COSRED煤基竖炉直接还原工艺的特点及在炼钢工序中的应用

 周强，李森蓉，李建涛，唐恩，汪朋，陈泉锋
（武汉科思瑞迪科技有限公司，湖北省武汉市，430223）

1 直接还原工艺的现状

       直接还原工艺分为气基直接还原和煤基直接还原，气基直接还原以MIDREX、HYLIII及ENERGIRON三种工艺为代表，均以廉价的天然气作为还原气气源，该工艺具有效率高、规模大、环保好、技术成熟等优点，但均有原燃料要求高、投资高、成本高、操作维护复杂等缺点。如果气基直接还原工艺采用煤制煤气或焦炉煤气作为还原气气源，不仅工艺复杂、技术难度大，而且由于制造合格还原气的生产成本高，使其经济性很难被市场接受。

       煤基直接还原工艺中的RK（回转窑）、TK（隧道窑）及RHF（转底炉）等三种工艺均具有技术成熟、适应不同资源等优点，但均难以实现单条线50万吨以上大规模生产。

       COSRED（科思瑞迪）煤基竖炉工艺（以下简称COSRED工艺）结合了气基竖炉和隧道窑两种工艺中的优点，经过多年的实验室实验、小型工业化装备和大型工业化生产三个阶段、五代创新和持续不断的改进和完善，承接了国内外多个工程项目，今年刚刚投产的缅甸工程项目表明：COSRED工艺的特点和作用正在钢铁行业体现出直接还原工艺生力军的角色。

2 COSRED工艺的特点

2.1 工艺流程

COSRED工艺的工艺流程见图1。

 
图1 COSRED工艺的工艺流程

      COSRED工艺的工艺流程具有如下技术特点：

       1）、原料经过混匀、造块和烘干后与还原剂和脱硫剂混合，再经过布料加入煤基竖炉中的还原室。原料混匀时可以根据工艺需要内配煤粉，另外煤基竖炉可以直接使用块矿；

       2）、煤基竖炉排出富含大量热量的烟气经过两级换热器后，分别用来加热助燃空气和预热块状物料，烟气热量得到充分利用；

        3）、煤基竖炉排出的DRI可以冷装或热装直接进入电炉，也可以热压或冷压后储存、外销或作为很好的冷却剂装入转炉；

        4）、煤基竖炉排出的残煤经过处理，既能作为煤制气的燃料，也能作为还原剂重复利用。

2.2 工艺参数

         COSRED工艺的主要工艺参数见表1。
 

 

　　COSRED工艺根据不同的含铁原料和还原剂种类，选择不同的工艺参数，最终都能得到高金属化率的DRI产品。

　　2.3 原燃料条件

　　COSRED工艺对原燃料的适应范围很大，对原燃料的要求远低于气基直接还原工艺，也要低于其它的煤基直接还原工艺，最大程度地实现了原燃料的本地化。

　　1）铁精粉：COSRED工艺对铁精粉含铁品位高低的适应能力很强，均能够得到高金属化率的DRI，但是为了有好的电炉生产指标，一般情况下COSRED工艺要求TFe 达到65-68%，粒度-100目≥85%；

　　2）还原剂：COSRED工艺对还原剂的适应范围很广，无烟煤、烟煤、褐煤、木炭、兰炭、焦炭或石油焦等均可以作为还原剂，由于无烟煤的还原性最好，挥发分较低，COSRED工艺的还原剂首选无烟煤，对无烟煤的具体要求有：C≥60%、挥发分≤15%、灰分高温软化点≥1250℃、含水≤5%、粒度3-15mm。

　　3）脱硫剂：COSRED工艺中的脱硫剂多选用石灰石，具体要求：CaO≥50%、MgO＜4％、SiO2+Al2O3≤3％、粒度≤3mm。

　　4）燃料：COSRED工艺采用的燃料主要有煤制煤气、天然气、高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、生物质气、液化气或页岩气等。

　　2.4 关键技术

　　COSRED工艺通过三个阶段和五代创新的不断积累、改进和完善，形成了一系列的专利技术和关键技术：

　　1）工艺技术： 煤基竖炉的工艺参数、工艺流程、设备选型、工艺布置等均需在严谨的理论研究基础上，充分结合工业实验的数据和经验才能得到合理和完善的工艺技术。

　　2）结构技术：煤基竖炉结构的稳定性涉及到还原室和燃烧室的大小、形状、高度、结构和隔墙厚度和材质等，传热效果涉及到燃烧室中的燃烧器型式、布置和烟气的均匀分布、通道走向和隔墙厚度和材质等，这些都会直接影响到竖炉的寿命和还原的效果。

　　3）耐材技术：煤基竖炉内的燃烧室和还原室是由很多耐材砌筑而成的，其中还原室的耐材最为复杂和关键，工艺要求其具备高导热、耐高温、抗氧化、抗还原及耐磨损，以实现复杂工况下的长寿命和传热效率。

　　4）控制技术：还原气氛与氧化气氛是完全独立的互不影响，还原气氛单纯这为混合料的还原创造了比其它煤基直接还原工艺更好的工艺条件。另外，还原温度和还原时间能够实现很好的控制和调整，这就是所谓的“COSRED工艺用温度时间赢得了质量”。

　　5）布料和排料技术：煤基竖炉炉顶的布料非常重要，原因在于布料工艺和装置不合理，混合料会出现严重的偏析。混合料还原后的排料技术和设备也是该工艺的关键技术和设备，通过该设备能够很好的控制炉料下行的速度和还原时间。

　　6）造块和干燥技术：COSRED工艺原料系统中有造块和干燥两个重要环节，造块技术关键在于合理的配比、粘结剂的选择、混匀后的效果以及造块设备的选型。造块后的含铁原料需要利用煤基竖炉的烟气热量来进行干燥，以利于还原效果和降低能耗。

　　2.5 规模大小

　　COSRED工艺与RK、TK及RHF三种煤基直接还原工艺最大的不同点在于COSRED工艺的炉料是通过自身重力的作用实现了从上到下的连续运行，这个重要特点为COSRED工艺实现100万吨以上的大规模生产创造了条件。

　　此外，COSRED工艺煤基竖炉中的还原室可以实现在单个还原室大小、高度等均不改变条件下，实现大量的还原室模块化组合，整个煤基竖炉的核心工艺参数并没有因此而改变。通过模块化的组合为COSRED工艺实现100万吨以上的大规模生产创造了第二条件，这就是所谓的“COSRED工艺用模块空间赢得了产量”。

　　另外，煤基竖炉前工序的工艺和设备特别是上料和布料设备必须能够满足大规模生产的需要。COSRED工艺通过大量的比较和分析，并结合实际工程的经验和教训，找到了不仅能够有效避免炉料偏析，而且能够实现100万吨以上大规模生产的炉顶布料技术方案。

　　2.6 工序能耗

　　还原剂和燃料是COSRED工艺的主要能源消耗， COSRED工艺按照典型指标计算的工序能耗具体见表2。
 

 表2 COSRED工艺的工序能耗

　　COSRED工艺的工序能耗为377.3kgce/t，达到了直接还原工艺（包括气基竖炉工艺）的领先水平，这得益于该工艺的资源利用充分和余热回收效率高。

　　2.7环境保护

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