气基直接还原炼铁工艺的汇报材料之一

气基直接复原炼铁工艺的汇报材料之一-----炼铁工艺未来的开展趋势2021年01月2021年9月炼铁工艺的分类高炉工艺非高炉炼铁熔融还原直接还原COREXFINEXHismelt其它（DIOS等）气基直接还原煤基直接还原MidrexHYLFinmet等回转窑隧道窑转底炉等一、炼铁工艺分类OreYardCoalYardFineoreLumpyorePelletMiscellaneousSinterSinterPlantBFBurntLimeCokebreezeCokeSurgeBinCrusherBlendingBinCMCPPCIByProductPlantCOGPigIron,SlagBFGCDQ&QuenchingTowerPJTPJT1.高炉工艺流程铁水与炉渣

块矿/球团/熔剂热旋风除尘器炉顶煤气洗涤塔输出煤气还原竖炉热还原气煤冷煤气粉尘洗涤塔氧气熔融气化炉

2.COREX熔融复原炼铁工艺流程示意图2021年9月宝钢COREXC3000顺利出铁！COREXC3000铁水铸块！COREXC3000铁水装罐！3.气基直接复原2021年9月二、气基直接复原是钢铁工业可持续开展的必然趋势1.钢铁工业是工业生产中主要的温室气体排放者之一传统的钢铁行业其CO2的排放处于工业类中的第三位，是温室气体CO2的主要奉献者之一；因此，国际钢协承诺将采用新的炼铁工艺、保证更高的能源利用率。24%其它5%纸浆、造纸、印刷5%食品和烟草5%机械7%有色金属15%钢铁18%水泥23%化工、石油化工工业类21%钢铁工业的分工序能耗

传统钢铁生产流程中的CO2排放源分布

2.传统的炼铁系统的能耗与CO2分别占到钢铁工业的67%、70%左右高炉反响器的优点是热效率高、技术完善，设备已大型化、长寿化，在今后相当长时期内，高炉流程在我国将继续是主要产铁设备，继续占统治地位，我国已完全掌握现代先进高炉技术。但是其缺陷也是非常明显：⑴高炉冶炼离不开焦炭，优质炼焦煤越来越少，据权威人士的调查，我国目前的焦煤储量，按照现在的消耗速度，最多能满足30~40年的需求。

3.传统流程高炉炼铁的严重缺陷CoalYardBurntLimeCokebreezeCokeSurgeBinCrusherBlendingBinCMCP⑵环境污染严重，特别是焦炉的水污染物粉尘排放、烧结的SO2粉尘排放，高炉的CO2排放很高；⑶传统炼铁流程长，投资大；⑷从铁、烧、焦全系统看重复加热、降温，增碳、脱碳，资源、能源循环使用率低,热能利用不合理。2021年9月

3.传统流程高炉炼铁的严重缺陷BFGOreYardFineoreLumpyorePelletMiscellaneousSinterPlantBF2021年9月B.FSinterMachineWasteE.PMainBlowerStackMixerOreBinRodMillCrusherCoolerBoilerRoomE.PScreen

3.传统流程高炉炼铁的严重缺陷烧结排放低碱度烧结矿高碱度烧结矿烧结废气量4040~50Dust5060NOX3530~45SO2

25~5CO4550CO22530二恶英70654.传统流程铁前工序的污染情况1000ng＝1μg＝0.001mg=10-6g,1ng=10-9g工艺污染物排放潜在的环境影响烧结粉尘（包括PM10)、CO、CO2、SO2、NOX、二恶英、金属、HCI/HF、固体废物。空气和土壤污染、地面臭氧、酸雨、全球变暖、噪声炼焦粉尘（包括PM10)、PAH、苯可溶物、NOX、VOCS、甲烷、二恶英、H2S、CN、挥发酚、固体废物。空气土壤和水污染、酸雨、地面臭氧、酸雨、全球变暖、气味高炉粉尘（包括PM10)、H2S、CO、CO2、SO2、NOX、氰化物、固体废物空气土壤和水污染、酸雨、地面臭氧、全球变暖、气味4.传统流程铁前工序的污染情况根据最新履行POPs国际公约SEPA会议，中国已经开始履行减排二恶英的义务。初步统计全国共排放20--30公斤/年的二恶英，钢铁工业排放约2公斤。〔日本：1997：8.1kg，2003：0.4kg〕钢铁工业排放最多二恶英的工序：烧结：95%，转炉：2.5%，电炉：2.5%欧洲、日本排放标准：0.1ng/标米问题：浓度低、测量贵、治理难、投入多目前：中国无排放标准，主要靠防〔非治〕控制：方法：控制两温区、氧浓度、O/C比、停留时间、氯含量。4.传统流程铁前工序的污染情况5、传统钢铁生产流程的本质缺点特点：以碳作为复原剂，流程长、投资大、本钱高生产流程中材料的碳含量变化4.5%0.10%0.20~0.80%0%1.0%生产流程中材料温度的变化20℃1400℃1200℃1650℃1550℃1100℃30℃900℃20℃20℃550℃传统钢铁生产流程的本质缺点一、气基直接复原是钢铁工业可持续开展的必然趋势5、传统钢铁生产流程的本质缺点2021年9月由于传统钢铁生产流程采用碳复原工艺，在铁复原过程中碳和其它杂质进入铁水，需要在后步炼钢中采用氧化工艺脱碳、脱硅；又造成钢水的氧化，需要在精炼过程中进一步脱氧，形成夹杂物污染了钢水。由于这一根本反响过程，造成钢铁生产流程长，工序复杂。5、传统钢铁生产流程的本质缺点氢冶金生产流程中产品碳含量、氧势和温度变化6、氢冶金或准氢冶金—生产超纯洁钢的理想流程生产流程中产品氧势的变化0.002%0.01%1%30%生产流程中产品碳含量的变化0.20~0.80%0%生产流程中温度的变化20℃850℃1550℃1100℃700℃900℃20℃1650℃氢气制铁原料低过热度浇铸强化轧制高纯炼钢钢水净化连续退火一、气基直接复原是钢铁工业可持续开展的必然趋势2021年9月由于氢冶金防止了碳在复原过程中对铁水的污染，改变了传统流程中重复进行氧化复原反响造成的钢水污染问题，减少了重复加热，降低了系统能耗。特点：用氢气作为复原剂，流程缩短，产品洁净度高，节能降耗，生产本钱低。6、氢冶金—生产超纯洁钢的理想流程7、气基直接复原是替代传统工艺流程的核心工艺之一完善传统工艺装备寻求替代传统工艺流程的新工艺流程相互竞争,相互渗透,推动钢铁工业技术进步钢铁工业发展的两大趋势

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炼铁工艺名称

复原剂

反响器类型

能耗

单炉产能

总产能

GJ/t铁

万t/a

万t/a

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MIDREX

天然气/合成气

竖炉

11

180

3792

HYL

Ⅲ

天然气/合成气

竖炉

11

190

1170

FINMET

天然气

流化床

14

50

200

转底炉

煤\天然气

转底炉

15

14～50

200

高炉+烧结+炼焦

焦\煤

BF+烧结+炼焦

16.25

320～400

90000

(4000m3)

COREX

煤\焦

COREX

17

150

500

SL/RN回转窑

煤

回转窑

18

15

1440

隧道窑

煤

隧道窑

25～30

1～4

20

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﹡MIDREX

HYL

Ⅲ

气基直接复原的能耗最低。8、气基直接工艺是能耗最低的炼铁工艺2021年9月﹡MIDREX

HYL

Ⅲ气基直接复原铁竖炉的利用系数已可到达162t/m2d,比大型高炉的最高产能〔70t/m2d〕高出1.31倍；而且具备规模化生产能力，HYL－Ⅲ单体炉能力已经到达年产190万吨的能力。项目HYL－Ⅲ竖炉MIDREX竖炉大型高炉小高炉COREXFINEXHISMELT工作压力/MPa0.80.30.250.10.40.40.08最大产铁能力/万t/a1901704008015015060最大利用系数/t/m2d1621127063606050生产率比较2.31.61.00.90.90.90.7现有主要炼铁工艺的生产率指标比较9、气基直接复原工艺是生产效率最高的炼铁工艺一、气基直接复原是钢铁工业可持续开展的必然趋势2021年9月8种炼铁工艺可持续性排序10、炼铁工序的可持续性排名目前，我国的钢铁蓄积量大约为60亿吨。专家预测“十二五〞期末我国的钢铁蓄积量的将到达90亿吨，可以预见，不久以后我国钢铁工业使用废钢的比例将快速上升，对纯洁的铁源直接复原铁的需求将会有爆发性增长。受到资源的制约,我国直接复原铁产量不到全球直接复原铁(DRI)产量的1.5%，中国的DRI产量不到高炉生铁产量的千分之二。2021年全世界大型竖炉直接复原法生产的DRI所占比例超过73%，而中国仍然为零。我国的回转窑直接复原铁生产技术缺乏市场竞争力11、气基直接复原是废钢社会储量增长的需求气基直接复原炼铁工艺的产品—海绵铁用于电炉冶炼的优势〔1〕直接复原铁是废钢的替代品。废钢和直接复原铁是目前唯一可替代铁矿石炼钢的大宗冶金原料，开展直接复原铁产业和废钢铁产业可缓解进口铁矿石瓶颈的矛盾。钢铁生产的短流程逐步替代长流程，是世界钢铁工业开展的必然趋势。短流程炼钢的炉料结构为废钢铁+直接复原铁，直接复原铁和废钢铁同属朝阳产业。钢铁产品的升级换代，钢材内在质量的提升，不仅需要“精品废钢〞，也离不开高纯度的直接复原铁。直接复原铁技术与高炉炼铁技术相比，具有节能减排降碳的特性，符合建设“两型〞社会的根本国策。直接复原铁的优势主要表达在以下三个方面：〔1〕杂质含量低S、P和剩余元素的含量很低，可以保证钢液的成分均匀，使用的过程中不会产生环境污染。〔2〕实现炉料热装减少电炉电力需求量I20～14OkWh／t；降低电炉电极消耗05—0．6kg；降低耐火材料损耗；〔3〕生产灵活。电炉停产时，直接复原设备能继续生产：直接复原殳备停产时．电炉能用库存的直接复原铁或热压块铁生产；剩余直接复原铁或热压块铁可供出售。近20年来直接复原铁产能趋势三、世界直接复原铁开展的现状

年

份

工艺方法

20092010201120122013MIDREX％59.959.760.560.5-HYL/Energiron％12.414.115.215.8-其他气基％0.80.50.70.7-煤基直接还原％26.925.723.623.0-全球产量合计

Mt64.470.473.374.077.2世界直接复原铁近年来各工艺产量世界DRI产量持续增加，气基竖炉占主导地位。

近20年来直接复原铁产能趋势2021年9月主要表现：气基竖炉产量将继续增加；2021年气基竖炉产量占总产量的72.33%；印度、俄罗斯、中东等地区正在建设的气基竖炉直接复原装置。煤基直接复原由于能耗高、生产效率低、竞争力差将被淘汰。近20年来直接复原铁产能趋势1、为什么气基直接还原未能在中国发展？中国大部份地区天然气资源不足且价格昂贵；2000年以前选矿技术落后、缺乏高品质的铁料。高等级钢材生产所占比例低，低等级钢材对钢铁料的质量要求不高；四、我国气基直接复原铁在中国开展缓慢的原因2021年9月精选前矿粉%精选后矿粉%球团矿%TFe%SiO2%TFe%SiO2%-0.074mmFe回收率%TFe%SiO2%65.438.1870.441.8594>9668.451.9966.425.3870.091.7595>96--65.508.2570.621.4195>9768.551.8666.004.9169.521.64-325目70>9568.021.8566.004.9169.940.81-320目8092.4468.281.2667.375.8070.361.1898.6367.273.1765.508.3570.501.5892.0595.8068.251.4264.963.4769.391.2290.0096.86--64.963.4770.640.6090.0095.03--69.043.4769.191.4390.0098.3967.091.931、随着选矿技术的进步，获取高品质的矿不再是开展气基直接复原的瓶颈。下表是对国内局部矿粉精选的结果，50%以上的矿粉都可以满足要求。五、阻碍中国开展气基直接复原的两大因素已经当然无存年份剩余可采储量×１０８产量×１０８消费量×１０８进口量×１０８2006３.3594594-----20103.89201100～1200200～30020154.312001700～2000500～80020204.815002100～2500900～10002006年～2021年中国天然气产量、消费量增增长预测表气基直接复原工艺复原气主要来源于天然气；我国是天然气资源匮乏的国家；从对中国目前及未来天然气的产量、消费量的预测分析，使用天然气作为直接复原的复原剂来源，困难较多，本钱较高。①在中国天然气的潜在消费量巨大，因此不可能作为复原气体的来源。2、复原性气体的来源的多样化，已经解决了中国复原气体的来源。随着煤层气的开发、煤制气尤其是局部制气技术〔干馏气〕的进步，获取复原性气体的途径多样化，不再是气基直接复原的限制性环节。制气方法H2%CO%CO2%CH4+CnHm%鲁奇39242610两段式286241BGL28549.10.6恩德炉4038192JLH-D直立炉566.252.125气体成分H2%CO%H2+COCO2%CH4%N2焦炉煤气60.45.766.13254.5HYIⅢ-ZR工艺还原气53.911.365.23.222.95.32、随着技术的进步、获取复原性气体不再是限制环节。2021年9月1)墨西哥HYL公司提出的HYL/Energiron工艺直接使用焦炉煤气、合成气、煤制气为复原气的技术及南非以COREX复原尾气作为Midrex竖炉复原气工艺为气基直接复原工艺的进一步开展开辟了广阔的前景，使得竖炉直接复原工艺不再受天然气资源的制约。2)未来炼铁技术的开展方式，可以概括为球团+直接复原铁。即铁精矿100%生产球团矿，用100%的球团生产直接复原铁，可以减少高炉炼铁对焦炭的依赖和高炉炼铁高能耗，高本钱，高污染的弊病。六、气基直接复原炼铁工艺技术进步情况3)未来炼钢的开展方式可以概括为直接复原铁〔50%--100%〕+电炉炼钢，即用100%的直接复原铁或50%的热高炉铁，在电炉中炼钢。到达提高能源利用率，资源利用率的效果。4)天然气，焦炉煤气，煤制气，页岩气成为气基竖炉直接复原炼铁主要气体资源。焦炉煤气，煤制气，页岩气将逐步代替天然气，减少气基竖炉直接复原对天然气的依赖，进一步降低直接复原铁生产本钱。2021年9月5)根据国外生产统计资料说明，生产直接复原铁与高炉铁比较，生产本钱降低40%，，节能30%，二氧化碳排放量减少38%，是我国钢铁工业走出“寒冬〞的必由之路。全世界传统的钢铁联合企业粗钢的产能达10亿多吨，占总产量90%以上，即高炉炼铁的长流程仍占霸主地位。但实现钢铁工业100%转型，本人认为至少需要几十年。高炉流程的存在，为直接复原工艺提供大量焦炉煤气资源，为高炉流程的钢铁厂中生产直接复原铁，提供重要的气体资源条件。在比较长的时间里，传统的长流程与直接复原短流程在大型的联合企业中并存，形成全新的钢铁流程。2021年9月1、氢冶金是解决二十世纪冶金问题的根本途径，采用氢气作为复原剂，不仅能彻底解决钢铁行业二氧化碳的排放、环境的污染问题，而且可以解决对钢材内部杂质的污染问题，是21世纪新型钢铁工业的开展方向。2、随着Midrex和HYL直接复原工艺的不断进步，通过富氢气体和水蒸汽在重整炉中催化裂解生产复原气，可以使复原气中氢碳比到达〔H2／CO〕2.0或5.6～5.9的水平，大幅度的减少炼铁过程中CO2的排放，国内的炼铁专家已经将Midrex\HYLⅢ直接复原工艺定义为氢冶金或准氢冶金。七、气基直接复原炼铁工艺与氢冶金天然气焦炉气项目消耗单价成本消耗单价成本球团矿1.46480700.81.46480700.8气体量3001.48405800.86499水1.31.01.31.31.01.3电1100.6661100.666氮气400.5400.416人工及管理1006万元201006万元20投资3亿10年折旧1003.3亿10年折旧100DRI价格17481403税前毛利年毛利投资回收期工艺方法产量，万吨占世界产量比，%MIDREX386259.93HYL/Energiron79912.40煤基回转窑173326.89转底炉00世界合计6444100.00八、世界直接复原工艺现状1.2021年世界直接复原铁生产各工艺的产量气基竖炉产量将继续增加；2021年气基竖炉产量占总产量的72.33%；印度、俄罗斯、中东等地区正在建设的气基竖炉直接复原装置。2.世界DRI产量持续增加，气基竖炉占主导地位。

3.煤制气-竖炉直接复原为直接复原铁生产开辟了新途径。传统气基竖炉复原以天然气为能源，气基竖炉开展受到制约；南非以COREX复原尾气作为Midrex竖炉复原气,煤制气—竖炉工艺技术是可行的；墨西哥HYL公司提出的HYL/Energiron工艺直接使用焦炉煤气、合成气、煤制成气为复原气的技术。4.回转窑法近年来在印度得到开展。2021年，印度约300多条1.0～3.0万吨/年的回转窑在运行；DRI产量到达1620万吨，占世界煤基回转窑产量的93.5%；使世界煤基回转窑产量占世界DRI总产量26.89%。5.转底炉是直接复原开展的热点、流化床法开展受挫。转底炉是直接复原开展的热点，但至今未见有生产炼钢用DRI实现工业化生产的报道；已建成的流化床法工业化装置产量仅为设计生产能力的50%左右。流化床法占世界总产量缺乏1.0%。2021年9月九、我国直接复原的现状1.受高品位铁矿、天然气资源短缺的制约，我国直接复原铁生产开展缓慢；多年来，直接复原的开展热潮持续强劲，但成效甚微，至今我国DRI年生产量未超过60万吨。2.我国回转窑直接复原技术成熟，结圈问题已得到解决，生产指标世界领先；天津钢管厂在引进DRC技术的根底上，进行了大量改造，技术上有了重大进步，年产量最高超过设计产20%，煤耗〔褐煤〕仅850～900kg/tDRI，产TFe>94.0%，金属化率>93.0%，回转窑生产指标世界领先。3.隧道窑法在我国异常开展；4.转底炉法开展迅速;5.煤制气—竖炉倍受关注。2021年9月十﹑MIDREX工艺1.MIDREX工艺的开展从1936年开始，美国外表燃烧公司开展了天然气竖炉直接复原工艺〔即Midrex工艺〕的研究和试验工作，1966年在俄勒冈钢厂建立了直径450mm，日产1.5吨的试验装置。试验成功后，于1969年在该厂建立起两套直径3.7m的生产装置，每套年产量为15万吨。1971年为联邦德国科夫公司建立起年产40万吨的直接复原铁生产厂。从此，Midrex工艺在世界上迅速开展，已成为技术成熟，生产量最大的直接复原炼铁工艺，目前单体炉最大产能到达170万吨/年。2021年9月2﹑Midrex直接复原工艺的根本原理天然气的裂化铁矿石的复原海绵铁渗碳天然气的裂化：CH4+H2O=CO+3H2CH4+CO2=2CO+2H2铁矿石的复原反响:Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O渗碳反响：Fe+2CO=Fe3C+CO2赤铁矿Fe2O3磁铁矿Fe3O4天然气CH4天然气裂化还原气CO+H2海绵铁Fe+Fe3C炉顶气CO+H2O++3﹑Midrex工艺流程的介绍工艺流程简要介绍天然气经过煤气预热器预热，然后进入煤气重整炉进行裂化产生复原性气体，复原性气体由竖炉中间部位进入炉内与上部装入的铁料发生反响，形成海绵铁，经过渗碳反响与冷却由下部排出。炉顶气经过净化处理一局部用于重整炉的加热，一局部返回重整炉参与气体重整。铁料的组成矿石或氧化球团或氧化球团+块矿复原性气体的主要成分CO+H2＞84%CH4＜5%H20＜2%CO2＜1%N2约0.5%十一、HYL直接复原工艺1.HYL直接复原工艺的开展HYL直接复原工艺是墨西哥HYLSA公司于20世纪50年代初开发并研究成功的。1957年第一座日产200吨直接复原铁的生产装置在墨西哥蒙特雷〔Monterrey〕建成投产。该工艺以天然气、水蒸气催化裂解气为复原剂，采用4级固定床反响罐复原，间隙作业，生产效率较低，能耗高。1979年，HYL工艺进行了重大改进，将间歇作业的4级反响罐改为连续作业的竖炉，演变为HYLⅢ工艺，生产效率显著提高，能耗大幅度下降。经过近60年的开展，竖炉直接复原技术已日臻成熟，特别在最近几年取得了较为突出的进步，主要表达在以下几个方面：1)通过加强对原料质量的控制，提高复原气体的温度、压力，改善竖炉内煤气流的分布等一系列措施，使直接复原竖炉的生产率提高了近25%；2)将少量高纯度氧气吹入含有甲烷的高温复原气中，提高复原气温度，使竖炉的生产率约提高20%，节能近5%。这项技术进一步开展成为NG\COG〔天然气\焦炉煤气〕竖炉的自重整技术-ZR；3)HYTEMMP及HOTLINK等海绵铁热装技术的开发，有效地利用了海绵铁的显热，减少了海绵铁输送和贮存过程中的再氧化和粉化，使电弧炉吨钢电耗降低了120～140kWh，电极消耗减少了0.5～0.6kg；4)热压块海绵铁〔HBI〕技术的开发，使直接复原铁的储存和运输，特别是海上运输变得更加便利，更加广泛地开辟了世界范围的海绵铁市场。2.HYL工艺的根本原理在催化剂的条件下天然气与蒸汽的反响：CH4+H2O=CO+3H2CO+H2O=CO2+H2铁矿石的复原反响:Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O赤铁矿Fe2O3磁铁矿Fe3O4天然气+水蒸气CH4天然气裂化复原气CO+H2海绵铁Fe+Fe3C炉顶气CO+H2O++3.HYLⅢ法的工艺流程天燃气与水蒸气在重整炉中经催化反响产生复原性气体，复原性气体从竖炉中下部进入炉内，与由上而下的铁料发生复原反响，形成海绵铁，炉顶气经脱除CO2、水蒸汽后与重整炉产生的复原气混合作为新的复原气循环使用。铁料的组成矿石或氧化球团或氧化球团+块矿复原气体的主要成分脱除CO2H2COCO2H2OCH4N274%13%3.3%1.4%7.0%4.2%不脱除CO2H2COCO2H2OCH4N257%22%15%1.6%4.4%十二、HYLⅢ直接复原工艺特点及与MIDREX工艺的区别HYLⅢ制气局部和复原局部相互独立,MIDREX竖炉炉顶气与天然气混合，共同进入重整炉制取复原气，复原竖炉和制气设备是相互联系，互相影响的。而HYLⅢ竖炉炉顶气经脱水和脱二氧化碳后，直接与重整炉内出来的气体混合制成复原气，复原设备和制气设备相互独立。因此HYLⅢ工艺具有以下特点：(1)HYLⅢ竖炉选择配套的复原气发生设备有很大的灵活性，除天然气外，焦炉煤气、煤发生气、COREX尾气等都可成为复原气的原料气；(2)重整炉处理气量变小，每吨海绵铁仅为475m3，这使HYLⅢ工艺重整炉体积小，造价低。而MIDREX工