浅议我国直接还原铁技术今后的发展

白明华，葛俊礼，龙 鹄，郭延军，张少壮，赵永和

(1.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北 秦皇岛 066004;2.秦皇岛西重所燕大重型机械研究院有限公司，河北 秦皇岛 066004)

0 前言

在世界当代钢铁行业的发展中，利用直接还原铁生产与电炉炼钢相结合生产洁净钢的技术获得了快速发展。直接还原铁生产是指在低于熔化温度之下将铁矿石还原成海绵铁的过程，与传统高炉炼铁方法相比取消了焦炉、烧结等工序，具有流程短、污染小、消耗少、不受炼焦煤短缺影响等优点。同时海绵铁中硫、磷、硅等有害杂质含量低，有利于电炉冶炼优质纯净钢种。

该技术对我国节能减排、保护环境、调整钢铁产品结构，提高钢铁产品质量等方面有着重要意义。然而，2012年国内直接还原铁产量不超过60万t，不到世界直接还原铁产量7 402万t的1%。我国的铸锻件行业也正处于结构调整与发展期［1］，用于电站、冶金、石油化工、航空及船用设备的特殊模锻件的需求量大大增加。优质铸锻件的冶炼需要优质废钢，在我国废钢紧缺的条件下，直接还原铁是其很好的替代品。

由此可见，目前我国无论是直接还原铁产量还是电炉钢产量远低于世界平均水平，亟需引起关注。走适合我国国情的道路，发展直接还原铁生产成为“十二五”乃至今后相当长时间我国钢铁行业面临的重要课题。

1 国内外直接还原铁技术发展现状

根据还原剂种类，直接还原铁技术可分为气基法和煤基法两大类。气基直接还原技术主要有Midrex法和HYL法，此方法因具有容积利用率高、热效率高、生产率高等优点在天然气丰富的地方得到广泛使用;煤基法主要包括SL/RN、FASTMET和ITMK3法等。目前世界上90%以上采用以Midrex、HYL为代表的气基竖炉直接还原法生产。

墨西哥HYL技术近年来不断改革发展，增加了HYL-ZR零重整工艺及HYTEMP热送技术［2］，1998年该技术在墨西哥Ternium Hylsa 4M厂成功运行，其设计产能为68万t/a，实际产量达93万t/a，产品的金属化率为94.4%，含碳量为3.6%。2000年该技术应用于UAE的Gulf海绵铁厂，生产规模为20万t/a，能在满足钢厂对直接还原铁需求的基础上，大大降低维修成本及人力需求。图1所示为HYL-ZR零重整工艺示意图，天然气经加热后通入竖炉，在竖炉入口处添加适量的氧气，经部分氧化，生成还原所需的气体。还原气在竖炉反应器中与逆流的铁矿石反应，将其还原成铁，一部分天然气在竖炉下部与铁发生碳化反应生成Fe3C。该技术将重整、还原和碳化整合在高压的竖炉装置中进行，占地面积和投资大大降低，同时产品含碳高，与传统生产的DRI相比更易于存储和运输。

图1 直接还原工艺Fig.1 Direct reduction technology

另外HYL技术还适用于不同的还原气来源，包括焦炉煤气和煤制气等。他们将鲁奇煤制气工艺产生的还原气和完全采用天然气时的还原气成分进行对比(表1)，发现二者具有较大的相似性，处理后的煤制气其还原性更强，将煤制气运用于直接还原铁的生产没有技术风险。

我国从六十年代即开始了直接还原铁技术研究，在这半个世纪中走过了漫长而曲折的道路，其中天然气和高品位铁矿石资源短缺是制约我国直接还原铁技术发展的重要原因。

表1 还原气体相似性对比Tab.1 Comparison of the similarities for reduction gases

由于天然气资源短缺，我国直接还原铁技术研究开发一直立足于利用国内丰富的煤炭资源上，即走煤基直接还原铁的道路。在煤基直接还原铁技术方案中，主要集中在隧道窑、回转窑和转底炉技术的研究，特别是前两项，在国内发展应用已经比较成熟。但是，在生产规模、能源消耗、环境保护、产品质量、技术稳定性以及成本等方面仍然存在着大量的问题没有得到解决，无法与气基竖炉直接还原技术相比较。截止目前，国内有产能3 000～10 000 t的隧道窑近两百座，总产能约60万t，是目前国内直接还原铁的主要生产工艺;5万t/a以上规模的回转窑企业5家，总产能76.2万t，但这5家企业由于成本、环保、原料等问题现在处于停产状态。目前国内直接还原铁总产能还不超过100万 t/a［3］，这种状况与我国钢铁生产技术发展水平和经济社会发展需要极不相称。时不我待，现在是大力发展我国直接还原技术的时候了。

2 我国现在已具备发展煤制气-竖炉直接还原技术的条件

2.1 经济社会发展的现实需要

目前我国钢铁产品的绝大部分属低端产品，经济建设和国防建设所需的高端钢铁产品仍需大量进口。钢铁生产的环境水平、自动化水平、能耗水平等与发达国家仍然有很大差距。经济建设和环境保护迫切要求钢铁行业的产品不断升级换代，迅速从数量满足型向品种质量满足型过渡，从环境消耗型向环境保护型过渡，这是促进我国煤制气-竖炉直接还原-电炉冶炼短流程工艺发展的宏观需要。另外目前我国电炉炼钢原料的废钢资源贫乏，特别是优质废钢更为缺乏，为直接还原铁的生产和应用提供了广阔市场。

2.2 进行了必要的技术准备

通过对国内国外多种技术和工艺的反复对比，逐渐形成了对中国发展直接还原铁道路的认识，那就是发展煤制气-竖炉直接还原技术［4-5］。

很多企业、科研院所和大学纷纷进行试验研究。早在上世纪七十年代，广东韶关钢铁厂就进行了水煤浆制气竖炉还原生产海绵铁的试验;1997～1998年，宝钢公司与山东鲁南化工集团公司合作，进行了德士古炉水煤浆制气-竖炉生产直接还原铁的半工业性试验，连续20天稳定地生产出金属化率达93.04%的合格海绵铁［6］。实验示意图如图2所示，从德士古炉生产出来的煤气经过脱除CO2、H2S后，在加热炉加热到850℃ ～950℃后进入竖炉还原球团矿，该试验的各项装置及工艺参数设计合理、成功，对推进以煤制气-竖炉直接还原铁技术的发展有重要意义。中国重型机械研究院股份公司(时为宝钢集团西安重型机械研究所)参与并承担了竖炉及附属装置的设计和全部试验工作，取得了炉型、风口、装出料装置、炉顶炉下密封结构等宝贵的第一手资料。

图2 BL法生产海绵铁半工业性试验工艺流程图Fig.2 Flow chart of semi-commercial experiments of BL direct reduction process for DRI

秦皇岛西重所燕大重型机械研究院有限公司自主开发的高温直接还原铁热输送系统工艺流程如图3所示［7-8］。该系统是将温度约为700℃的热直接还原鉄从竖炉底部密封运输至电炉，全程保温，含耐热保温抗磨输送料车，特种密封技术和定量定时输送控制技术等。该运送系统做为整体密封，除具有保温层和隔热层的运送小车外，整体上还设置有保温盖，因此可以防止热还原铁的二次氧化，并能最大程度控制直接还原铁的热损失。

图3 直接还原铁热送系统图Fig.3 HDRI transportation system

这些工作为煤制气-竖炉直接还原在我国的工业化应用做了宝贵的前期技术准备。

2.3 煤制气技术在中国逐渐成熟

煤制气技术在我国化工行业有着长期成功应用的经验，其中德士古(Texaco)炉、鲁奇(lurgi)炉、UDI炉，壳牌(Shell)炉等都有大量成功应用。近年来国内加强了煤的清洁利用技术、主要是煤的气化技术的研究开发。据了解，华东理工大学煤洁净技术研究所煤气化教育部重点实验室进行了"气流床粉煤气化在直接还原铁生产过程中的应用"的全流程计算机模拟研究，开发了50 000 m3/h粉煤气化成套装备与技术［9］;辽宁抚顺恩德机械有限公司在引进技术的基础上，开发了恩德粉煤流化床气化炉(为改进型温克勒炉)，单台装置最大产气量40 000 m3/h。据该公司称，该炉完全可以用于生产还原气，并且已有国外还原竖炉提供商与其探讨合作的可能性。在多种煤制气技术方案中，由于恩德炉是常压气化，且设备投资较低，可利用多种劣质煤，制气成本低廉，产气效率较高［10］，因此国内有专家推荐恩德炉应是我国煤制气竖炉直接还原的首选气化方案，但是恩德炉也存在粉尘大，环保问题需要解决。

2.4 生产直接还原铁的原料国内可以解决

我国直接还原铁发展缓慢的重要原因之一是我国缺少高品位铁矿，外购高品位块矿或球团的价格与运费昂贵，造成直接还原铁生产成本上升，产品缺乏市场竞争力。近年来，随着我国选矿技术，特别是精选技术的不断提高，铁精矿品位大幅提高，精选铁精矿品位可达65%～70%［11］。用国产高品位铁精矿生产适合直接还原的TFe65%以上氧化球团或冷固球团成为可能，从而解决了发展煤制气竖炉直接还原的“下锅米”问题。

3 发展煤制气竖炉直接还原需要解决的问题

虽然说现在已经具备了发展煤制气竖炉直接还原的基本条件，但现实的情况是，迄今为止国内还没有一套工业化生产的煤制气竖炉还原装置，还有一些问题需要解决。

3.1 煤制气与竖炉的匹配

煤制气技术在我国已经是成熟的技术，竖炉生产直接还原铁技术在国际上也是成熟的，但是二者结合起来却是创造性的，目前国内还没有一套成熟的煤制气-竖炉设备，这既是机遇也是挑战。这两个工艺不是简单的组合在一起，而是有机的结合，设计出合理的工艺流程，使煤气发生炉产生的煤气在温度、压力及成分上均满足竖炉生产的要求，并减少对环境的污染。

另外，还原气在升温过程中，由于CO含量较高会发生歧化反应，从而产生析炭现象，该现象在400～800℃的温度区间容易发生，另外铁、镍及其金属氧化物对此有催化作用。析炭反应所产生的沉积物易堵塞管道、恶化还原气成分，不利于竖炉运行工况。国内采用高铝耐火球式热风炉的形式可使还原气温度迅速提高，减轻析碳现象，但安全操作，阀门密封，热风阀的漏风控制等问题尚待解决，如果从国外引进相关设备，这个问题也值得引起重视。

3.2 原料的优化

一方面是加强低成本高品位铁精矿的精选技术的探索(含工艺与设备)，使大规模生产的精选铁精矿品位稳定在68% ～70%以上，满足直接还原球团生产需要;另一方面探索冷固结球团、内配煤球团等在竖炉生产过程中的实际应用和效果，分析温度、压力及物料性能对炉况的影响。

3.3 竖炉炉型的进一步研究和优化

我国专家具有丰富的高炉设计经验，因此竖炉炉型设计难度不大，可参考高炉设计，但是还没有形成系统的直接还原竖炉设计理论。笔者课题组正在利用软件对竖炉炉内的流场和温度分布进行模拟，考虑球团热胀、还原膨胀对竖炉生产顺行的影响，用以确定最合适的竖炉炉内相关参数，进而进行竖炉炉型的研究。

3.4 投资及生产成本核算

从经济角度考虑如何节省投资，降低成本，需要结合建厂条件，做到资源的综合利用。最好将化工、冶金行业联合起来，这样可以做到优势互补。另外需要研究更先进的技术指标和操作工艺，在引进吸收国外技术的同时不断创新发展。部分关键设备国产化。从生产成本来考虑，主要看是否能得到便宜且符合要求的煤和铁矿石，并且能将工艺进行很好的衔接。据报道，目前的煤制气成本已大幅降低，达到了0.5元/m3左右，基本能满足直接还原铁生产成本控制的需求。另外近几年新勘探发现的铁精矿资源较充足，一些地区的铁精矿可以选到需要的品位，这些都需要从工艺角度进一步的优化，以降低成本。

3.5 国家支持，建设气基竖炉直接还原工业化示范项目

目前，曹妃甸工业园区、唐钢青龙、辽宁海城、辽宁盘锦、山西、内蒙等地都在规划和筹建竖炉直接还原铁厂。

在“十二五”期间，可建设一座与电炉钢生产相配套的有热送系统的20～50万t/a生产能力的煤制气竖炉直接还原铁厂，实现真正的短流程炼钢生产。建议示范项目采用国内成熟的煤制气工艺，引进国外竖炉技术(比如Midrex技术或HYL技术)，设备国内制造，在技术引进中，由用户单位、科研单位和高等院校共同组成项目专家委员会，全程参与示范项目建设与技术引进工作，以利于后续的消化吸收和国内推广应用。

4 结论

(1)和发达国家相比，我国的直接还原铁产量比例非常低，但国内直接还原铁具有很大市场，说明直接还原铁需求与发展的前景非常广阔，空间非常巨大。

(2)大力发展我国的直接还原铁技术已经成为行业的共识，煤制气竖炉直接还原技术是适合我国国情的可选工艺。

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［7］白明华，张少壮，葛俊礼.热直接还原铁输送机［P］.中国:CN202063498U，2011.

［8］白明华，张少壮，葛俊礼.高温保温螺旋输送机［P］.中国:CN201980703U ，2011.

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