中国直接还原技术的发展现状及展望

中国冶金

ChinaMetallurgy

Vol.16,No.5 May2006

中国直接还原技术的发展现状及展望

冯燕波1, 曹维成2, 杨双平1, 宋永辉1

(1.西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西西安710055;2.西安华钼新材料股份有限公司,陕西西安710100)

摘 要:回顾了直接还原技术的发展过程。结合生产实际,对直接还原工艺做了简明的分类。重点介绍了几个气基法和煤基法直接还原技术的典型工艺流程。根据目前国内钢铁工业的现状,指出了中国钢铁工业的特点及发展趋势以及在新世纪发展直接还原铁(DRI)技术的必要性和紧迫性。依据现有能源、资源的结构特点,展望了直接还原技术的发展前景。

关键词:DRI;直接还原;工艺流程;前景展望

中图分类号:TF55 文献标识码:A 文章编号:1006-9356(2006)05-0010-04

DevelopmentandProspectonDirectReduction

TechnologyinChina

FENGYan-bo, CAOWe-icheng, YANGShuang-ping, SONGYong-hui

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(1.MetallurgicalEngineeringCollege,Xi.anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi.an710055,Shanxi,China;2.Xi.anChinaMolybdenumNewMaterialsCo.,Ltd.,Xi.an710100,Shanxi,China)Abstract:Thedevelopmentofthedirectreductiontechnologyisreviewedbriefly.Theclassificationsaregivenac-cordingtotheproductionandthemaindirectreductionprocessesareintroduced.ThefeaturesanddevelopmenttendencyaswellasthenecessityandurgencyoftheDRItechnologyinthenewcenturyarepointedoutaccordingtothecurrentsituationofChinesesteelindustry.ThedevelopmentprospectofthedirectreductiontechnologybasedonthefeaturesofenergyandresourceinChinaisalsopresented.Keywords:DRI;directreduction;technologicalprocess;prospect

20世纪中期以来,随着世界能源结构的调整和钢铁生产技术的不断发展和完善,发达国家都把非高炉炼铁工艺作为钢铁工业的一次革命,放到较高的战略位置去考虑。而中国的钢铁工业要摆脱目前的不利局面,也要在新技术开发上进行改革性、超前性的研究。直接还原炼铁新技术作为新兴的、开拓性的前沿技术之一,可有效地克服高炉炼铁投资大、

能耗高、流程长等缺点,能更好地适应现代钢铁企业不断向紧凑化、高效化、连续化、高洁净化及对环境友好方向发展的趋势,必将成为本世纪钢铁生产技术的重要发展方向。

害元素含量低、粒度均匀,可很好地补充废钢资源的不足,且作为电炉炼钢的原料和转炉炼钢的冷却剂,对保证钢材的质量,特别是合金钢的质量,起着不可替代的作用,是炼钢的优质原料。

直接还原法的产生已有200多年的历史。早在1770年,英国就出现了世界上第一个直接还原法专利,但真正跨入工业化生产的行列,还得从20世纪50年代算起。世界能源结构的变化,焦炭供应紧张和石油危机的影响,以及电炉炼钢能力和产量的迅速增长,使得非高炉炼铁的直接还原技术在钢铁企业中得到了前所未有的重视。

20世纪70年代,直接还原技术在国外得到迅

猛发展,美国、西德、日本等发达国家相继建立了百万吨的大型直接还原工厂。在快速发展的过程中,研究人员不断摸索并开发了数百种直接还原方案。1968年Midrex直接还原法的投产成功,

[2]

1 直接还原技术发展现状

直接还原是指铁矿石或含铁氧化物在低于熔化温度之下还原成固态金属产品的炼铁过程[1],其所得产品称为直接还原铁(DRI)。DRI成分稳定,有

作者简介:冯燕波(1981-),男,硕士,助教; E-mail:gordon18000@126.com; 修订日期:2006-01-20

第5期 冯燕波等:中国直接还原技术的发展现状及展望

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直接导致了直接还原铁生产的迅速发展,产量稳步上升。1970年世界海绵铁产量达79万t,2003年增长到4600万t。日本神户预测,2005年直接还原铁产量达7700万t,到2010年将达10700万t[3]。

随着产量的增加,直接还原冶炼工艺也在不断推陈出新。目前,世界上已应用和正在试验研究的直接还原工艺有40多种,而应用于大规模生产的有20多种。直接还原工艺按其主体能源的不同,可分为气基直接还原、煤基直接还原和电热直接还原三大类。其中,电热直接还原因消耗大量电力而多已停产;另两类是直接还原铁生产的主要方法,现分类介绍如下。1.1 气基直接还原

气基直接还原是指以还原性气体(主要指天然

气)做还原剂的直接还原工艺。由于此法具有能耗低、生产规模大、生产效率高、易操作等优点,故自问世以来就得到了钢铁企业的青睐,发展势头强劲,目前已成为海绵铁生产的最主要方法。其产量已占到世界DRI总产量的90%以上。但该方法主要是以一次能源(天然气)为还原剂,受地理环境影响很大,其主要分布在中东、南美等天然气资源较丰富的地区。气基直接还原的代表工艺有HYL-Ⅲ法、Midrex竖炉法、流态化法等。1.1.1 HYL-Ⅲ法

HojalataLamiaS.A.公司开发成功的HYL-Ⅲ还原工艺流程是在间歇式固定床反应罐式法(HYL-Ⅰ和HYL-Ⅱ)的基础上演化而来的。1980年,第一套年产25万t的HYL-Ⅲ装置流程改造成功并投入生产。其工艺流程见图1。

[2]

图1 HYL-Ⅲ法生产工艺基本流程

Fig.1 FlowchartofHYL-Ⅲdirectreductionprocess

HYL-Ⅲ流程的原料为球团矿或天然块矿。还

原气以天然气为原料通过催化裂化反应而制得。天然气和部分炉顶煤气作为还原气转化炉的原料。加热炉产生的大量高温还原气体在竖炉的中间部位进入还原区,通过与矿石的对流运动完成对炉料的预热和还原,最后由炉顶排出而进入洗涤装置。在竖炉还原区被还原得到的海绵铁逐渐下降进入冷却段,当温度降至足够低(<50e)时,可排出竖炉。1.1.2 Midrex竖炉法

由MidlandRoss公司开发成功的Midrex竖炉法是当今世界气基直接还原铁生产技术的主导工艺之一。目前,它已发展成为占直接还原铁市场60%

以上的主要方法。其工艺流程见图2

[4]

。

该工艺所用原料亦为球团矿或天然块矿,还原气由天然气经催化裂化(裂化剂为炉顶煤气)而制取。炉料在竖炉内被天然气还原,生成DRI。由于该工艺生产指标较高,且需供应充裕的天然气,因此不能作为中国主要的发展方向来研究。当然,在一些石油、天然气相对富裕的地区可适当发展。1.2 煤基直接还原

以固体(煤炭等)作还原剂生产直接还原铁的方法称为煤基直接还原法。煤基直接还原法主要用廉价的非焦煤为还原剂,可有效避免气基法的地域限制。但该方法有易结圈结瘤、生产规模小、生产效率12

中国冶金 第16卷

中国煤炭资源(尤其是非焦煤)的储量相当丰富,应用煤基法来生产直接还原铁的工艺理应成为中国的首选工艺[5]。目前,在国内实施的煤基法工艺主要有:隧道窑工艺、回转窑工艺和倒焰窑工艺等。其中机械化、自动化程度较高的Fastmet法和CODIR回转窑法等都是先进、经济、可靠且可借鉴的工艺。

1.2.1 Fastmet法

Fastmet法是采用环形回转炉生产直接还原铁的一种方法。该方法用煤粉和铁矿粉作原料,制成的冷固结含炭球团矿在炉中不依靠焦炭和天然气而实现高温还原[6]。其工艺流程见图3[7]。铁精矿、煤

图2 Midrex法生产工艺基本流程

Fig.2 FlowchartofMidrexdirectreductionprocess

粉和粘结剂经混合搅拌器造球后直接装入干燥器或转底炉。在1250~1350e的高温下,随着炉底的旋转,约有90%~95%的氧化铁被还原成DRI。炉料依次经预热、还原区、中性区,反应毕卸入砌有耐火材料的热运输罐内或快速冷却[8]。

低等弊端,目前主要分布在南非、印度、新西兰等一些天然气资源缺乏,但却拥有优质的铁矿和丰富煤

炭资源的地区。

图3 Fastmet法工艺流程

Fig.3 FlowchartofFastmetdirectreductionprocess

1.2.2 CODIR回转窑工艺

由德国Krupp公司在WELZE和KRUPP-RENN流程基础上,开发成功的CODIR回转窑工艺流程,在整个煤基还原法中占据重要位置。其主要工艺流程见图4[2]。该工艺原料可为球团矿、块矿,也可为粉矿,还原剂采用挥发分较小的高活性煤,脱硫剂用石灰石或白云石。炉料、还原煤和脱硫剂从回转窑尾部进入窑内后在与炉气逆向运动过程中将矿石还原为海绵铁。

CODIR回转窑工艺流程中约占总量70%的还原煤由窑头用压缩空气喷入,因此较好地抑制了再氧化和结圈现象。冷却筒采用间接和直接水冷相结图4 煤基回转窑法工艺流程

Fig.4 FlowchartofCODIRdirectreductionprocess第5期 冯燕波等:中国直接还原技术的发展现状及展望

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合的方式,提高了设备的作业率,有利于回转窑的连续、稳定生产,在多种回转窑工艺中具有较突出的优势。早在1973年,南非Dunswart公司年产15万t海绵铁的CODIR回转窑工业装置就已投产。它是一种适合于中国实际情况且较为有发展前途的方法之一。

当的发展气基直接还原技术也是可行的。

3 结 论

(1)目前,中国生铁的主要生产方法仍以高炉炼铁为主。但随着高炉炼铁种种弊端的显露,新兴的直接还原生产海绵铁的方法在能源结构极度严峻的21世纪,必将对钢铁工业的发展产生深远影响。 (2)煤炭资源总量丰富、焦煤短缺,铁矿资源储量大、富矿少、贫矿和共生矿多是中国钢铁工业面临的现实状况。这种能源、资源结构决定了传统高炉-转炉生产流程在钢铁工业发展中的局限,给直接还原法生产海绵铁的发展提供了机遇。

(3)为适应钢铁生产的需要,进一步提升国内钢铁的市场竞争力,提高钢铁产品的质量,加大直接还原铁(海绵铁)的生产力度是一个行之有效的途径。 (4)在众多的直接还原工艺中,气基直接还原法占据了主导地位,但该方法对石油、天然气的依赖限制了其在国内的发展。因此,大力发展煤基直接还原是中国钢铁工业的必然趋势。

参考文献:

[1] 游锦洲,周国凡,于仲洁,等.热态直接还原铁防再氧化初步研

究[J].钢铁,1999,34(11):5-6.

[2] 方 觉,郝素菊,李振国,等.非高炉炼铁工艺与理论[M].北

京:冶金工业出版社,2002.

[3] 邱冠周,姜 涛,徐经沧,等.冷固结球团直接还原[M].长沙:

中南大学出版社,2001.

[4] 杜俊峰,袁守谦.积极发展直接还原铁(DRI)生产技术,应对21

世纪电炉废钢紧缺的挑战[J].工业加热,2002,(2):1-4.[5] 张清岑,邱冠周,李贵奇,等.用煤基直接还原法生产高纯铁粉

[J].中南工业大学学报,1998,29(1):18-21.

[6] HOFFMANGE,HARADA.AStatusReportonFASTMET

ProcessFromtheKakogawaDemonstrationPlant[J].IronandSteelmaker,1997,24(5):51-53.

[7] 周 强.直接还原新技术[J].烧结球团,1999,24(1):24-28.[8] 阴继翔.煤基直接还原技术的发展[J].太原理工大学学报,

2000,31(3):314-315.

[9] 杨天钧,黄典冰,孔令坛.熔融还原[M].北京:冶金工业出版

社,1998.

2 中国直接还原铁生产展望

中国是全球最大的产钢国,已连续十多年保持钢铁产量世界第一,但其能源、资源和钢铁工业发展现状与这一水平存在较大矛盾。在国内钢铁企业

中,传统的高炉-转炉流程仍占据主流,而这一流程对优质冶金焦的依赖极为强烈。中国煤炭资源丰富,但品种质量不高。据统计,世界上可供经济开采的煤炭总储量(8987189亿t)中焦煤只占10%左右,中国焦煤也只占煤炭总储量的19.61%[9],而且约62%的焦煤储量集中在华北地区,其他省区则相对很少。中国的铁矿资源储量很大,但富矿少,贫矿和共生矿多且极为分散。能源、资源的现状决定了中国钢铁企业要想继续保持强劲的发展势头,就必须逐步改变传统生产方式,加大探索包括直接还原在内的非高炉炼铁生产方式的力度。

中国虽是世界产钢大国,但却不是钢铁强国,钢铁的品种和质量还不能与发达国家相媲美,一些稀缺的优质钢和特种钢还要从国外进口,而海绵铁正是生产优质钢和特种钢的必备原材料之一。今后,随着对钢铁产品品种和质量要求的不断提高,发展电炉短流程炼钢势在必行,而用直接还原铁(海绵铁)补充中国废钢的不足,将是必然的结果。 总体来说,目前气基法生产海绵铁的技术较为成熟,产品质量也较好。但受天然气资源和开发的限制,在中国不适合大批发展气基直接还原法。中国煤炭资源丰富,尤其是非焦煤储量很大,为发展煤基工艺提供了有利条件。因此,煤基法生产直接还原铁工艺是中国的首选工艺。此外,随着近几年来中国能源战略的调整,天然气、石油资源的开拓、开发,利用煤制气或地区性丰富的焦炉煤气资源等,适