替代高炉熔融还原仍需技术创新

替代高炉熔融还原仍需技术创新

张京萍

(冶金工业信息标准研究院 北京 100730)

摘 要：鉴于高炉炼铁工艺存在的一些缺点，炼铁工作者不断研究和开发新的熔融还原炼铁工艺，试图替代高炉。从炼铁的基本原理出发，对这些熔融还原炼铁工艺的发展状况和存在的问题进行了分析。要想替代高炉，熔融还原工艺只有通过大量的技术创新，才能完全解决存在的问题，达到安全、可靠和经济的运行。

关键词：炼铁 熔融还原 高炉

0 前言

高炉炼铁工艺以技术完善、设备大型化、长寿化及高生产率而成为现代钢铁生产的主要流程。然而这种工艺流程也存在一些不足之处：如必须使用焦炭，而炼焦煤越来越少，焦炭价格高涨；环境污染严重，特别是炼焦和烧结工艺，污染物排放严重；另外从整个工艺路线看，存在重复加热、降温、增碳、脱碳等，资源、能源的循环使用率低，热能利用不合理。

鉴于高炉炼铁工艺存在的这些缺点，许多炼铁工作者一直在研究新的炼铁工艺来取代高炉工艺。在过去的几十年里出现了很多新的炼铁工艺。所有这些都宣称与高炉工艺相比，具有低消耗，使用未经处理的原料，对环境污染小以及投资低等特点，其研发目标都是要使原料和能量的消耗最小化。

1 直接还原与间接还原

根据炼铁理论，氧化铁被还原成金属铁的过程，首先是将Fe³ 部分还原成Fe² 和Fe₃O₄，其中铁以Fe³ 和Fe² 形式存在。通过进一步还原，所有铁离子以Fen形式存在。在最后的还原中，Fe² 被还原，形成金属铁。金属铁和总铁含量的百分比被定义为金属化率。最后，熔融的铁通过渗碳反应生成Fe₃C，其中碳含量约6．7％。高炉和大多数熔融还原工艺产生的铁水的碳含量在4％～5％。

通过碳热还原获得金属铁有两种形式，即直接还原和间接还原。如果所有的还原反应都是由碳元素进行的，则被称为直接还原。

Fe₂O₃＋3C→2Fe＋3CO

如果所有的还原反应是由还原性气体，如一氧化碳或氢气来进行还原的，则被称为间接还原。

3Fe₂O₃ CO→2Fe₃O₄ CO₂

Fe₃O₄ CO→3FeO CO₂

FeO CO→Fe CO₂

由于用氢气进行还原只生成水蒸汽，不会生成二氧化碳，所以对环境保护非常有利。间接还原时，还原性气体的流动方式对气体的有效利用率有很大影响。

通常采用还原竖炉进行的是间接还原。竖炉中气流的方向可以与矿石的流向相同，称为同向流动。如果气流与矿石的流向相反，称为逆向流动。

从化学计算的角度看，以上化学反应，产生的气体都是二氧化碳，与还原性气体和矿石的流动方向无关。这样，所有的矿石都应被还原成海绵铁，金属化率应达100％。

实际上，气体利用率是不可能达到100％的。根据一氧化碳气体和矿石之间的反应平衡方程，还原过程中，不是所有的一氧化碳气体都能被利用。间接还原需要比通过化学计算得出的量多得多的气体。这是因为还原到一定程度，不能进一步发生还原反应，在FeO阶段停止，不能产生金属铁。

逆向流动有利于反应的进行，因为可以在一氧化碳含量较低的条件下，100％还原矿石。这样，气体的利用率比同向流动时要高。如果降低还原率，气体的利用率能升高到接近90％。这显示出在预还原阶段，逆向流动的重要性。

炼铁工作者为将氧化铁还原成金属铁，试验了大量方法，但结果证明只有很少的方法在技术上可行。可以将这些方法概括为用碳作为主要还原剂的方法，还原过程或者是直接还原或者是间接还原，或者是两者兼有。

直接还原——这过程没有预还原发生，氧化铁被熔化后，被碳直接还原。这一过程要消耗大量的碳，以提供矿石，铁和渣的还原能，加热和熔融，产生的一氧化碳在熔融反应器里留下大量的化学能和显热。

间接还原——100％预还原发生，此过程需要碳为间接还原生成足够的一氧化碳，而且比化学计算的要高。此外，还要为熔化海绵铁和渣提供热量。气体的显热只能部分利用。

直接还原和间接还原——反应生成的一氧化碳能将矿石部分预还原，获得一定的金属化率，终还原是直接还原。

高炉炼铁工艺是目前将间接还原和直接还原相结合的最佳工艺，还原气体的利用率相对较高。还原剂的消耗量大幅降低：铁水的质量很高。此外，高炉炼铁工艺采用的是逆流操作，这有利于传热和传质的进行。

不过，高炉炼铁工艺需要使用焦炭，需要块状的含铁料，如烧结矿，球团矿或块矿等。

为了减少焦炭的用量，采用了高炉喷煤或喷其他替代料等方法。还有一些其他方法仍在试验之中，如用纯氧或高炉煤气循环进一步改善高炉效率，使二氧化碳的排放量减到最少。

尽管如此，一些炼铁工作者并不认为高炉工艺是最佳的炼铁工艺，他们认为最佳的炼铁工艺应满足以下要求：直接使用未处理的粉矿；使用块煤或粉煤，煤压块，生物还原剂，如木炭，以及其他未经处理的燃料；逆流操作，以获得最好的传热和传质；有效利用排出气体具有的能源。

2 熔融还原工艺

为满足以上要求，炼铁工作者试验了许多新的生产铁水的工艺，有些还进行了中试并建立了示范厂，其中有些取得了成功。其中所开发的许多工艺应用了预还原技术，只是还原程度不同而已。可以将这些熔融还原工艺分为一步法和二步法，以下进行简要介绍。

2．1 一步法工艺

ROMELT，AusIron，HIsmelt和Hisarna工艺是采用一步法的典型工艺。这些工艺几乎都没有预还原过程，不能实现理想的逆向流动，而且由于压力有限，要求气体量要大，设备的容积要大。

在这些工艺中，矿石、熔剂和燃料被装进同一反应器。所有的反应及矿石和熔剂的熔融都在这一反应器中发生。所需的能量大多数是通过含碳燃料气化获得。在反应器中矿石被还原，渣和铁水靠重力分离。由于采用的是单一反应器，熔化和还原反应及气化反应是发生在反应器的不同位置的。由于矿石被连续加入反应器中，渣中会含有很高的FeO，这抑制了脱硫，造成铁损。渣中FeO含量高，对耐火材料的侵蚀也很严重，由于采用水冷却板，导致了热量损失，这些都是这类工艺的缺点。

1)Romelt工艺。

Romelt工艺是将粉粒状的含铁料，熔剂和煤从反应器上部装入。与煤气化反应发生的同时，氧气、铁水和渣靠重力分离并连续排出。过剩的气体在第二级烧嘴处二次燃烧，显热被回收。

该工艺采用两种造渣制度。主要的冶金反应和煤气化反应发生在反应器上部，产生泡沫渣。在氧气烧嘴的下面，形成高密度的渣，渣中会发生脱硫和FeO的终还原。印度国家矿山开发公司(NMDC)的Bailadila矿山曾建了一座30万t／a采用Romeh工艺的装置，采用粉矿和尾矿生产。该装置由于技术原因于2005年停产。

2)AusIron工艺。

AusIron工艺也是采用一步法，与Romelt工艺类似，将原料从反应器顶部装入渣池，所有反应一起发生。为利用反应的化学能，应用了气体的二次燃烧，显热也被回收。由于耐火材料经受不住渣的恶劣侵蚀，同Romelt工艺一样，反应器上部装备了水冷板。还开发了特殊的烧嘴，该烧嘴有两个出口：较低的一个浸入到渣里，较高的一个用于二次燃烧。

3)HIsmelt工艺。

HIsmelt工艺是20世纪80年在德国开始研究的。1991年，在澳大利亚建了第一个中间试验厂，采用的是水平放置的反应器，1997年建了一个立式的反应器，类似于现在示范厂里的反应器。目前，HIsmelt反应器装的是预热的但未预还原的矿石。粉矿，非炼焦煤和熔剂通过水冷枪被直接喷入铁水／渣熔池，在熔池里几秒钟之内发生反应，实现下部铁水区的还原和上部区域的二次燃烧(采用富氧热风)。这些反应产生的热在该区域被渣捕集，并被传导到铁水／渣熔池，维持反应的进行。铁水从前炉连续排出，渣是定期从炉钢上部的渣口排出。

在西澳大利亚的奎纳纳工厂于2003年动工建设，2005年4月开始热调试，涉及产能是80万t／a。现正计划建一个200万t／a商业化工厂。从投产到2007年底，产量总计大约22．5万t。由于改进了设备，产量能从开始的350 t／d提高到近期的1000 t／d。但是该工业作业率低，铁水含硫量高。由于众多原因，现在该厂处于“停炉维护”阶段，预计将持续到2010年。

4)Hisarna工艺。

2008年9月，宣布了所谓的Hisaina工艺，这是将以前的Isarna与HIsmelt反应器进行组合的新工艺。

这一新的工艺将在“超低二氧化碳排放(ULCOS)”项目下进行开发，将在德国的撒斯特建一个产能为6．5万t／a的中间试验工厂，计划于2010年初投产，预计将进行为期3年的小规模试验阶段。

该工艺起源于以前的Isama工艺。Isarna是基于熔池熔融的技术，在反应器中结合了煤预热和部分高温分解。南于该工艺的用煤量相当少，所以二氧化碳的排放量也减少。而且，工艺过程灵活，允许用生物燃料，天然气或氢替代一部分煤。

2．2 二步法工艺

这些工艺生产金属化率达100％的海绵铁，然后在一个独立的熔化炉里或一个整合的熔融段将海绵铁熔化。这些工艺中以Fastmelt，ITmk3，Redsmelt和以前的KR工艺较典型。采用的是逆向流动操作。

1)Fastmelt工艺。

Fastreelt工艺是由Midrex开发的，是基于生产直接还原铁的Fastmet工艺。所有的原料都被磨成粉，制成球。在转底炉将球团干燥后，球团在15min内被金属化成海绵铁。在之后的熔炼炉里，使用电能熔化成铁水和渣。

据报道，该工艺铁水的质量与高炉炼出的铁水类似。碳含量在3％～4．5％之间。显热被回收再利用，如用于蒸汽发电。

2)ITmk3工艺。

这一工艺是Midrex与日本神户公司联合开发的，被称为第三代炼铁法(Iron making Technology Marlk Three”)。该工艺采用的是与Fastmet，工艺相同类型的转底炉，主要原料是铁矿和煤，其他装入料作为补充。将料混和成团块和喂料的步骤是一样的，但转底炉的操作不同。在转底炉的最后一个区域，升高温度，使矿石熔化并使其很容易地与脉石分离。产品为粒铁，含96％～97％的铁，2．5％～3％的碳，尺寸为5～25 mm。

现在，神户制钢和美国钢动力公司正在美国Minnesota的Hovt Lakes采用ITmk3技术建一座产能为50万t／a的炼铁厂，为钢动力公司生产粒铁。总投资预计达2．35亿美元，计划于2009年中期试运行。

2．3 理想的熔融还原工艺

Kawasaki—XR，Sumitomo SC，Corex和Finex等工艺被认为是理想的熔融还原工艺。在这些工艺中，只有两种实现了商业化运行，即Corex和Finex工艺。只有Finex工艺能使用未经处理的粉矿。这在Kawasaki—XR工艺中也计划了，但该工艺从未实现商业化运行，这是因为川崎加入了JFE集团，而JFE集团开发了DIOS工艺。DIOS工艺的示范厂在1995年以前运行过。

1)Corex工艺。

Corex工艺突出的特点是使用传统的煤替代炼焦煤。由于不使用焦炭，因此也就不需要焦化厂，减少了一大污染源，所以与高炉相比，具有环保优势。

Corex工艺分为两步。首先是一个还原竖炉，矿石在竖炉里被一氧化碳还原成海绵铁，矿石和气体是逆向流动。其次海绵铁的终还原是在熔融气化炉内进行。在熔融气化炉内，也发生碳的气化反应。由于熔融气化炉的较低部分温度高，被还原的矿石熔化，出铁，之后炼钢。

2)Finex工艺。

Finex工艺使用的是块煤，粉煤和未经处理的粉矿，如烧结料。粉矿和石灰石，白云石等熔剂一起被装进一系列流化床反应器。粉矿沿向下的方向通过四个反应器，在这一过程中被加热，并被与之逆向流动的由煤气化产生的还原性气体还原成直接还原铁。从最后一个反应器出来的热的直接还原铁被压缩成热压铁(HCI：hot compacted iron)，之后热压铁被运到熔融气化炉顶，装进熔融气化炉，被熔化。出来的铁水质量与高炉和Corex厂生产的铁水质量相媲美。

压成块的煤或块煤被从熔融气化炉顶部装入，而煤粉和氧气一起被喷人炉内。煤被气化，产生的还原性气体主要成分是一氧化碳和氢气。从熔融气化炉顶部出来的气体被引到流化床反应器，还原矿粉。从流化床反应器顶部出来的燃烧后的一部分还原性气体，被除去二氧化碳后，又被循环利用，就有较高的气体利用率。煤与氧的气化反应生成的热也被用于将热压铁熔化成铁水，同时形成液态渣。出铁和出渣的操作与高炉一样。

从Finex工艺产生的富余煤气能内部循环，也是有价值的副产品，可以用于各种工业用途，如给钢厂供热，发电或生产DRI／HBI。

3 结论

在过去的几十年里，出现了很多试图替代高炉的炼铁工艺，其中只有很少一部分能连续可靠生产。这些熔融还原炼铁工艺的目标之一是不使用焦炭，但目前还难以完全实现。很多土艺存在的主要问题是耐火材料的问题，以及装备和原燃料消耗问题，由于不能实现逆向流动，所以消耗的原燃料与开发初期的设想相差甚远。同时证明，不可能通过低投资和低运营成本实现理想的生产。

HIsmelt工艺的可靠性仍有待验证，目前还未能实现商业化运行。转底炉工艺存在的问题是冶炼环境恶劣。实现了商业化运行的两种工艺中，Corex被认为是最成熟的熔融还原炼铁技术，但仍存在很多问题，如对精料要求高，燃料比高等。Finex工艺由于满足了最佳熔融还原工艺的要求而具有很高的潜力。将来，还要尝试直接将DRI粉装入熔融气化炉。这将省去将从流化床反应器出来的热的DRI压缩成块的成本。

所有开发的熔融还原工艺的二氧化碳排放量都比高炉炼铁多。2008年日本提出COURSE50研究项目，核心内容是对高炉煤气和焦炉煤气的处理和有效利用，化学吸附和物理吸附两种方法脱除高炉煤气中的二氧化碳，对焦炉煤气进行改质，增加氢含量，再用于还原铁矿石。或许这才是今后炼铁工艺的发展方向。