，还原膨胀率＜20%，强度＞200N/P还原剂：以反应性良好的褐煤和烟煤为宜，灰分少（＜25%）、灰熔点高（＞1150℃），含硫低（＜0.8%）COCCO22COFeCFeO特点：以煤炭为能源，能脱除某些有害元素，但生产率低，易结圈，热效率低4.3熔融还原法还原反应速度快，对原料的限制少，能耗低，污染小液态生铁除含有大量物理热外，还含有较高的C、Si、Mn等发热元素，适于高效率的转炉炼钢方法处理与直接还原法相比，生产液态生铁过程中可以把脉石排出熔融还原法的优点能耗较高，需大量氧气和电产品质量不好，脱硫不稳定，硅不能有效控制设备寿命不高，渣中FeO对耐火材料侵蚀严重熔融还原法目前存在的问题熔融还原法的原理在熔融状态下，铁氧化物的全部还原都依靠C/CO来完成，生成的CO燃烧成CO2，产生的热量能满足系统热平衡的需要熔融还原法的分类（1）一步法：用一个反应器完成铁矿石的高温还原和渣铁熔化，生成的CO排出反应器后在回收利用（2）二步法：先利用CO能量在第一个反应器内预还原矿石，再在第二个反应器内补充还原和熔化熔融还原工艺的开发现状工艺参与的公司或单位开发现状一步法铁浴反应炉HIsmelt澳大利亚原料公司、英国米德雷克斯公司示范性设备10万t/年，1993年DIOS日本铁钢联盟示范性设备15万t/年，1993年AISIDOE项目美国钢铁协会/能源部中间试验阶段CCF荷兰霍戈文钢铁公司、意大利利伊尔瓦公司中间试验阶段Romelt俄罗斯新利佩茨克钢铁公司中间试验阶段，30万t/年二步法熔融气化炉Corex德意志奥钢联工业设备制造公司/奥钢联工业设备制造公司30万t/年和70万t/年，已投产Finex韩国浦项钢铁公司/韩国研究院/奥钢联工业设备制造公司/德意志奥钢联工业设备制造公司实验室研究一步法熔融还原工艺（1）回转炉法工艺过程及原理Basset法：使用普通回转窑将温度提高到1350℃，还原铁在高温下渗碳并熔化，然后定时排出炉外。炉渣碱度3～4，作为水泥熟料。Dored法：使用短粗德转鼓型炉，用纯氧燃烧CO以减少废气带走的热损失，在1600℃下操作，生成的炉渣将还原带和氧化带分开。优点：化学能利用良好缺点：①炉衬损坏严重，设备作业率低；②热能利用不好；③铁损大（2）悬浮态法工艺过程及原理在悬浮态中，细粒矿粉与细粒碳粉以期被氧（空气）吸入：COOC222232323COFeOFeCOCOCOC22超细矿粉的还原处于拟均相化学反应控制：)()1ln(KCCkRBAc实验研究表明，悬浮态反应器实际效率并不高，其利用系数在0.5t/m3.d优点①还原速度快②不受温度限制③直接使用精矿缺点①煤气排出的温度高，热利用不良②还原出的铁滴细小，不易于渣铁分离（3）电炉法工艺过程及原理用C作还原剂，以电能供应反应过程所需的热量消耗。炉渣碱度1.2～1.3，炉温高，铁水含S低，生铁中C、Si、Mn可通过配料及配C量控制。理论耗碳322Kg/t-Fe,耗电1140kW.h。常用的炼铁电炉是矿热电炉，热效率80％等离子电炉热效率可达90％～98％。等离子电炉可产生几万度的高温，使气体分子离子化，能加速化学反应（4）Romelt法优点还原反应主要在搅动炉渣层中进行，具有高的二次燃烧率和热回收率。熔融、还原在同一个炉内完成，设备简单、投资省，不会产生料柱，对原料要求不高，也无需预处理，可处理各种含铁废料且初始投资比其他流程都低工艺过程及原理使用大容积、高度搅拌的熔池，由浸没式含氧鼓风机进行搅拌，当粉煤燃烧达1500－1600℃时熔体被C还原得到铁水二步法熔融还原工艺工艺过程第一步：加热并预还原矿石，还原度一般在30％～80％，可使用低级能源。常用设备是悬浮态及回转窑。第二步：补充还原及渣铁熔化分离。常用设备是电弧炉霍等离子电炉。通常第一步及第二步能量消耗分别提供，或只由第二步的气流在第一步中起部分作用。第一步对第二步的能量节约（1）第一步预还原度对第二步的能量节约电能：)860/()1(1nRRQWd1000562123)(1RC还原剂：（2）炉料每升高100℃可直接降低电耗30kW.h/t，而且预热后能提高第二步的间接还原度，可进一步降低电耗；（3）炉料水分降低1％，可节电1kW.h；（4）石灰石被分解，每公斤石灰石分解将多耗电0.67kW.h。（1）回转窑－电弧炉双联Elkem法：SN-RN回转窑与Tysland－Hole电炉串联。已实现工业生产。回转窑生产30％～70％还原度的预还原矿石，电炉电耗可降到1000－1500kW.h/t（2）悬浮态－电炉双联用悬浮态把矿石还原到70％，可大大简化悬浮态作业，能直接使用粉煤和矿粉。Elred法：悬浮态还原与直流单相电炉串联，排出的高温气体发电。Inred法：闪烁炉与感应电炉串联，排出的高温气体发电。（3）流态化－竖炉双联（4）竖炉－熔融气化炉双联预还原采用竖炉，还原度在90％以上，熔融气化炉兼制造还原气及熔化还原预还原料的作用。优点：能耗低、工艺合理、技术成熟，排出的煤气可用于发电，也可用来生产海绵铁。缺点：精矿需要造块。Corex法竖炉－铁浴造气炉串联优点：煤气质量高，粉尘少