回转炉烁铁法(2)

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1、直接还原炼铁直接还原炼铁direct-reduction ironmaking 在低于矿石熔化温度下，通过固态还原，把铁矿石炼制成铁的工艺过程。这种 铁保留了失氧时形成的大量微气孔，在显微镜下观察形似海绵，所以也称为海 绵铁；用球团矿制成的海绵铁也称为金属化球团。直接还原铁的特点是碳、硅 含量低，成分类似钢，实际上也代替废钢使用于炼钢。习惯上把铁矿石在高炉 中先还原冶炼成含碳高的生铁。而后在炼钢炉内氧化，降低含碳量并精炼成钢， 这项传统工艺，称作间接炼钢方法；而把炼制海绵铁的工艺称作直接还原法， 或称直接炼铁（钢）法。直接还原原理与早期的炼铁法（见块炼铁）基本相同。高炉法取代原始炼铁法 后,生

2、产效率大幅度提高,是钢铁冶金技术的重大进步。但随着钢铁工业大规模 发展，适合高炉使用的冶金焦的供应日趋紧张。为了摆脱冶金焦的羁绊，18 世 纪末提出了直接还原法的设想。20 世纪 60 年代，直接还原法得到发展，其原 因是：5070 年代，石油及天然气大量开发，为发展直接还原法提供了方便 的能源。电炉炼钢迅速发展，海绵铁能代替供应紧缺的优质废钢,用作电炉原 料,开辟了海绵铁的广阔市场。选矿技术提高,能提供高品位精矿,使脉石含量 可以降得很低，简化了直接还原工艺。1980 年全世界直接还原炼铁生产量为 713 万吨，占全世界生铁产量的 1.4。最大的直接还原工厂规模达到年产百万 吨，在钢铁工业中

3、已占有一定的位置。 海绵铁中能氧化发热的元素如硅、碳、锰的含量很少，不能用于转炉炼钢， 但适用于电弧炉炼钢。这样就形成一个直接还原炉电炉的钢铁生产新流程。 经过电炉内的简单熔化过程，从海绵铁中分离出少量脉石，就炼成了钢，免除 了氧化、精炼及脱氧操作，使新流程具有作业程序少和能耗低的优点。其缺点 是：成熟的直接还原法需用天然气作能源，而用煤炭作能源的直接还原法尚 不完善，70 年代后期，石油供应不足，天然气短缺，都限制了直接还原法的发 展。直接还原炉电炉炼钢流程，生产一吨钢的电耗不少于 600 千瓦时,不 适于电力短缺地区使用。海绵铁的活性大、易氧化，长途运输和长期保存困 难。目前，只有一些中小

4、型钢铁厂采用此法。 现在达到工业生产水平或仍在继续试验的直接还原方法约有二十余种，主 要分为两类： 使用气体还原剂的直接还原法使用气体还原剂的直接还原法 按工艺设备来分，有三种类型，包括竖炉法、 反应罐法和流态化法。作为还原剂的煤气先加热到一定温度（约 900）,并同 时作为热载体，供还原反应所需的热量。要求煤气中 H2、CO 含量高,CO2、H2O 含 量低；CH4在还原过程中分解离析的碳要影响操作,含量不得超过 3。用天然 气转化制造这样的煤气最方便；也可用石油（原油或重油）制造，但价格较高。 用煤炭气化制造还原气，是正在研究的课题。 竖炉法竖炉法 在竖炉中炉料与煤气逆向运动，下降的炉料逐

5、步被煤气加热和还原， 传热、传质效率较高。竖炉法以 Midrex 法为代表，是当前发展最快、应用最广 的直接还原炼铁法，其改进的生产流程示意见图 1。作为原料的氧化球团矿自 炉顶加入竖炉后，依次经过预热、还原及冷却三个阶段。还原所得的海绵铁， 冷却到 50后排出炉外，以防再氧化。还原煤气用天然气及竖炉本身的一部分 煤气制造，先加热到 760900，在竖炉还原段下部通入。炉顶煤气回收后分 别用于煤气再生、转化炉加热和竖炉冷却。此法的生产率很高，每吨产品能耗可低达 2.56106千卡,产品质量好，金属化率达 92。1980 年全世界建有 800 万吨/年设备能力，总年产量约 396 万吨 (占直接

6、还原铁的 50)。其他竖炉法有 Purofer 法，为联邦德国提出。特点是用蓄热式天然气转化 炉制造还原气，可以获得较高的煤气温度。另外，竖炉不设冷却段，海绵铁在 隔绝空气条件下热排料，然后进行钝化处理或送电炉热装。此法缺点是设备及 操作较复杂。现在只在伊朗建有一个生产工厂。Wiberg 法是 30 年代瑞典开创 的一种竖炉法，使用电弧供热的煤炭气化炉制造还原煤气。世界各地曾建立若 干小型工厂，目前都已停产。但瑞典又在研究用等离子体加热的煤粉气化炉代 替电弧供热的煤炭气化炉，对 Wiberg 法进行改造，1981 年已投产。 中国广东省曾进行水煤气竖炉的试验，并取得了成功，但未投入生产。 反应

7、罐法反应罐法 墨西哥的 HyL 法 (指其第一代和第二代)是唯一的工业化反应罐 法,在反应罐中炉料固定不动,通入热还原煤气依次进行预热、还原和冷却，最 后定期停气，把炉料排出罐外。工艺流程见图 2。为了克服固定床还原煤气利 用不良的缺点,HyL 法采用了 4 个反应罐串联操作，还原煤气用天然气制造,先 在换热式转化炉中不充分转化。经过每一个罐反应后都进行脱水、二次转化和提温，煤气在 1100的高温下进行还原。HyL 法使用排料杆,在停止通气下,强迫排料,因此不怕炉料粘结，操作温度 较高，虽系间断作业，生产率并不低。缺点是煤气利用差,热耗大(达 3.4106 千卡/吨)，产品质量不均。HyL 海

8、绵铁含碳高 (1.22.0)，不易再氧化。墨 西哥建有用此法正式生产的工厂。其产量仅次于 Midrex 法，1980 年产量为 236 万吨。第三代的 HyL 法已放弃四个反应罐，改用一个，接近 Midrex 法，于 1980 年投产。 流态化法 在流化床中用煤气还原铁矿粉的方法。在流态化法还原中，煤气 除用作还原剂及热载体外，还用作散料层的流化介质。图 3 示出流态化还原的 一般原理。细粒矿石料层被穿过的气流流态化并依次被加热、还原和冷却。还原产品冷却后压块保存。流态化还原有直接使用矿粉省去造块的优点，并且由于矿石粒度小而能加 速还原。缺点是：因细粒矿粉甚易粘结，一般在 600700不高的温

9、度下操作， 不仅还原速度不大，而且极易促成 CO 的析碳反应。碳素沉析过多，则妨碍正常 操作。为了克服这一困难，流态化还原多采用价格高的高氢煤气。此外，流态 化海绵铁活性很大,极易氧化自燃,需加处理，才便于保存和运输。1981 年中国 在山东枣庄进行半工业试验，后投产。 使用固体还原剂的直接还原法使用固体还原剂的直接还原法 回转窑是最重要的使用固体还原剂（煤炭） 进行直接还原的设备。图 4 示出回转窑炼铁的工作原理。由还原剂（03 毫米粒度的煤炭）、小块矿石和细粒石灰石（白云石）等 组成的炉料由窑尾投入，窑体稍有倾斜，在转动时炉料逐渐向窑头运动。窑头 设有烧嘴，使用能产生火焰的燃料（煤气、燃油

10、或烟煤粉）。产生的高温窑气 抽向窑尾，气流与固体炉料逆向运动，逐步把固体料加热，料温达到 800左 右，开始固体碳还原 析出的 CO 在料层上部空间燃烧；放出热量补充加热。为了保持料层中还原气氛， 炉料配加的煤炭量必须超过还原反应的需要量。 按照出料温度，回转窑可以生产海绵铁、粒铁或液铁。但以回转窑海绵铁 法最重要。回转窑炼铁的主要优点是可以直接使用资源丰富的煤炭。其缺点是 生产率低。最有代表性的回转窑海绵铁法是 SL/RN 和 Krupp 法，二者工艺流程 基本相同。为了提高产量，减轻窑内预热段工作负担，在窑前配置链篦机，能 把入窑料加热到 800。在窑内配置随窑体转动的二次风机，以强化还原

11、析出 CO 供燃烧(70 年代以来改用氧化球团或块矿入炉,取消了链篦机)。还原出的海 绵铁经过回转冷却筒冷却到 150排料。把混合的剩余碳和吸硫的石灰清除后, 得到产品(图 5）。回转窑海绵铁产量在 1980 年占直接还原铁的 15。中国曾 于 40 年代初在四川綦江进行了日产 10 吨规模的海绵铁生产试验，金属化率可达 90以上，但因铁矿脉石无法分离，未能正常生产。 把回转窑的出料温度提高到 1250左右，固体料呈半熔化状态,已还原的 铁滴在滚动中聚合成小的铁粒,出窑后水淬冷却可与脉石杂质磁选分离，得到粒 铁。此法称为回转窑粒铁法(Krupp-Renn 法)，它能处理选矿困难的贫铁矿，20

12、世纪 30 年代曾在一些地区广泛发展，但该法生产率很低，事故频繁，60 年代 后已全部停产。BLBL 法直接还原工艺研究和开发法直接还原工艺研究和开发介绍了由上海宝钢集团公司和鲁南化学工业公司联合开发的 BL 法直接 还原新工艺，完成了完全用煤作一次能源，将德士古煤气化技术用于竖 炉生产直接还原铁的半工业性试验，得到了合格的海绵铁。RESEARCH AND DEVELOPMENT OF BL DIRECT REDUCTION PROCESSLI Yongquan CHEN Hong ZHOU Yusheng LI Xianwei GAN Qingsong CHEN Bingqing (Shan

13、ghai Baosteel Group Corp.)ABSTRACT Baosteel Group Corp.and Lunan Chemicals Industry Corp.have jointly developed a new direct reduction process named BL DR process,in which the Texaco coal gasification process is used for direct reduction in a shaft.A pilot shaft has been set up and successful result

14、 has been obtained.The present paper introduces the R D of this new technology. KEY WORDS BL direct reduction process,coal gasification,DRL1 1 前言前言随着世界优质废钢资源的日益短缺，直接还原铁(DRI)生产技术日 益受到钢铁界的重视，近年来直接还原铁生产技术和生产能力方面得到 飞速发展，90 年代以来世界直接还原铁产量以每年 10 %的幅度逐年增 长。1970 年全世界直接还原铁产量仅 83 万 t，到 1997 年已达 3620 万 t。由于电炉炼钢

15、比例的增长及对高等级钢材需求的增加，需要更多的 直接还原铁来保证钢材质量。目前直接还原铁工业生产中，气基竖炉法 Midrex、HYL法占据绝 对优势，1997 年生产了 3260 万 t 优质海绵铁，占世界总产量的 82.8%，见表 1。实践证明气基竖炉法具有生产技术成熟、设备可靠、单 位投资少、生产率高(利用系数达 810 t/(m3. .d)、单炉产量大(达 180 万 t/a)、产品成本低等优点，具有很强的竞争力。但是它们均需采用天 然气作还原剂，因此其发展受到气源和地区的限制。表 1 海绵铁总产量中各工艺所占的比例1 Table 1 The ratio of DRI output ag

16、ainst different DR process% 工艺1994 年1995 年1997 年 Midrex 竖炉法65.164.863.5 HYL竖炉法14.518.819.3 HYLI 反应罐法11.17.87.1 SL/RN 回转窑法3.63.33.6 其它煤基工艺4.24.14.8 其它气基工艺1.51.21.8由于煤在全世界分布广、贮量大、预计 21 世纪将有更多的煤基直 接还原工厂投产。目前世界上占优势的煤基直接还原方法是回转窑法， 此方法的主要优点是可以直接用煤作燃料和还原剂，缺点是单位投资高， 生产率低，利用系数仅为 0.42 /(m3. .d)，单炉产量低(1518 万 /a)，生产成本较高，因此发展较缓慢，目前全世界煤基回转窑仅 300 /a 生 产能力，我国从 70 年代开始研究开发，迄今仅形成 40 万 t/a 生产能力。以煤作燃料和还原剂的直接还原方法迫切需要创新的技术来推动其 发展。近年来德士古(Texaco)水煤浆制气技术取得了重大突破2，目 前已有数