煤基还原铁生产的能源消耗评估_镍矿

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煤基还原铁生产的能源消耗评估

作者：佚名发布时间：1970-01-01

近年世界钢产量随着亚洲特别是中国经济的快速发展而持续增长，现在的生铁主要靠高炉生产，而高炉生产效率的提高主要靠大型化，但伴随着增大的烧结设备和焦炉，也增加了对生态环境的污染。和高炉法类似的还原法生产中,典型如MIDREX法属于气基还原法，由于受天然气资源的限制难以在全球普遍推广，据此，神户制钢和美国Midrex公司共同开发成功煤基还原的FASTMET法、FASTMELT法和ITmk3法则具有以下优点：（1）有利于节能和降低对生态环境污染；（2）投资和运行成本低；（3）对原料和能源的适应性广。以下对其系统介绍，以供参考选用。

煤基还原铁生产法

（1）煤基还原铁生产法的地位。从目前世界上的还原铁生产量来看，气基用块矿的MIDREX法和HYI法居首位，以粉矿为原料的CIRCOREO法、FIOR法和FINMET法等次之；而煤基用粉矿为原料的FASTMET法，FASTMELT法和ITmk3法则居第三位，以块矿为原料的SL/RL法和COREX法则居第四位，并已呈现出后来居上的趋势。

（2）其工艺流程如下：将矿粉和煤粉混合后用造球机制成球状团块，经干燥后加入环形炉内加热并还原。团块在炉内铺成1-2层，FASTMET和FASTMELT法为加热到1250-1350℃还原为还原铁后排出炉外；ITmk3法则在加热到1450℃并还原、熔融为粒铁后排除炉外。FASTMET法将高温还原铁冷却后制成低温原铁的DRI成品，或者趁热将高温还原铁压成更大团块的HBI成品，以便对外出口海运途中不至于因氧化而发热，从而有利于扩大直接还原铁的市场。FASTMELT法则将是将从环形炉出炉的高温还原铁趁热装入熔化炉制成铁水。ITmk3法则将在环形炉和渣分离的粒铁与渣一块出炉后，再经过磁选机将粒铁选出为成品。

（3）煤基还原铁生产法的反应过程。首先以FASTMET法为例对团块在环形炉的反应简介如下：含碳团块在炉内加热至700-1400℃，氧化铁被所含碳还原而产生CO在炉内燃烧并成为主要热源，同时并加入15-20%的辅助燃料，采用LNG、LPG、COG和重油均可。主要的还原反应式为：Fe₃O₄+4C=3Fe+4CO，Fe₃O₄+4CO=3Fe+4CO₂，Fe₂O₃+3C=2Fe+3CO，Fe₂O₃+3CO=2Fe+3CO₂，C+CO₂=2CO。

由上可以看出，由含碳团块产生的CO可充分燃烧使碳的使用率增高，从而可降低能耗和CO₂的发生量。且还原过程仅6-12分钟，还原结束后即冷却至1000-1200℃出炉。由于反映过程非常短，故开炉、停炉及调整产量均较为方便。而FASTMELT法则将出炉的高温还原铁直接加入熔化炉化为铁水，为降低熔化过程的负荷，应按固体还原的最大限度适当延长在环形炉的还原时间，ITmk3法除在环形炉内加热到1450℃外，从时间上务必保证渣铁分离。经试验炉分段取样观察，固块入环形炉3分钟后，固块部分被还原但中心尚未还原，5分钟后一部分开始熔融，6分钟后基本熔融，9分钟后熔融的铁和渣完全分离。

原料和产品

3种还原法所用的铁矿石和煤的主要成分如表1。

表1 3种还原法的原料主要成分（单位：%）

还原法	铁矿粉含全铁	煤粉
还原法	铁矿粉含全铁	分	固定炭	灰分
FASTMET法、FASTMELT法	》60	《42	》50	《16
ITmk3法	》65	《30	》55	《15

由上可以看出，对可用的铁矿粉和煤粉的质量要求不高，说明煤基还原法有以下特点：（1）可使用一般煤作为还原剂；（2）不需要球团矿和烧结矿，可直接使用粉矿；（3）可以用炼铁粉尘和炼钢粉尘为原料，还可以用焦粉为还原剂。

关于FASTMELT法产铁水和ITmk3法产粒铁的成分如表2。

表2 FASTMELT法产铁水和ITmk3法产粒铁的成分表

还原产品	化学成分
	Fe	C	Si	S
FASTMELT产铁水	96.0	4.0	0.1-0.6	《0.05
ITmk3产粒铁	97.0	3.0	0.03	0.05-0.07

煤炭及其它能源消耗量

各还原法的有关能源消耗量如表3。

表3 各还原法（50万t/a规模）的煤炭和能源的单耗表

还原法和产品	煤炭（kg）	可燃气（GT）	电力（kwh）	回收余热发电（kwh）	白云石、石灰石（kg）
FASTMET生产1tDRI	377	2.43	110	221	-
FASTMELT生产1t铁水	456	2.47	750	210	15
ITmk3生产1t粒铁	450	4.10	150	234	-

注：FASTMELT法的熔化炉采用电熔炉，故电耗较高。

能耗及环境负荷

为对煤基还原铁法和原有的高炉法进行能耗比较，采取了两种方法，即A法为生产50万t/a生铁时用高炉与FASTMELT法和ITmk3法的比较，B法为由350万t/a扩大至400万t/a时利用高炉法增产和在高炉附近建50万t/aFASTMELT法的比较。

（1）A法比较。以50万t/a规模的3种方法生产1t产品的能耗和Co2排放量对比如表4。

表4 3种生产方法的能耗（GT/t）和Co2排放量（kg/t）比较

项目	高炉法		FASTMELT法		ITmk3法
	能耗	CO₂量	能耗	CO₂量	能耗	CO₂量
（一）能耗小计	27.47	2630	22.74	2015	18.19	1548
煤炭	25.75	2403	14.26	1330	14.09	1314
燃气	0	0	2.47	141	4.10	234
电力	1.72	154	5.91	531	0	0
其它	0	74	0	12	0	0
（二）回收能小计	6.66	422	0	0	0.30	83
燃气	5.49	313	0	0	0	0
电力	0	0	0	0	0.30	83
其它	1.17	109	0	0	0	0
（三）净能耗	20.81	2088	22.74	20.15	17.89	1465

    从上可以看出，FASTMELT法和ITmk3法的能耗小计比高炉法低，但扣除高炉法回收的大量可燃气后，FASTMELT法的净能耗比高炉法略高，但是CO₂排放量仍低，因此采用FASTMELT法和ITmk3法时仍有利减少排放CO₂。这主要是由于它们可直接使用煤粉和铁矿粉等原料，而不像高炉法需要事先往焦炉和烧结机进行预处理，加上本身所产生的些可不外供而作为还原剂和热源得到有效利用的原因。

    另外还应特别指出的是，ITmk3生产的粒铁并非高温铁水而乃是固体状的粒铁，由于运输方便，除可在消费地生产外，还可以在矿山附近生产，这样其效率更高，因为产品的运输重量仅为其所用煤、铁粉重量的1/2，还有利于节省运输能耗。

（2）B法比较首先，400万t/a规模的大型高炉由于充分发挥了其规模效率，其使用的能耗和净能耗均比50万t/a规模的高炉下降，如净能耗由50万t/a级高炉的20.81GT/t下降到18.42GT/t，响应的CO2排放量亦由2008kg/t降低到1946kg/t，分别下降10%和12%左右，其次，采用350万t/a高炉和50万t/aFASTMELT设备的组合方式生产400万t/a铁水时，由于高炉产生的剩余可燃气可在FASTMELT法生产中得到有效利用，使组合方式的总能耗和净能耗以及相应的CO₂排放量都均低于50万t/a级的两种单个方式，但略高于4000万t/a级高炉，具体对比如表5。

表5 两种方式生产铁水时的能耗（GT/t）和CO₂量（kg/t）的对比

项目	400万t/a级高炉		350万t/a高炉+50万t/aFASTMELT
项目	能耗	CO₂量	能耗	CO₂量
（一）能耗小计	23.98	2307	23.52	2253
煤炭	22.75	2122	21.69	2023
电力	1.23	110	1.82	163
其它	0	74	0	66
（二）回收能小计	5.57	360	4.57	298
可燃气	4.40	251	3.54	202
其它	1.17	109	1.03	96
（三）净能耗	18.42	1946	18.95	1955

实际运行的设备

已建的工试和商业化设备的实际运行见表6。

表6 煤基还原铁设备运行实际

还原法	生产企业	用途	能力（万t/a）	投产年月
FASTMET法	神户制钢加古川厂	工试	DRI 1.8	1995
FASTMET法	新日铁广烟厂	处理转炉粉尘	粉尘19.0	2000年4月
FASTMET法	神户制钢加古川厂	处理高炉粉尘	粉尘14.0	2001年4月
FASTMET法	新日铁广烟厂	处理转炉粉尘	粉尘19.0	2005年2月
ITmk3法	神户制钢加古川厂	中试	粒铁400kg/h	1999年10月
ITmk3法	美Mesabi粒铁厂	工试	粒铁 2.5	2003年5月

由上可知，FASTMET已有3台商业化设备用于处理钢铁厂过去实埋处理的含铁粉尘，在用环形炉生产球团矿的同时，将挥发出的锌等有害金属经除尘器处理并作为氧化锌回收后，出售给冶炼厂作为原料，使综合效果更好，FASTMELT法则由Midred公司完成模拟熔化工试后，并于2005年和中国石家庄钢铁厂等达成合资建厂协议数项。ITmk3法则由美Mesabi粒铁于20004年7月完成工试，正和有关企业洽谈合资建商业化设施中。

综上所述，FASTMET法等3种煤基还原铁生产法具有以下优点：（1）由于省去焦炉和烧结机，比高炉法的投资大为节约，如50万t/a的ITmk3法仅需150亿日元。（2）还原时间仅12分钟，设备开停和产量调整方便，且原料来源广，因此应用方便；（3）FASTMELT和ITmk3的产品质量同高炉，能耗和同规模高炉相仿，但CO2排放量少，适于小钢厂采用；（4）FASTMELT法和高炉合并建设，还有利于有效利用高炉的剩余煤气。据此，神户制钢和Midrex将继续改进和开发新的直接还原铁生产新技术，以支持钢铁发展

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