国外直接还原工艺的进展及给我们的启示（一）

2010-02-07   作者：佚名   网友评论 0 条

直接还原是指不用高炉而将铁矿石在固态还原成海棉铁的生产过程, 在炼铁工艺中它是最原始的一种, 在后来漫长的炼铁生产历史中被高炉等工艺所取代。但对这一工艺的研究始终没有中断, 从上世纪初开始直接还原工艺又重新引起冶金工作者的关注。随着焦煤资源的不断减少和炼焦污染无法满足环保要求的日益提高以及煤化工竞争不过石油化工, 致使人们想摆脱对高炉系统的依赖, 特别是超高功率电炉冶炼——炉外精炼——连铸这一具有强劲竞争能力的短流程工艺迅速发展之后, 为降低废钢对钢质的污染或解决废钢资源的不足, 直接还原工艺的工业应用因此又成为冶金工业发展的一个新的热点。

2　国外直接还原工艺的发展状况

国外从1800年到1980年先后共提出过80多种直接工艺, 但投入工业生产的却不多, 现在工业运用的直接还原工艺有五个类型共13 种方法。 其中气基还原工艺发展最快, 在海棉铁产量中占93%左右。这并不意味着煤基还原工艺不成熟, 而主要原因在于天然气的大量开发利用, 特别是高效率转化法的采用, 为气基还原提供了来源丰富、价格便宜的气源, 促使着气基还原以更快的速度发展。

直接还原工艺在工业中应用增速较快是始于50年代末, 1970年海棉铁实际产量达到70万吨/年, (设计产量150万吨/年) 随着生产工艺的不断完善,  到1995年实际产量达到3070万吨/年(设计产量4060万吨/年) 预计到2000年时生产能力可达4900万吨/年以上。目前生产厂主要集中在委内瑞粒、墨西哥、印度、伊朗、沙特、独联体、印尼、阿根廷、南非等发展中国家。其中印度的发展速度最引人注目, 90年代前不到20万吨/年, 而到1996年可突破500万吨/年的生产能力。 上述国家海绵铁增长迅速的原因一是社会对钢的需求增长, 二是容易获得生产海绵铁所需的还原剂和高品位铁矿石。相比之下美国等西方发达国家在海绵铁工业生产方面发展较慢, 其主要原因是这些国家钢产量发展余地小而废钢资源非常丰富, 从而确保了电炉炼钢原料的廉价供应。另一方面是人工费昂贵等因素的存在, 使海绵铁生产成本高出废钢30美元左右。尽管如此, 由于海绵铁是一种洁净原料、有害元素含量远低于钢中的含量, 这对那些需深加工的钢材产品来说显得尤为重要, 因此发达国家还得依靠进口补充自己海绵铁生产量的不足。 特别是海绵铁需求量较大的美国1994年进口了91万吨。

尽管海绵铁在生产总量上与高炉流程产铁量相比仍很低, 但其发展速度却很快, 特别是近几年来增长率保持在15%左右, 可见直接还原是极具竞争能力的生产工艺, 随着工艺装备不断完善和可更广泛地采用原燃料的新工艺开发应用, 直接还原将会逐步取代高炉炼铁的统治地位。

    现有的这些直接还原工艺都有一个共同特点,  这就是达到了不用焦炭,  降低对环境污染的目的, 最具有代表性的工艺情况见表1。

2.1　M idrex 法

    M idrex 法是技术上最成熟、工业应用最广泛的直接还原法。工艺流程见图1。

     还原气体是用催化转化法由天然气和竖炉炉顶气的混合气体在转化器中转化而成的, 转化温度约为920℃, 转化后的还原气体含90～92%的氢气和一氧化碳, 进入竖炉在850℃左右对原料进行还原。热交换器回收了转化器燃烧废气的显热, 并将天然气和炉顶气混合气体加热到540℃左右。 原料由炉顶入炉, 上部为还原区, 下部为冷却区, 冷却区设有闭路循环气体冷却系统, 若向冷却气体中补充天然气的话, 可使产品含碳量增加到2%左右。为提高产品抗氧化能力, 以便储存和外运, 该工艺于1984年在马来西亚的沙巴厂首次增设了处理能力为60万吨/年的热压装置, 将产品制成直接还原铁热压块, 由于热压是在800℃左右温度时进行的, 所以竖炉可取消冷却区, 而将还原区直接与热压块的给料系统相联。

     M idrex 法对原料的要求见表2, 该工艺已使用过20多种氧化球团矿和块矿, 其配比由70%块矿加30% 球团矿到100% 的球团矿不等, 实践表明配一定的块矿可使还原反应在更高的温度下进行而无粘结现象发生, 但当块矿比例达到30%以上时, 还原气体的分布就受到影响, 从而降低产量, 因此块矿配比通常都在25～30%。

    该公司介绍以煤或石油制造的气体只要还原势能达到要求, 也可以作还原剂使用。但由于导致投资和成本的上升, 所以在已投产的装置中均使用天然气做还原剂, 还原气成份见表3。

2. 2　SL/RN 法

    SL/RN法是“二步法”煤基回转窑工艺, 在这类工艺中它是技术最成熟应用最广泛的工艺。工艺流程见图2。 它是由块矿和球团加入一定比例的脱硫剂在回转窑内, 经加热和还原生产出海绵铁, 然后在回转冷却器中进行冷却, 经筛分和磁选分离出海绵铁和过剩炭以及废弃物。窑内所产生的高温废气从窑头(进料端) 排出, 在后燃烧室燃烧后再利用。

    对原料要求见表4。通常回转窑对粉矿很敏感, 因粉矿容易导致结圈问题, 但该工艺还是允许加入一定比例的粉矿, 这说明它能较好地控制窑身长度方向的温度和气氛。在对煤的要求方面适应性较广, 几乎任何类型的煤都能使用, 即使当挥发分不足时, 也可用燃烧气体或油加的补充, 粒度范围要求在5～40mm。 产品的硫主要来源于煤中, 尽管添加脱硫剂可以降低硫含量, 但通常都希望硫尽可能低一些, 实际中控制在0.6%以下。

由于回转窑设计受到机械方面的制约, 所以生产规模不大, 建在加拿大钢铁公司的SL/RN 回转窑, 窑长126m, 直径6m。 这是最大规模的。 所以扩大规模往往就得依靠数量的增加。

2.3　FDR 法

建在委内瑞拉Sivensa厂的这套流化床装置也是世界上唯一使用100%粉矿的工业生产装置。 它采用多段式稳态流动床系统。 在经历了十几年的努力后该装置才获得了稳定生产, 但作业率仍不理想, 能耗也较高, 仅适合气源和劳动力都很便宜的地区(流程图从略)

2.4　HYL 法

HYL 法在固定床中是唯一有影响的工艺, 它在处理原料方面比较灵活, 可以接受含硫矿石, 由于它是分批作业, 因此质量不稳定, 金属化率波动在73%～95%之间, 另外由于燃料消耗大导致成本高, 再新建的可能性不大(流程图从略)。

2.5　COREX 法

    该工艺的最大特点是将煤制气和DRI熔化结合在一个被称之为熔融气化炉内, 见图3。煤和氧气在熔融气化炉内发生反应所产生的煤气经处理后进入竖炉作还原剂, 而竖炉还原出的DRI 又进入熔融气化炉内熔化, 从而使产品变成铁水供电炉或转炉炼钢。另一个特点是该系统一次能源消耗大, (煤1183kg/tDRI, 氧气640m³/tDRI)同时也产生大量的过剩煤气, (剩余量2000m³/t铁, 热值7000Kj/m³ ) 因此能否有效地利用这些煤气是选择该装置的重要因素之一。由此产生了利用过剩煤气的几种方案, 一是用于后部加热炉, 但仍有80%以上的剩余; 二是建气基还原装置, 将剩余气处理后作还原剂; 三是发电, 电能供氧气厂, 而氧气供COREX/BOF流程用。

    据奥钢联介绍COREX流程建设费用比高炉流程低20%。 但气体综合利用和氧化球团设施的投资未计入。成本指标比高炉流程低20%～35%, 但原燃料价格的不同会有较大差别。 原料可以用块矿, 球团矿和烧结矿,表5。燃料要求见表6.

  1987年12月在南非ISCOR公司投产的这套C1000型装置设计产量30万吨/年, 而在四年后就达到34万吨/年,  超设计能力13%。目前该工艺已引起人们的广泛关注, 奥钢联更是对它充满信心, 甚至认为今后铁水的增长均将由COREX工艺来实现。 继C₁₀₀₀型之后又开发出C₂₀₀₀型, 其设计产量为60万吨/年(用块矿), 若全部用氧化球团可达80万吨/年, 已购买C₂₀₀₀型装置的有浦项、韩宝和印度的京德勒公司, 美国杰尼瓦钢铁公司投资2.8～3亿美元在美国犹他州建设一套C₃₀₀₀型COREX炼铁——发电联合装置, 其年产量达100万吨/年, 预计到21世纪初, 全世界将陆续建成10套COREX炼铁装置。

值得说明的是不少文章将Corex 法称为熔融还原, 其实它是先在固态还原而后熔化成铁水, 从还原的实质看它应是直接还原工艺

上述几种工艺若从建设规模上考虑, M idrex 和COREX 适合大型企业, 而其它几种工艺适全于中小型企业。若从还原剂资源上考虑, 气源丰富适合用M idren 等气基工艺, 而煤源丰富适合用SL/RN 等煤基工艺, 但固COREX工艺的运用, 又为煤源丰富的国家开避了使用气基工艺道路。通常情况原料费用占成本的比例为55%～70%, 而低成本生产始终是企业的主要需求, 因此人们都寄希望通过使用廉价的矿粉来大幅度降低成本, 这一希望一旦在工业中得以实现, 无疑将使直接还原工艺的发展推向一个新的阶段。所以许多公司都在致力于开发工作。如:埃克森公司正拟推出FDRII 型装, Lurgi 公司正在开发中的Circofer (煤基) 和Circored(气基)工艺等。 目的都是想抢夺前景广阔的市场。 所以直接还原的发展方向是降低现工艺投资和生产成本以及开发粉矿不经造球或低成本造球的工艺。