直接还原炼铁法的能耗与环境.doc

直接还原炼铁法的能耗与环境 【保护视力色】 【打印】【进入论坛】【评论】 【字号 大 中 小】2007-02-13 09-30 近年，世界粗钢产量随着亚洲的经济成长而持续增加。现代炼铁法的主流是高炉法，但高炉法为了提高其效率而必须大型化，并且需要环境负荷大的烧结设备和炼焦炉。作为替代高炉法的炼铁法，有MIDREX法所代表的气基还原铁冶炼法，但气基还原铁冶炼法需要大量的天然气，所以地区选定受到限制。在上述背景下，对于今后的炼铁法而言，如下的期待正在日益高涨：1)降低能耗与环境负荷；2)减少投资费用与运行成本；3)适应宽泛的原料与能源。为了回应这样的期待，神户制钢与Midrex技术公司共同开发了3种煤基直接还原炼铁法FASTMET、FASTMELT和ITmk3。这些方法可以用世界各地富存的铁矿粉和煤炭生产高质量的铁源，例如DRI(直接还原铁)、铁水和粒铁。它们的能耗与环境负荷与当今普遍使用的大容量高炉法不相上下。煤基还原冶炼法1 煤基还原铁冶炼法的定位作为煤基还原铁冶炼法的FASTMET、FASTMELT、ITmk3是使用世界上较为大量存在的粉矿石和煤炭的方法。2 工艺流程铁矿石和作为还原剂的煤炭预先混合，并被成型为球团或压块状的团块化混合物。这种团块化混合物供给RHF(转底炉)，在RHF内被还原。团块化混合物在RHF的炉床上铺一层或两层予以加热。在FASTMET、FASTMELT法中，炉内加热到12501350，以直接还原铁的形式排至炉外，而在ITmk3法中则加热到1450，在炉内还原、熔融而以粒珠的形式排至炉外。对FASTMET法来讲，可以做成高温还原铁和经冷却做成低温还原铁，或者以HBI(热压团块铁)的形式来利用制品还原铁。FASTMELT法是将还原铁熔炼炉组合到FASTMET法中的方法，把RHF排出的高温的铁装入还原铁熔炼炉，边利用其显热边冶炼生产生铁。ITmk3法则在RHF内生产与炉渣分离的粒铁，与炉渣一起排出的粒铁，用磁选机等分选机选出粒铁。3 煤基还原铁冶炼法首先对FASTMET法中RHF内部的反应行为加以说明，含有煤料的球团和压块的团块化混合物被炉内的辐射热急激加热，氧化铁被碳还原而成为金属铁。团块化混合物发生的CO在RHF内燃烧，被用作主要热源。还辅助性地供给燃料，燃料是大约相应于RHF内需要的总热量的1520。可以使用液态天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、焦炉煤气(COG)、重油等种类广泛的燃料。另外，FASTMET法中由团块化混合物产生的CO可在RHF内基本完全燃烧，所以碳的利用率高，能够减少能耗和CO2发生量。RHF内的还原过程时间很短，仅仅612min，设备的起动与停止、产量的调整都可比较简单地进行。FASTMELT法则是把由RHF生产的还原铁照原样装入熔炼炉的方法。与熔融还原炼铁法不同，它是将固体还原进行到最大限度的还原铁装入熔炼炉，可把熔融下的工程负荷控制到最小限度。在ITmk3法中，团块化混合物在RHF内被加热到1450。与FASTMET一样，被还原的团块在RHF内进一步熔融与内聚，渣与铁分离。在将球团装入炉内3min后，球团处于还原过程，在中心部还残留有未还原部分；到5min后，一部分开始熔融；到6min后，大部分熔融；9min后，熔融了的铁完全从渣中分离。原料和制品表1和表2列出了确认可以用于FASTMET、FASTMELT、ITmk3中的矿石与煤炭的品质。 表1 FASTMET法和FASTMELT法可以使用的矿石与煤炭的品质矿石 TFe 60煤炭 挥发分 42 固定碳 50 灰分 16表2 ITmk3 法可以使用的矿石和煤炭矿石 TFe 65煤炭 挥发分 30 固定碳 55 灰分 15确认了种类如此宽泛的矿石和煤炭都可以使用。这些煤基还原铁冶炼法有以下特征：1)可以把普通煤作为还原剂使用；2)不需要烧结和球团设备，可以直接使用粉矿；3)可以把炼铁粉尘和炼钢粉尘作为原料，并把焦炭粉等作为还原剂使用。表3和表4列出了FASTMELT生铁和ITmk3粒铁的品质。ITmk3生产的粒铁几乎不含渣分而含有适当的碳，所以作为铁源具有足够高的品质。 表3 FASTMELT法冶炼的铁水有代表性的品质 Fe C Si S 96.0 4.0 0.10.6 0.05表4 ITmk3 法冶炼的粒铁的有代表性的品质 Fe C Si S 97.0 3.0 0.03 0.050.07煤炭与辅用物消耗量FASTMET法中煤炭与辅用物消耗量之一例列于表5。煤炭用作还原剂，RHF排出的废气显热也可以转换成发电用蒸汽而得到回收。 表5 年产50万t FASTMET法煤炭与辅助物料消耗量 生产1t DRI的消耗 煤炭，kg 377 燃气，GJ 2.43 电能，kWh 110 生产1t DRI的副产品 蒸汽发电，kWh 221 列于表6的FASTMELT法的消耗量之一例是FASTMET与EIF(炼铁电炉)组合的情况。EAF是为了用电能和高温DRI的显热熔化DRI而生产生铁的熔炼炉。 表6 年产50万t FASTMELT法煤炭与辅助物料消耗量 生产1t铁水的消耗 煤炭，kg 456 燃气，GJ 2.47 白云石和石灰，kg 15 电能，kWh 750 生产1t铁水的副产品 蒸汽发电，kWh 210 表7中列出了ITmk3的消耗量之一例。 表7 年产50万t Imk3法煤炭与辅助物料的消耗量 生产1t粒铁的消耗 煤炭，kg 450 燃气，GJ 4.10 电能，kWh 150 生产1t粒铁的副产品 蒸汽发电，kWh 234 能耗与环境负荷关于煤基还原铁冶炼法的能耗与CO2发生量，为了与传统的高炉法相比较，进行了下述两种情况的调查研究：调研A：对年产生铁50万t的情况，将高炉法、FASTMELT法、ITmk3法做了比较。调研B：设定把年产生铁350万t的高炉炼铁厂的能力增强到年产生铁400万t，就下述两种情况进行了比较：1)通过增大高炉的容积，使能力达到年产400万t生铁；2)毗邻已建高炉，设置年产50万t生铁的FASTMELT装置。1 调研A就炼焦炉和高炉发生的可燃性气体而言，虽然可以供给系统外而在外部有效利用，但对这样小规模的高炉来讲，能量利用率降低。EIF发生的可燃性气体可以作为燃料为RHF所使用。另外，从该系统中不会发生可燃性气体副产物。表8列有调研A的结果。年产生铁50万t的FASTMELT和ITmk3所需要的能量比同规模高炉的少。在高炉中，虽然发生可燃性气体等的剩余能量，但它被供列本系统之外利用。拿扣除了该剩余能量的实际能耗来比较，则FASTMELT的能耗比高炉法稍高，但大略可予同等评价。再就实际CO2发生量而言，引入FASTMELT法和ITmk3法可以将其减少。 表 8 调研 A 汇总 50万t 高炉 50万t FASTMELT 50万t ITmk3 消耗 煤炭 25.75GJ/2403kgCO2 14.26GJ/1330kgCO2 14.09GJ/1314kgCO2 燃气 0.00GJ/0kgCO2 2.47GJ/141kgCO2 4.10GJ/234kgCO2 电力 1.72GJ/154kgCO2 5.94GJ/531kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 其它 0.00GJ/74kgCO2 0.00GJ/12kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 总计 27.47GJ/2630kgCO2 22.74GJ/2015kgCO2 18.19GJ/1548kgCO2剩余能量 煤气 5.49GJ/313kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 电力 0.00GJ/0kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 0.30GJ/83kgCO2 其它 1.17GJ/109kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 总计 6.66GJ/422kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 0.30GJ/83kgCO2总消耗 能耗 20.81GJ 22.74GJ 17.89GJ CO2排放 2208kgCO2 2015kgCO2 1465kgCO2 这是因为在FASTMELT法和ITmk3法中，不需要炼焦炉和烧结装置这样的预处理设备，加之不向系统外放出CO等可燃性气体，煤炭中的碳作为还原剂和热源而得到有效利用的缘故。另外，这里必须特别指出，ITmk3法生产的粒铁并不是高温的铁水，而是粒状的固体铁。这种粒铁适宜于输送，所以，ITmk3装置不是引入消费地，而是放在矿山附近，这可以认为是更为高效的利用方法。在矿山附近生产粒铁再输送到消费地，与输送矿石和煤炭相比较，需要输送的重量大约减少一半，可以降低消耗在运输上的能量与成本。2 调研B大规模的高炉较之小规模高炉，可以有效地利用大规模生产的优越性而高效地消费能量。系统内发生的可燃性气体可以供给外部有效利用。年产350万t生铁的高炉组合年产50万t生铁的FASTMELT装置时的能量平衡。可以把高炉内产生的过剩可燃性气体高效地用于FASTMELT装置。调研B的结果列于表9。原有的高炉组合FASTMELT法与大规模高炉相比较，尽管扣除掉剩余能量的能耗和CO2发生量有些增加，但按系统内比较，则可以减少。这是由于在FASTMELT中可以有效利用高炉系统产生的剩余煤气，并且可以把煤炭中的碳作为还原剂和热源而高效利用的结果。 表 9 调研B 汇总 400万t 高炉 400万t（高炉FASTMELT） 消耗 煤炭 22.75GJ/2122kgCO2 11.69GJ/2023kgCO2 燃气 0.00GJ/0kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 电力 1.23GJ/110kgCO2 1.82GJ/163kgCO2 其它 0.00GJ/74kgCO2 0.00GJ/66kgCO2 总计 23.98GJ/2307kgCO2 23.52GJ/2253kgCO2 剩余能量 煤气 4.40GJ/251kgCO2 3.54GJ/202kgCO2 电力 0.00GJ/0kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 其它 1.17GJ/109kgCO2 1.02GJ/96kgCO2 总计 5.57GJ/360kgCO2 4.57GJ/298kgCO2 总消耗 能耗 18.42GJ 18.95GJ CO2排放 1946kgCO2 1955kgCO2 装置实绩表10列出了迄今已经建设的验证装置和商业装置的实绩。三套FASTMET商业装置已在运行。这些装置将炼铁炼钢炉尘还原、再循环利用。炉尘含有的Zn和Pb之类的重金属在RHF内挥发，进入废气系统中，与还原铁分别回收。FASTMELT法正在用EAF(电弧炉)的熔炼实验和Midrex公司的模拟装置进行验证。 表10 工厂生产实绩 工艺 工厂 用途 产能 FASTMET 神户加古川厂 论证试验 1800t/yDRI FASTMET 新日铁广畑厂 工业设备，处理转炉灰 190000t/y粉尘FASTMET 神户加古川厂 工业设备，处理高炉灰 14000t/y粉尘 FASTMET 新日铁广畑厂 工业设备，处理转炉灰 190000t/y粉尘ITmk3 神户加古川厂 试验设备 400kg/h粒铁 ITmk3 MessabiNugget 论证试验 2500t/y粒铁 ITmk3法已通过美国的梅萨比粒铁中间试验厂的装置连续运转试验，于2004年7月完成了开发工作。结语煤基还原铁冶炼法(FASTMET、