（钢铁冶金专业论文）250kg级氢碳熔融还原热模拟试验研究.pdf

原创性声明 | j i i 川j j f f 洲川f i j | i f f | i f y 17 4 1518 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位 八文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被禽阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： l i 上海大学工学硕士学位论文 2 5 0 k g 级氢碳熔融还原热模拟 实验研究 姓名： 导师：寸y ： 学科专业： 骆琳 郑少波 钢铁冶金 上海大学材料学院 2 0 1 0 年6 月 上海人学硕上学位论文 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a iu n i v e r s i t yf o rt h e d e g r e eo fm a s t e ri ne n g i n e e r i n g e x p e r i m e n t r e s e a r c hf o ri r o n o r e s m e l t i n g , , r e d u c t e db y h y d r o g e n - c a r b o ni n2 5 0 k g - - c l a s s 1j n l n c i u c t l o ni u r n a c e m d c a n d i d a t e ：l u ol i n s u p e r v i s o r ：z h e n gs h a o b o m a j o r ：f e r r o u sm e t a l l u r g y s c h o o lo fm a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s h a n g h a iu n i v e r s i t y j u n e ，2 0 0 9 i v 上海大学硕士学位论文 摘要 随着钢铁行业的发展，面临着资源、能源、环境的压力。传统的高炉 炼铁工艺需要烧结矿和焦炭为原料，在造块和炼焦的过程中，会产生大量 的污染；同时，中国的富铁矿和焦煤储量不多，资源短缺。从上个世纪开 始，熔融还原炼铁技术有着较大的发展，c o r e x 等工艺已工业化，在环境方 面有较大优势。目前的熔融还原工艺中主要是利用煤炭，因此不能降低c 0 2 的排放。因此，提出了氢碳熔融还原新工艺，用氢气代替部分煤炭，实现 降低c 0 2 的排放量。 本文基于氢冶金原理提出了碳一氢熔融还原思想，其还原工艺原理表达 为以下方程： 还原：f e 2 0 s + 3 h z = 2 f e + 3 h 2 0 供热：2 c + 0 2 = 2 c 0 制氢：c o + h 2 0 = h 2 + c 0 2 总反应为：f e 2 0 3 + 3 c + 3 2 0 2 = 2 f e + 3 c 0 2 h 2 通过水煤气转化，可以实现循环利用。氢碳熔融还原工艺采用底吹氢气， 铁矿在熔融状态下被还原为铁。为此，本文进行了氢碳熔融还原试验研究，为氢 冶金提供有益的探索。 本工作进行了能耗分析，了解氢还原情况下的热力学优势；氢参加还原可以 减少吨铁的热耗，可以减少传热压力；在高温下由于h 2 还原的平衡常数大，高二 次燃烧情况下h ：仍然可以保持好的还原性。通过水模拟以及1 0 k g 热模拟实验，明 确了底吹情况下底吹气体最低、合适以及最大流速和流量；通过水模拟实验没计 了本试验中内径为0 8 m m 的针孔式透气塞。在进行热模拟试验过程中，试验分为 二个阶段；第一阶段是通过底吹氮气进行试验，对设备参数的摸索，考察了渣量、 熔池温度、熔池的搅拌强度，石墨套等主要冈素对还原情况的影响，同时获得了 试验的操作参数。底吹氮气合理的气量为1 7 2 0 m 3 h 之间，搅拌功为 6 0 5 7 1 l k w t ；温度在1 4 0 0 1 5 0 0 下，进行了碳还原动力学计算，碳还原速率常 v 上海大学硕士学位论文 数为0 6 0 7 5 9 f e c m 2 m i n 。第二阶段进行了底吹氢气试验，试验比较顺利的实现 了氢气和氮气切换。底吹氢气压力0 0 3 m p a 左右，流量为1 2 1 8 m 情况下，整 个试验比较顺利，底吹效果比较好，氢气搅拌功为4 2 7 6 7 4k w t ；通过调节功率 温度控制在1 4 0 0 c 左右，氢气还原速率常数为0 9 3 1 0 3g f e c m 2 m i n ，跟固体碳 比较氢气还原速率快；避免过泡沫渣形成，加矿量在1 5 k g h 比较合理。 本工作通过进行底吹氢熔融还原试验研究，对了解底吹氢情况下的安全性 以及工艺操作参数是很有帮助的，为今后大型的工艺化实验提供经验和理论计 算依据。 关键词：熔融还原，底吹，热模拟，氢冶金，铁浴 v i 上海大学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs t e e li n d u s t r y , t h ew o r l df a c e st ot h ep r e s s u r e so f s h o r t a g eo fr e s o u r c e s ，e n e r g ya n de n v i r o n m e n t t r a d i t i o n a lb fp r o c e s sd e p e n d so n s i n t e ra n dc o k e ，a n di tl e a d st ol a r g ea m o u n t so fs e r i o u sp o l l u t i o ni nt h i sr a wm a t e r i a l m a n u f a c t u r ep r o c e s s ；h o w e v e r , t h er i c hi r o no r ea n dc o k i n gc o a li sa l s od e f i c i e n c yi n c h i n a s i n c et h el a s tc e n t u r y , s m e l t i n gr e d u c t i o ni r o n m a k i n gt e c h n o l o g yh a dg r e a t d e v e l o p m e n ta n d t h ec o r e xe t c p r o c e s sh a db e e n i n d u s t r i a l i z e d w i t hb e t t e r e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n si ns t e e li n d u s t r y i ti st h em a i nr e d u c i n ga g e n tf o rc a r b o n i nt h ec u r r e n ts m e l t i n gr e d u c t i o np r o c e s s ，s oi tc a n tr e d u c ec 0 2e m i s s i o n s i ft h e h y d r o g e na c t i n ga st h er e d u c i n ga g e n t ，i tw i l le f f e c t i v e l yr e d u c ec 0 2 e m i s s i o n si nt h e n e wg e n e r a t i o ns m e l t i n gr e d u c t i o np r o c e s s ，a n da c h i e v e sl o w e rc 0 2e m i s s i o n s b a s e do n h y d r o g e nm e t a l l u r g i c a li d e a ，t h ep r i n c i p l e i s p r o p o s e d f o r h y d r o g e n c a r b o ns m e l t i n g r e d u c t i o np r o c e s si nt h ep a p e r , e x p r e s s e da st h e f o l l o w i n ge q u a t i o n r e d u c t i o n ：f e 2 0 3 + 3 h 2 = 2 f e + 3h 2 0 h e a t i n g ：2 c + 0 2 = 2 c 0 h y d r o g e n ：c o + h 2 0 = h 2 + c 0 2 t h eo v e r a l lr e a c t i o n ：f e 2 0 3 + 3 c + 3 2 0 222 f e + 3c 0 2 b o t t o mb l o w i n gh y d r o g e nb eu s e di nt h eh y d r o g e n c a r b o ns m e l t i n gr e d u c t i o n ， a n dr e c y c l i n gu s ec a nb ea c h i e v e db yg a sc o n v e r s i o n t h ep r o c e s sa p p l y st h e b l o w i n gh y d r o g e ng a s ，a n d i r o no r ew i l lb er e d u c e di n t oi r o ni n h i 【g h t e m p e r a t u r e t h e r e f o r e ，t h ee x p e r m e n ti s am e a n i n g f u le x p l o r a t i o nf o rh y d r o g e n m e t a l l u r g yi nt h i sa r t i c l e e n e r g yc o n s u m p t i o nh a sb e e na n a l y s i s e df o rt h ea d v a n t a g e so ft h e t h e r m o d y n a m i cr e d u c t i o ni nt h ew o r k h y d r o g e nr e d u c t i o nc a nr e d u c eh e a t c o n s u m p t i o n ，h e a tt r a n s f e rs t r e s sa l s ow i l lb el o w e r ；h y d r o g e nr e d u c t i o nc a nk e e pu p v i i 上海人学硕上学位论文 t h eg o o dr e d u c i b i l i t yi nh i g hp o s t c o m b u s t i o na th i g ht e m p e r a t u r e s ，b e c a u s eo ft h e l a r g ee q u i l i b r i u mc o n s t a n to fh 2r e d u c t i o nf e o i th a sb e e nc a l c u l a t e df o rt h e m i n i m u mb o t t o mb l o w i n gv o l u m e ，t h er e a s o n a b l ef l o wr a t ea n dv o l u m e ，m a x i m u m f l o wr a t ea n dv o l u m eb yw a t e rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，a n dt h ep i n h o l ev e n t i l a t i o n p l u go ft h ei n t e r n a ld i a m e t e r o f0 8 r a mh a sb e e nd e s i g n e db ye x p e r i m e n t t h e r m a l e x p e r i m e n ti sd i v i d e di n t ot w os t a g e s i ti sr e s e a r c h e df o rt h ed e v i c ep a r a m e t e r s e x p l o r e d ，i n v e s t i g a t e da m o u n to fs l a g ，b a t ht e m p e r a t u r e ，b a t hs t i r r i n gi n t e n s i t ya n d g r a p h i t ef a c t e ri nt h ef i r s tp h a s e ，w h i l ea l s oo b t a i n st h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r st h r o u g h t h eb l o w i n gn i t r o g e ne x p e r i m e n t ；t h eb o t t o mb l o w i n gv o l u m eo fn i t r o g e ni sf r o m1 7 t o2 0 m 3 h ，a n dt h eb o t t o mb l o w i n ga g i t a t i o np o w e ri sa b o u tt h e6 0 5 7 1 l k w t ，a n d t h ec a r b o nr e d u c t i o nk i n e t i c sh a v e db e e nc a l c u l a t e df o rt h ec a r b o nr e d u c t i o nr a t e c o n s t a n ta b o u t0 6 0 7 5 9 f e c m 2 m i ni n1 4 0 0 1 5 0 0 。c t h eb o t t o mb l o w i n g h y d r o g e nh a v e b e e n d o n ei nt h es e c o n dp h a s e ，a n di ti ss u c c e s s f u lf o rt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h es w i t c h i n go p e r a t i o no fh y d r o g e na n dn i t r o g e n ；t h eb o t t o m b l o w i n gp r e s s u r ei sa b o u t0 0 3 m p a ，a n dt h eb o t t o mb l o w i n gg a sf l o wi s1 2 1 8 m h ， a n dt h eb l o w i n gm i x i n gp o w e ri s4 2 7 6 7 4k w tf o r t h eb e t t e rb l o w i n gt h r o u g h o u t t h ee x p e r i m e n t ：一t h et e m p e r a t u r ei ss t a b l yc o n t r o l l e da b o u t1 4 0 0 。cb yt h et o pa r e a p o w e ra b o u t5 0 - 7 0 k wa n dt h eb o t t o mp o w e r3 0 - 5 0 k w ；t h eh y d r o g e nr e d u c t i o nr a t e c o n s t a n ti so 9 3 - 1 0 3g - f e c m 2 m i na t1 4 0 0 * c a n dt h eh y d r o g e nr e d u c t i o nr a t ei s m o r ef a s tt h a nc a r b o nr e d u c t i o n ；t h ea m o u n to f1 5 - 2 0 k g ho r ei sr e a s o n a b l ef o r a v o i d i n ge x c e s s i v ef o a m i n gs l a g ， i ti sr e a s e r c h e df o rt h es e c u r i t ys i t u a t i o na n dt h ep r o c e s so p e r a t i n gp a r a m e t e r s b y t h eb l o w i n ge x p e r i m e n ta n de x p e r i e n c eo fe x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nf o u n d a t i o ni sh e l p f u lf o rt h ef u t u r el a r g e s c a l et e c h n o l o g y k e y w o r d s ：s m e l t i n gr e d u c t i o n ，b o t t o mb l o w i n g ，t h e r m a l s i m u l a t i o n ， h y d r o g e nm e t a l l u r g y , i r o nb a t h v i i i 上海大学硕上学位论文 目录 摘要：v a b s t r a c t v i i 目录i x 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 2 熔融还原基本原理及发展历程2 1 2 1 熔融还原的发展历程3 1 2 2 熔融还原的特点3 1 3 熔融还原技术的研究现状4 1 3 1 国内外熔融还原工艺现状：5 1 3 2 熔融还原上艺面临的问题8 1 3 3 氢能源住钢铁行业的应用9 1 4 铁浴式熔融还原研究1 0 1 4 1 铁氧化物还原动力学研究。1 0 1 4 2 熔融还原中铁氧化物还原的影响因素1 3 1 5 课题研究内容及意义1 5 1 5 1 课题研究意义1 5 1 5 2 课题研究内容1 6 第二章氢碳熔融还原工艺能耗分析1 8 2 1 氢碳熔融还原下艺基本原理1 8 2 2 氢碳熔触还原终还原i ：艺流程一1 8 2 3 氢碳熔融还原能耗分析1 9 2 4 氢、一氧化碳气相平衡与_ 二燃率的关系2 2 2 6 j 、结2 4 第三章热模拟底吹参数及透气塞设计2 5 3 1 氢碳熔融还原试验底吹参数计算2 5 3 1 i 氢碳熔触还原底吹气餐2 6 3 1 2 底吹透气塞设汁。3 2 3 2 ，j 、结3 4 第四章氢一碳熔融还原试验3 6 4 1 试验设备3 6 4 2 试验计划与步骤3 8 4 2 1 试验计划3 8 4 2 2 试验步骤3 9 4 3 试验数据以及试验现象4 3 4 4 试验结果4 7 4 4 1 结果分析与计算4 7 4 4 2 动力学分析5 3 i x 上海人学硕上学位论义 4 4 3 还原因素分析5 6 4 4 4 氢还原分析5 9 4 5 j 、结6 1 第五章结论与展望6 3 5 1 结论；6 ：； 5 2 展望，6 4 参考文献。6 5 作者在攻读硕士学位期间所作的项目7 1 致 谢7 2 x 上海人学硕上学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 钢铁工业长期以来都是各国国民经济的基础产业，钢铁工业在整个国民经 济中的作用举足轻重。中国钢铁产量白1 9 9 6 年以来已连续保持世界第一，这标 志着我国的钢铁工业已经进入了一个高速发展时期。就传统高炉炼铁方法而言， 发展到今天已经进入鼎盛时期，技术上已经非常成熟，此法今后相当长一段时 间内仍将是炼铁主要方法。然而，高炉炼铁要持续发展面临众多障碍，特别是 我国粗放型的经济增长方式并没有根本转变，钢铁工业仍然是依靠资源的高消 耗、高污染来推动行业的增长。钢铁企业是高能耗、高污染的企业，铁前系统 工序多、规模大，烧结、炼焦生产设备庞大、复杂、生产流程过长。同时存在 加热、冷却、再加热，磨细、造块、再破碎等多次不合理的反复。这就导致生 产全过程的物耗和能耗的增多，粗放型的经济增长方式并没有得到根本转变， 中国钢铁产业在高速发展面临着能源、资源和环境保护等各方面的巨大压力。 目前，钢铁行业的能耗占全国总能耗的1 0 以上，水耗占全国工业水耗的9 左右1 1 1 。其主要的能源焦炭面临世界性资源短缺，供应紧张，价格不断上涨，已 经成为影响钢铁工业发展的重要因素。世界及我国焦煤资源有限，中国炼焦煤的 储量只有9 亿吨，按目前的开采量，只能使用3 0 年左右就将枯竭l2 1 ，几十年以后， 中国高炉将要遇到难以克服的焦炭问题。传统的b f b o f 生产工艺无法直接使用 粉矿，需用焦炭和块状原料，在烧结、炼焦生产过程中产生的废水、废气含有酚 氰、硫化物、氮化物、一氧化碳和二恶英等有害物质，污染十分严重。同时也排 放数亿吨的温室气体c 0 2 ，我国已经成为美国之后的世界第二大c 0 2 排放国，其 中s 0 2 的排放量居第3 位，烟尘排放量居第4 位，粉尘排放量居第2 位l 引。因此钢铁 工业是重污染行业，随着环境保护的要求同益提高，钢铁工业发展的环境压力越 来越大。 钏铁工业要从国家长远整体利益出发，站在中国乃至世界经济发展的高度， 追求生念环境和经济效益最佳化。在2 0 0 4 年中国幽际钢铁大会上，中国工程院院 上海人学硕：t 学位论文 长徐匡迪同志提出“努力开发钢铁工业循环经济的绿色新流程，使钢铁厂不仅生 产钢材，而且是清洁、高效的能源转化工厂和废弃物回收及综合利用厂”【4 1 。 氢能源是清洁、高效的能源，它将是钢铁工业很好的选择。氢气利用也将 得到更多的重视，欧盟就决定在2 0 2 0 年氢能源提高到占总能耗的1 0 左右【5 1 。 欧洲1 5 国制订了“超低c 0 2 制钢 计划( u l c o s ) ，日本制定了“低c 0 2 排 放钢铁工业技术路线图”。欧洲u l c o s 计划是要使现行工艺改进节省2 4 碳 消耗，而日本的目标是减排3 0 的c 0 2 排放1 5 1 。首钢与澳大利亚、美国、日本 等企业共同投资熔融还原项目，与墨西哥企业合作直接还原铁实验厂项目，与 美国企业合作开发氢冶金技术等，从而变革钢铁生产流程。 1 2 熔融还原基本原理及发展历程 随着高炉的发展，越来越多的问题目趋严峻，高品位的铁矿石减少，使得炼 铁成本的增加；焦炭资源的贫乏，焦炭价格也逐渐增高；烧结，球团矿生产以及 炼焦过程中的“三废”严重污染环境，在这样的背景下人们开始寻找一些新的炼 铁方法。非高炉炼铁方法根据产品划分为两种：直接还原和熔融还原。直接还原 流程的产品是固态的海绵铁，而熔融还原是液态的生铁。本课题主要是从事铁浴 式熔融还原终还原炼铁的研究。 熔融还原法是指不用高炉法生产液态铁水的方法，以非焦煤作为主要能源， 省去炼焦工艺，使用块矿、球团矿或者直接使用铁矿粉等原料，在高温熔融状态 下利用碳作为还原剂，把铁氧化物还原成金属铁的冶炼方法。埃克托普教授在上 世纪6 0 年代提出“熔融还原”的概念是基于以下热力学原理： 还原：f e 2 0 3 + 3 c = 2 f e + 3 c 0 ( 1 1 ) 供热：3 c o + 3 2 0 2 = 3 c 0 2 ( 1 2 ) 总反应：f e ! 0 3 + 3 c + 3 2 0 ：= 2 f e + 3 c 0 2 ( 1 3 ) f e 2 0 3 在熔融状态下被碳直接还原，生成铁液和c o 气体，二次燃烧作为丰要 热源，为炉料熔化和还原反应提供热量。实现上述理论设想，必须将c o 二次燃 烧热有效地传递给还原区，同时还避免还原区的还原出来的液态铁被氧化，而传 热和传质又足难以分丌，这证是熔融还原难以实现的关键之所在。 2 上海人学硕上学位论义 1 2 1 熔融还原的发展历程 各国对熔融还原炼铁进行了广泛的研究以及开发，到目前为止方法大约有3 0 多种。从还原方式上可以分为竖炉法、流化床法、热旋分器法；从终还原方式有 熔融气化炉、铁浴反应炉等。熔融还原工艺的研究开发可以看作经历了三代： 第代工艺【6 】：从上个世纪2 0 年代开始，曾进行几种方法的试验。如在熔池 上方二次燃烧试验，由于过程控制困难，二次燃烧时的高温和强腐蚀性f e o 熔体 对炉衬的严重侵蚀，使炉内耐火材料消耗大，缺少经济性而宣告失败；大多试验 传热方面的热交换效率不高而被取消，热量的利用没有得到解决。这些方法虽然 没有成功，但是传质和传热方面的研究在今天也是有意义的。 第二代工艺1 6 】：有代表性的是瑞典在2 0 世纪6 0 7 0 年代开发的用电作热源的熔 融还原法，它克服了由二次燃烧空间到还原空间传递热量的困难。其他一些方法 是用终还原产生的废气进行二步法的矿石预还原，预还原和终还原的连接，使得 能量充分的利用；但是由于f e o 炉渣的侵蚀及热需求得不到满足，使得试验难以 实施。已进行半工业试验的方法是e l r e d 法、i n r e d 法和等离子熔炼法。总之，使 用电能还原铁矿石，多数情况下是不经济的，因而第二代工艺未能推广。 第三代工艺：2 0 世纪8 0 年代以来新开发的熔融还原工艺，如澳大利亚、同本 的、前苏联的等都是根据高二次燃烧率与高传热效率理论，将高还原势条件下才 能完成的铁矿石碳热还原过程和高氧势环境下才能实现的高二次燃烧率集成到 一个反应器中，不但可以节省大量燃料，又可快速实现熔融还原。特点是放弃电 能，立足于煤和氧气的“无焦炭工艺”。在此后的开发中不断的更新手段，不仅 利用煤，还采用电能提供还原需要的热1 6 j 。但这种理论指导下丌发的熔融还原新 工艺山于冶炼过程中炉衬侵蚀过快、大量热煤气的能量难以回收利用、能耗成本 居高不下等原因，工业化的道路仍足比较漫长的i7 。 1 2 2 熔融还原的特点 熔融还原具有还原反应快，对原料限制少等优点，矿石和煤的可选范围比较 广。熔融还原的突出优点在于生产过程中少量使用或不使用焦炭，以解决全球冶 上海大学硕l 学位论文 金焦煤的短缺及炼焦对环境的污染问题。它的开发是对现有已经存在数百年的高 炉炼铁技术的一个根本性变革。熔融还原工艺炼铁作为一种革命性炼铁生产方 式，有以下几个特点： 减少对焦炭的依赖，有效利用能源。煤炭是钢铁工业的重要原料，我 国煤炭资源是比较丰富，可是炼焦煤资源相对稀缺。高炉冶炼离不开焦炭，近 年来优质炼焦煤短缺已经成为影响炼铁生产重要因素，炼焦煤供求矛盾越来越 突出。熔融还原技术改变或者扩大了可利用能源，可直接利用非焦煤为燃料或 者还原剂，取消了炼焦和造块程序中的煤耗，有望降低对冶金焦的依赖。 冶炼强度大。铁矿石在熔融状态下还原，液态下反应比气固相间反应 具有更好的反应动力学条件，反应速度快，能量密度比高炉炼铁大，冶炼强度 大；排除了高炉中的软熔带，摆脱束缚高炉生产的透气性问题，同时解决了直 接还原的脉石分离问题。 环境污染也将得到改善。熔融还原炼铁新工艺取消了炼焦、部分或全部 取消造块工艺，粉矿的直接应用取代烧结和球团。不需建设焦炉和烧结机，大大 减少了炼铁污染源，减少炼铁厂7 0 的污染，有效改善了环境品质f 7 】o 设备简单，操作方便，易于控制开启关闭灵活。熔融还原炼铁工艺 将能建成不同生产规模的流程，均可经济地生产，不但能生产冶金产品，还可 以外供高热值煤气或煤气发电等。 当前我国钢铁生产主要采用的是传统的高炉炼铁工艺，要实现节能降耗，除 了对现有企业进行控制、改造、革新之外，还必须开发一些高效、节能的钢铁冶 炼新流程。 1 3 熔融还原技术的研究现状 高炉法已经有数百年的历史，世界粗钢产量绝大多数是采用高炉法生产的， 经过长期的技术改进。大型高炉法已进入低速发展时期，工艺流程长，能源消 耗大，特别是焦炭资源不足的国家难以承受，环境污染严重。非高炉炼铁作为 冶金的d 仃沿技术，以煤代焦，节约了能耗和资源，降低了成本又利于环境的保 护，同时有高的牛产率和好的控制能力【8 1 。 4 上海人学硕上学位论文 1 3 1 国内外熔融还原工艺现状 ( 1 ) 国外熔融还原研究现状 众多国家积极研究开发熔融还原炼铁新工艺，如奥钢联的c o r e x 法，韩国浦 项和奥钢联联合开发的h n e x 法，澳大利亚的a u s i r o n 法和h i s m e l t 法，俄罗斯的 r o m e l t 法，日本的d i o s 法，美国的a i s i 法等。c o r e x 法是真正实现工业化生产的 惟一一种熔融还原工艺。宝钢的c o r e x 3 0 0 0 已经开始生产，年产将达至u 1 5 0 万吨【9 1 ， 实现了我国熔融还原零的突破，有利推动中国非高炉炼铁的发展。c o r e x 工艺也 存在很多缺陷，比如不能直接使用铁矿粉，需要造块，或使用价格昂贵的球团矿， 煤耗也比高炉要高，约1 0 0 0 k g t f e 1 0 1 。 图1 1c o r e x - f 艺生产流程 1 9 8 7 年同本大型钢铁公司研究了可以省略焦炉、容易调整产量且原燃料选择 灵活性高的可替代高炉的炼铁法，并从1 9 8 8 年开始将d i o s 作为日本国家项目进 行了为期8 年的开发研究f 1 2 】。确定了可以同时达到高二：次燃烧与高热效率的技术。 在基础研究中发现，厚渣层、铁浴搅拌和炉内压力等操作技术对获得较高的二次 燃烧和传热效率都是有效的1 1 3 l 。d i o s 很大问题是耐火材料寿命短，铁浴温度高 以及炉渣中的f e o 含量高，耐火材料寿命短。提出了耐火炉衬与炉体冷却技术匹 配技术。 h i s m e l t 熔融还原法是由澳大利亚c r a 公司和荚固m i d r e x 公司共同组建的， 其主要特点是：直接使用粉矿、非焦煤，且以喷吹空气为基础的铁浴过程。h i s m e l t 上海人学硕上学位论文 法预还原炉采用循环流化床，流化床利用来自终还原炉的煤气经以水为介质的冷 却器冷却后的热量对矿粉进行加热还原，然后喷人卧式终还原炉，同时冷却煤气 的热量以高压蒸汽形式回收。h i s m e l t 熔融还原炉内有很强的氧化气氛，因而炉 渣有良好的脱磷效果，非常适合冶炼高磷铁，这是其区别于高炉和其它非高炉炼 铁工艺的主要特点【1 4 1 。 图1 2h i s m e l t 工艺流程示意图1 1 4 j f i n e x 是以铁矿粉为原料的二步法熔融还原技术，是在c o r e x 工艺流程基础 上发展起来的。p o s c 0 和v a l 于1 9 9 2 年1 2 月7 同正式开始联合实施研发计划，2 0 0 3 年5 月建成了一座年产6 0 万吨的f i n e x 示范厂【1 5 】。f i n e x i 艺的特点是采用多级 串联流化床反应器代替c o r e x 的竖炉对铁矿进行直接还原。住反应器中利用熔化 气化炉提供的热还原气体对配合添加剂的铁矿粉进行还原，由于采用适当的气流 速度，使炉料在流态化状态下进行还原，因此不存在炉料的透气性问题，故可全 部使用铁矿粉为原料。浦项公司目前使用压制成型煤6 0 一7 0 ，喷煤粉1 5 2 0 ， 其余为块煤1 1 6 】。非焦煤的使用既解决了匮缺的炼焦煤资源供应问题，但是煤耗显 然比高炉高出很多，用煤量人约为8 5 0 k g t f e 。 图1 3f i n e x ) 二艺流程图f 1 7 i 6 上海人学硕士学位论文 1 9 8 7 年美国钢铁学会( a i s i ) 成立特别小组，评价各种操作方法，选择了最有 竞争力的方法。此后对8 个国家2 2 家组织进行考察，提出美国未来钢铁工业发展 计划，进行以铁浴熔融还原为基础的钢铁生产工艺开发。美国钢铁协会( a i s i ) 在 获得美国能源部( d o e ) 的援助金后于1 9 8 8 年开始进行名为础s i d o e 直接炼钢项 目”的工艺开发。半工业试验设备包括一座1 5 吨熔融还原炉，至1 9 9 1 年3 月，试验 厂已经完成2 6 次试验，产量达到每小时4 2 吨。 r o m e l t i 艺由莫斯科钢铁学院开发，1 9 8 5 年在莫斯科南部新利佩茨克钢厂 建造了1 座工业规模r o m e l t 中间试验设备。1 9 9 5 年i c f 凯撒钢公司和新日铁共同获 得r o m e l t 工艺专利权。r o m e l t i 艺能获得较高的二次燃烧率( 约7 0 ) 和较高的二 次燃烧传热效率( 约6 0 7 0 ) 。r o m e l t 工艺采用水冷却壁挂渣方法，解决了耐 火材料无法承受高二次燃烧率所产生的高温和高f e o 侵蚀的问题，使得r o m e l t 炉 长寿【1 8 】。由于r o m e l t 装置采用了水冷炉壁，使得吨铁热损失较大，是其它高二次 燃烧率的熔融还原工艺的2 3 倍。炉内排出的炉气温度约1 6 5 0 ，r o m e l t 工艺的 煤耗、氧耗较高，带出的物理热能和化学能总和约占热能收入的4 5 1 1 8 l 。 ( 2 ) 国内熔融还原研究现状 1 9 8 3 年底开始，冶金部科技司加强了对熔融还原技术的支持，1 9 8 6 年成立 了“熔融还原”技术开发专家组，连续召开熔融还原技术讨论会和国际会议。1 9 8 6 年成立了“熔融还原”技术开发专家组，迄今已召丌了七次“熔融还原”技术 研讨会；熔融还原炼铁项目于1 9 9 4 年被列人国家“攀登计划 项目进行研究， 并于2 0 0 1 年1 月通过国家科技部的验收。c o s r i 煤氧熔融还原炼铁技术足中 国1 9 9 3 1 9 9 8 年期间在“国家攀卺计划”项目研究过程中成功丌发的具有自主 知识产权的熔融还原炼铁技术。它是借鉴c o r e x 和d i o s 两种典型技术路线的 优点，采用中等预还原度( 金属化率7 0 左右) 和低二次燃烧率( 1 0 1 5 ) 的 二步法熔融还原技术路线【1 引。 c o s r i 工艺具有一下技术特点：以冷固结含碳球团为原料；采用铁浴渣焦 流动床进行终还原；向熔渣浸没喷吹煤氧制造还原煤气；终还原熔池在强搅拌 条件下实现渣铁分离。 7 i o - - - - 图1 4c o s r i 工艺【1 9 】 宝钢从改变我国钢铁工业能源结构、减轻环境压力的需要出发，率先引进 c o r e x 熔融还原工艺，在宝山罗泾地区建设世界上第一座c o r e x3 0 0 0 工艺项目。 我国没有自有知识产权的熔融还原技术，购买国外的技术及设备要价极高，是 造成熔融还原单位投资高于传统高炉炼铁系统，使部分企业对熔融还原技术望 而却步的重要原因。此外，国外的技术未必适合我国国情，因而，开发自有知 识产权的适合中国资源条件的熔融原技术是我国发展熔融还原最重要、最迫切 的课题和任务。 1 3 2 熔融还原工艺面临的问题 近几十年来，为减少对焦炭的依赖和环境的保护需要，钢铁行业希望寻找 一种有潜力的工艺。熔融还原在工业上降低了焦炭的过度依赖，对原料限制少 等优点，矿石和煤的可选范围比较广。两步法熔融还原工艺取得了长足的进展， 但是仍没何解决熔融还原技术传热雉问题，能耗均都居高不下，能耗远高于高 炉生产如表1 1 。 表1 - 1 高炉与丰要熔融还原工艺的煤耗比较【o i 还原和传热之间的矛盾引起熔融还原煤耗高。铁矿石的还原需要巨大的反 应热，虽然有二次燃烧来提供热量，但渣层上方的二次燃烧热没有更好的传递 到还原区，传热受到限制；同时，熔融还原高温煤气的物理热得f i 剑有效的利 上海人学硕士学位论义 用和煤气化学热得不到充分利用，煤气带走的热量高，熔融还原的高温气化炉 煤气温度可以达到1 0 0 0 以上，造成的热损失也大。从能量利用角度上看，现 有的熔融还原工艺流程中，低二燃率工艺往往是保证了熔池的还原势，能量没 有被充分利用，而高二燃率工艺虽然能够较好地利用能量但无法保证熔池的还 原势。众多熔融还原工艺没有解决好这个问题，煤耗居高不下是众多熔融还原 工艺难以商业化的一个重要原因。已经工业化的c o r e x 单位煤耗在9 0 0 1 0 0 0 k g t f e ，与综合燃料比为5 4 8 5 k g t f e 左右的高炉相比较，c o r e x 的吨铁煤耗 远高于高炉【2 1 l 。 基于上述种种，提出碳氢熔融还原工艺，发展氢冶金，可以用氢还原剂代替 碳还原剂。由于氢的还原潜能大大高于碳，可以降低碳还原剂的消耗，减少温室 气体排放，保证炼铁工业的可持续发展。解决好还原和传热之间的矛盾是熔融还 原应用的关键，跟以往的工艺条件不同，氢碳融还原工艺在能量利用和还原方面 有很大的优势。 1 3 3 氢能源在钢铁行业的应用 世界各国都在因地制宜的发展新型能源，其中氢能源以资源丰富、热值高、 以及无污染等优势为未来最有希望丌发的能源之一。各种制氢技术得到j 。泛的研 究，如矿物燃料制氢，生物制氢，电解水制氢、甲烷催化热分解制氢、太阳能制 氢、核能制氢、焦炉煤气制氢等。氢气还原就意味零c 0 2 的排放。目前大规模氢 气可通过冶金煤气所含的c o 进行水煤气变换获得可经过变压吸附或其他处理方 式提取其中的单质氢气或脱除其中的c 0 2 而得到氢气1 2 2 i 。然后将富h 2 煤气吹入反 应器，参与还原反应，通过煤气的转换实现h 2 的循环利用1 2 3 j 。 h 2 d + c o = h 2 + c 0 2 ( 1 4 ) 目前已有一些氢冶会的应用实例，直接还原竖炉和流化床工业化实验研究较 多。竖炉中最为典型的直接还原工艺是m i d r e x 和h y l i i i ，他们是由球网矿和生矿 生产直接还原铁。通过天然气被转换成的h ! 和c o ：混合作为还原气体送入炉内， 试验温度在7 5 0 一1 0 0 0 。c 1 2 4 1 。利用流化床试验有f i n m e t 、h b i 、c it - c o r e d 等工艺， 委内瑞拉、澳大利弧等固建设的f in m e t 流化床法一【厂使用的就是纯氧气。以纯氢 9 上海人