白明華，葛俊禮，龍 鵠，郭延軍，張少壯，趙永和

(1.燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，河北 秦皇島 066004;2.秦皇島西重所燕大重型機械研究院有限公司，河北 秦皇島 066004)

0 前言

在世界當代鋼鐵行業(yè)的發(fā)展中，利用直接還原鐵生產與電爐煉鋼相結合生產潔凈鋼的技術獲得了快速發(fā)展。直接還原鐵生產是指在低于熔化溫度之下將鐵礦石還原成海綿鐵的過程，與傳統(tǒng)高爐煉鐵方法相比取消了焦爐、燒結等工序，具有流程短、污染小、消耗少、不受煉焦煤短缺影響等優(yōu)點。同時海綿鐵中硫、磷、硅等有害雜質含量低，有利于電爐冶煉優(yōu)質純凈鋼種。

該技術對我國節(jié)能減排、保護環(huán)境、調整鋼鐵產品結構，提高鋼鐵產品質量等方面有著重要意義。然而，2012年國內直接還原鐵產量不超過60萬t，不到世界直接還原鐵產量7 402萬t的1%。我國的鑄鍛件行業(yè)也正處于結構調整與發(fā)展期［1］，用于電站、冶金、石油化工、航空及船用設備的特殊模鍛件的需求量大大增加。優(yōu)質鑄鍛件的冶煉需要優(yōu)質廢鋼，在我國廢鋼緊缺的條件下，直接還原鐵是其很好的替代品。

由此可見，目前我國無論是直接還原鐵產量還是電爐鋼產量遠低于世界平均水平，亟需引起關注。走適合我國國情的道路，發(fā)展直接還原鐵生產成為“十二五”乃至今后相當長時間我國鋼鐵行業(yè)面臨的重要課題。

1 國內外直接還原鐵技術發(fā)展現狀

根據還原劑種類，直接還原鐵技術可分為氣基法和煤基法兩大類。氣基直接還原技術主要有Midrex法和HYL法，此方法因具有容積利用率高、熱效率高、生產率高等優(yōu)點在天然氣豐富的地方得到廣泛使用;煤基法主要包括SL/RN、FASTMET和ITMK3法等。目前世界上90%以上采用以Midrex、HYL為代表的氣基豎爐直接還原法生產。

墨西哥HYL技術近年來不斷改革發(fā)展，增加了HYL-ZR零重整工藝及HYTEMP熱送技術［2］，1998年該技術在墨西哥Ternium Hylsa 4M廠成功運行，其設計產能為68萬t/a，實際產量達93萬t/a，產品的金屬化率為94.4%，含碳量為3.6%。2000年該技術應用于UAE的Gulf海綿鐵廠，生產規(guī)模為20萬t/a，能在滿足鋼廠對直接還原鐵需求的基礎上，大大降低維修成本及人力需求。圖1所示為HYL-ZR零重整工藝示意圖，天然氣經加熱后通入豎爐，在豎爐入口處添加適量的氧氣，經部分氧化，生成還原所需的氣體。還原氣在豎爐反應器中與逆流的鐵礦石反應，將其還原成鐵，一部分天然氣在豎爐下部與鐵發(fā)生碳化反應生成Fe3C。該技術將重整、還原和碳化整合在高壓的豎爐裝置中進行，占地面積和投資大大降低，同時產品含碳高，與傳統(tǒng)生產的DRI相比更易于存儲和運輸。

圖1 直接還原工藝Fig.1 Direct reduction technology

另外HYL技術還適用于不同的還原氣來源，包括焦爐煤氣和煤制氣等。他們將魯奇煤制氣工藝產生的還原氣和完全采用天然氣時的還原氣成分進行對比(表1)，發(fā)現二者具有較大的相似性，處理后的煤制氣其還原性更強，將煤制氣運用于直接還原鐵的生產沒有技術風險。

我國從六十年代即開始了直接還原鐵技術研究，在這半個世紀中走過了漫長而曲折的道路，其中天然氣和高品位鐵礦石資源短缺是制約我國直接還原鐵技術發(fā)展的重要原因。

表1 還原氣體相似性對比Tab.1 Comparison of the similarities for reduction gases

由于天然氣資源短缺，我國直接還原鐵技術研究開發(fā)一直立足于利用國內豐富的煤炭資源上，即走煤基直接還原鐵的道路。在煤基直接還原鐵技術方案中，主要集中在隧道窯、回轉窯和轉底爐技術的研究，特別是前兩項，在國內發(fā)展應用已經比較成熟。但是，在生產規(guī)模、能源消耗、環(huán)境保護、產品質量、技術穩(wěn)定性以及成本等方面仍然存在著大量的問題沒有得到解決，無法與氣基豎爐直接還原技術相比較。截止目前，國內有產能3 000～10 000 t的隧道窯近兩百座，總產能約60萬t，是目前國內直接還原鐵的主要生產工藝;5萬t/a以上規(guī)模的回轉窯企業(yè)5家，總產能76.2萬t，但這5家企業(yè)由于成本、環(huán)保、原料等問題現在處于停產狀態(tài)。目前國內直接還原鐵總產能還不超過100萬 t/a［3］，這種狀況與我國鋼鐵生產技術發(fā)展水平和經濟社會發(fā)展需要極不相稱。時不我待，現在是大力發(fā)展我國直接還原技術的時候了。

2 我國現在已具備發(fā)展煤制氣-豎爐直接還原技術的條件

2.1 經濟社會發(fā)展的現實需要

目前我國鋼鐵產品的絕大部分屬低端產品，經濟建設和國防建設所需的高端鋼鐵產品仍需大量進口。鋼鐵生產的環(huán)境水平、自動化水平、能耗水平等與發(fā)達國家仍然有很大差距。經濟建設和環(huán)境保護迫切要求鋼鐵行業(yè)的產品不斷升級換代，迅速從數量滿足型向品種質量滿足型過渡，從環(huán)境消耗型向環(huán)境保護型過渡，這是促進我國煤制氣-豎爐直接還原-電爐冶煉短流程工藝發(fā)展的宏觀需要。另外目前我國電爐煉鋼原料的廢鋼資源貧乏，特別是優(yōu)質廢鋼更為缺乏，為直接還原鐵的生產和應用提供了廣闊市場。

2.2 進行了必要的技術準備

通過對國內國外多種技術和工藝的反復對比，逐漸形成了對中國發(fā)展直接還原鐵道路的認識，那就是發(fā)展煤制氣-豎爐直接還原技術［4-5］。

很多企業(yè)、科研院所和大學紛紛進行試驗研究。早在上世紀七十年代，廣東韶關鋼鐵廠就進行了水煤漿制氣豎爐還原生產海綿鐵的試驗;1997～1998年，寶鋼公司與山東魯南化工集團公司合作，進行了德士古爐水煤漿制氣-豎爐生產直接還原鐵的半工業(yè)性試驗，連續(xù)20天穩(wěn)定地生產出金屬化率達93.04%的合格海綿鐵［6］。實驗示意圖如圖2所示，從德士古爐生產出來的煤氣經過脫除CO2、H2S后，在加熱爐加熱到850℃ ～950℃后進入豎爐還原球團礦，該試驗的各項裝置及工藝參數設計合理、成功，對推進以煤制氣-豎爐直接還原鐵技術的發(fā)展有重要意義。中國重型機械研究院股份公司(時為寶鋼集團西安重型機械研究所)參與并承擔了豎爐及附屬裝置的設計和全部試驗工作，取得了爐型、風口、裝出料裝置、爐頂爐下密封結構等寶貴的第一手資料。

圖2 BL法生產海綿鐵半工業(yè)性試驗工藝流程圖Fig.2 Flow chart of semi-commercial experiments of BL direct reduction process for DRI

秦皇島西重所燕大重型機械研究院有限公司自主開發(fā)的高溫直接還原鐵熱輸送系統(tǒng)工藝流程如圖3所示［7-8］。該系統(tǒng)是將溫度約為700℃的熱直接還原鉄從豎爐底部密封運輸至電爐，全程保溫，含耐熱保溫抗磨輸送料車，特種密封技術和定量定時輸送控制技術等。該運送系統(tǒng)做為整體密封，除具有保溫層和隔熱層的運送小車外，整體上還設置有保溫蓋，因此可以防止熱還原鐵的二次氧化，并能最大程度控制直接還原鐵的熱損失。

圖3 直接還原鐵熱送系統(tǒng)圖Fig.3 HDRI transportation system

這些工作為煤制氣-豎爐直接還原在我國的工業(yè)化應用做了寶貴的前期技術準備。

2.3 煤制氣技術在中國逐漸成熟

煤制氣技術在我國化工行業(yè)有著長期成功應用的經驗，其中德士古(Texaco)爐、魯奇(lurgi)爐、UDI爐，殼牌(Shell)爐等都有大量成功應用。近年來國內加強了煤的清潔利用技術、主要是煤的氣化技術的研究開發(fā)。據了解，華東理工大學煤潔凈技術研究所煤氣化教育部重點實驗室進行了"氣流床粉煤氣化在直接還原鐵生產過程中的應用"的全流程計算機模擬研究，開發(fā)了50 000 m3/h粉煤氣化成套裝備與技術［9］;遼寧撫順恩德機械有限公司在引進技術的基礎上，開發(fā)了恩德粉煤流化床氣化爐(為改進型溫克勒爐)，單臺裝置最大產氣量40 000 m3/h。據該公司稱，該爐完全可以用于生產還原氣，并且已有國外還原豎爐提供商與其探討合作的可能性。在多種煤制氣技術方案中，由于恩德爐是常壓氣化，且設備投資較低，可利用多種劣質煤，制氣成本低廉，產氣效率較高［10］，因此國內有專家推薦恩德爐應是我國煤制氣豎爐直接還原的首選氣化方案，但是恩德爐也存在粉塵大，環(huán)保問題需要解決。

2.4 生產直接還原鐵的原料國內可以解決

我國直接還原鐵發(fā)展緩慢的重要原因之一是我國缺少高品位鐵礦，外購高品位塊礦或球團的價格與運費昂貴，造成直接還原鐵生產成本上升，產品缺乏市場競爭力。近年來，隨著我國選礦技術，特別是精選技術的不斷提高，鐵精礦品位大幅提高，精選鐵精礦品位可達65%～70%［11］。用國產高品位鐵精礦生產適合直接還原的TFe65%以上氧化球團或冷固球團成為可能，從而解決了發(fā)展煤制氣豎爐直接還原的“下鍋米”問題。

3 發(fā)展煤制氣豎爐直接還原需要解決的問題

雖然說現在已經具備了發(fā)展煤制氣豎爐直接還原的基本條件，但現實的情況是，迄今為止國內還沒有一套工業(yè)化生產的煤制氣豎爐還原裝置，還有一些問題需要解決。

3.1 煤制氣與豎爐的匹配

煤制氣技術在我國已經是成熟的技術，豎爐生產直接還原鐵技術在國際上也是成熟的，但是二者結合起來卻是創(chuàng)造性的，目前國內還沒有一套成熟的煤制氣-豎爐設備，這既是機遇也是挑戰(zhàn)。這兩個工藝不是簡單的組合在一起，而是有機的結合，設計出合理的工藝流程，使煤氣發(fā)生爐產生的煤氣在溫度、壓力及成分上均滿足豎爐生產的要求，并減少對環(huán)境的污染。

另外，還原氣在升溫過程中，由于CO含量較高會發(fā)生歧化反應，從而產生析炭現象，該現象在400～800℃的溫度區(qū)間容易發(fā)生，另外鐵、鎳及其金屬氧化物對此有催化作用。析炭反應所產生的沉積物易堵塞管道、惡化還原氣成分，不利于豎爐運行工況。國內采用高鋁耐火球式熱風爐的形式可使還原氣溫度迅速提高，減輕析碳現象，但安全操作，閥門密封，熱風閥的漏風控制等問題尚待解決，如果從國外引進相關設備，這個問題也值得引起重視。

3.2 原料的優(yōu)化

一方面是加強低成本高品位鐵精礦的精選技術的探索(含工藝與設備)，使大規(guī)模生產的精選鐵精礦品位穩(wěn)定在68% ～70%以上，滿足直接還原球團生產需要;另一方面探索冷固結球團、內配煤球團等在豎爐生產過程中的實際應用和效果，分析溫度、壓力及物料性能對爐況的影響。

3.3 豎爐爐型的進一步研究和優(yōu)化

我國專家具有豐富的高爐設計經驗，因此豎爐爐型設計難度不大，可參考高爐設計，但是還沒有形成系統(tǒng)的直接還原豎爐設計理論。筆者課題組正在利用軟件對豎爐爐內的流場和溫度分布進行模擬，考慮球團熱脹、還原膨脹對豎爐生產順行的影響，用以確定最合適的豎爐爐內相關參數，進而進行豎爐爐型的研究。

3.4 投資及生產成本核算

從經濟角度考慮如何節(jié)省投資，降低成本，需要結合建廠條件，做到資源的綜合利用。最好將化工、冶金行業(yè)聯合起來，這樣可以做到優(yōu)勢互補。另外需要研究更先進的技術指標和操作工藝，在引進吸收國外技術的同時不斷創(chuàng)新發(fā)展。部分關鍵設備國產化。從生產成本來考慮，主要看是否能得到便宜且符合要求的煤和鐵礦石，并且能將工藝進行很好的銜接。據報道，目前的煤制氣成本已大幅降低，達到了0.5元/m3左右，基本能滿足直接還原鐵生產成本控制的需求。另外近幾年新勘探發(fā)現的鐵精礦資源較充足，一些地區(qū)的鐵精礦可以選到需要的品位，這些都需要從工藝角度進一步的優(yōu)化，以降低成本。

3.5 國家支持，建設氣基豎爐直接還原工業(yè)化示范項目

目前，曹妃甸工業(yè)園區(qū)、唐鋼青龍、遼寧海城、遼寧盤錦、山西、內蒙等地都在規(guī)劃和籌建豎爐直接還原鐵廠。

在“十二五”期間，可建設一座與電爐鋼生產相配套的有熱送系統(tǒng)的20～50萬t/a生產能力的煤制氣豎爐直接還原鐵廠，實現真正的短流程煉鋼生產。建議示范項目采用國內成熟的煤制氣工藝，引進國外豎爐技術(比如Midrex技術或HYL技術)，設備國內制造，在技術引進中，由用戶單位、科研單位和高等院校共同組成項目專家委員會，全程參與示范項目建設與技術引進工作，以利于后續(xù)的消化吸收和國內推廣應用。

4 結論

(1)和發(fā)達國家相比，我國的直接還原鐵產量比例非常低，但國內直接還原鐵具有很大市場，說明直接還原鐵需求與發(fā)展的前景非常廣闊，空間非常巨大。

(2)大力發(fā)展我國的直接還原鐵技術已經成為行業(yè)的共識，煤制氣豎爐直接還原技術是適合我國國情的可選工藝。

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