直接还原技术现状及其在中国的发展展望

直接还原技术现状及其在中国的发展展望

沈峰满，魏国，高强健，赵庆杰

（东北大学钢铁冶金研究所，辽宁沈阳110819）

摘要：近年来，全球直接还原铁（DRI/HBI）产量和需求逐年增加，表明直接还原技术是钢铁工业不可缺少的组成部分，有助于炼铁生产摆脱焦煤资源短缺的羁绊，降低钢铁生产能耗，提高钢铁产品质量和品质。气基竖炉生产规模不断增大，成为主要的生产工艺；竖炉直接还原铁热装热送技术的发展进一步降低了工序能耗。回转窑、隧道窑等工艺在特定地区有迅速发展，但很难成为直接还原铁生产的主流。我国具备发展直接还原生产的资源条件和技术基础，煤制气—气基竖炉技术是可能的主要发展方向。

关键词：直接还原；煤制气—竖炉直接还原；节能减排；资源综合利用

直接还原铁技术是现代钢铁工业重要工序之一，其产品—直接还原铁（DRI、HBI）是优质纯净钢生产不可短缺的原料。

1.直接还原铁技术发展的动力

近十年来，全球直接还原铁（DRI/HBI）产量和需求逐年增加。主要原因包括：

（1）以非焦煤为能源。传统的高炉炼铁以焦炭为主要能源，世界性焦煤资源短缺，焦炭价格上升成为影响钢铁工业可持续发展的重要因素。摆脱焦煤资源短缺的羁绊，改善钢铁生产的能源结构，是非高炉炼铁技术发展的最重要动力。

（2）环境友好。传统的高炉炼铁污染严重，向环境排放污水、CO2、硫化物、氮氧化物量大，难以满足不断增长的环境保护的需要。直接还原铁生产没有炼焦工序，避免了焦化生产对环境的污染。高炉铁水的碳接近饱和（含C~4.50%），钢材的含碳量平均0.35%，高炉铁水炼钢仅脱碳环节CO2排放量每吨钢约140~175公斤。煤基直接还原铁含碳仅0.30%，气基直接还原铁含碳通常≯1.50%，用直接还原铁炼钢吨钢仅脱碳环节可减少向大气排放CO2约100~150 公斤。直接还原铁生产环境友好，符合清洁化生产的需要。

（3）废钢——电炉短流程发展的需要。短流程或紧凑流程（废钢——电炉炼钢流程）是钢铁工业实现清洁化生产的重要方向之一。随着社会钢铁存量及废钢回收量的增加，废钢——电炉炼钢产量持续增长，经济发达国家电炉钢产量占粗钢产量已超过50%。以废钢为原料的废钢——电炉炼钢短流程的能耗及CO2排放量明显低于传统的高炉—转炉炼钢流程。废钢质量不断恶化是制约电炉钢发展的重要因素，直接还原铁是优质废钢的替代物、是废钢残留元素的稀释剂，是电炉冶炼纯净钢的必备铁源材料。因此，废钢/DRI—电炉炼钢短流程的发展也促进了直接还原法发展。

（4）提高钢铁产品质量的需要。直接还原法在低温下完成还原过程，可大幅度减少原燃料中非铁元素进入产品DRI，用同一种原料生产，直接还原铁中的硅、锰、镍、铬、钛、钒、砷、锑、铋等非铁元素含量比高炉铁水低1~2 个数量级。直接还原铁（DRI）是纯净钢、优质钢生产的重要的不可缺少的残留元素的稀释剂。因此，提高钢铁产品质量的需要是推进直接还原铁技术发展的重要动力。

（5）资源综合利用的需要。自然界大量含铁资源难以满足高炉炼铁对原料要求，如：鲕状赤铁矿、羚羊石铁矿、超细晶赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿；多金属共生矿（钒钛磁铁矿、钛铁矿、硼铁矿、低品位红土镍矿）等，开发利用这些资源是实现钢铁工业可持续发展的重要课题，而直接还原技术是资源综合利用的有效手段。

2．直接还原铁技术的发展现状

2.1 直接还原铁生产概况

近年全球直接还原铁产量持续增加，见表1。2012年世界直接还原铁（DRI/HBI）的产量约7402 万吨，约占全球铁总量的6.31%。2013 年世界直接还原铁（DRI/HBI）的产量约7719 万吨，约占当年全球铁总量116461 万吨的6.63%。

直接还原铁技术按所使用的还原剂的形态分为：气基法（竖炉法、流化床法等）、煤基法（回转窑法、隧道窑法、煤基竖炉法、转底炉法等）。迄今为止，有数十种直接还原工艺实现了工业化生产，其中气基竖炉占直接还原铁的主导地位。气基竖炉产量约占总产量的75%，各种直接还原铁生产工艺产量见表2[1]。

2.2 直接还原工艺现状

（1）气基竖炉

直接还原气基竖炉实现了大型化，单机年产能已达到200万吨，如：阿布扎比的阿联酋钢铁工业公司直接还原竖炉单机年产能200 万吨，埃及Suez钢公司直接还原竖炉单机年产能190~ 220 万吨，纽柯钢公司计划建设年产250万吨的直接还原竖炉。直接还原竖炉实现了大型化改变了以往直接还原铁生产单机规模难以扩大的缺欠成为直接还原铁发展的热点。（2）煤制气—竖炉

天然气为能源的气基竖炉直接还原铁工艺的发展受到天然气资源的分布不均、天然气价格随石油价格上升和大幅度波动的制约。随着，化工行业煤制气技术的发展和成熟，以及竖炉直接还原技术的发展和进步，煤制气—竖炉直接还原技术应运而生，并成为发展热点。Midrex公司在南非以COREX熔融还原的尾气作为Midrex竖炉还原气生产DRI成功实现工业

化生产。

高温COREX 尾气用加入冷却、净化后的COREX 尾气调整温度，调整温度后的COREX 尾气直接进入Midrex竖炉进行还原。该技术最大限度的利用了COREX 尾气的显热和化学能，同时回避了高CO 含量煤气加热可能产生析碳反应（2CO = CO2 + C）的问题。实践证明：

煤制气—竖炉直接还原铁生产是可行的[5]。

墨西哥HYL 公司的HYL 技术取消天然气的重整工序，实现了天然气零重整竖炉（HYL-ZR）技术工业化生产。并提出直接使用焦炉煤气、合成气、煤制成气为还原气的Energiron技术[6]，为缺乏天然气资源地区发展气基直接还原工艺开辟了新途径，成为竖炉发展的热点。

印度正在筹建加压鲁齐炉法煤制气—HYL/Energiron160 万t/年竖炉直接还原铁生产线，以及加压鲁齐炉法煤制气—Midrex竖炉180 万t/年DRI—DRI热送——电炉炼钢生产线，但至今未见投产的报导。

煤制气—竖炉直接还原技术在理论上是煤制气和竖炉直接还原两个成熟的技术的组合，是可靠的，但实际实施过程中遭遇煤制气方法、煤制气的压力、粗煤气的净化方法、煤制气