一、直接还原铁的生产技术及现状
直接还原是一个过程,其中氧化铁被还原成固态的金属铁,没有熔化或造渣。直接还原产物统称为直接还原铁(DRI),因其海绵状结构又被称为“海绵铁”。为了提高产品的抗氧化性和堆积密度,DRI在热态下挤压出的产品称为热压块(HBI),DRI在冷态下挤压出的产品称为DRI压块。
直接还原是大规模工业化生产技术,已经工业化的直接还原方法有几十种。2008年,DRI/HBI的世界产量约为6845万吨,约占世界生铁产量9.3亿吨的7.23%。直接还原铁产品纯净、质量稳定、冶金特性优良,是生产优质钢和纯净钢不可缺少的原料。它是世界钢铁市场上最热门的商品之一,直接还原是世界钢铁生产不可或缺的一部分。
世界直接还原的现状可以总结如下。
(一)产量持续增加,以气基竖炉为主。
如表1所示,DRI的产量继续快速增长。气基竖炉米德雷克斯法和HYL法是最大的生产工艺,回转窑是煤基直接还原的主要方法。气基工艺的产量约占世界总产量的75%。煤基直接还原约占25%。直接还原铁各工序产量分布见表2。近年来,俄罗斯、印度、中东等地都有建设大型气基竖炉直接还原生产厂的计划。天然气丰富的拉美、北非和亚洲是直接还原铁的主要产地。印度是世界上直接还原铁产能和产量最大的国家,2008年产量为2120万吨。
表1世界直接还原铁产量(万吨)
由南非Midrex公司提出并在南非实现的COREX熔融还原尾气作为Midrex还原气的工艺技术,以及墨西哥HYL公司提出的直接利用焦炉气、合成气和煤制气作为还原气的HYL-锆工艺,为在天然气资源不足的地区发展天然气以外的能源的气基直接还原工艺开辟了一条新的途径。
用煤气竖炉生产DRI,可以实现DRI的热卸和DRI热装电炉炼钢。DRI 500~700℃热装电炉可节约电能60~80kw·h/t(钢)。同时简化了DRI出炉后的处理过程,减少了DRI在冷却和运输过程中的二次氧化。
煤制气技术是煤化工领域一项成熟的常规技术,在中国已经使用了很长时间。煤制气直接还原技术引起了中国钢铁工作者的关注,国内已有20家单位进行了以煤制气为还原气的竖炉直接还原厂的建设规划或设计。从能耗、环保、生产规模以及与后续工艺的联系等方面综合分析,煤气化-竖炉直接还原工艺将成为我国DRI生产的主要工艺。
(3)回转窑技术在印度和中国已经成熟和发展。
回转窑法是煤基直接还原技术中最成熟、规模最大、最重要的工艺方法。在印度、南非、中国等国家和地区得到了发展。据相关数据显示,2008年印度DRI总产量为2120万吨,其中回转窑产量约占30%,约有300座回转窑在运行。
天津钢管在引进DRC技术的基础上,进行了大量的改造,取得了技术上的巨大进步。最好的年份产量超过设计产量20%,煤耗仅为900 ~ 950 kg/t (dri)。尾气预热发电进一步降低了能耗。当使用SAMARCO球团时,产品ωTFE > 94.0%,金属化率> 93.0%,ω [s]和ω[S]。
回转窑对原燃料要求严格,能耗高(约950kg/t(DRI)实物煤),投资大,运行成本高,生产运行难以稳定,生产规模难以扩大(最高15万t/(座))。因此,回转窑法在资源条件适宜的地区可能适用于中小型DRI生产,但难以成为我国DRI发展的主要工艺。
(D)隧道窑法已在中国大量发展。
隧道窑法是最古老的炼铁方法之一,世界其他地方的隧道窑法仅用于粉末冶金还原铁粉生产的第一还原工序。除国内外,尚无用隧道窑生产炼钢用直接还原铁的报道。隧道窑法技术含量低,适合小规模生产,投资少,符合民营企业的投资需求。最近在国内得到了很大的发展。中国已建或在建的隧道窑有200多座,设计年产量超过400万吨。时至今日,DRI隧道窑的建设热潮日益高涨。从多媒体搜索发现,有几十家单位计划建设生产能力为5 ~ 30万吨/年的隧道窑直接还原炼铁厂。
罐法隧道窑还原效率低,能耗高,还原煤量为450 ~ 650 kg/t (dri)。450 ~ 550公斤/吨(直接还原铁)的煤用于加热;生产周期长(48 ~ 76h);严重污染(还原煤灰、废物还原罐等固体废物、粉尘);产品质量不稳定;单机产能很难扩大,也不可能成为我国发展直接还原铁的主导方法。
(5)转底炉法是煤基直接还原技术发展的热点。
日本、美国等国家开发的煤基直接还原技术(Fastmet、Inmetco、Itmk3),由于含铁原料和还原剂混合制成球团,还原条件良好。广泛的能源来源;对原料适应性强,在钢铁厂粉尘和复合矿利用方面有优势,受到人们的重视。20世纪90年代以来,我国先后在舞阳、鞍山、河南等地建设了许多实验装置或工业试生产装置,对转底炉煤基直接还原技术进行了大量研究。近年来,随着钢铁工业的发展、环境保护的需要、含铁尘泥的处理、复合矿的综合利用以及扩大产能的需要,转底炉工艺引起了人们的关注。四川龙旺已建成年产10万吨钒钛磁铁矿转底炉试验装置,天津荣成钢铁公司正在建设年产80万吨转底炉扩大产能。马钢、攀钢、莱钢、沙钢、日照钢铁都在建设转底炉还原装置,大部分将于明年初投产。
国内外研究表明,转底炉是一种以含碳球团或煤球快速还原为特征的煤基直接还原装置,对冶金厂含铁粉尘(含锌粉尘和不锈钢冶炼粉尘)的处理是有效和成功的。但作为炼钢用DRI,由于粉煤灰的加入,产品铁品位低,S含量高,难以满足炼钢的需要。如果用电炉预熔,需要消耗500 ~ 550 kW·h/t的电能。如果使用氧煤作为熔融处理的能源,则需要开发和验证工艺设备和技术。转底炉生产的还原铁直接在高炉中冶炼,在用量较小时,可以提高高炉产量,降低焦比。但是,大剂量对高炉冶炼过程、能源消耗和经济效益的影响需要通过实践来验证。在技术、能耗、经济效益等方面存在风险。在转底炉生产还原铁和高炉直接冶炼还原铁时,应慎重选择。
(6)流化床法的发展受挫。
流化床法利用粉状原料和铁矿粉单体颗粒在高温还原气流中进行还原。粉矿不需要结块,还原速度快。在还原机理上是气基法中最合理的工艺方法,在直接还原的发展和发展中备受关注。但在生产实践中,由于物料流化所需的气体流量远大于还原所需的气体流量,单程还原气体利用率过低(10%左右),气体循环能耗高;流化床为全混床,产品还原程度不均匀;“漏流”和粘结问题一直困扰着流化床生产的稳定性,至今没有得到有效解决。因此,在世界上建造的许多流化床直接还原装置中,只有Finmet(委内瑞拉马塔萨斯的Orl Noiron)和Circored(特立尼达和多巴哥Point Lisas的Cliffs&Associates)在生产,但产量只有生产能力的50%左右。
二、中国直接还原铁的发展前景
直接还原是钢铁生产短流程(紧凑流程)的基础。短流程因其无炼焦煤、能耗低、单位产能投资少、建设周期短、对环境影响小等特点,是钢铁行业的发展方向,受到钢铁行业的高度赞扬。DRI/HBI是国际钢铁市场上最受欢迎的产品之一。近年来,DRI在国际市场上的价格不断上涨(从中国进口的DRI/HBI最高价格为586美元/吨)。从国际市场来看,直接还原铁发展前景广阔。
中国钢铁库存不足,废钢数量远远不能满足钢铁生产的需要。废钢短缺是影响我国电炉钢发展的重要因素。同时,中国钢铁生产的主要能源是焦炭。世界炼焦煤资源短缺和价格飞涨严重干扰和威胁着中国钢铁工业的可持续发展。直接还原有利于改善我国钢铁生产的能源结构,是摆脱炼焦煤资源羁绊,减少钢铁生产对环境不利影响的重要途径。DRI在中国的市场容量预计将达到1500-2000万吨/年
2007年,中国DRI产量仅60多万吨,占全球DRI总产量6722万吨的不到1.0%。而且有40%左右的产品质量达不到直接还原铁H90的国家标准,ω TFE < 90%,堆积密度< 2.0 kg/cm3,质量不稳定。在炼钢生产中不受欢迎,被迫低价销售,不仅造成DRI厂家经济效益不佳,更重要的是电炉使用低品质DRI大大增加了炼钢能耗。
国内建的10个DRI生产厂,除了喀左、天津钢管、密云、鲁中、富蕴金山是回转窑工艺外,其余都是隧道窑工艺。近几年密云和鲁中的回转窑由于矿山生产效益好,从有利生产组织的角度来看已经停产。因此,隧道窑法在我国DRI生产中占有重要地位。中国国民经济的发展要求大幅度降低单位国民经济产值的能源消耗。从环保的基本原理出发,用隧道窑法生产炼钢用直接还原铁不符合“节能减排”的发展方向。如何解决隧道窑法的能耗和环保问题,是隧道窑法生存和发展的重要问题。
煤气化-竖炉直接还原制铁工艺为我国直接还原的发展提供了新的途径。中国煤炭资源丰富,拥有成熟的煤制气技术和长期运营经验。煤制气技术是国家推广的环保技术。煤制气竖炉直接还原将是我国DRI生产的主要方式。图1是煤气化-竖炉直接还原过程的示意图。
近年来,我国许多钢铁、化工工作者对煤改气竖炉生产直接还原铁进行了大量的调查研究,获得了大量的数据,为我国采用煤改气竖炉直接还原技术打下了良好的基础。但是,煤气化方式的选择、煤种、煤气化与竖炉技术的多联产组合、煤气化与竖炉的衔接、煤气压力与竖炉压力的衔接以及相关设备等都需要进一步研究和探讨。海城东四、唐山不锈钢公司(青龙)、内蒙古中兴(曹妃甸)、延吉东方创新、吉林天池、安徽霍邱、内蒙古乌海、包钢都在规划、策划、设计、建设竖炉直接还原铁项目。这些项目的建成将彻底改变中国直接还原铁生产的面貌,为中国钢铁工业的发展开辟一条新的道路。