煤基直接還原煉鐵技術(shù)及非高爐煉鐵能耗分析

1、煤基直接還原煉鐵技術(shù)及非高爐煉鐵能耗分析摘 要：非高爐煉鐵技術(shù)或稱非焦煉鐵技術(shù)是當(dāng)今鋼鐵生產(chǎn)工藝中最受關(guān)注的技術(shù)之一。依產(chǎn)品的形態(tài)不同,非高爐煉鐵技術(shù)可分為熔融還原與直接還原兩種工藝方法。直接還原是以非焦煤為能源,在不熔化不造渣的條件下,原料保持原有物理形態(tài),鐵的氧化物 經(jīng)還原獲得以金屬鐵為主要成分的固態(tài)產(chǎn)品的技術(shù)方法。直接還原煉鐵工藝分為氣基直接還原和煤基直接還原,氣基直接還原煉鐵工藝是最主要的直接還原煉鐵技術(shù)，其產(chǎn)量占到直接還原煉鐵的 90左右，煤基直接還原煉鐵，目前以回轉(zhuǎn)窯為主，也是最主要的煤基直接還原煉鐵工藝。關(guān)鍵詞：非高爐煉鐵； 直接還原； 熔融還原； 煤基； 氣基近代高爐已有數(shù)百年

2、歷史，其工藝已達(dá)到相當(dāng)完善的地步。高爐反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是熱效率高、技術(shù)完善,設(shè)備已大型化、長(zhǎng)壽化,單座高爐年產(chǎn)鐵最高可達(dá)400 萬(wàn)t左右,一代爐役的產(chǎn)鐵量可達(dá)5000萬(wàn)t以上,可以說(shuō),沒(méi)有現(xiàn)代化的大型高爐就沒(méi)有現(xiàn)代化的鋼鐵工業(yè)大生產(chǎn)。但是在它日益完善和大型化的同時(shí)，也帶來(lái)了流程長(zhǎng)、投資大以及污染環(huán)境等問(wèn)題。高爐工藝流程存在以下問(wèn)題:一是高爐必須要用較多焦炭,而煉焦煤越來(lái)越少,焦炭越來(lái)越貴;二是環(huán)境污染嚴(yán)重,特別是焦?fàn)t的水污染物粉塵排放燒結(jié)的SO2粉塵排放,高爐的CO2排放很高；三是傳統(tǒng)煉鐵流程長(zhǎng),投資大；四是從鐵、燒、焦全系統(tǒng)看重復(fù)加熱、降溫,增碳、脫碳,資源、能源循環(huán)使用率低,熱能利用不合理。高

3、爐法雖然仍是當(dāng)今煉鐵生產(chǎn)的主體流程,但非高爐煉鐵法已成為煉鐵技術(shù)發(fā)展的方向。非高爐煉鐵技術(shù)或稱非焦煉鐵技術(shù)是當(dāng)今鋼鐵生產(chǎn)工藝中最受關(guān)注的技術(shù)之一。依產(chǎn)品的形態(tài)不同,非高爐煉鐵技術(shù)可分為熔融還原與直接還原兩種工藝方法。隨著世界上廢鋼鐵積累日益減少，電爐流程迅速發(fā)展，這就要求采用直接還原新工藝，生產(chǎn)出的海綿鐵供電爐煉鋼。此外，由于煉焦煤資源日漸短缺，焦?fàn)t逐漸老化以及人們對(duì)焦?fàn)t污染日益關(guān)注，八十年代以來(lái)，各發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛謀求開(kāi)發(fā)另外的無(wú)焦煉鐵工藝熔融還原，其中Corex流程已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。綜合起來(lái)看，當(dāng)前煉鐵工藝正朝著少焦或無(wú)焦煉鐵方向發(fā)展，而直接還原與熔融還原技術(shù)正適合這種發(fā)展方向。所以說(shuō)我國(guó)應(yīng)適

4、度發(fā)展直接還原與熔融還原技術(shù)。直接還原是以非焦煤為能源,在不熔化不造渣的條件下,原料保持原有物理形態(tài),鐵的氧化物 經(jīng)還原獲得以金屬鐵為主要成分的固態(tài)產(chǎn)品的技術(shù)方法。熔融還原是以非焦煤為能源,鐵礦物在高溫熔融狀態(tài)下完成還原過(guò)程,獲得液態(tài)鐵水的技術(shù)方法。由于優(yōu)質(zhì)廢鋼資源的短缺，海綿鐵作為電爐鋼重要的原料之一受到重視與發(fā)展。直接還原煉鐵工藝分為氣基直接還原和煤基直接還原,氣基直接還原煉鐵工藝是最主要的直接還原煉鐵技術(shù)，其產(chǎn)量占到直接還原煉鐵的 90左右，氣基直接還原煉鐵使用天然氣重整制備高質(zhì)量的富氫氣體（75%H225%CO）作為還原劑，以豎爐作為還原反應(yīng)器，氣固充分接觸，還原反應(yīng)與熱量交換好，因此

5、，反應(yīng)器效率高，噸鐵能耗低。由于我國(guó)的天然氣資源短缺，難以用于生產(chǎn)海綿鐵。直接還原的產(chǎn)品直接還原鐵(DRD是鐵氧化物在不熔化、不造渣且在固態(tài)下還原生成 的金屬鐵產(chǎn)品。為提高產(chǎn)品的抗氧化能力和體積密度, DRI熱態(tài)下擠壓成形的產(chǎn)品稱為熱壓塊( HBI) , DRI冷態(tài)下擠壓成形的產(chǎn)品稱為DRI壓塊。煤基直接還原煉鐵，目前以回轉(zhuǎn)窯為主，也是最主要的煤基直接還原煉鐵工藝，另外還存在隧道窯直接還原煉鐵工藝，近年來(lái)，以處理鋼鐵廠廢棄物的轉(zhuǎn)底爐工藝，我國(guó)也在嘗試變成直接還原煉鐵工藝。1 煤基直接還原煉鐵的幾種工藝1.1 回轉(zhuǎn)窯工藝目前，在全世界的煤基直接還原煉鐵工藝中，回轉(zhuǎn)窯流程約占煤基直接還原煉鐵總產(chǎn)量

6、的 95以上。回轉(zhuǎn)窯工藝有三種，分為一步法、二步法和冷固結(jié)球團(tuán)法。“一步法”是指把細(xì)磨鐵精礦造球，在鏈篦機(jī)上經(jīng)干燥、900 預(yù)熱，直接送入回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行固結(jié)和還原，所有工序在一條流水線上連續(xù)完成。 “二步法”是將上述工藝過(guò)程分兩步來(lái)完成，即先把鐵精礦造球，經(jīng) 1300高溫氧化焙燒，制成氧化球團(tuán)；然后再將氧化球團(tuán)送入回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行還原；兩個(gè)工藝可以分別在兩地獨(dú)立進(jìn)行，故稱“二步法”。冷固結(jié)球團(tuán)法是在磁鐵礦精粉中加入少量特制的復(fù)合型粘合劑造球，在 200左右干燥固結(jié)，然后送入回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行還原，省去了高溫焙燒氧化固結(jié)過(guò)程?；剞D(zhuǎn)窯法最著名的為SL-RN流程，是由SL流程和RN流程結(jié)合而成的。開(kāi)發(fā)者為加拿大的St

7、eel Co Ltd、德國(guó)的Lurgi A. G.、美國(guó)的Republic Steel有限公司和National Lead公司，S、L、R、N 即這四個(gè)開(kāi)發(fā)者的首字母。該流程于1954 年開(kāi)發(fā)完成，在 1969 年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，在澳大利亞建成第一座30mSL-RN工業(yè)回轉(zhuǎn)窯，之后得到了較快的發(fā)展。1.2 隧道窯工藝隧道窯法是由E·Sieurin于1908年發(fā)明的。它使用外熱式反應(yīng)罐和隧道窯，窯體可分為加熱、還原和冷卻三個(gè)區(qū)域。在還原段裝有燃燒器，以液體或氣體燃料為能源使還原段溫度保持在1200左右，還原段高溫爐氣向加熱段流動(dòng)，對(duì)反應(yīng)罐進(jìn)行預(yù)熱，使其溫度隨著向還原段的逐漸接近而逐步提高。

8、臺(tái)車進(jìn)入還原段后，煤氣化反應(yīng)放出大量CO，使礦粉得到還原，生成海綿鐵。還原完成后，臺(tái)車進(jìn)入冷卻段，冷卻段中有一股由吸入的冷空氣形成的氣流，在氣流中，密封的反應(yīng)罐逐步冷卻至常溫。出窯后，將海綿鐵取出，去掉殘煤和灰分即可得到產(chǎn)品。該工藝可用于生產(chǎn)粉末冶金用鐵粉和海綿鐵。反應(yīng)罐的材質(zhì)多為SiC或黏土，SiC 罐耐用，導(dǎo)熱性好，成本較高；黏土罐造價(jià)低，但性能較差。反應(yīng)罐內(nèi)礦粉和還原劑分層裝入罐內(nèi)，還原劑采用煤粉，混入石灰石粉作為脫硫劑。隧道窯生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)：（1）原料、還原劑、燃料容易解決；（2）生產(chǎn)工藝易掌握，生產(chǎn)過(guò)程易控制；（3）設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量均勻。窯爐是海綿鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。2004 年

9、之前，我國(guó)部分海綿鐵生產(chǎn)廠家從倒焰窯改為煤燒隧道窯，使還原工段設(shè)備檔次上升了一個(gè)臺(tái)階。但煤燒隧道窯存在環(huán)境污染、能耗高等問(wèn)題，根據(jù)國(guó)家的環(huán)保政策，隧道窯煤氣化已勢(shì)在必行，2005年開(kāi)始，我國(guó)新上的海綿鐵項(xiàng)目絕大部分采用了煤氣，加之國(guó)家行業(yè)管理部門提倡鼓勵(lì)新上長(zhǎng)窯、大窯，以形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)、降低能耗和提高經(jīng)濟(jì)效益，在這種背景下，新一代大型煤氣隧道窯應(yīng)運(yùn)而生。煤基隧道窯還原主要用于生產(chǎn)高純鐵粉，金屬化率要求大于 95，因此，造成特殊的布料方式（環(huán)行布料）， 傳統(tǒng)煤基隧道窯還原窯內(nèi)溫度控制在1180 1200，噸鐵煤耗高達(dá)1500kg，罐材壽命短、冶煉周期長(zhǎng)（約 4050 h，包括預(yù)熱、加熱與冷卻段）。

10、1.3 轉(zhuǎn)底爐技術(shù)1.3.1 Fastmet 工藝轉(zhuǎn)底爐起源于環(huán)形加熱爐，原用于軋鋼鋼坯的加熱，近年來(lái)被移植用于鋼鐵廠粉塵的處理，進(jìn)而演化成煉鐵設(shè)施。轉(zhuǎn)底爐可用于生產(chǎn)金屬化球團(tuán)礦，為鋼鐵公司處理粉塵。Fastmet流程主體設(shè)備是轉(zhuǎn)底爐 。轉(zhuǎn)底爐呈密封的圓盤狀，爐底在運(yùn)行中以垂線為軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。兩側(cè)爐壁上設(shè)有燃燒器為爐內(nèi)提供所需熱量。利用粉狀還原劑和粘結(jié)劑與鐵精礦混合均勻制成球團(tuán)，經(jīng)干燥后送入轉(zhuǎn)底爐，均勻地鋪放于旋轉(zhuǎn)的爐底上。隨著爐底的旋轉(zhuǎn)，含碳球團(tuán)被加熱到12501350 ，經(jīng)過(guò) 1020 min的還原得到海綿鐵。海綿鐵通過(guò)出料螺旋連續(xù)排出爐外，溫度約為1000 。根據(jù)需要，可將出爐后的海綿鐵

11、熱壓成塊或使用圓筒冷卻機(jī)冷卻，也可熱裝入熔煉爐處理成鐵水(Fastmet和熔煉聯(lián)合被稱為 Fastmelt 工藝)。燃料(天然氣、油、煤)和預(yù)熱空氣通過(guò)燒嘴進(jìn)入爐內(nèi)燃燒 (包括還原氣相產(chǎn)物CO 的燃燒)，產(chǎn)生還原所需的足夠溫度和熱量。燃燒廢氣逆向流動(dòng)，最后從加料口的排氣口排出，經(jīng)二次燃燒、熱交換和洗滌除塵后從煙囪排出。Fastmet 的基本還原原理是將燃燒著的火焰的高溫經(jīng)爐壁通過(guò)輻射傳給料層，使含碳球團(tuán)中的鐵礦粉在高溫下被其中的碳/揮發(fā)分還原。含碳球團(tuán)的還原過(guò)程比較復(fù)雜，因?yàn)槊翰粌H作為固體還原劑，而且其揮發(fā)分具有氣體還原劑的特點(diǎn)。揮發(fā)分中含有的少量H2 和CO可以直接作為還原劑，大部分的碳?xì)浠?/p>

12、合物裂解后生成的H2 和C也可作為還原劑。在研究含碳球團(tuán)的還原時(shí)，重點(diǎn)都集中在碳的還原作用上，往往忽略了揮發(fā)分的還原作用。試驗(yàn)結(jié)果證明，隨溫度的升高，含碳球團(tuán)的還原過(guò)程應(yīng)該包括三部分：揮發(fā)分的熱解；鐵氧化物被揮發(fā)分中CO 和H2以及其裂解產(chǎn)物H2 和C還原；鐵氧化物被碳還原。此方法可應(yīng)用于以下幾個(gè)方面。（1）用鐵精粉生產(chǎn)DRI或HBI將鐵精粉與煤粉混合壓球后加入轉(zhuǎn)底爐，球團(tuán)在爐內(nèi)受控的還原氣氛中被加熱。當(dāng)達(dá)到反應(yīng)溫度時(shí)，鐵氧化物被還原為金屬鐵。反應(yīng)所需的熱能全部由煤提供。從轉(zhuǎn)底爐出來(lái)的海綿鐵帶有較多顯熱，可采用熱壓塊工藝加工為熱壓塊鐵，以便運(yùn)輸與存儲(chǔ)。該法生產(chǎn)的熱壓塊鐵TFe含量達(dá)92%，金屬

13、化率高達(dá) 95%，C含量約4%，脈石含量約2.4%，S含量?jī)H為0.04%，可見(jiàn)其品質(zhì)純凈，脈石與硫等雜質(zhì)含量很低，可作為優(yōu)質(zhì)廢鋼的理想替代品。而且與廢鋼相比，其質(zhì)量均勻穩(wěn)定，波動(dòng)小，對(duì)于煉鋼生產(chǎn)極為有利。（2）回收電爐除塵灰與軋鋼鐵鱗電爐除塵灰與軋鋼鐵鱗的特點(diǎn)是含有較多非鐵金屬的氧化物，如鋅、鉛、鎘等，被美國(guó)環(huán)保部門定為有害物質(zhì)，稱作 KO61。在干鐵法工藝處理過(guò)程中，這些非鐵氧化物將以氣態(tài)逸出，并在后續(xù)的煙氣處理裝置中予以收集，此時(shí) KO61 已轉(zhuǎn)化為提煉有價(jià)值非鐵金屬的原料。轉(zhuǎn)底爐中ZnO的脫除率高于95%，生成的海綿鐵金屬化率高達(dá)91%。轉(zhuǎn)底爐焙燒含鋅粉塵時(shí)以氣態(tài)逸出的非鐵金屬氧化 物在

14、尾氣處理過(guò)程中，由布袋除塵器收集，其成分以ZnO為主，可作為提煉鋅的原料使用。（3）回收傳統(tǒng)鋼鐵廠廢棄物傳統(tǒng)鋼鐵廠廢棄物包括轉(zhuǎn)爐除塵灰，軋鋼鐵鱗，熱軋污泥，連鑄氧化鐵皮及高爐粉塵與污泥。這些物質(zhì)總體來(lái)說(shuō)碳的含量很高，與電爐除塵灰相比，鋅含量較低，而鉛、鎘等含量極少。由于原料中的鐵與碳含量較高，在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)底爐焙燒后，生成的海綿鐵金屬化率高于90%，其尾氣收塵富含ZnO，可予以回收提煉，增加收入來(lái)源。1.3.2 ITmk3法ITmk3法這是 Midrex 及其母公司神戶制鋼1996年9月提出的一種第三代煉鐵技術(shù)。該技術(shù)基于Fastmet工藝，利用粉礦與煤粉制成含碳球團(tuán)，然后把球團(tuán)裝入轉(zhuǎn)底加熱爐內(nèi)，加

15、熱到 13001500 ；球團(tuán)被還原和熔融，使珠鐵與渣分開(kāi)，珠鐵中不含雜質(zhì)。冶煉過(guò)程僅用10 min，即可生產(chǎn)出高純珠鐵供電爐使用。ITmk3 技術(shù)適用于多種類型的鐵礦和煤種，可利用鐵粉礦和低品位含鐵原料(磁鐵礦、赤鐵礦或含鐵粉塵)一步處理生產(chǎn)出直徑 1020 mm 的優(yōu)質(zhì)珠鐵，取消焦?fàn)t和燒結(jié)裝置，使投資成本降低。ITmk3法在中試階段，曾用多種鐵氧化物生產(chǎn)出珠鐵；可用煤粉、石油焦、焦粉或其他固體的、液體的或氣體的還原劑。 用ITmk3技術(shù)生產(chǎn)出的珠鐵產(chǎn)品不會(huì)再氧化或粉化，所以比DRI和HBI產(chǎn)品更便于管理、運(yùn)輸；產(chǎn)品中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%3.5%，硅、錳和磷的含量取決于原材料，而硫的含量則

16、取決于還原劑的硫含量。日本神戶制鋼所 2002 年宣布，該項(xiàng)目計(jì)劃在美國(guó)明尼蘇達(dá)州開(kāi)工興建一所示范工廠進(jìn)行ITmk3法實(shí)證實(shí)驗(yàn)，但至今未報(bào)道結(jié)果。ITmk3法也面臨解決工程問(wèn)題。1.3. 3 Inmetco 工藝 德國(guó)曼內(nèi)斯曼·德馬格公司獲得Inmetco技術(shù)推廣許可后,在基礎(chǔ)研究和工程化方面都在 Fastmet工藝上做了大量工作和多方面改進(jìn)。其工藝優(yōu)點(diǎn)如下:（1）球團(tuán)裝料防止結(jié)塊和不均;（2）高溫段燃燒采用扁燒嘴,均勻溫度分布; （3）防止局部過(guò)熱和控制爐膛氣氛;（4）改摩擦傳動(dòng)代替齒輪條傳動(dòng) ,提高運(yùn)行可靠性;（5）卸料系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出新的金屬收集和運(yùn)輸裝備;（6）高溫廢氣通過(guò)換熱生產(chǎn)

17、高壓蒸汽 ,低溫廢氣預(yù)熱助燃空氣; 廢氣和物料余熱被回收和利用 ,實(shí)現(xiàn)高能量利用率(> 80 %); ( 7) 實(shí)現(xiàn)污染排放量最小化( 廢氣中 SO x < 50 mg/m3 , NO x < 200 mg/m3),無(wú)液態(tài)廢物。公司并將該工藝和埋弧式電弧爐結(jié)合,延伸發(fā)展為一種生產(chǎn)鐵水的新工藝, 即Redsmelt。 在美國(guó)印第安納州 Iron Dynamics 公司( SteelDynamics 公司的子公司)建成年產(chǎn)60萬(wàn)t 還原鐵的生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)底爐直徑50 m ,環(huán)寬7m。轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的熱還原鐵直接進(jìn)入埋弧電爐 ,生產(chǎn)鐵水供Steel Dynamics公司的電爐使用

18、。1999年4月投入試運(yùn)行, 1999 年12月恢復(fù)生產(chǎn)。2000 年, 君津廠用 Immetco 法建成年處理能力18萬(wàn)t的直接還原生產(chǎn)線。德國(guó)的曼內(nèi)斯曼鋼鐵公司已獲得 Inmetco 工藝的使用權(quán), 擬用此工藝在德國(guó)建造一座直徑 28m的環(huán)形轉(zhuǎn)底爐 ,處理從歐洲各鋼鐵公司回收的含金屬粉塵和廢料 。1.3.4 DRyIron 工藝 Maumee R &B 公司的專利技術(shù)已命名為 DRyIron 法 ,它克服了通常煤基還原帶來(lái)的粉化、脈石含量高、硫高、金屬化率低等缺點(diǎn)。M R&E 公司在美國(guó)俄亥俄州匹茲堡的試驗(yàn)廠進(jìn)行的大量工業(yè)試驗(yàn)表明 ,該工藝不僅可用鐵精礦粉為原料生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定

19、的海綿鐵或熱壓塊鐵 , 而且同樣適用于鋼鐵廠各類含鐵廢棄物的回收利用。DRylron 法簡(jiǎn)化了原料準(zhǔn)備,用壓塊代替造球,不需要將原料磨得很細(xì)和加入較多水分, 含碳鐵氧化物壓塊后不經(jīng)干燥直接入爐焙燒。 其工藝優(yōu)點(diǎn)如下: ( 1) 用鐵精礦粉生產(chǎn)海綿鐵( DRI)或熱壓塊鐵( HBD)作原料。其產(chǎn)品質(zhì)純凈,脈石與硫等雜質(zhì)含量很低。而且與廢鋼相比,其質(zhì)量均勻穩(wěn)定,波動(dòng)小,對(duì)于煉鋼生產(chǎn)極為有利。( 2)回收電爐除塵灰與軋鋼鐵鱗,雜質(zhì)金屬去除率高。雜質(zhì)中的金屬元素:鉛、鋅、鎘等被有效去除。( 3) 回收傳統(tǒng)鋼鐵廠廢棄物。傳統(tǒng)鋼鐵廠廢棄物包括轉(zhuǎn)爐除塵灰、軋鋼鐵鱗、熱軋污泥、連鑄氧化鐵皮及高爐粉塵與污泥。這

20、些物質(zhì)總體來(lái)說(shuō)碳含量很高,與電爐除塵灰相比,鋅含量較低, 而鉛、鎘等含量極少。處理后,其產(chǎn)品金屬化率高, Zn、Pb含量大幅度降低。( 4) M R &E公司的低NO x控制專利技術(shù)處理尾氣,從而使其對(duì)環(huán)境的污染降至最低限度。1.3.5 Comet 工藝 1997年4月,比利時(shí)冶金研究中心( CRM)提出的 Comet( coal -based metallization)工藝。與其它轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝如 Inmetco 和 Fastmet的區(qū)別在于完全取消了造球工藝, 直接將烘干后的粉狀氧化鐵料和還原劑多層相間地布在轉(zhuǎn)底爐床上,即一層還原劑、一層礦石的方式布料。通過(guò)安裝在爐子出口處的

21、篩分機(jī), 很容易將直接還原鐵與富余的煤粉、石灰、煤的灰分和硫化鈣分離。生產(chǎn)的海綿鐵硫含量低于0.05 %,脈石含量約為5 %。該種海綿鐵特別適合于用作電弧爐原料。Comet 工藝的爐溫高, 生產(chǎn)出直接還原鐵易于運(yùn)輸和儲(chǔ)存。試驗(yàn)室研究表明, Comet工藝生產(chǎn)的海綿鐵金屬化率可達(dá)90 %,生產(chǎn)率低的損失可由不安裝造塊設(shè)備來(lái)補(bǔ)償。而硫含量?jī)H為0. 04 %0. 05 %, 解決了產(chǎn)品硫含量過(guò)高的問(wèn)題。 由于傳熱條件不如Inmetco 和Fastmet 工藝, 物料將在爐內(nèi)停留更長(zhǎng)時(shí)間, 影響產(chǎn)量。 Comet 法至今難于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。盧森堡 Paul Wurth 公司已獲得將此工藝用于商業(yè)性開(kāi)發(fā)的許

22、可證,后續(xù)的工業(yè)化研究正在進(jìn)行。2 煤基直接還原煉鐵現(xiàn)狀及問(wèn)題2.1 煤基直接還原鐵生產(chǎn)現(xiàn)狀2.1.1 世界煤基直接還原鐵生產(chǎn)概況 據(jù)統(tǒng)計(jì),1980年全球直接還原鐵(海綿鐵)的產(chǎn)量?jī)H為728萬(wàn)t,2006年約為5980萬(wàn)t。平均年增長(zhǎng)率在8%以上。印度連續(xù)四年為最大的直接還原鐵生產(chǎn)國(guó),2006 年產(chǎn)量接近 1500 萬(wàn) t ,同比增長(zhǎng)35%,占世界總產(chǎn)量的 25%,委內(nèi)瑞拉以產(chǎn)量860萬(wàn)t位居第二 ,伊朗以產(chǎn)量 690 萬(wàn)t位居第三 ,墨西哥以產(chǎn)量620萬(wàn)t位居第四,沙特阿拉伯以產(chǎn)量360萬(wàn)t位居第五。2006 年上述5國(guó)直接還原鐵產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的2/3。到2008年底還有一些新增產(chǎn)能將投放

23、市場(chǎng)。同時(shí)還醞釀再建幾個(gè)大型直接還原鐵廠,全球直接還原鐵廠家數(shù)量不斷壯大 。圖1 國(guó)際鋼協(xié)統(tǒng)計(jì)的 19942006年世界直接還原鐵產(chǎn)量2.1.2 我國(guó)煤基直接還原鐵生產(chǎn)概況 我國(guó)直接還原鐵需求量如果按電爐鋼產(chǎn)量占鋼總產(chǎn)量的20%計(jì),則我國(guó)電爐鋼產(chǎn)量應(yīng)達(dá)到8000萬(wàn)t以上,電爐鋼原料中按使用20%直接還原鐵計(jì)算,則年需直接還原鐵1600萬(wàn)t以上,約為目前世界直接還原鐵總產(chǎn)量的1/3 1/4。我國(guó)DRI產(chǎn)量從2002年開(kāi)始以每年約10 萬(wàn)t的速度增長(zhǎng),大于2001年以前的增長(zhǎng)速度,但總產(chǎn)量仍較低,2005年DRI產(chǎn)量?jī)H為50萬(wàn)t ,與印度2006年的1492.0萬(wàn)t DRI 產(chǎn)量相比,仍有很大差距

24、。2002 年,我國(guó)從國(guó)外進(jìn)口直接還原鐵(海綿鐵)130萬(wàn)t,2003年進(jìn)口量達(dá)250萬(wàn)t。但目前國(guó)外普遍控制海綿鐵出口，進(jìn)口量逐漸減少。2006 年,我國(guó)進(jìn)口直接還原鐵及其他海綿鐵塊團(tuán)31.37萬(wàn)t ,比去年同期下降了58.08%。而我國(guó)的直接還原鐵的需求量巨大,國(guó)內(nèi)直接還原廠不能滿足國(guó)內(nèi)巨大的需求量。2.2 煤基直接還原煉鐵的綜合分析主要煤基直接還原煉鐵工藝的特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。用長(zhǎng)期穩(wěn)定工業(yè)生產(chǎn)珠鐵的實(shí)踐證明其技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。表1 各種煤基直接還原煉鐵工藝指標(biāo)項(xiàng)目 回轉(zhuǎn)窯 隧道窯 Fastmet處理原料 球團(tuán)、冷固結(jié)球團(tuán) 粉礦 含碳球團(tuán)粉料處理設(shè)備 氧化球團(tuán)或冷固結(jié)球團(tuán)工序 無(wú) 制備含

25、碳球團(tuán)工序主體還原設(shè)備 回轉(zhuǎn)窯 隧道窯 轉(zhuǎn)底爐氣體溫度/ 1000 1180 14001600礦的溫度/ 1000 1000 12501350尾氣熱能利用 換熱器 無(wú) 換熱器金屬化率/% 90 93 80全鐵/% 約86 約88 6070金屬鐵/% 80 82 5060噸鐵煤耗/kg 1000 1500 1100產(chǎn)品用處 電爐、轉(zhuǎn)爐煉鋼 電爐、轉(zhuǎn)爐煉鋼 專門電爐、或少量加 入轉(zhuǎn)爐、電爐 產(chǎn)能(海綿鐵） 最大達(dá)15萬(wàn)t 目前最大2 萬(wàn)t 目前最大20 萬(wàn)t作業(yè)率 中 高 低投資 大 小 大由表1 可見(jiàn)，目前的各種煤基直接還原煉鐵的能耗都是相當(dāng)高的，因此，目前只作為氣基海綿鐵的補(bǔ)充，全球產(chǎn)量不足6

26、00萬(wàn)t。其根本原因是目前的各種工藝并不是完善的，存在不少問(wèn)題?；剞D(zhuǎn)窯反應(yīng)溫度低（由于結(jié)圈等原因不能高），導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)條件變差，停留時(shí)間長(zhǎng)，散熱大，噸鐵煤耗達(dá)到1000kg左右。 從能量利用角度，過(guò)多的煤氣還需換熱加以利用。隧道窯通過(guò)罐裝礦粉，可省去造球工藝，但是罐子傳熱只能通過(guò)對(duì)流與傳導(dǎo)換熱方式，因此，停留時(shí)間長(zhǎng)，熱損失大，同時(shí)罐子、海綿鐵的余熱、廢氣熱量尚未得到利用，導(dǎo)致煤耗高達(dá)1500 kg/t海綿鐵。轉(zhuǎn)底爐由于溫度高，反應(yīng)速度快，但熱能利用率差，噸鐵實(shí)際煤耗居高不下。諸多原因?qū)е旅夯苯舆€原煉鐵的發(fā)展受到挫折，發(fā)展煤基直接還原煉鐵工藝任重而道遠(yuǎn)。2.3 煤基直接還原煉鐵工藝的現(xiàn)狀主要結(jié)果

27、如下：（1）現(xiàn)有各種煤基直接還原煉鐵工藝都存在反應(yīng)速度慢、能耗高的問(wèn)題，目前只作為氣基海綿鐵生產(chǎn)的補(bǔ)充。（2）目前煤基直接還原煉鐵最大的問(wèn)題是固態(tài)條件下的還原反應(yīng)效率過(guò)低， 提高鐵礦低溫反應(yīng)性能是煤基直接還原煉鐵走向成功、高效、環(huán)保的關(guān)鍵所在。（3）現(xiàn)有的煤基直接還原煉鐵工藝，距低能耗、低污染的煉鐵目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)，發(fā)展節(jié)能減排型煤基直接還原煉鐵任重而道遠(yuǎn)。3 非高爐煉鐵與高爐煉鐵能耗對(duì)比3.1 高爐能耗分析(1）高爐是個(gè)高效化的豎爐。高爐生產(chǎn)是個(gè)煤氣和爐料逆向運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)器。高熱值的煤氣從爐缸均勻地上升，而爐料從爐頂按一定規(guī)律布料后連續(xù)下降。由于高爐是具有一定高度的豎爐，爐料在這個(gè)豎爐中可以得到充

28、分地預(yù)熱、還原、熔融、滴落、生鐵在爐缸內(nèi)滲碳以及爐渣和生鐵的改性等物理化學(xué)過(guò)程。在高爐內(nèi)能源得到合理充分利用。所以，目前我國(guó)高爐煉鐵的能耗可以在410kg標(biāo)準(zhǔn)煤/t左右。在轉(zhuǎn)底爐中被還原的球團(tuán)，大多數(shù)是中上層受到煤氣加熱和還原，而在底部接觸煤氣就較弱。所以，在轉(zhuǎn)底爐中，只能布一層球團(tuán)。如果有球團(tuán)布二層以上的現(xiàn)象，在底部的球團(tuán)就幾乎接觸不到還原氣和熱量，也就不能被充分還原。因此，轉(zhuǎn)底爐的能耗要比高爐高，且球團(tuán)的質(zhì)量是不均勻，生產(chǎn)規(guī)模也有限制。但是，作為處理含有害物質(zhì)的塵泥是有利的。(2)爐料在高爐內(nèi)有一半左右是進(jìn)行間接還原，有利于節(jié)能。煉鐵學(xué)理論說(shuō)明，鐵礦石進(jìn)行直接還原是吸熱反應(yīng)，間接還原是放熱

29、反應(yīng)。爐料在高爐內(nèi)約有50%的爐料是進(jìn)行間接還原反應(yīng)。所以，高爐煉鐵要比直接還原鐵工藝要少用能源。(3)高爐是個(gè)高效能源轉(zhuǎn)化器。在高爐內(nèi)焦炭是起5個(gè)作用:一是與氧氣反應(yīng)生成CO,CO2，同時(shí)放熱，是煉鐵的主要熱量來(lái)源;二是也為鐵礦石還原提供充足的碳和CO，是還原劑的來(lái)源;三是焦炭在高爐內(nèi)是起骨架作用，支撐著爐料，同時(shí)起著透氣窗的作用，使煤氣在高爐內(nèi)可以均勻、阻力較小地運(yùn)動(dòng);四是焦炭還對(duì)生鐵起到滲碳作用，可以使生鐵質(zhì)量合格，實(shí)現(xiàn)生鐵中的鐵、碳平衡;五是焦炭在爐缸中有填充作用。高爐休風(fēng)時(shí)，爐缸是被焦炭填滿，使?fàn)t缸內(nèi)有較大的空間，有利于快速恢復(fù)生產(chǎn)。 焦炭在高爐內(nèi)少部分轉(zhuǎn)換為煤氣，熱風(fēng)爐的熱風(fēng)熱量是

30、依靠燃燒45%左右高爐煤氣而獲得的。熱風(fēng)熱量占高爐煉鐵所需熱量的19%左右。所以說(shuō)高爐是個(gè)高效能源轉(zhuǎn)化器，有能源轉(zhuǎn)換功能。高爐煤氣得到充分回收利用(去燒熱風(fēng)爐)是高爐能源利用效率高的表現(xiàn)。3.2 非高爐煉鐵工藝能耗分析非高爐煉鐵工藝的能耗高主要問(wèn)題是大量高熱值煤氣如合科學(xué)合理充分利用。煤氣去發(fā)電的能源利用率只有32%一42%，在能源利用率和成本核算上是不合適的，且增加較大投資和運(yùn)行費(fèi)。我國(guó)一些企業(yè)擬采用煤造氣，建設(shè)直接還原生產(chǎn)線。煤造氣在技術(shù)上是過(guò)關(guān)了，但是在能源利用率和成本核算上是不合適的。富余煤氣去發(fā)電的能源利用率只有32% -42%，在總能耗上降不下來(lái)，成本上升，經(jīng)濟(jì)上要虧本。目前，我國(guó)大多數(shù)直接還原生產(chǎn)線的能耗和成本較高，經(jīng)營(yíng)困難，說(shuō)明尚有較多要改進(jìn)的地方。非高爐煉鐵所用的氣源需另外供應(yīng)。煤基直接還原工藝是要建設(shè)