气基竖炉直接还原炼铁简介

气基竖炉直接还原炼铁简介
XX热能技术有限公司（公章）
二零零七年八月八日
一、总论
1.1 项目背景及项目概况
项目起源于焦煤冶金的固有缺陷、优质钢市场需求强劲、废钢严重短缺以及我国天然气资源不足的现实。

自从1735年英国人亚·德尔比发明了煤炭炼焦的方法，采用焦炭的冶炼方法（如高炉）已经取得巨大进步，达到了空前完善的程度，提供的金属材料品种齐全、质量优良、数量巨大，为人类物质文明和社会进步做出了巨大贡献。

然而，随着全球环境和资源压力的日益增大，传统工艺的弊端日益突出，体现在：严重依赖于焦煤；冶金反应重复进行；优质钢生产严重受限；对复杂的多金属矿处理显得无能为力；工厂生产规模大、工艺环节多、需要巨额投资；焦化、烧结、高炉等铁前系统产生的大量烟气、粉尘及水污染；焦化、烧结、高炉等铁前系统的流程长、工艺复杂，导致热效率低，能源浪费严重等。

近年来，随着我国钢铁产量逐年攀升，每年焦煤开采量至少为47425万吨。

按煤炭详查资源总量估计，2070年以后我国的焦煤资源将面临枯竭，传统的焦煤冶金工艺将无法进行正常生产。

与此相反，大量的非焦煤资源在冶炼工艺中却无法得到充分利用，因此开发和采用非焦煤炼铁工艺已迫在眉睫。

非焦煤炼铁工艺是指不使用焦炭进行炼铁生产的各种工艺方法。

按工艺特征、产品类型及用途，可分为直接还原法和熔融还原法两大类别。

直接还原法（Direct Reduction）是指“以气体燃料、液体燃料或非焦煤为能源和还原剂，在天然矿石（粉）或人造团快呈固态的软化温度以下进行还原获得金属的方法”。

熔融还原（Smelting Reduction）则“以非焦煤为能源和还原剂，在高温熔融状态下进行金属氧化物的还原，得到含碳的液态金属”。

与直接还原的不同之处是，熔融还原的发展目标只是探索和推广用煤炭代替焦炭的冶炼方法，其产品还是与传统冶炼工艺一样的液态产
品，如铁水。

目前，全世界工业规模的直接还原法已有十几种，而大多数熔融还原工艺还处于研发阶段，已商业化的只有COREX。

基于这一分析，本项目采用直接还原法。

直接还原法有气基（以CO＋H2为还原剂）和煤基（以非焦煤为还原剂）两种。

气基直接还原法因具有容积利用率高、热效率高、生产率高等优点而成为非焦煤冶金工艺的主流技术。

在所有直接还原铁（Direct Reduced Iron，简称DRI；因还原失氧形成大量气孔，在显微镜下观察形似海绵，固又称海绵铁）产量中，气基直接还原占到90％以上。

因此，本项目采用气基直接还原法。

在所有气基DRI工艺中，以天然气为能源的竖炉法生产的直接还原铁占世界总产量的80%以上。

但由于受到天然气资源的限制，我国至今没有一个竖炉法直接还原铁生产工厂，导致每年大量进口昂贵的直接还原铁。

以2005年为例，海绵铁进口的最高价格达到324美元/吨。

本项目通过充分利用钢铁厂自产焦炉煤气和转炉煤气制备还原气，取代天然气用于直接还原炼铁，既弥补了我国天然气资源的不足、又填补了我国气基竖炉直接还原冶金的空白。

1.2 项目建设的必要性
钢铁工业是最重要的原材料工业之一，在冶金行业处于举足轻重的地位。

自新中国成立以来，我国粗钢产量年年增加。

1949年全国粗钢产量仅为45万吨，到1996年粗钢产量首次突破1亿吨大关，成为世界第一钢铁生产大国。

2006年中国钢铁产量超过了4亿吨。

预计今后50～100年内，只要还有焦炭供应，高炉仍将是主要的炼铁设备。

但是，高炉必须使用资源较少的焦煤（用于炼制焦炭）、能耗高，且经选矿得到的铁矿粉也需先进行造块才能使用。

因此，传统冶金面临能源、资源、环境、社会多重压力。

传统的高炉炼铁工艺流程如图1-1所示。

图1-1 传统高炉炼铁工艺流程
我国能源资源分布格局具有富煤、缺油、少气的特点。

单以丰富的煤炭资源而论，尽管目前已经探明的煤炭储量已超过10000亿吨，但能用于炼制焦炭的焦煤资源还是相对较少。

近年来，随着我国钢铁产量逐年攀升，每年焦煤开采量至少为47425万吨。

按煤炭详查资源总量估计，2070年以后我国的焦煤资源将面临枯竭，传统的焦煤冶金工艺将无法进行正常生产。

与此相反，大量的非焦煤资源在炼铁工艺中却无法得到充分利用，因此开发和采用非焦煤炼铁工艺已迫在眉睫。

与非焦煤炼铁工艺相比，传统高炉炼铁工艺主要存在以下弊端：
①传统工艺依赖于焦煤。

从已查明的世界煤炭储量来看，焦煤仅占煤总储量的5%～10%，而以现行技术可以经济开发的只占其中的30%～40%。

由于冶金长期巨大的消耗以及焦炭资源在地理上分布的不均匀，传统冶炼工艺的生存和发展将面临因焦煤资源匮乏而无法生产的尴尬局面。

②传统冶金工艺存在冶金反应重复进行的过程（图1-2）。

例如，在高炉炼铁的还原过程中，当把铁矿石中铁和氧分离的同时，还会使相当数量的Si、Mn、C等元素进入铁水，因此铁水必须进行氧化精炼，去除多余的元素和杂质元素。

精炼后的钢水还要进行脱氧，使得冶炼工艺复杂化，造成不必要的能源和原料消耗。

图1-2 不同工艺钢铁生产过程中含氧量、含碳量的变化示意图
从图1-2可以看出，传统钢铁生产流程是先把铁矿石过度还原（渗碳）生成铁水，然后再把铁水中的碳通过氧化方法脱除精炼成钢，因此是二步法流程（高炉还原＋转炉氧化）。

从氧化-还原基本冶金原理来分析，直接还原法具有直接把铁矿石炼成钢的一步法特征，故称“直接还原”。

③自然界中有用矿物并不都是单独存在的，常有多种金属元素共生的情况。

传统冶炼工艺对复杂的多金属矿处理显得无能为力，从而造成极大的资源浪费。

此外，冶炼厂含有铁、钒、钛、镍等重要资源的粉尘和渣滓，低品位铁矿石，选矿场的残渣等，传统工艺都无法处理。

根据资源特点来选择冶炼方法已势在必行。

④社会发展和科学技术进步对钢材质量要求越来越高。

电炉炼钢技术的迅速发展为优质钢生产提供了有效手段，然而日益增加的合金钢生产和应用，使得多次重复回收的废钢中杂质元素得以富集，严重影响了废钢的
质量。

例如，美国在25年内，碳素钢废钢的Cu含量增加了20％，Ni含量增加了1.2倍，Sn含量增加了2倍。

由此可见，用洁净的海绵铁代替被污染的废钢，稀释和改善冶金钢水的化学成分，生产优质钢材已是大势所趋。

⑤传统冶金工厂生产规模大，工艺环节多，需要巨额投资。

建设一座年产200万吨钢的钢铁厂，需要165～250亿人民币的投资，而且必须有足够的原料供应。

而非焦煤冶金厂可小型化，投资相对少，建设周期短，可因地制宜地利用当地的复杂原料和多种能源来确定机动的产品方向，工艺灵活性大、适应性强。

⑥传统工艺中焦化、烧结、高炉等铁前系统产生的大量烟气、粉尘及水污染。

以焦化炉为例，有害物质排放情况示于表1-1。

表1-1 焦化厂有害物质排放量（以1000万吨产量为基础）
⑦焦化、烧结、高炉等铁前系统的流程长、工艺复杂，导致热效率低，能源浪费严重。

时至今日，随着全球焦炭资源匮乏，供求矛盾日益突出，造成焦炭价格翻番，这不得不让人们更加关注非焦煤冶金/炼铁的新工艺和新技术。

在本项目的可行性研究期间，我们组织多个领域专家对国内DRI或HBI（Hot Briquetted Iron，指海绵铁热压成形的块铁）的潜在市场进行了
大量的调研，结果如下：
●2005年我国DRI产量不足60万吨，无法满足优质钢铁生产需求
●自2000年以来，每年进口DRI/HBI超过100万吨以上
●2005年进口最高价格达到424美元/吨
●据中国钢铁协会废钢协会预测我国DRI年需求量在500万吨以上
因此，我国DRI产量严重严重不足（各年产量见表1-2），与国内需求极不相称。

如何改变现状已是关系到我国钢铁行业健康、持续发展的大事。

表1-2 1997～2005年国内DRI产量
二、产品市场预测
2.1 产品市场供需分析
直接还原铁的市场供需情况取决于它的应用领域。

直接还原铁作为有害杂质少的钢铁原料主要用于氧气转炉炼钢、电炉炼钢和高炉炼铁。

1．电炉炼钢中的应用
电炉炼钢技术的迅速发展为优质钢生产提供了有效手段，然而日益增加的合金钢生产和应用，使得多次重复回收的废钢中杂质元素得以富集，严重影响了废钢的质量。

例如，美国在25年内，碳素钢废钢的Cu含量增加了20％，Ni含量增加了1.2倍，Sn含量增加了2倍。

用洁净的直接还原铁代替被污染的废钢，可稀释钢中有害元素、改善冶金钢水的化学成分，生产优质钢和纯净钢。

因此，直接还原铁是改善钢材质量、增加钢材品种、发展钢铁冶金紧凑流程不可缺少的原料。

根据天津钢管公司150 t电炉6年的实践，使用直接还原铁的冶炼效
果可总结如下：
（1）对钢水收得率的影响
根据150 t电炉物料平衡实测和计算，采用全废钢冶炼时钢水收得率为88%～90%。

使用0至50%的用秘鲁球团矿生产的DRI时，钢水收得率基本未受影响。

（2）对冶炼时间的影响
当150 t电炉采用100%废钢冶炼时，一般需4次加料，总的加料时间约14 min。

配加DRI后可以减少加料次数、缩短加料时间。

连续加入DRI使熔池变得更加活跃，脱P效果好，缩短了冶炼时间。

统计表明，配加12%～30%的DRI，一般可使一炉钢的冶炼时间缩短3～5 min。

（3）对冶炼电耗的影响
实践表明，当DRI金属化率高、脉石含量低时，电炉配加一定比例的DRI不会增加冶炼电耗。

表2-2是配加不同重量DRI的274炉钢冶炼电耗的统计结果。

使用的DRI中：TFe 94.78%，MFe 89.01%，金属化率93.91%，脉石含量3.34%，脉石碱度0.36。

表2-1 DRI加入量对电炉电耗的影响
表2-1的结果表明，每炉DRI用量从20 t增加到50 t时，冶炼电耗不但没有增加，反而有所下降。

当DRI使用量超过30%时，冶炼电耗增加，增加的幅度与DRI金属化率和脉石含量有关。

（4）对电极消耗的影响
DRI用量在0%～50%之间时，电极消耗基本相同；DRI使用比例增加，通电时间会延长，但是，DRI连续加入期间电能输入均衡稳定，减少
了因塌料等原因造成的电极折断事故。

（5）对钢中残余有害元素的稀释作用
DRI中几乎不含Ni、Cr、Mo、Cu、Sn等有害元素，P、S、N等元素的含量也比废钢低得多。

随着DRI加入量的增加，对这些有害元素有明显的稀释作用（图2-1）。

图2-1 DRI配加比例对钢中残余元素的影响
（6）对铸坯及钢管质量的影响
有些钢种连铸时易产生纵裂纹，经分析，其中原因之一是钢中有害元素含量较高。

在提高了DRI的使用比例后，这种裂纹明显减少。

钢管的某些性能指标（如AK）随着DRI用量的增加明显提高。

2．转炉炼钢中的应用
氧气转炉虽以高炉铁水为主要金属料，但仍约需10％的废钢作为冷却剂。

美国钢铁公司通过大量试验发现，转炉炼钢适当使用直接还原铁带来如下好处：
（1）由于DRI中的磷、硫、氮、铜含量较低，使得钢水中磷、硫、氮、铜含量较低。

在林茨第三炼钢厂130t转炉上用3000t Midrex DRI进行了148炉试验。

试验中用DRI替代废钢的比例从10％增加到100％。

结果发现：
①用DRI冷却时，钢中硫含量为0.016％；用废钢冷却时，钢中硫含量为0.022％；
②铁水中铜含量为0.02％，用DRI冷却时钢中铜含量保持不变，但用废钢冷却时，钢中铜含量为0.06％；
③用DRI冷却时，钢中氮含量为0.0024％，用废钢冷却，钢中氮含量为0.0029％；
④用DRI冷却时的钢中磷含量比只用废钢冷却时低0.002％；
⑤由于铁矿石含有少量的铬、镍、锡、砷，因此由铁矿石生产的DRI 在成分上占有优势，在德国的HYL厂100t工业转炉上的3炉次试验中，铬含量为0.01％、镍含量为0.02％、锡含量为0.03%。

（2）铸坯及成品的机械性能、表面质量和内部性能等均满足要求，且DRI中有一部分氧参与冶炼反应，使得氧气单耗下降。

鞍钢第二炼钢厂转炉生产在未使用DRI时，吨铁耗氧量为55.18m3，使用DRI后吨铁耗氧量为53.44m3，比使用前下降了1.74m3；
（3）当DRI为粒状时，可以连续加料，从而使转炉熔池温度和成分连续变化，有利于连续测温和自动化炼钢。

3．在高炉炼铁中的应用
日本的八幡制铁所、富士制铁所、川崎钢铁公司和墨西哥高炉公司对高炉使用直接还原铁后的效果进行了详细调查。

结果表明，铁水的金属化率提高10％，增加铁水8％左右，降低焦比7％左右。

从热能利用效果来看，从高炉炉顶装入DRI/HBI铁块比风口喷吹还原铁粉效果更好。

试验结果见表2-2。

表2-2 高炉经风口喷入直接还原铁粉的试验数据
1964年美国矿业局在宾州（Bruceton）一座小高炉上进行了试验，用金属化率90％左右的直接还原铁代替高炉炉料中的部分氧化球团，使铁水明显增加，焦比降低。

当直接还原铁在炉料中的比例提高到85％时，铁水产量直线地增加了约75％（表2-3）。

表2-3 高炉炉料中配加直接还原铁的试验数据
4．直接还原铁在铸造中的应用
铸造用钢铁分为铸钢和铸铁两大类。

铸钢有普通碳素铸钢、低合金铸钢和高合金特殊性能铸钢；铸铁有灰铸铁、球墨铸铁和特殊性能的合金铸铁。

不仅铸钢熔炼需大量废钢，高级灰铸铁、球墨铸铁、合金铸铁的熔炼也需30％～50％的废钢。

由于合金铸钢和球墨铸铁用量日益增加，对熔炼原材料的纯度也提出了较严格的要求。

商品废钢中经常含有Ti、Sn、Pb、As、Cu等元素，对球墨铸铁的石磨球化具有不利影响。

质地纯净的直接还原铁显示了特有的优越性，20世纪80年代开始广泛用于铸造生产。

通过加入直接还原铁，铁液或钢液中有害元素的含量可以被降低到可以接受的水平，从而使质地较差的商品废钢也能得到应用。

多年来的实践证明直接还原铁是一种非常理想的熔炼原材料。

鉴于直接还原铁的特点及其对钢铁工业发展的作用和意义，直接还原工艺现已成为世界有资源条件地区发展钢铁工业的首选项目，我国也将直
接还原工艺列为钢铁工业重点发展的方向之一。

5．国际DRI供需动向
2006年全世界DRI产量为6070万吨，比2005年增长了480万吨，增长率为8.2％。

2001～2006年DRI产量的持续增长源自直接还原铁需求的强劲增长。

预计到2010年全球直接还原铁的产量将达到7500万吨。

详见图2-2（神户钢铁美国分公司米德雷克斯技术公司的统计报告）。

图2-2 全球直接还原铁产量统计及未来预测
基于上述分析，全球直接还原铁的需求和产量逐年增加，市场前景良好，值得投资。

2.2 价格现状与预测
主要由于以下四方面的原因，全球直接还原铁的价格将持续上扬：
1．由于以废钢为主要原料的电炉钢产量逐年增长，世界炼钢年需废钢约3亿多吨，导致废钢需求量逐年增加，废钢供不应求，废钢的替代品DRI的国际市场需求迅猛增加；
2．冷铁料的需求，尤其是残余金属（铜、锡、镍和钼等）含量低的冷铁料的需求增长强劲；
3．直接还原铁的应用范围由电炉炼钢拓展到高炉炼铁、氧气转炉炼钢和特种钢铁铸造；
4．粉末冶金对直接还原铁的依赖程度也越来越高。

2001年12月初美国匹兹堡海绵铁的价格为92.5美元/吨，2004年11月增长到463美元/吨，价格增长了5倍多。

2005年我国进口最高价格达到424美元/吨。

印度是最大的直接还原铁生产国，2006年产量接近1500万吨。

表2-4是印度2004年4月4日的报价。

表2-5是国内2006年1月以来不同规格直接还原铁的报价（摘自中华商务网：/）。

表2-4 印度直接还原铁最新报价
表2-5 国内2006年1月以来不同规格直接还原铁报价
由表2-5可知，自2006年1月以来，各种规格的直接还原铁价格都有不同程度的增长。

印度4家最大的生产厂埃萨集团、伊斯帕特工业公司、VIKRAM 伊斯帕特和京德勒集团已于2007年4月6日宣布，对直接还原铁提价4%至7.5%。

这对直接还原铁严重依赖进口的中国钢铁工业来说，绝对不是一个好消息。

因此，发展具有我国特色的DRI 产业是必由之路。

三、HYL-ZR 竖炉直接还原技术和工程方案
3.1 HYL-ZR 工艺描述
HYL-ZR 工艺通过H 2和CO 与铁矿石的化学反应将矿石中的氧除去，生产出高金属化率的直接还原铁：
2
322232323323CO Fe CO O Fe O H Fe H O Fe +→++→+
HYL-ZR 工艺的核心是直接还原竖炉。

从工艺角度出发，直接还原主要由还原流程和冷却流程两部分组成，见图3-1。

图3-1 HYL-ZR工艺还原流程和冷却流程示意图
3.1.1 还原气的供应
还原气流程见图3-1。

通常还原气在HYL-ZR竖炉直接还原工艺中主要用作还原流程、冷却流程和气体加热器的燃料。

3.1.2 还原流程
还原流程由竖炉还原带、炉顶煤气换热器、炉顶煤气激冷/洗涤系统、工艺气循环压缩机、压缩机二次冷却器、CO2吸收器、工艺气加湿器和工艺气加热器等组成。

还原流程的还原气由补充的合成气与脱除了CO2的温度为50℃、压力为6.4kg/cm2的循环气体混合组成。

为获得渗碳过程的最优控制，还原气通过一个增湿罐，加入少量的水蒸汽，然后通过工艺气加热器（PGH）加热到930℃。

热的还原气被送入竖炉还原带，压力大约为4.5kg/cm2（约4.3562大
气压，441283Pa ，或0.44MPa ），向上逆向流经铁矿石移动床，确保气体分布均匀，气固之间接触良好。

在竖炉的还原带，铁矿石首先通过热的还原气的热量传递预热到还原过程所需的温度水平。

预热阶段过后，还原气H 2和CO 与氧化铁还原反应，矿石中的氧被去除。

还原反应的机理包括还原剂气体在反应界面的吸附催化、固相层内离子和电子的扩散、新相核的形成及长大等。

还原过程的机理可描述为：
Fe FeO O Fe O Fe →→→4332
其中氢还原反应过程为：
O
H Fe H FeO O H FeO H O Fe O H O Fe H O Fe 222243243232323+→++→++→+
CO 还原反应过程为：
2
24324332323CO Fe CO FeO CO FeO CO O Fe CO O Fe CO O Fe +→++→++→+
竖炉排出的温度约490℃的还原气，经过炉顶煤气换热器回收热量，生产用于CO 2脱除装置的蒸汽，然后通过煤气激冷/洗涤系统。

在此环节，还原过程中产生的水得到浓缩并且从气流中脱除，气体中携带的大部分的灰尘也被分离出去。

洗涤过的气体通过工艺气体压缩机提高压力后循环使用。

3.1.3 冷却气体流程
竖路下部的锥形段是竖炉直接还原的冷却带。

为便于冷态直接还原铁的卸料操作，温度约40℃、压力4.8 kg/cm 2
的合成气和冷煤气的混合气体从反应器下部的锥形区域喷入，向上逆向流过直接还原铁移动床。

在冷却带产品被冷却，同时产生部分直接还原铁的渗碳反应：
2
423223234232323H C CH O H C Fe H CO Fe CO C Fe CO Fe H C Fe CH Fe +→+→+++→++→+
还原区域也进行部分渗碳反应。

大部分C 以碳化铁（Fe 3C ）的形式进入到产品中。

渗碳反应总体的高吸热行为强化了直接还原铁的冷却过程。

热的冷却气离开冷却区域，经过冷却、压缩，再循环使用。

直接还原铁在大约55℃的条件下通过旋转阀排出竖炉的冷却带。

3.2 主要设备
3.2.1 铁矿石储备和处理系统
表3-1 铁矿石储备和处理系统主要设备表
3.2.2 还原系统
表3-2 还原铁系统主要设备表。