我国直接还原技术发展与展望

2020-12-28   作者:佚名   网友评论 0

我国直接还原技术发展与展望

岳崇锋1,洪益成1,陶江善2,庞建明1,石丽伟1

1 北京钢研新冶工程技术中心有限公司,2 天津奥沃冶金技术咨询有限公司

       1 国外直接还原发展背景

国外的直接还原工艺起源于20世纪50年代,随着天然气的大量开采和利用,推动了气基竖炉直接还原技术的发展,相继出现了Midrex、HYL-Ⅰ、HYL-Ⅲ、和HYL/Energiron-ZR等以气基竖炉为还原反应器的直接还原工艺。由国外的生产实践及发展经验表明,目前国际上主流的直接还原工艺为气基竖炉直接还原工艺(≥75%),主要包括Midrex工艺和HYL工艺两类。

Midrex工艺和HYL工艺在世界还原铁生产中占有绝对优势,都是以天然气作为主要还原剂。进入21世纪以来,直接还原技术发展迅猛,美国、伊朗、印度、埃及和阿联酋等国家相继建成了多座气基竖炉直接还原生产装置。目前,单套竖炉生产装置的设计规模最高可达275万t/a,大型化成为气基竖炉直接还原工艺在本世纪初最显著的技术特征,单套装置的产能和生产效率是目前非高炉炼铁工艺中最大的,甚至可以和高炉炼铁工艺相媲美。

根据米德雷克斯技术公司的数据,2019年全球直接还原铁产量为1.081亿吨,较2018年增长7.3%。从生产工艺来看,60.9%的直接还原铁由米德雷克斯工艺生产,24%由回转窑工艺生产,13.2%由希尔和Energiron工艺生产。

2 我国直接还原行业的发展情况

我国对直接还原技术曾进行了大量的开发研究,取得了较好的结果,也有许多宝贵的经验和教训。例如在20世纪70年代,原冶金部组织相关专家在成都进行了5m3天然气直接还原法的研究,鞍山的焦炉气竖炉还原研究,韶关、佛山的煤制气竖炉直接还原研究等。可惜由于种种原因,均未能投入工业化生产中,但这些研究为后续的研究工作打下了基础。随着在1992年我国钢管公司直接还原铁生产实现了零的突破,我国终于实现了DRI的工业化生产,与此同时我国DRI的生产研究又掀起了一个新的热潮。例如辽宁喀左县在1994年建成投产我国第一台直接还原回转窑,1996年天津钢管公司直接还原厂建成投产,1997年鲁中冶金矿山公司煤基冷固结球团回转窑直接还原装置建成投产。此外,国内的一些民营企业也对直接还原铁煤基法和气基法进行了摸索。

我国现有直接还原铁生产能力约60万t,生产直接还原铁的企业的产量都不大,多数企业的生产能力在5万t左右。由于我国天然气匮乏,传统的以天然气为燃料生产直接还原铁在我国的发展受到了较大的制约,导致我国直接还原铁生产企业规模小、产地分散、生产组织不稳定,技术更新缓慢,产能与世界相比有很大差距。

我国直接还原产业发展展望

中国作为钢铁大国,特别是高炉—转炉长流程结构占比高达90%,低碳发展任务艰巨。2019年4月28日,生态环境部等5部委联合发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》,意在进一步降低钢铁行业各生产环节的污染物排放。随着去产能政策的推进、新环保法的实施和环保督察力度的不断加大、碳排放交易系统的建立,推动了我国冶金还原冶炼新工艺技术和产业的发展。

随着全国工业化发展的深入,对于环境保护的要求越来越高,提倡环保,积极探索环保新工艺迫在眉睫。直接还原铁主要应用于炼钢生产中,它以杂质元素少等优点作为价格日益高涨的废钢的替代原料而备受青睐。又由于该生产方法中的还原反应可以在较低温度下进行,可以省去炼焦设备和烧结设备,从而凸显其节能环保优势。

由于市场需求和我国短流程炼钢的快速发展,废钢需求量越来越大。废钢,特别是含杂质较低的优质废钢缺口将日趋增大,直接还原铁可替代废钢作为生产优质钢的原料,将会有更大的市场前景。据中国废钢应用协会估计,中国直接还原铁的市场需求约2000~3000万吨/年。由此可见,直接还原铁在中国具有较大的发展空间。

目前,我国直接还原铁(含熔融还原)产能共约400万吨。随着中国国内废钢积蓄量增加、环保标准及碳排放严苛、能源结构优化,我国直接还原项目将加快发展,非高炉冶炼技术迎来一波发展小高潮。“十四五”期间,我国直接还原(含熔融还原)产能预计将增加至约1000万吨。 

4 我国直接还原技术发展展望

与传统的高炉炼铁方式相比,直接还原炼铁工艺具有投资小、能耗低、流程短、环保等特点。作为一个钢铁大国,我国应该在直接还原技术方面有长远的发展规划和相应的投入。“十四五”期间,我国直接还原技术展望:

4.1 气基竖炉成套工艺技术

发展目标:形成成套的技术体系并建成示范工程

技术内容:开发气基还原竖炉及配套关键装备;建设产能50万吨以上的气基竖炉示范工程。

技术说明:我国没有气基还原竖炉的工程实践和经验,这一技术主要掌握在国外公司手中,需要开发具有自主知识产权的工艺装备。

4.2 新一代熔融还原流程开发

发展目标:开发具有自主知识产权的基于氢冶金的熔融还原炼铁新工艺。

技术内容:开发新一代的熔融炼铁工艺。

技术说明:为降低高炉流程碳排放,欧盟、日本在对传统高炉流程进行技术研究的同时,还在研究新的炼铁工艺,如新一代熔融还原流程。融还原技术更趋于成熟、理性,技术的趋向更加集中,而开发熔融还原的目的就是向传统高炉流程提出挑战,使炼铁生产更加清洁环保、降低碳排放、降低能源消耗。中国虽然成为一个钢铁大国,但是在炼铁的新技术上很少有我们自己原创的,中国应该研究我们自己具有自主知识产权的新钢铁流程。

4.3 纯氢冶金基础研究

发展目标:形成纯氢冶金的基本理论、技术及中试装备

技术内容:纯氢冶金的基本理论研究,并对高温高压耐氢腐蚀换热材料进行攻关,完成小时吨级的中试验证工作,建设纯氢气基竖炉的中试验证线。

技术说明:纯氢冶金是冶金绿色化的终极目标,各国已经开始相关的基础研究,我国也刚刚起步,应该提前布局。

4.4 其他直接还原工艺研究与升级

针对其他直接还原工艺的特点,进行工艺的优化升级。

4.5 服务平台建设

建立直接还原技术服务与对接平台,对直接还原发展过程中的各种问题进行沟通交流。成立直接还原产业发展联盟,促进技术、项目和装备的发展。

4.6 国际合作

建立密切的国际合作关系,与国际钢协、知名科研院所加强联系,举行定期的技术与装备交流。同时,与欧洲、日本、韩国等国家加强合作,特别是在重大项目方面进行交流沟通。

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