第3章——金属化球团昆钢50万吨金属化球团-转炉炼钢项目

第三章 MIDREX还原竖炉工艺

世界还原铁生产，在上个世纪的八十年代中期，全球直接还原铁产量突破了1000万吨，到九十年代初期，突破2000万吨，1995年达到3000万吨水平，而时隔仅仅5年，到2000年便突破4000万吨，2006年全世界直接还原铁（DRI）产量为6070万吨，比2005年增长了480万吨，增长率为8.2％。预计到2010年全球直接还原铁的产量将达到7500万吨。详见图3-1（神户钢铁美国分公司米德雷克斯技术公司的统计报告）。

图3-1 全球直接还原铁产量

在2001-2005年之间，全球粗钢产量年增加7%，原材料（废钢、生铁和直接还原铁）的消费量年增长8%，其中直接还原铁的年增长达到10%。预计2006-2010年，原材料的需求年增长保持5%，并且直接还原铁和热压块铁的需求量的增幅将远远大于其他原材料，近几年，短流程钢厂开始涉及高级钢种的生产，这对金属炉料的纯净度要求更加严格，直接还原铁的需求量更大。预计2010年直接还原铁和热压块

铁的消费量从目前的6300万吨/年增加至9400万吨/年。

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。随着还原气体制造技术的发展，将进一步巩固和提高MIDREX竖炉法工艺在非高炉炼铁生产中的主导地位。

3.1 项目建设规模及产品方案

3.1.1 产品方案

本项目产品为直接还原铁，产品质量见表3-1。

产品还原铁质量指标表表3-1

还原竖炉的副产品为炉顶煤气，经冷却、净化后循环使用。

DRI 还原炉产生的炉顶气，流量为146250Nm3/h、温度约为476℃、压力0.05MPaG、粉尘含量6000mg/Nm3。炉顶气组成为(%)：CO:19.1；H2:38.2；CO2:16.4；H2O:21；CH4:2.8；N2:2.5。

3.1.2 生产规模确定原则

与年产50万吨电炉炼钢配套，结合经济规模和市场调研情况，考

虑综合竞争能力，本工程拟建还原铁装置规模为61.22万吨/年，即还原气规模2万Nm3/h，日产直接还原铁1840吨，年生产时间为8000小时。

3.1.3 还原气体质量要求指标

还原气质量指标（v%）

CO+H2>90%

CO2～2%

CH43-4%

Ar、N2等余量

3.2 工艺技术方案

直接还原铁生产工艺主要分气基法和煤基法，目前为止，无论从产量还是产能上看，气基法占主导地位，约占90％左右，而煤基法占10％左右，且煤基法装置产能较小，产品质量较差。气基直接还原铁生产工艺是以还原气（H2+CO）作为还原剂，使Fe2O3发生还原反应生成海绵铁，其产品质量好于煤基直接还原铁，可直接用来炼制优质钢。

3.2.1 还原铁技术方案选择

气基法直接还原铁主导工艺为Midrex法和HYL法，都是竖炉工艺，以焦炉煤气、天然气或煤气化转化制得还原气（H2+CO）。铁矿石的还原速度决定直接还原法的生产率，对于在反应环境条件固定的情

况下，依据还原动力学影响还原速度的主要因素如下：还原气成份、反应温度、压力和矿石粒度。

3．2．1．1 Midrex工艺

Midrex工艺是美国米德莱克斯(Midrex)公司发明的，1969年第一次建厂，而后迅速发展起来。是目前普遍使用的生产方法。据统计，其生产量2001年为2684万t，占直接还原法产量的66％以上。气基Midrex工艺由供料系统、还原竖炉、烟气处理、还原气系统组成。

典型的Midrex工艺原料是天然气通过转化反应制得的还原气CO 和H2。原料矿石或球团从炉顶通过布料器(或多个加料管)合理地布入炉中，在还原区与CO和H2进行还原反应，最后产品由炉底排出。还原反应后的炉顶气含有大量的CO和H2(约66％)，通过回收热量和洗涤降温除尘后，加压与新鲜的还原气一起进入加热炉，达到要求温度的还原气进入竖炉进行还原反应。图3-2为典型Midrex工艺流程示意图。

图3-2 Midrex工艺流程示意图

Midrex工艺的特点是：

（1）设备紧凑，充分利用余热，生产率高，但对矿石和还原气的含硫量要求严格（可通过设置炉顶气脱硫装置，改变对原料硫含量的限制）。

（2）适用于不易爆裂的块矿的还原。重整过程只需要外部加入少量的水蒸汽，重整后不需进一步冷凝和分离，因此可减少投资和运行成本。

（3）重整气的水蒸气含量很低，因此可以直接注入还原炉，不需冷却，可节能。

（4）在有水和空气的情况下，Midrex DRI容易发生再氧化。因此必须“钝化”以便存储/运输。钝化就是在颗粒上形成一层渗碳体外层。温度高于700℃时，碳在DRI上沉积，并融解扩散至铁元素中，从而形成Fe3C层，可以防止DRI重新氧化。CH4 和金属铁的反应如下:

3 Fe + CH

4 = Fe3C + 2 H2

Midrex工艺中氧化物给料的典型化学成分见表3-2。

含铁原料典型化学成分表3-2

Midrex工艺中含铁原料的典型物理特性见表3-3。

含铁原料典型物理特性表3-3

Midrex DRI的化学成分见表3-4。

直接还原铁典型化学成分表3-4

成份组成，Wt% 备注

CaO 0.2–1.6

MgO 0.005–0.015

3．2．3．2 HYL工艺

HYL工艺由墨西哥镀锡板和薄板公司发明。20世纪70年代在固定床HYLI工艺基础上发展为HYL-Ⅲ式竖炉，应用相当广泛，约占世界直接还原铁产量的17％。装置由天然气重整、加热、供料系统、还原竖炉、烟气处理等组成。

HYL工艺原料铁矿石或球团自反应器顶部加入，还原气由中部还原区进入。从上至下，还原分四个阶段进行：第一为加热和初还原阶段；第二为主还原阶段；第三为冷却和渗碳阶段；第四为卸料阶段。其特点是对CO和H2比例要求不严格。流程示意图见图3-3。

图3-3 HYL工艺流程示意图