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气基直接还原工艺的特点与发展feigeoer摘要直接还原炼铁工艺根据还原剂不同分为气基与煤基。目前已获得工业应用的气基直接还原流程主要有使用球团矿或块矿的Midrex法和HyLnI法，以及直接使用粉矿的Finmet法。本文概述了传统的铁矿石直接还原Midrex,HYL等生产工艺，并与近年来正积极进行转入商业化生产的Arex、Iron直接还原铁生产工艺进行了对比。关键词直接还原气基直接还原MTDREXHYLFINMET当今工业化生产直接还原铁的方法，有气基还原和固基还原两种。90年代，以天然气为还原剂的3种主要方法,分别是HY的MidreX和Fior,合计年产2000万t左右。其中，气基竖炉法Midrex、HYLln法占据绝对优势（见表1）。实践证明，气基竖炉法具有生产技术成熟、设备可靠、单位投资少、生产率高（容积利用系数达812tEd）,单炉产量大（达180万ta）,产品成本低等优点，具有很强的竞争力。但是,气基竖炉法均需采用重整天然气作还原剂，因此其发展受到气源和地区的限制。表1海绵铁总产量中各工艺所占的比例%TablelProportionofDRIoutputofvariousdirectreductionprocess%工艺1994年183年1997年MIDREX竖炉法65,1Mt863.5HYLID竖炉法14.518.819.3HYLl反应罐法11.17.B7.1SI/RN回转窑法3.6333.6其它煤基工艺4.24.14.8其它气晶工艺1.51.21.81 概述1.1 气基直接还原工艺直接还原炼铁工艺根据还原剂不同分为气基与煤基。目前已获得工业应用的气基直接还原流程主要有使用球团矿或块矿的MidreX法和HYL法，以及直接使用粉矿的FinInet法。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HYLTn法、MidreX竖炉法、流态化法等。1.2 直接还原铁(DRI)t2sl1.2.1 DRI的特点直接还原法是一种非高炉炼铁技术,它是在低于铁的熔点温度以下用非焦炭类还原剂将铁精矿石直接制得金属海绵铁，其产品称为直接还原铁(DRI大部分的直接还原铁用于代替废钢作为电弧炉炼钢的原料。直接还原铁是一种相对纯净的产品，可提高钢的质量，是电炉冶炼优质钢和特殊钢的理想原料。直接还原铁能使全世界的炼钢厂像乔治敦钥铁公司、希德贝克一多斯科公司以及黑色冶金公司那样，使自己的产品进入高质量产品的市场。在铁基炉料中应用直接还原铁可以避开废钢市场的多变和根据产品需要灵活地政变炉料组成。促进直接还原铁需求扩大的另外一个原因是钢材用户对钢中残余元素的要求更加严格。目前分析设备的政进己能检测出更低含量的残余元素。而且，应用统计质量控制引起更加注重钢的成分，也包括那些在钢材订货的技术条件中没有要求的成分。与废钢相比，直接还原铁最大的技术优点是它始终是残余元素含量低。各种等级废钢和直接还原铁中典型的残余元素含量示出在表2o表2各种等级废钢和直接还原铁的典型化学成分()CCuCrWMoMnSPSi1号蜥，IB三OUcCM三0.3灿0.010.明I号废R微姬Qa0.18HU0.020804O.C250.010250.250.10.090O.Q2503QOa0.012号醐、E0.25Q5QB0.1岫0.01州o9QlB0.012号富麹QS055QId破o4OU030.07。由0.G1o三Ub26QaiIYaQOoMOlQO(IMol0.0QllMittBQ(BTo6O.OOW02Q(Moo*jPOl;*SiOfto评价DRl的还原特性指标有：还原性、还原粉化、粘结性和产品强度。由于它们的重要性，所以在决定哪些原料将用于直接还原时，必须要考虑到这些因素。目前在直接还原领域还没有国际通用的试验方法或标准来评价这些特性。1.2.2 气基法海绵铁的生产原理铁矿石的主要成分是铁的氧化物，如三氧化二铁(Fez。)，四氧化三铁(FeO)和氧化亚铁(Feo)等。竖炉冶炼的还原剂主要是还原煤气中的一氧化碳和氢气，因此有必要了解铁的氧化物被一氧化碳和氢所还原的基本原理和规律。1)用一氧化碳(Co)还原铁的氧化物实践证明，铁的各级氧化物用一氧化碳还原的顺序，在温度高于570C时为Fe2O3-FesO,FeO-Fe；低于570C时为Fe2O3Fe3O1-Fe,四氧化三铁直接还原生成金属铁的原因是氧化亚铁在温度低于570C时很不稳定，发生4FeO<=>Fe3(h+Fe的反应。用一氧化碳还原铁的各级氧化物的反应方程式如下：在温度低于570C时：3Fe20s+CO2FeA+CO2+0.63MJ(1)1/4Fe304+CO=3/4Fe+CO2+0.17MJ(2)在温度高于570时3Fe2O3+CO=2FeA+CO2+0.63MJ(1)Fe3O4+CO匚3FeO+CO20.22MJ(3)FeO+CO=Fe+CO2+0.13MJ(4)式(3)为吸热反应，其他各式为放热反应；式(2),式(3),式(4)均为可逆反应，CO与C02浓度之比，随温度而定，因而欲使这3个反应向还原的方向进行，就要求还原煤气中的CO与C02浓度之比大于化学反应平衡的CO与CO2之比。即必须有过量CO才能使铁的氧化物完全被还原。2)用氢还原铁的氧化物用氢还原铁的各级氧化物的还原顺序，与用一氧化碳的顺序是相同的，其反应方程式如下：在温度低于570C时3Fe2O3+H?M2Fe30l+H2O+0.22MJ(5)1/4Fe30.+H23/4Fe+H2O一0.37MJ-(6)在温度高于570C时3Fe203+H2=2Fe30t+H2O+0.22MJ(5)Fe3O.,+压匚3FeO+H2O-0.64MJ(7)FeO+七=Ee+H2O-0.28町(8)式(6),式(7),式均为明显的可逆反应，而且是吸热的，当温度升高时，反应易于向还原方向进行。从氢和一氧化碳还原铁的各级氧化物的反应方程式中看到，铁矿石的还原反应，易还原的氧化物一般在300开始进行，难还原的氧化物一般要在400°C500°C才开始进行，而在60(C70(C时反应明显地进行着。总之，温度越高，还原反应越激烈。2气基直接还原工艺2.1竖炉法(aMidrexw法)首先将铁精矿制成的生球在竖炉中进行氧化焙烧,经固结后的球团矿最好是趁热送入还原内进行还原。所使用的还原剂主要是天然气，最终产品的金属化程度可达95%左右，多作炼钢用原料。在MIDREX工艺中(如图1所示)，炉顶煤气除尘后与天然气混合，再通过重整炉重整得到高还原性气体并直接热送到竖炉内，生产出固态直接还原铁(DRl)o从环境因素看，DRI应熔化成铁水才能与高炉炼铁具有可比性。这种产品物理状态变化产生的额外能量消耗和CO排放应予以考虑。一般利用竖炉法生产金属化球团矿，每吨产品总的热量消耗约为327万千卡。氧化铁炉料70¾CO÷H2) 洗涤器（天然气）图1Midrex法生产工艺基本流程Fig.lFlowchartofMidrexdirectreductionprocess用作还原剂的天然气是经裂化处理后的主要含比和CO的混合气体。还原气体从竖炉下部供入，与下降的球团矿方向相反运动并使之被还原，反应后的煤气从竖炉上部引出。引出的煤气或重新进入裂化车间或用作动力燃料。在竖炉顶端的装料斗，应保证常是足够的满料，以起到密封的作用。竖炉分作二个部分,上部进行预还原，温度保持在8601200C之间，时间约1小时20分左右。下部通入冷的惰性气体进行循环冷却，这样可以使其冷却到85。MidreX法生产工艺中，生产者应考虑到下面三方面：1）粒度：推荐粒度：球团矿为916mm占95%,块矿为1035mm占85%。球团中-5DIm粒级限制在3%以内；块矿中-5mm粒级限制在5%以内。此外，应将-3mm粒级降至最低，因为该粒级不能用于直接还原工艺，通常予以筛除。2）机械强度：推荐的转鼓强度：氧化球团为95%（+6.73mm）；块矿为90%（+6.73mm）。推荐氧化球团冷抗压强度为2450N0虽然采用转戢强度和冷抗压强度较低的球团和块矿也能满足生产要求，但这意味着在运输过程中将产生较多的靛束且原料消耗高。3）容积密度：对矿槽和竖炉类的容量装置来说，原料容积密度低。相当于降低了设备的单位负荷或生产能力。球团矿和块矿的容积密度至少应达到2.2tHi?o如今全球每年直接还原铁总产量约5000万t,其中MlDREX”工艺的产量达到3000万t左右，占65%。而由奥钢联建设的MIDREX厂的产量约为IOoO万t。2004年10月，奥钢联从沙特阿拉伯哈迪钢铁公司获得合同,将其炼铁和扁平材生产能力扩大到200万t/a左右,比现有能力提高2倍以上。该项目中将建成世界上最大的MlDREX直接还原铁厂，生产能力将达175万ta,所生产出的海绵铁将以600的温度直接“热装”到下游炼钢设备中。由于煤资源的丰富，而天然气的口益枯竭，研究者们在现有MIDREX”工艺的基础上不断研究开发创新。宝钢提出运用成熟、先进的德士古煤制气技术生产直接还原铁，并与山东鲁南化学工业（集团）公司合作，共同开发了一项新工艺，即将德士古水煤浆加压气化工艺与直接还原竖炉工艺组合，流程命名为BL法直接还原工艺。【刈BL法生产海绵铁半工业性试验的设备，主要分为德士古煤气化及煤气成分调节、竖炉直接还原装置两大部分，工艺流程示意图见图2,其中煤气化和气体成分调节部分依托鲁化生产大系统建设，竖炉还原部分为新建装置。爆晓煤气空气图2BL法生产海绵铁半工业性试验工艺流程图Fig.2Flowchartofsemi-commercialtestingBLdirectreductionforDRI德士古煤气化是一种以水煤浆和氧气为进料的加压气流床气化工艺，主要工艺特点是:1)煤种适应性较广,可以使用高硫、高灰分煤获得高纯还原气；2)碳转化率高(94%99%);3)气化炉的气化及净化系统压力高(2520MPa),所以设备十分紧凑；气化炉结构简单，核心部件是水煤浆氧燃烧喷枪，目前其最长寿命已达半年，因此气化炉工作稳定，单炉作业率可达85%,有备用炉保证定修时，作业率可达95%99%,影响德士古炉操作和气化的主要工艺指标为水煤浆浓度、氧煤比和气化炉操作压力。4)德士古煤气化炉的另一个显著特点是环保效果好，由于气化炉内温度高达1500,因此煤气中不含焦油，与传统的煤气化方法相比，德士古气化法排放的CO?减少40%,NOX减少了86.2%,SOa减少了81.2%,因此,这是一种适合我国国情的洁净煤气技术。BL法直接还原工艺的特点是：(D在世界上首次完成了完全用煤作一次能源，将德士古煤制气技术用于竖炉生产直接还原铁的半工业性试验，并已连续20天稳定地生产出931合格海绵铁产品，平均金属化率达93.04%o(2)BL法生产海绵铁半工业性试验装置及德士古煤气净化设备的炉型及设备设计合理，结构简单、操作稳定、控制和检测手段齐全，可在0.10.4MPa压力、8001000C温度及气体组成比/CO从0.8-7较宽工艺参数范围用煤制气竖炉法生产海绵铁。BL法竖炉利用系数达10.43tDRI/m3.d(3)技术经济分析表明，当达到一定生产规模时，BL法可以经济地生产海绵铁产品并向企业输出一部分煤气。BL法特别适合缺少废钢和煤气的短流程电炉炼钢企业。2.2竖罐法(aHYLw法)竖罐法开始主要用来还原富铁矿块，后来这种矿石愈来愈少，到1970年开始采用焙烧后的氧化性球团矿作为原料。实践证明，使用球团矿还原的效果更好，产量提高，还原剂的消耗降低。还原剂为天然气与蒸汽混合后通过含臬接触剂进行裂化，制得的含H?和Co的混合气体。氧化性球团矿放在呈固定床的竖罐式反应器内，还原气体沿球层从上向下使球团矿还原，整个生产过程是间歇性的，一般可得到金属程度约87.4%的产品，多用作炼钢原料。1980年,第一套年产25万t的HYLTn装置流程改造成功并投入生产。其工艺流程见图3o矿石海绵铁图3HYLln法生产工艺基本流程Fig.3FlowchartofHYLlUdirectreductionprocess由于是非连续性生产，故采用了四个罐交替进行反应，依次轮流进行主还原，次还原（部分还原），冷却和装卸料四个阶段。在生产正常时，每一个反应器每一阶段需要3小时，整个循环的总时间为12小时。经过筛分除去细粒粉末的球团矿或块矿，从反应器的顶部装入，而后加封盖。从天然气转换炉出来的热还原煤气，经过一个产生蒸汽的废热锅炉（或热交换器）后，再经冷却塔而被冷却下来，然后直接从反应器的上部进入。煤气向下穿过球团矿井使之还原，这时煤气进入的反应器，是刚经过主还原阶段进入冷却阶段的，冷却阶段也是还原的最终完成阶段。在此，煤气的温度上升，而球团矿被冷却下来，所得最终金属化球团矿的允许含碳量可在1.5-2.25%范围之内。在冷却阶段发生热交换后提高了温度的热煤气，因含有水蒸汽，要在冷却谈内用水喷雾冷却后使之脱除，经脱除水蒸汽的煤气在预热器加热到705815C,并将其送入刚经过次还原阶段的反应器内，即进入到主还原阶段，将部分还原了的热球团矿进行大量的还原。从主还原阶段出来的还原气体同样含有大量的水蒸汽，需在冷却塔冷却脱水，然后再加热到705815°C,而后进入到刚装入球团矿的反应器内。此时，反应器属次还原阶段。在次还原阶段球团矿被加热并进行部分还原，而排出的煤气仍含有一定量的乩和C0,故经冷却脱除水蒸汽后，可以作其他燃料用，如发热值不足，可加入一些天然气补充。经冷却阶段后，球团矿在排出前都要用惰性气体清除反应器内的残存煤气，同时起到冷却和防止金属铁的再氟化。在向新装球团矿后的反应器通入还原煤气前，也需通入惰性气体来排出里面的空气，以防爆炸事故发生。最终产品从反应器下部卸出。为便于清理和使偶然发生的粘结现象消除，在每个反应器内都设有一根可转动的，能按要求升降的钻杆，在钻杆上部安有可伸缩的耙臂。使用这种方法生产金属化球团矿时,每吨产品消耗天然气57511）3。若用天然矿则为710m3,一般使用的球团矿直径为816毫米。使用的原料和产品的化学成分及其粒度组成见表3.表3原料和产品的化学成分及其粒度组成（1972年1月平均值）化学成分和粒度组成氧化性球团矿（原料）金属化球团矿（产品）TFe,%66.4387.44FeO,%2.25一Fe203,%92.27-赤铁矿，%87.29-磁铁矿，%7.37-P,%0.0510.067S,%0.0140.008C,%-2.02脉石，%5.367.18金属铁，%-76.18金属化程度，%一87.12粒度组成，%>22.2mm1.151.04>16.Onim35.8629.16>9.5mm88.6673.52>3.2mm99.0592.15>0.59mm99.5194.50<0.59mm0.495.502.3粉矿还原技术（“FINMET”法）FINMET是目前唯一投入生产的粉矿直接还原技术，其优质热压块铁产品在美国和亚洲各地多家钢铁公司得到使用。截至2004年9月底，已建成了2座FINMET厂，总共生产了820万t热压块铁：隶属于BHP比利顿的布达里亚铁厂，位于澳大利亚海德兰港，1999年2月投产；奥里诺科铁厂，位于委内瑞拉的匹约托奥达兹，2000年5月投产有天然气资源的条件下，FINMET是用廉价铁矿粉生产优质铁压块的经济而高效的技术。3气基直接还原工艺的对比I）MIDREX使用天然气，与高炉和CoREX相比，CO排放要低得多。由于产品C含量低（2%）,与其他工艺相比，Co排放也较低。UU2）通常MidreX和HYL法以竖炉作反应器，而FiOr法以流态化床为反应器。与高炉法生产铁水相比，这些工艺对环境污染少，且生产灵活性大。三种工艺的技术经济对比见表4。表43种宜接还原铁生产工艺的技术经济指标_项目MidrexHYLlttFior原料性状块矿或球团,块矿或球团粉犷反应舒翌炉蜃炉流化床还原剂重整还原气包整还原气重整还原气工作压力/MPa常压0.050.1-生产能力/MtL"081.00.4投奏赛/美元Cta）250250300能耗天然气/GJLIU10«98煤kgt一一电/kWh.rj12535200产品金属化率/，929293含碳/%1.4201.53）BL法直接还原工艺中，还原煤气成分从德士古原始煤气成分点比/CO=O.85调整到MidreX还原气成分点（H2/CO=L2-1.7）SHYLm还原气成分点（/CO达到7.9）,结果使还原煤气利用率大大提高。4）新型工艺AreX工艺的优点为：1相同生产规模下，因省去了气体重整反应器，故设备少，投资省，占地小,节能，小规模工业性试验中每年生产It直接还原铁耗能约9.0GJ；产品含硫低，表明脱硫率较高；由于免除了气体穿过单独的催化反应层，整个系统压降小，故对原料的粒度要求不象其它两法严，可以直接利用块矿，不一定要造球（但造球对改善指标有利）;装置内无移动部件，运行中设备事故少，维修工作量小，作业率高；操作费用减少近15%,产品成本低，价格上有竞争力；污染少，有利于环境保护。目前此工艺还在继续改进完善。该工艺流程见图3。r.i冷或再/r，咬m，快图3AreX工艺流程示意图1一加压空气或富氧空气；2天然气与净化脱水后的加压炉顶煤气混合物；3混合气体加热器；4-气体燃烧室；5一竖炉；6一排放气体的脱水和净化；7一净炉顶煤气加压并返回；8一冷的还原产品压块；9一卸出热或冷至环境湿度的产品；10一净炉顶煤气送预热器5）新型IronCarb工艺1（流程见图4）系铁矿石被天然气还原后生成铁碳化台物（FesC）的过程，生产时所用铁矿石的理想粒度为0.1l.Omm或小于0.Imm中的任何一级。多数情况下，普通的铁矿粉不需经过破碎、分级就可直接使用。美国纽柯钢铁公司在特立尼达多巴哥共和国投资约6000万美元，利用当地丰富价廉的天然气资源，建造世界上第一座年产33万t碳化三铁工厂，于1994年下半年投产，所出产品运至美国，作纽柯公司电弧炉炼钢的原料。4结论与展望D直接还原中气基法虽然具有生产效率高、生产规模大、能耗低和操作容易等优点，但其还原剂的一次能源为天然气,因此该法只能在天然气丰富的国家得到发展。2）90年代正积极推向商业化的生产直接还原铁的新工艺有Arex工艺和IronCarb工艺。3）吸取国外成功的研究成果，大力开发煤气化技术，积极探索立足于我国非焦煤和高品位精矿的产率高、能耗低、单机产能大的直接还原新工艺。4）当前，世界还原铁生产主要以气基为主，但由于我国天然气资源较少，又是化工原料，发展气基有困难，只能在油、气产区能把天然气用于直接还原铁的生产。然而，我国煤资源丰富，因此，开发煤基直接还原技术仍是解决我国优质废钢不足的重要途径。5）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 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.金国范.铁矿石直接还原新工艺现状.湖南冶金，1994,6：5054THEPROPERTIESANDDEVELOPMENTOFGAS-BASEDDIRECTREDUCTIONPROCESSINGABSTRACT:Directreductionprocessescanbedividedintogas-basedandcoal-basedonesdependingonthetypeofreducingagents.Majorgas-basedprocessesthathavedevelopedintoindustrialapplicationcanbesubdividedintoMidrexandHyLlIIusingpelletorlumpores,andFinmetusingfineores.Theuseddirectreductionprocessesusingores(e.g.MidrexandHyLlII)arementioned,andcomparedwithArexandIronprocessingwhicharegoingtobeputintopracticerecently.KEYWORDS:DirectReductionGas-BasedDirectReductionMidrexHylFinmet