直接还原技术的发展现状及前景

2010年全国炼铁生产技术会议暨炼铁学术年会直接还原技术的发展现状及前景沈维华 ，朱子宗（重庆大学材料科学与工程学院，重庆，400043）摘要:本文阐述了直接还原技术的发展现状，并对直接还原工艺做了简明的分类。

简要介绍了气基直接还原和煤基直接还原典型工艺的优缺点。

根据钢铁工业的发展现状以及发展直接还原铁(DRI) 技术的必要性和紧迫性，展望了直接还原技术的发展趋势及前景。

关键词:直接还原；气基直接还原；煤基直接还原；新进展Prospect and Current Situation on Direct Reduction TechnologySHEN Wei-hua，ZHU Zi-zong（College of Materials Science and Engineering，Chongqing University , Chongqing ，400043）Abstract : The development of the direct reduction technology is presented in this paper. The brief classifications are given according to the direct reduction processes. The development tendency and perspective of direct reduction based on the present status of iron and steel industry as well as the necessity and urgency of the direct reduction iron（DRI）technology is displayed. Key words：direct reduction ；gas-based direct reduction；coal-based direct reduction ；latest development1 前言传统的高炉工艺经过多年来的发展已经日益完善与成熟。

但是，也存在着一系列的问题：排放很高；(2)焦炭资源短缺(1)环保压力与日俱增，尤其是炼焦废水、烧结粉尘、高炉CO2已经成为世界性的问题；(3)基建等各种投资费用较高；(4)高炉工艺需要连续稳定的操作，不能适应生产率的快速变化[1-3]。

为此直接还原技术应运而生，并得到较快发展。

直接还原是指以气体、液体或者煤为能源与还原剂，在铁矿石低于熔点温度时进行还原得到金属铁的炼铁工艺，其产品称为DRI(状似海绵，也称海绵铁)[2][4]。

DRI主要用于电炉炼钢，也可作为转炉炼钢的冷却剂，还可以用于高炉降低焦比[5][6]。

直接还原技术是钢铁工业持续发展、实现节能减排、环境友好发展的前沿技术之一[4][7]。

随着我国钢铁产业结构调整，纯净钢、优质钢比例提高，DRI作为电炉钢厂的优质原料需求不断增加，我国“十一五”发展规划已经把DRI产业列入钢铁行业鼓励和支持的产业。

2 直接还原技术的发展现状自1770 年世界上第一个直接还原法专利诞生以来，见于文献记载的直接还原工艺就有400多种，但绝大多数都未能实现工业化[4]。

随着六十年代Midrex法等一系列的直接还原工艺的成功开发，DRI产业进入了飞速发展的阶段。

1970年其产量仅80万t，到2000年产量已经达到了4320万t，2007年则增至6722万t，平均年增长率达到了13%。

除中国外， 联系作者：沈维华（1983-），男，硕士研究生，从事直接还原工艺和技术研究。

Email：pursue001@从1994至今，全世界新增的炼铁生产能力有一半是基于直接还原流程。

同时，DRI作为电炉炉料的重要性也日益增大，现已占全世界电弧炉炉料的14%。

从DRI产量来看，印度是DRI第一生产大国，2009年达到了2200万t，占世界DRI产量的35.5%。

其他还有伊朗、委内瑞拉、墨西哥、沙特、俄罗斯，这6个国家的DRI约占世界产量的75%，见表1。

表1 2004-2008年世界DRI产量（单位：百万吨）目前，世界上已应用和正在研究的直接还原工艺有40多种，实现了工业化规模生产的有20多种。

直接还原工艺按还原剂的不同，分为气基直接还原、煤基直接还原。

按还原设备的不同分为流化床法、竖炉法、回转窑法、转底炉法、隧道窑法等[4][7]。

其中流化床与竖炉法属于气基直接还原，回转窑法、转底炉法、隧道窑法属于煤基直接还原。

表2为直接还原主流工艺的分类比较（含高炉）[9]，表3为1999-2008年世界主要直接还原工艺产量比[7][10]。

表2 直接还原主流工艺的分类比较（含高炉）表3 1999—2008年世界主要直接还原工艺产量比(单位：%)在直接还原工艺方面，2008年Midrex工艺产量为3985万t，占世界DRI总产量的58.22%，已经连续30年保持DRI的主流生产工艺。

采用HYLSA工艺的直接还原铁的产量为990万t，其他气基工艺生产直接还原铁110万t。

2008年煤基直接还原铁产量为1760万t，较2007年增长了244万t，增幅达到了16.80%。

1.1 气基直接还原1.1.1 竖炉法竖炉法在直接还原中占据绝对主导地位，采用球团矿或者块矿物料，还原温度一般在800～1000 ℃，其产品为热压块HBI/冷压块DRI。

竖炉法工艺成熟，操作简单，生产率高，投资低，可实现大规模生产（单炉产能可达180-190万t/a），是目前能耗最低的直接还原生产工艺，仅为11GJ/t，2008年竖炉法DRI占市场72%的份额，其工艺主要有Midrex、HYL -Ⅲ、Arex工艺。

但竖炉法也存在一定的局限性，首先，要求有丰富的天然气资源作保障，这使得竖炉法在广大石油、天然气资源匮乏的地区难以推广；其次，竖炉法使用球团矿或者块矿物料且反应温度不高，反应速度较慢，炉料在炉内要停留10h左右；另外，对于矿石中的S和Ti 的含量要求严格，炉料中的S和Ti通过炉顶煤气进入转化炉会造成反应管催化剂中毒失效，矿石的S含量一般不允许超过0.02%，Ti含量应控制在0.15%之内[4][11][12]。

1.1.2 流化床法流化床法直接采用铁精矿或者粉矿物料，不需造块，还原温度较低，一般在700℃左右，其产品为热压块HBI。

针对流化床法在还原过程中容易引起粘结失流现象进行了大量的技术攻关，对该现象的实质及其形成机理有了一定的认识，但目前还不能彻底解决这问题；同时流化床还存在其他一些不足，流化床对物料流化所需的气体量远大于还原所需的气体量，还原气一次利用率仅为10%，使得气体循环的能耗较高；另外，由于炉料的粒度不均，使流化床伴随着一定程度的夹带现象，并容易引起炉料的还原不均；尽管流化床法省去球团造块的投资与成本，但其运行能耗要比竖炉法高27%。

为此，流化床法在直接还原中所占的份额还不到2%，目前仅有Finmet和Circored工艺仍在生产，其产能仅为设计能力的一半[8][11]。

1.2 煤基直接还原1.2.1 回转窑法回转窑法是煤基直接还原的主要工艺，除Accar法采用重油作还原剂以外，其余回转窑工艺都采用煤粉作为还原剂。

入炉物料通常采用球团矿或者块矿，也有采用粉矿的，还原温度为1000～1150℃，产品为冷压块DRI。

回转窑法目前的发展较为成熟，主要工艺有SL/RN，Codir，A ccar，DAV，DRC， T isco等，其优点是产品经磁选之后铁品位较高且质量较好，是电炉优质钢的优质原料之一。

但回转窑法也存在一些问题：首先，生产过程中容易产生结圈现象而损坏炉衬；其次，生产规模较小，难以大型化，目前单炉产能最大仅为15万t/a；另外，设备投资、操作费用高,在能耗方面竞争力也不足，达到18—25 GJ/t[13]；同时，回转窑在环保方面不具有竞争力，落后于竖炉、流化床以及转底炉工艺。

因此，虽然回转窑法目前是最主要的煤基直接还原工艺，但在未来的发展空间有限。

1.2.2 转底炉法近年来，转底炉法是煤基直接还原的开发热点，发展十分迅速，也是煤基直接还原工艺中产能最大的，单炉产能可达50 万t/a。

主要工艺有Fastmet，Itmk3，DryIron，Inmetco，Redsmelt，Sidcomet。

采用含铁物料与煤粉、粘接剂混合造球，还原温度较高，一般在1250～1350℃，在Itmk3法与恰普法（CHARP）转底炉熔融还原工艺中，还原温度可达1350～1450℃。

转底炉法由于入炉物料采用含碳球团，矿碳接触紧密且还原温度较高，还原速度较快，生产周期短，效率高。

另外对原料、燃料、还原剂的要求较低，在对低品位矿、复合矿、钢铁厂粉尘利用方面具有优势，这是其他直接还原工艺无法比拟的。

转底炉还可以处理Zn、Pb含量高的粉尘[14]。

但是转底炉发展历史比较短，虽然已经走向了商业化生产，但是也存在一些不足。

首先，配套设备较多，给运行维护带来了一定难度；其次，高温尾气带走大量热量，使其能耗较高，达到15—16 GJ/t；另外，采取辐射传热，炉内只能铺2～3层球团，剩余空间达90%，设备利用率较低。

目前投产的转底炉工艺多数是处理含铁废料，单炉产能一般不到10万t/a[11][15]。

1.2.3 隧道窑罐式法隧道窑罐式法通常采用粉矿，也可以采用球团矿，还原温度为1150～1200℃。

该法是比较老的还原工艺，隧道窑罐式法的开发主要是用于高附加值的粉末冶金，在该领域处于主导地位。

由于隧道窑罐式法能耗达25—30GJ/t，单炉产能小（最大产能仅为5万t/a），热损失大、机械化程度低等缺点，其在直接还原领域毫无竞争力[4]。

3 直接还原技术的新进展随着DRI产能的高速增长，直接还原技术的不断发展，各种工艺都在不断进步，其中重大的有：[9][16][17][18][19]1、气体还原剂的多样化目前，煤制气技术、Corex炉气、焦炉煤气都实现了直接还原的工业应用，改变了过去气基直接还原只能使用天然气做为还原剂的局面，使广大石油、天然气匮乏的地区采用气基直接还原工艺有多种替代能源的选择余地。

煤制气技术具有代表性的有鲁奇法、恩德法和德士古法。

印度Jindal 公司、埃萨公司采用该工艺；我国海城东四型钢公司选用恩德法作为HYL竖炉直接还原的煤制气工艺。

墨西哥希尔公司正在开发将焦炉煤气作为的HYL-ZR竖炉工艺的还原剂。

南非萨尔达那钢铁厂将Corex输出煤气经过脱除CO用于竖炉Midrex工艺。

22、还原气自重整ZR技术无论是竖炉法还是流化床法，都需要配置一套重整炉装置，对还原气体进行催化裂解之后再作为还原剂使用。

自重整ZR技术可以实现不单独配置自重整设备，还原气加少量氧气在输送通道内部分燃烧送入炉内并经金属铁的催化而实现自重整，该技术投资成本低，操作、维护简单。