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1、煤基直接还原炼铁展望来源：廖建国T -51 前言使用天然气的直接还原炼铁法（Midrex法和HYL法等）的设备投资规模比高炉炼铁法小，且无需焦炭, 因此，以盛产天然气的发展中国家为主，把使用天然气的直接还原炼铁法作为生产铁水的设备进行了建设。 最近，在发达国家出现了电炉短流程钢厂使用直接还原铁作为替代废钢的清洁铁源，因此对直接还原铁（以 下简称DRI）的需求越来越高。以天然气为基础的DRI生产厂一般建在盛产天然气的地区，但是最近利用 分布范围广、储量大、且输送方便的煤生产DRI的量不断增加。煤基直接还原炼铁法大部分使用以SL/RN 为主的回转窑进行生产。使用回转窑生产 DRI 时，必须将窑温抑
2、制在不会发生明显的回转窑结圈的温度 （1000C1100C ）内，因此还原需要12h,每座回转窑的年产量仅为15万t25万t,作为钢铁生产设 备来说产量低，人们希望有一种替代的生产方法。在这种情况下， 神户制钢公司与 Midrex 在美国的子公司共同开发了使用转底炉 （Rotary Hearth Furnace，以下简称RHF）的煤基炼铁法。其工艺是在RHF炉底上全部铺上碳复合球团矿 （球团矿或块矿），在静态下进行加热和还原处理，因此炉温（1300C1400C ）可以比回转窑的高，还 原速度快、生产率高。尤其是原料的适应性高，可以使用粉矿、粉尘和一般用烟煤等。本文就神户制钢公司使用 RHF 对
3、碳复合球团矿进行还原的煤基直接还原法的特征和开发情况进行介 绍，同时根据钢铁行业面临的确保原料供应和环保的问题，对煤基直接还原法所能发挥的作用进行了展望。2 碳复合球团矿还原法特征 与受外部还原气体控制的普通球团矿和烧结矿的还原不同，碳复合球团矿的还原法是将粉矿和磨细的煤混合制成球团矿或块矿，利用高温加热后球团矿或块矿中生成的CO气体，从内部对氧化铁进行还原。因 此，还原速度比从外部进行还原的方法快。此时发生了如下的反应。FexOy + yCxFe + yCO （吸热反应）（1）CO2 +C-2CO （吸热反应）（2）FexOy + yCOxFe + yCO2 （放热反应）（3）即在铁矿石没有
4、发生熔融的温度范围内，煤和焦粉等固体碳与铁矿石的直接还原反应少（反应式1）， 但在1000C以上的高温下，碳复合球团矿内部会因碳素溶解损失反应而生成CO气体（反应式2）和生成的 CO 气体使氧化铁发生间接还原反应（反应式 3）的连锁反应。在上述还原反应中，作为强吸热反应的CO气体的生成（反应式2）是控制环节，因此它可以在1000C 以上的高温下把必要的热量供给碳复合球团矿内部。即能有效地把外部的辐射热传到球团矿表面，并从球 团矿外部把热量传到球团矿的内部，这是促进反应的要点。在这里，煤占据了碳复合球团矿体积的大约一半，因此伴随着还原反应的进行，空隙率会变高， DRI 的强度会下降。装入的碳复合
5、球团矿到达烧结温度时的强度会变得特别弱，容易发生还原粉化。如果发生粉化，虽然传热表面积会增加，但产生的CO气体无助于还原，容易辐射到碳复合球团矿的外 部，难以进行还原反应。尤其是与CO气体形成的外部的遮蔽效果会变小，容易发生还原后再氧化的问题。 因此，抑制炉内的还原粉化是很重要的。3 FASTMET 法FASTMET 法是在 RHF 的炉底上铺上薄薄一层的碳复合球团矿，通过静态加热还原处理，能有效地抑制 上述的辐射传热和还原粉化，因此比使用回转窑或竖炉处理碳复合球团矿的方式有利。Midrex公司的前身 是Midland Ross公司，在20世纪60年代初就着手开发采用RHF来还原碳复合球团矿的
6、Heat Fast法，1965 年建设了 2t/h的实验工厂。但是，由于当时天然气的价格便宜，因此该公司优先开发了 Midrex法，而中断了 Heat Fast法的开发。其后，到了 20世纪90年代由于天然气价格上涨，神户制钢公司与Midrex公司共同再次对使用碳复合 球团矿生产DRI的FASTMET法进行了开发。1992 年在美国北卡罗莱纳州的 Midrex 公司技术中心建设了 160kg/h 的实验工厂，通过反复的基础实 验后，1995 年在神户制钢公司加古川炼铁厂建设了年产 16000t 的实验工厂。实验工厂一直生产至1998 年， 期间对各种矿石、粉尘和煤等原料的适应性进行了实验性确认
7、，获得了商业设备的设计数据，确立了商业 应用的目标。 2001 年该实验工厂改造为处理加古川炼铁厂内粉尘的商业设备，再次投入生产。FASTMET工艺流程为先将粉矿石和粉煤进行混合，然后制成球团矿或块矿,接着在RHF的炉底上铺上12 层的球团矿或块矿。造球的方法是把造球特性好的原料放入圆盘造球机或圆筒造球机制成球状。此外， 也可选择旋转造块机进行造块。球状原料经干燥机预干燥后，装入RHF。球团矿或块矿在RHF内被快速加 热，最高加热温度超过1350C，停留6min12min进行还原后变成DRI,然后排出炉外。由于碳复合球团 矿在炉底上是静态处理的，因此粉尘的发生和粉尘混入废气的现象少，另一方面高
8、温还原反应可以使金属 锌和金属铅在废气中挥发分离。通过转底炉内的二次燃烧，可以有效地利用还原反应产生的CO气体，因此废气中几乎不含未燃物（CO 和H2）。采用热交换器回收废气显热后，废气经冷却、净化处理后被排放到大气中。在这里，挥发分离的 锌和铅在炉内会发生再氧化和固结，可以采用布袋除尘器将其与废气中的煤灰一起除去。因此，FASTMET法是用煤基直接还原法替代气基直接还原法生产DRI的方法，当初是作为用矿石和煤 生产DRI的方法进行开发的。但是，由于生产的DRI存在着因煤的灰分会使铁含量下降和煤的含硫量升高 的问题，因此用铁矿石生产DRI的方法没有取得商业化进展。另一方面，最近基于资源和环保问
9、题的考虑，虽然在炼铁厂内将发生的粉尘进行了循环利用，但含有 高浓度锌的粉尘却难以用现有的烧结机、球团机和高炉进行再利用，这已成为了一个课题。 FASTMET 法将 炼铁粉尘中所含的锌作为粗氧化锌进行分离，除作为锌精炼原料循环利用外，铁成分还可以循环用于 DRI 的生产。FASTMET法由于利用了这些优势，因此它作为炼铁粉尘的处理方法取得了商业化发展。目前，处理炼铁粉尘的商业机有5座在运转（表1）,它们都是把DRI循环用于炼铁和炼钢生产。表 1 FASTMET 商业机的技术条件NSC广畑1号机 NSC广畑2号机 NSC广畑3号机 JFE福山厂KSL加古川厂RHF 供给量1900001900001
10、9000019000014000t/a原材料转炉粉尘转炉粉尘转炉粉尘高炉粉尘高炉粉尘转炉粉尘转炉粉尘电炉粉尘产品应用DRI 供给转炉DRI 供给转炉HBI 供给转炉DRI 供给高炉DRI 供给高炉和转炉RHF 外径，m21.521.521.527.08.5投产日期2000.42005.12008.122009.42001.4采用FASTMET法处理炼铁粉尘时的DRI和二次粉尘（含锌粉尘）的组成示于表2和表3。采用FASTMET 法生产了还原率高的 DRI 和含飞散粉尘（铁成分）少、纯度高的粗氧化锌，它有助于从炼铁粉尘中回收铁 和锌，使它们循环利用。表 2 干球和 DRI 的成分组成（质量分数，
11、 %）T.Fe M.Fe FeOCSZn干球DRI50.04.372.956.217.7 11.116.9 0.20.290.440.330.009表3二次粉尘的成分组成 （质量分数， %）ZnT.Fe粉尘63.41.114 FASTMELT 法如前所述的那样，采用FASTMET法生产的DRI存在着所用煤的灰分和硫含量高的问题。对此，开发了 将 RHF 和熔炼炉组合，把采用 FASTMET 法生产的 DRI 直接在高温下进行熔炼、脱硫和渣分离，生产熔融铁 的FASTMELT法。作为熔炼炉，除了使用电弧炉外，还可以使用通过煤和氧的燃烧获得热能的石灰式熔炼炉。1995 年在 Midrex 公司技术
12、中心的 FASTMET 实验工厂增设了电熔炼炉。从那以后，通过使用各种原料 的FASTMET还原铁的熔炼实验，生产了高质量的铁水，获得了生产工艺参数。关于石灰式熔炼炉， 2006年利用经济产业省的资助金，在加古川炼铁厂内建设了年产 16000t 规模的 实验设备进行铁水生产实验。通过连续实验操作，确认了在高温状态下熔炼以铁矿石和粉尘为原料生产的 DRI,能根据表5所示的碳材的单耗有效地生产出表4所示的高质量的铁水。表 4 装入铁水的化学组成%CSiSP4.3 4.70.150.300.0300.0600.090 0.120表 5 实验工厂和商业机碳单耗的预测项目单位实验工厂（冷 DRI）实验工
13、厂（热 DRI）商业设备（热）DRI 温度25800500铁水生产率t/h111767煤kg/t 铁水1008798707+RHF 用煤kg/t 铁水547517509焦粉 熔炼炉用焦kg/t 铁水461281198炭（装入热 DRI）氧Nm3/t 铁水415237206从RHF排出的DRI的金属化率大约85%RHF安装在比熔炼炉更高的位置，可以使DRI直接落入熔炼炉, 或采用热态输送机等将DRI在高温状态下装入熔炼炉。用电弧炉或石灰式熔炼炉熔融DRI，可以使由煤产 生的灰分和硫移到渣侧，将渣去除后就可生产洁净的铁水。熔炼炉产生的气体以 CO 为主要成分，可以用作 转底炉的燃料。近年来，确保块
14、矿和生产焦炭的原料煤的稳定供给和价格高涨已成为钢铁行业面临的问题，而 FASTMELT 使用粉矿和一般用烟煤就能生产铁水。FASTMELT的商业化生产设备可年产铁水30万t80万t,除作为供 给电炉短流程钢厂的铁源外，还有望成为长流程钢厂增产用的辅助铁源。另外，FASTMELT作为类似规模的铁水生产设备，与最近主要在东南亚地区投产的小型高炉相比，其优 点是没有副产煤气、节能、原料预处理设备和公用设备等附属设备少、设备简单。5 ITmk3 法1995 年在 FASTMET 技术开发过程中，实验炉（转底炉）在高温下运转时发现了金属铁和渣分离生成的 DRI。以此为契机，加紧研究了用碳复合球团矿生产粒
15、铁的ITmk3法。ITmk3法与FASTMET法相同，都是把碳复合球团矿装入RHF,然后在RHF内将DRI还原加热至熔融状态 后对渣进行分离。ITmk3的设计概念与以往的碳复合材生产法不同，可以定位为第3代炼铁法。自1996年以来，神户制钢公司与国内外研究机构合作进行了 ITmk3的基础研究，1999年在神户制钢 公司加古川炼铁厂内建设了实验工厂，对工艺的可行性进行了实验论证。接着， 2002年在美国明尼苏达州建设了示范性实验工厂，获得了实现连续生产和商业化设备建设用的 工艺技术数据，2004年完成了实际试验。2009年在美国明尼苏达州完成了年产50万t规模的商业1号机 的建设， 2010年1月开始商业化生产。中间试验厂、示范性实验厂和商业化厂的技术数据示于表6。表 6 ITmk3 设备的技术条件加古川实验工厂麦萨比示范性实验工厂1 号商业机建设地点KSL 加Northshore
