煤基直接还原铁综述

1、低品位铁矿石煤基直接还原铁摘要：文章介绍介绍了直接还原铁的两种生产方法，并联系国内实际着重介绍煤基直接 还原法，联系我国铁矿石的供需现状，通过分析近年来直接还原铁发展状况，提出低品位铁 矿石用褐煤半焦做还原剂生产直接还原铁的思路。直接还原是指用气体或固体还原剂在低于铁矿石软化温度下，在反应装置内将铁矿石还 原成金属铁的方法。其产品称直接还原铁，这种铁保留了失氧前的外形，因失氧形成了大量 微孔隙，显微镜下形似海绵结构，故又称海绵铁。4直接还原铁（DRI）因质地纯净、成分稳 定，是一种替代废钢、冶炼优质钢和特殊钢的理想原料。很多用废钢不能生产的特种钢都能 用海绵铁生产出来3.一、直接还原铁的生产方

2、法直接还原工艺根据还原剂不同可分为气基直接还原和煤基直接还原。气基直接还原工艺 以天然气为主要还原剂，包括竖炉、反应罐和流化床流程。煤基直接还原以煤为主要能源， 主要是使用回转窑为主体设备的流程1。目前运行中的气基直接还原设备有三种。第一种是竖炉，是成熟的主导工艺，以MIDREX 流程为代表，具有容易控制、产品质量好、能耗低、环境污染轻、生产率高等特点，竖炉流 程占据了大部分直接还原生产能力。第二种是反应罐，使用反应罐的流程只有HYL法。 反应罐采用落后的固定床非连续生产模式，证处于被逐渐淘汰的过程中。第三种是流化床， 目前唯一的代表是FIOR法E。煤基直接还原法工艺主要包括回转窑法、转底炉法

3、、隧道窑法。只有回转窑流程拥有可 观的生产能力，具有代表性的回转窑流程是SL-RN法。推动直接还原工艺技术发展的客观原因主要有以下几点；1）世界多数国家严重缺少焦煤，但其中不少国家拥有优质丰富的铁矿以及天然气和非焦煤 资源，可以因地制宜地发展直接还原来解决生铁资源问题。委内瑞拉、墨西哥、伊朗等国具 有丰富的天然气及优质铁矿，主要发展竖炉气基直接还原工艺，而南非、印度、新西兰等国家 具有丰富的烟煤及优质铁矿，则主要发展回转窑煤基直接还原工艺。2）随着电炉短流程生产线的兴起，对废钢的需求日益增长，而发展中国家由于废钢量不足，客 观需要发展直接还原铁来补充12。与使用废钢相比,电炉使用直接还原铁的好

4、处有:还原铁 有害元素（Cu、Ni、Cr、Mo、Sn、As、Pb、Bi）含量很低，能够稀释、降低钢中的有害元素； 用直接还原铁可实现连续装料、成渣迅速、连续融化及熔池沸腾促进脱气,降低钢中N含 量,利于快速形成泡沫渣，从而减少钢中夹杂物;缩短电炉精炼周期，提高Ni、Mo等有价元素 的收率。3）直接还原低碳海绵铁可用于直接生产电工纯铁、铁氧体及工业铁料,有利于电炉钢厂发展 精品、提高产品附加值7。4）直接还原一电炉一连铸一轧制的短流程生产规模小、建设周期短、投资省、生产灵活，便 于按市场调整产品种类和数量Un，可为资金和技术缺乏的发展中国家提供可以代替传统资 金和技术密集型的高炉一转炉长流程,因

5、地制宜地发展本国的钢铁工业,不仅对发展中国家有 极大的吸引力，而且对为解决地区性钢材需求和品种调剂的发达国家也有吸引力。二、我国铁矿石资源供需现状2001年我国铁矿石资源量581.19亿吨，居世界第四位，但是铁矿石品位比世界品位低 11%，而且难采难选。我国铁矿石资源的特点：一是贫矿多，贫矿储量占总储量的80%；二 是多元素共生的复合矿石较多；三是磁铁矿多。此外矿体复杂，有些贫矿床上部为赤铁矿， 下部为磁铁矿。我国铁矿石资源无法满足钢铁行业迅猛发展的需要，近几年我国铁矿进口呈高比率增 长，2005年我国钢产量为34936万吨，生铁33040万吨，自产铁矿石42050万吨，进口铁 矿石27256

6、万吨。进口矿来自18个国家，进口国家按数量依次为澳大利亚、巴西、印度、 南非、秘鲁等国。虽然海外供应商不断扩张其矿石开采能力，但其扩张速度依然满足不了中 国市场对铁矿石需求的急剧增长。从全球范围来考虑铁矿石资源供应，优化矿石资源配置， 建立长期、稳定的供应基地，锁定供应渠道，应该是中国钢铁工业重点思考解决的问题。近年来，铁矿石开采供应出现规模巨大的并购活动，基本形成了巴西淡水河谷 (CVRD)、英澳合资的必拓和必和力拓三分天下的局面。三大公司总生产规模35540万吨， 约占世界矿石总量的35%，掌控了世界铁矿石海运量的70%2。三、国内外直接还原铁的发展现状I世界直接还原工艺发展状况近年来，随

7、着“电炉炼钢短流程”的兴起，作为废钢替代品和生产优质钢不可或缺原料 的直接还原铁发展迅速。从1987年到2006年，世界还原铁的产量如下图所示。直接还原工艺技术发展到现在，无论从产量还是产能看，气体直接还原工艺均占主导地位, 约90%,煤基直接还原工艺占10%左右,形成以Midrexa工艺和HYLIII工艺为主流的势态9】。综观直接还原工艺的历史发展过程及其不同直接还原工艺在世界各地的分布规律，结合世 界资源特点、经济形势和环保要求，直接还原工艺发展趋势主要体现在以下几个方面气基流程日趋成熟以Midrex、HYL 一 l流程为代表的气基流程，从19702002年，长达30多年占据世界 直接还原

8、铁产量的90%以上，在取得了极大的成功的同时，为降低成本，提高竞争力，人 们孜孜以求的开展了对气基更深入的研究：生产设备的大型化是降低生产成本的有效手段，Midrex公司开发了直径7.5m，年产量超 过200万t的Midrex气基竖炉。Midrex法的煤气重整设备是十分昂贵的，且易损坏，因而对矿石和煤气的含硫量提出了 严格的要求。针对此难题，委内瑞拉奥里偌科黑色冶金公司利用热海绵铁的催化性和脱硫能 力，开发了 Midrex的改进型工艺，称为Jex工艺。Arex工艺无重整炉，竖炉集气体重整与 矿石还原于一体。HYL 一 111可处理含硫量较高的铁矿石，在此基础上，仍在墨西哥进一步开发了改进型 H

9、YL 一 ZR，该工艺没有单独的重整装置，利用新生热海绵铁自身的催化能力进行气体重整。由于Midrex、HYL 一 m等气基竖炉工艺必须使用块矿或氧化球团，为扩大原料的来源， 以铁矿粉为原料的Firunct气基流化床脱颖而出。利用该工艺生产的直接还原铁HBI曾占到 世界直接还原铁产量的5.2%。虽然采用Flnmet工艺、位于澳大利亚年产250万t由于爆炸 事故而永久关闭，但人们致力于开发原料来源广、生产成本低的气基流化床直接还原工艺的 热情并未消退。煤基流程日渐发展从世界能源结构来看，天然气的总储量相当于1200亿t标煤，而世界煤总储量为 8000090000亿t，为天然气的7080倍，尽管天

10、然气用于直接还原铁能耗最低，但天然气 价格和来源不稳定，即使天然气丰富的国家也严格限制天然气的使用。因此，从能源结构来 看，煤基工艺无疑具有更持久的生命力。近年世界直接还原铁的发展趋势也证明了这一点 10。近年来，天然其价格上涨导致煤基直接还原得到更多的关注。印度近几年新增的直接还原生 产能力主要以煤基回转窑工艺为主。20世纪，直接还原铁快速发展，但煤基工艺占世界直 接还原铁产量的比例长期低于10%，2003年达到了 10.2%，2006年已达到了 19.7%。预计， 随着天然气资源的紧缺，煤基流程比例仍将上升。II中国直接还原工艺发展状况由于我国天然气资源稀缺，且大部分天然气资源集中在西部或

11、西南部，必须优先供城市居民 生活使用。国资委的最新统计资料表明，我国煤炭资源可开采量为天然气的316倍，且煤炭 资源分布相对广泛，资源特点决定我国发展直接还原工艺宜以煤基(包括煤制气)为主。我国 煤基工艺发展趋势包括:：强化煤基回转窑工艺研究煤基工艺中最成熟的工艺为氧化球团煤基回转窑直接还原工艺(俗称“二步法”)，即以氧化 球团作为炉料进行直接还原，氧化球团以高品位铁精矿为原料，制备的生球先在高温(1200 一 1300C)氧化固结而成。其优点是在工艺上比较稳妥可靠，生产中影响因素较单一， 管理也比较方便。近年来，由中南大学研发的“一步法”直接还原工艺，减短了工艺流程， 省去了高温氧化过程，耐

12、高温设备较少，投资少，工艺流程短，按此工艺设计建厂的北京密 云直接还原铁厂，设备运行稳定、效益较好。完善转底炉工艺转底炉工艺采用精矿(或粉尘、杂料)加还原剂造块、干燥后进行还原，具有反应速度快，原 料适应性广的优点，其流程简单、投资低，如能解决产品含硫高和机械设备的稳定性问题， 其推广应用值得重视。积极开展非焦煤制气研究以非焦煤为原料，实现低成本、经济制取还原气是我国发展气基流程的基础，国内已开展过 相关研究。如果能在以煤制气方面取得新的突破，将具有巨大的推广应用价值。煤基直接还原工艺的特点主要有:有利于节能和降低对生态环境污染；不需要炼焦炉和烧结设备，工艺流程简单，故可遏制初期投资;其运行成

13、 本也低；可以利用种类宽泛的原料与煤炭，选址限制少；煤基直接还原的产品具有高炉生铁同等的品质自上世纪50年代开始，中国对直接还原工艺技术进行了大量研究，但主要集中在回转窑煤 基直接还原工艺上。1989年，原冶金部组织东北工学院、钢铁研究总院、鞍山矿山院等5个 单位在福州特殊钢厂2 9 mX40 m回转窑上进行了工业试验，连续运行30天,取得容积利用 系数 0 - 413 t/ (m3 - d),吨铁煤耗 850 kg, DRI 中 TFe92% 95%,MFe82% 85%, S91%的良好效果。20世纪7080年代，在攀枝花钢铁公司410厂 34X 30m链篦机一回转窑(1万t/a)上进 行

14、过多年的钒钛磁铁矿直接还原新流程试验,但最终未能转入工业生产，1990年曾采用过普 通铁矿生产DRI，但也未能继续生产下去。首钢19861987年建成 47X74 m回转窑,1988年曾连续生产三个月，容积利用系数达 到030 t/ (m3 d),金属化率90%。2000年，这条直接还原铁生产线通过截窑改造，变成国仙 首条年产120万t氧化球团生产线。中南工业大学80年代末研究开发出复合粘结剂冷固球团“一步法”煤基直接还原工艺。 1991年6月1993年2月间，中南工业大学、长沙冶金设计研究院、辽宁喀左县三方合作在 攀钢410厂3 4X30 m链篦机一回转窑上进行900C预热球团直接入窑的“一

15、步法”煤 基直接还原工业试验，并于1994年11月在喀左建成投产一座年产能力为2 5万t、采用一 步法链篦机一回转窑的直接还原铁厂，产品TFe90%,金属化率94%, S0 03%。于1997年 在山东鲁中冶金矿山公司建设采用该工艺的年产5万tDRI的直接还原铁厂，但后来未能正常 生产。河南登封利用旧耐火窑改造生产DRI,采用块矿两步法，于1995年12月投产。天津无缝钢管厂年产30万t的2条 5 mX80m回转窑，关键技术及设备由英国DAVY 公司提供，引进费用为1 800万英镑，总投资约10亿人民币，采用进口块矿两步法工艺,1996年 10月投入生产。吉林桦甸直接还原厂一期工程氧化球团生产

16、能力15万t/a,还原铁生产能力2 0万t/a, 1997 年投产。二期工程计划再增加8 0万t/a还原铁生产能力。1999年，一座年产3万tDRI、采用一步法的链篦机一回转窑直接还原铁生产线在北京密 云县投产。总结1、我国资源特点是多煤、少油、贫气。这也就注定了发展煤基直接还原比气基直接还原 更有现实意义。2、我国煤炭资源丰富，但炼焦煤资源并不充足，一些低阶煤的利用率很低，褐煤作为一 种典型的低阶煤，经过提质等处理手段得到的低温半焦可以作为一种生产直接还原铁的理想 还原剂。3、由于我国铁矿石的品位普遍较低，研究低品位铁矿石的利用有巨大的现实意义。参考文献方觉等著非高炉炼铁工艺与理论冶金工业出版社2002梁中渝主编炼铁学冶金工业出版社 2009朱德庆.细磨精矿冷固成型机理研究及在直接还原中的应用：中南工业大学， 1994全钮嘉.钢铁冶金百科全书.：冶金工业出版社，2001陶晋