煤基直接还原炼铁.doc

煤基直接还原炼铁展望 来源：廖建国 1前言使用天然气的直接还原炼铁法（Midrex法和HYL法等）的设备投资规模比高炉炼铁法小，且无需焦炭，因此，以盛产天然气的发展中国家为主，把使用天然气的直接还原炼铁法作为生产铁水的设备进行了建设。最近，在发达国家出现了电炉短流程钢厂使用直接还原铁作为替代废钢的清洁铁源，因此对直接还原铁（以下简称DRI）的需求越来越高。以天然气为基础的DRI生产厂一般建在盛产天然气的地区，但是最近利用分布范围广、储量大、且输送方便的煤生产DRI的量不断增加。煤基直接还原炼铁法大部分使用以SL/RN为主的回转窑进行生产。使用回转窑生产DRI时，必须将窑温抑制在不会发生明显的回转窑结圈的温度（10001100）内，因此还原需要12h，每座回转窑的年产量仅为15万t25万t，作为钢铁生产设备来说产量低，人们希望有一种替代的生产方法。在这种情况下，神户制钢公司与Midrex在美国的子公司共同开发了使用转底炉（RotaryHearthFurnace，以下简称RHF）的煤基炼铁法。其工艺是在RHF炉底上全部铺上碳复合球团矿（球团矿或块矿），在静态下进行加热和还原处理，因此炉温（13001400）可以比回转窑的高，还原速度快、生产率高。尤其是原料的适应性高，可以使用粉矿、粉尘和一般用烟煤等。本文就神户制钢公司使用RHF对碳复合球团矿进行还原的煤基直接还原法的特征和开发情况进行介绍，同时根据钢铁行业面临的确保原料供应和环保的问题，对煤基直接还原法所能发挥的作用进行了展望。2碳复合球团矿还原法特征与受外部还原气体控制的普通球团矿和烧结矿的还原不同，碳复合球团矿的还原法是将粉矿和磨细的煤混合制成球团矿或块矿，利用高温加热后球团矿或块矿中生成的CO气体，从内部对氧化铁进行还原。因此，还原速度比从外部进行还原的方法快。此时发生了如下的反应。FexOyyCxFeyCO（吸热反应）（1）CO2C2CO（吸热反应）（2）FexOyyCOxFeyCO2（放热反应）（3）即在铁矿石没有发生熔融的温度范围内，煤和焦粉等固体碳与铁矿石的直接还原反应少（反应式1），但在1000以上的高温下，碳复合球团矿内部会因碳素溶解损失反应而生成CO气体（反应式2）和生成的CO气体使氧化铁发生间接还原反应（反应式3）的连锁反应。在上述还原反应中，作为强吸热反应的CO气体的生成（反应式2）是控制环节，因此它可以在1000以上的高温下把必要的热量供给碳复合球团矿内部。即能有效地把外部的辐射热传到球团矿表面，并从球团矿外部把热量传到球团矿的内部，这是促进反应的要点。在这里，煤占据了碳复合球团矿体积的大约一半，因此伴随着还原反应的进行，空隙率会变高，DRI的强度会下降。装入的碳复合球团矿到达烧结温度时的强度会变得特别弱，容易发生还原粉化。如果发生粉化，虽然传热表面积会增加，但产生的CO气体无助于还原，容易辐射到碳复合球团矿的外部，难以进行还原反应。尤其是与CO气体形成的外部的遮蔽效果会变小，容易发生还原后再氧化的问题。因此，抑制炉内的还原粉化是很重要的。3FASTMET法FASTMET法是在RHF的炉底上铺上薄薄一层的碳复合球团矿，通过静态加热还原处理，能有效地抑制上述的辐射传热和还原粉化，因此比使用回转窑或竖炉处理碳复合球团矿的方式有利。Midrex公司的前身是MidlandRoss公司，在20世纪60年代初就着手开发采用RHF来还原碳复合球团矿的HeatFast法，1965年建设了2t/h的实验工厂。但是，由于当时天然气的价格便宜，因此该公司优先开发了Midrex法，而中断了HeatFast法的开发。其后，到了20世纪90年代由于天然气价格上涨，神户制钢公司与Midrex公司共同再次对使用碳复合球团矿生产DRI的FASTMET法进行了开发。1992年在美国北卡罗莱纳州的Midrex公司技术中心建设了160kg/h的实验工厂，通过反复的基础实验后，1995年在神户制钢公司加古川炼铁厂建设了年产16000t的实验工厂。实验工厂一直生产至1998年，期间对各种矿石、粉尘和煤等原料的适应性进行了实验性确认，获得了商业设备的设计数据，确立了商业应用的目标。2001年该实验工厂改造为处理加古川炼铁厂内粉尘的商业设备，再次投入生产。FASTMET工艺流程为先将粉矿石和粉煤进行混合，然后制成球团矿或块矿，接着在RHF的炉底上铺上12层的球团矿或块矿。造球的方法是把造球特性好的原料放入圆盘造球机或圆筒造球机制成球状。此外，也可选择旋转造块机进行造块。球状原料经干燥机预干燥后，装入RHF。球团矿或块矿在RHF内被快速加热，最高加热温度超过1350，停留6min12min进行还原后变成DRI，然后排出炉外。由于碳复合球团矿在炉底上是静态处理的，因此粉尘的发生和粉尘混入废气的现象少，另一方面高温还原反应可以使金属锌和金属铅在废气中挥发分离。通过转底炉内的二次燃烧，可以有效地利用还原反应产生的CO气体，因此废气中几乎不含未燃物（CO和H2）。采用热交换器回收废气显热后，废气经冷却、净化处理后被排放到大气中。在这里，挥发分离的锌和铅在炉内会发生再氧化和固结，可以采用布袋除尘器将其与废气中的煤灰一起除去。因此，FASTMET法是用煤基直接还原法替代气基直接还原法生产DRI的方法，当初是作为用矿石和煤生产DRI的方法进行开发的。但是，由于生产的DRI存在着因煤的灰分会使铁含量下降和煤的含硫量升高的问题，因此用铁矿石生产DRI的方法没有取得商业化进展。另一方面，最近基于资源和环保问题的考虑，虽然在炼铁厂内将发生的粉尘进行了循环利用，但含有高浓度锌的粉尘却难以用现有的烧结机、球团机和高炉进行再利用，这已成为了一个课题。FASTMET法将炼铁粉尘中所含的锌作为粗氧化锌进行分离，除作为锌精炼原料循环利用外，铁成分还可以循环用于DRI的生产。FASTMET法由于利用了这些优势，因此它作为炼铁粉尘的处理方法取得了商业化发展。目前，处理炼铁粉尘的商业机有5座在运转（表1），它们都是把DRI循环用于炼铁和炼钢生产。表1FASTMET商业机的技术条件NSC广畑1号机NSC广畑2号机NSC广畑3号机JFE福山厂KSL加古川厂RHF供给量19000019000019000019000014000t/a原材料转炉粉尘转炉粉尘转炉粉尘高炉粉尘高炉粉尘转炉粉尘转炉粉尘电炉粉尘产品应用DRI供给转炉DRI供给转炉HBI供给转炉DRI供给高炉DRI供给高炉和转炉RHF外径，m21.521.521.527.08.5投产日期2000.42005.12008.122009.42001.4采用FASTMET法处理炼铁粉尘时的DRI和二次粉尘（含锌粉尘）的组成示于表2和表3。采用FASTMET法生产了还原率高的DRI和含飞散粉尘（铁成分）少、纯度高的粗氧化锌，它有助于从炼铁粉尘中回收铁和锌，使它们循环利用。表2干球和DRI的成分组成（质量分数，%）T.FeM.FeFeOCSZn干球50.04.317.711.10.290.33DRI72.956.216.90.20.440.009表3二次粉尘的成分组成（质量分数，%）ZnT.Fe粉尘63.41.114FASTMELT法如前所述的那样，采用FASTMET法生产的DRI存在着所用煤的灰分和硫含量高的问题。对此，开发了将RHF和熔炼炉组合，把采用FASTMET法生产的DRI直接在高温下进行熔炼、脱硫和渣分离，生产熔融铁的FASTMELT法。作为熔炼炉，除了使用电弧炉外，还可以使用通过煤和氧的燃烧获得热能的石灰式熔炼炉。1995年在Midrex公司技术中心的FASTMET实验工厂增设了电熔炼炉。从那以后，通过使用各种原料的FASTMET还原铁的熔炼实验，生产了高质量的铁水，获得了生产工艺参数。关于石灰式熔炼炉，2006年利用经济产业省的资助金，在加古川炼铁厂内建设了年产16000t规模的实验设备进行铁水生产实验。通过连续实验操作，确认了在高温状态下熔炼以铁矿石和粉尘为原料生产的DRI，能根据表5所示的碳材的单耗有效地生产出表4所示的高质量的铁水。表4装入铁水的化学组成%CSiSP4.34.70.150.300.0300.0600.0900.120表5实验工厂和商业机碳单耗的预测项目单位实验工厂实验工厂商业设备(冷DRI)(热DRI)(热)DRI温度25800500铁水生产率t/h111767煤kg/t铁水1008798707+RHF用煤kg/t铁水547517509焦粉熔炼炉用焦kg/t铁水461281198炭(装入热DRI)氧Nm3/t铁水415237206从RHF排出的DRI的金属化率大约85%。RHF安装在比熔炼炉更高的位置，可以使DRI直接落入熔炼炉，或采用热态输送机等将DRI在高温状态下装入熔炼炉。用电弧炉或石灰式熔炼炉熔融DRI，可以使由煤产生的灰分和硫移到渣侧，将渣去除后就可生产洁净的铁水。熔炼炉产生的气体以CO为主要成分，可以用作转底炉的燃料。近年来，确保块矿和生产焦炭的原料煤的稳定供给和价格高涨已成为钢铁行业面临的问题，而FASTMELT使用粉矿和一般用烟煤就能生产铁水。FASTMELT的商业化生产设备可年产铁水30万t80万t，除作为供给电炉短流程钢厂的铁源外，还有望成为长流程钢厂增产用的辅助铁源。另外，FASTMELT作为类似规模的铁水生产设备，与最近主要在东南亚地区投产的小型高炉相比，其优点是没有副产煤气、节能、原料预处理设备和公用设备等附属设备少、设备简单。5ITmk3法1995年在FASTMET技术开发过程中，实验炉（转底炉）在高温下运转时发现了金属铁和渣分离生成的DRI。以此为契机，加紧研究了用碳复合球团矿生产粒铁的ITmk3法。ITmk3法与FASTMET法相同，都是把碳复合球团矿装入RHF，然后在RHF内将DRI还原加热至熔融状态后对渣进行分离。ITmk3的设计概念与以往的碳复合材生产法不同，可以定位为第3代炼铁法。自1996年以来，神户制钢公司与国内外研究机构合作进行了ITmk3的基础研究，1999年在神户制钢公司加古川炼铁厂内建设了实验工厂，对工艺的可行性进行了实验论证。接着，2002年在美国明尼苏达州建设了示范性实验工厂，获得了实现连续生产和商业化设备建设用的工艺技术数据，2004年完成了实际试验。2009年在美国明尼苏达州完成了年产50万t规模的商业1号机的建设，2010年1月开始商业化生产。中间试验厂、示范性实验厂和商业化厂的技术数据示于表6。表6ITmk3设备的技术条件加古川实验工厂麦萨比示范性实验工厂1号商业机建设地点KSL加Northshore美HoytLake,美古川厂国明尼苏达州国明尼苏达州操作时间1999.82000.122003.52004.82010生产能力，t/a300025000500000RHF直径，m51460ITmk3法与FASTMET法一样，都是将粉矿石和粉煤混合后用造球机制成碳复合球团矿，然后用干燥机进行预干燥后装入RHF。当在RHF内把碳复合球团矿加热到13501450时，由于CO气体的生成和CO气体对氧化铁的还原反应，因此会生成金属铁，同时金属铁会加快渗透。结果渣会在比高炉低的温度和更快的速度从铁中分离出，熔融铁凝固成粒状。然后，凝固的熔融铁和渣冷却后被排出RHF。这一系列的反应用时约8分钟，铁与渣的分离清晰。ITmk3法的主要优点是：对使用原料的适应性强，能生产附加值高的产品。所生产的具有代表性的粒铁的质量示于表7。粒铁无渣、铁含量高并含有适量的C，具有良好的化学性能和物理性能，有利于运送和储藏时的装卸，熔化特性好，因此作为转炉和电炉炼钢用原料，有助于提高钢水产量和质量，降低单耗。表7粒铁的技术参数金属铁96%97%碳2.5%3.0%硫0.05%0.07%粒度5mm25mm6煤基直接还原法展望钢铁行业面临着确保原料供给和减少CO2排放的课题，以下就煤基直接还原法对解决这些课题所起的作用进行了展望。6.1钢铁原料2002年世界粗钢产量9亿t，2008年为13.3亿t。2002年铁矿石价格（日本CIF价格）为$2030/t，2009年价格高涨超过$100/t。2002年原料煤价格（日本CIF价格）为$50/t，2009年价格高涨超过$130/t。从中长期来看，可以预测以印度为主的发展国家继中国之后，会使世界粗钢产量进一步增加。由于铁矿石和原料煤被大的矿山公司垄断的现象在加剧，因此随着世界粗钢产量的增加，对原料的需求也增加，由此担心未来能否以适当的价格确保原料的供应量。尤其是，目前广泛使用的高品位铁矿石（含铁在60%以上）大部分是从高品位赤铁矿条带状铁矿层开采。该铁矿层是埋藏铁矿石的沉积矿床隆起后受到雨水和火成岩系热液的富化作用而形成的，整个地球的储量只剩极少部分，早晚要枯竭。可以预计，今后铁矿石的开采将向低品位的沉积矿床转变。低品位矿石需要通过选矿处理来提高铁的品位。在对低品位矿石进行选矿时，为提高铁和脉石的分离性，需要将矿石磨细，成品矿石的粒度非常细（4480%）。因此，选矿处理后的细粉矿用于高炉时，需要焙烧成球团矿，为降低球团生产的成本，就要使球团生产设备大型化，以追求大规模生产的优势，还要建设港湾等基础设施。结果，对储量小的小矿山粉矿的利用迟缓，人们越来越担心大矿山公司对矿石垄断的加剧。对此，煤基直接还原法由于可以直接利用粉矿石，因此不需要球团生产设备，可以使用包括小矿山在内的各种细粉铁矿石。尤其是ITmk3的生产设备规模比球团矿生产设备小，且可以建在小矿山，生产附加值高的粒铁，而且今后有可能使用以前未曾使用过的低品位矿石。建在美国明尼苏达州的ITmk3商业1号机也是追求铁源稳定供给的美国电炉厂在已有高品位矿石采尽后，用低品位矿制成粒铁供给自己公司用的设备。因此，采用神户制钢公司的煤基直接还原法可以促进来自低品位矿山和小矿山的铁源供给，阻碍大矿山公司的垄断，从而为稳定铁源的供给和维持适当的铁矿石价格做出贡献。另一方面，据资料显示，作为高炉焦炭原料的具有粘结性的原料煤的可开采的储量全世界只剩10%左右，人们已开始担心这种原料煤的枯竭。而且，以CO2排放为主的焦炉环保也是一个问题。尤其是，发达国家正处于更新老化焦炉的困难时期，高炉焦炭的供给有可能越来越紧张。因此，煤基直接还原法作为可以使用一般用烟煤、无需焦炭的炼铁法引人注目。6.2扩大废钢的利用，减少CO2排放2009年9月，召开的联合国气候变化首脑会议发表的声明指出，“到2020年，日本的CO2排放量要比1990年减少25%”。日本钢铁业的CO2排放量约占日本CO2排放总量的16%，因此，可以预测日本钢铁业减少CO2排放的压力越来越大。尤其是，炼铁工序的CO2排放量占钢铁业CO2排放量的60%，因此减少炼铁工序的CO2排放量很重要。在高炉炼铁和炼钢工序中，还原铁矿石要消耗很多的能源，高炉转炉法生产1t的钢水，会排放大约2t的CO2。另一方面，采用电炉熔化废钢生产1t的钢水，排放的CO2大约0.5t，是高炉转炉法的1/4。因此，将高炉转炉法炼钢变为采用以废钢为原料的电炉炼钢法对减少CO2排放非常有利。另外，虽然最近高炉转炉法也开始使用废钢，但使用量有限。即高炉由于炉顶有锌粘附和原料装入装置无法装入废钢的原因，因此废钢的使用有限。而转炉由于废钢的熔化能源补充有限和废钢中存在杂质的问题，因此高炉转炉法的废钢使用量停留在10%15%左右。以废钢为原料的电炉法对减少CO2排放非常有利，但废钢的价格变化受废钢的质量和经济的景气情况所支配。废钢中一般含有混入元素（Cu和Sn等），其含量的增加会对下游工序的连铸和轧钢产生不良影响。即使对铁水和钢水进行处理也无法去除混入元素，因此为控制混入元素的含有量，必须选择清洁的废钢，或用DRI和铁锭等清洁铁源进行稀释。另外，今后对废钢循环利用的要求将越来越高，由此会促进废钢的回收，但估计汽车加工废料等清洁废钢的产生量并不会有太大的增加。因此，废钢的清洁度会进一步变差，优质废钢的稳定供给会越来越困难。如上所述，随着今后废钢使用量的增加，为确保产品质量和维持成本，对DRI等清洁铁源的需求会稳步增加。目前，使用天然气生产的DRI的供给量占DRI生产量的75%，DRI的生产厂都建在盛产天然气的地区，使用的原料限于气基直接还原的高品位球团矿，供给量有限，因此担心是否能充分满足需求。在这种情况下，采用煤基直接还原法生产DRI和清洁铁源的供给可以缩小对高品质球团矿需求的缺口，促进向使用废钢的电炉法的转换，由此可以大大减少钢铁行业CO2的排放量。6.3粉尘的处理采用FASTMET法处理炼铁粉尘，一方面可以从废弃的粉尘中回收贵重的铁源，另一方面还有助于减少CO2的排放。也就是说，粉尘中的Fe一部分被还原后变成了Fe和FeO的形式，通过对其再利用，可以减少还原能。而且，粉尘中的C还可以作为还原剂再利用，由此可以减少CO2的排放量。虽然今后高炉转炉法利用的废钢量不会有大的变化，但可以预计废钢的质量将下降，炼铁粉尘中的锌和碱含量将变高。因此，从粉尘中将其分离，使DRI和锌的再利用成为可能的FASTMET法处理粉尘的需求会增加。尤其是随着高炉转炉法向电炉法的转变，可以预计今后电炉产生的粉尘量会增加。电炉粉尘的主要成分如表8所示的那样，锌和碱含量高，铁含量低，因此无法有效利用，目前大多是填埋处理。表8电炉粉尘、DRI和粗氧化锌的化学组成（质量分数，%）（1）电炉粉尘T.FeZnPbCCaOSiO2SCl1号粉尘313317191334480.4122号粉尘21252629133624350.40.657（2）DRIT.FeM.FeZnPbCCaOSiO2S