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 Technology

SHEN 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 development

1 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CO

2

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