世界非高爐煉鐵現(xiàn)狀

張志霞

（六盤水師范學院化學與材料工程學院， 貴州 六盤水 553000）

高爐煉鐵技術(shù)經(jīng)過幾百年的發(fā)展，其生產(chǎn)競爭力非常強，但高爐大型化也帶來了矛盾：一是大量的原燃料在滿足高爐生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量污染；二是對焦煤依賴越來越強；三是高爐大型化導致的煉焦、燒結(jié)、煉鐵生產(chǎn)設備過于龐大和復雜[1-3]。

非高爐煉鐵，是指在高爐外進行的、不用焦炭的所有的煉鐵技術(shù)，是一系列煉鐵技術(shù)的統(tǒng)稱。非高爐煉鐵的發(fā)展根本主要是使煉鐵工業(yè)盡量少使用焦煤，甚至完全擺脫對焦煤的依賴。我國是焦煤資源比較豐富的國家之一。中國煤炭總儲量達到1 145億t，占全球總儲量的13.3%；而我國2017年的焦煤產(chǎn)量10.63億t，占全球焦煤產(chǎn)量的60%[4]。在這種能源條件下，非高爐煉鐵工藝的經(jīng)濟效益是無法和高爐競爭的。但目前情況正在發(fā)生變化，經(jīng)濟杠桿不斷向非高爐傾斜。焦煤資源不斷減少，而我國鋼鐵行業(yè)飛速發(fā)展，造成冶金焦煤價格飛漲。相比，非焦煤的漲價速度則慢得多[5]。同時，人類社會的可持續(xù)發(fā)展是目前首要問題，對環(huán)境提出更高要求。因此，鋼鐵行業(yè)應當對非高爐煉鐵技術(shù)投入更多的關注[6]。

1 直接還原

直接還原是用固態(tài)碳或天然氣在熔化溫度以下來生產(chǎn)海綿鐵（DRI）的工藝流程。如圖1所示，世界海綿鐵生產(chǎn)量總體呈逐年上升的趨勢。

圖1 近十年世界DRI年產(chǎn)量/Mt

2017年DRI總產(chǎn)量達到86.3 Mt，其中Midrex流程的利用率為118.5%，其他主要流程的利用率則均小于100%。

海綿鐵生產(chǎn)主要分布盛產(chǎn)天然氣而焦煤相對貧乏的區(qū)域，有亞洲（以印度、馬來西亞、印尼為主，約占世界總產(chǎn)量的35.3%）、中東和北非（以伊朗、沙特、埃及、利比亞、卡塔爾為主，約占世界總產(chǎn)量的35.3%）、拉美（以墨西哥、加拿大、特立尼達與多巴哥為主，約占世界總產(chǎn)量的11.0%）等地。

直接還原可大致分為氣基和煤基兩大類。其他類型（如電熱法）應用極少，可以忽略。

氣基直接還原以天然氣為主體能源，貢獻了海綿鐵生產(chǎn)的大部分產(chǎn)量。氣基直接還原采用的設備主要是豎爐，其他的還有流化床和反應罐。Hyl I（反應罐）、Hyl III（豎爐）、Midrex（豎爐）、Finmet（流化床）是其代表性流程。具體到我國實際情況，因天然氣資源不足，氣基直接還原不太可能成為還原鐵生產(chǎn)的主流；而因煤炭資源豐富，對煤基直接還原進行深入研究更具有重要的現(xiàn)實意義。

煤基直接還原以非焦煤為主體能源，主體設備是回轉(zhuǎn)窯，代表性流程是SL/RN?；剞D(zhuǎn)窯流程在印度得到了高度的發(fā)展，使印度成為最大的海綿鐵生產(chǎn)國，2016年產(chǎn)量達到26 982 kt。

神戶制鋼近年發(fā)展的轉(zhuǎn)體爐有望成為煤基直接還原的重要設備，代表性流程為Fastmet。在Fastmet流程后部加設1座電煉鐵爐（EIF），可直接將海綿鐵熔化，得到液態(tài)鐵水。

直接還原的優(yōu)勢有二：一是不使用焦炭，二是對規(guī)模的依賴程度比高爐要小很多。其缺點是能耗較高（見表1[7]）。從表1可以看出：Midrex是能耗最低的一個，其產(chǎn)品能耗與高爐鐵水（約為11 GJ·t-1）基本相當；但其產(chǎn)品海綿鐵是常溫的，不具備可再次利用的物理熱。其他流程的能耗，均明顯較高爐鐵水要高。又考慮到海綿鐵主要用于電爐煉鋼。因此，直接還原不能從根本上取代高爐煉鐵。

表1 直接還原工藝比較

2 熔融還原

熔融還原，顧名思義，是非高爐煉鐵工藝中在熔化溫度以上生產(chǎn)液態(tài)鐵的流程。目前為止，Corex是熔融還原流程中唯一實現(xiàn)了工業(yè)化的，但其完全統(tǒng)治地位正受到Hismelt流程的不斷挑戰(zhàn)。熔融還原，其產(chǎn)品是液態(tài)的，與高爐鐵水類似，因此產(chǎn)品能直接用于轉(zhuǎn)爐進行煉鋼。因此，從在鋼鐵工業(yè)中發(fā)揮的作用這一角度來講，熔融還原相當于高爐煉鐵。

第一座Corex工業(yè)裝置是1987年在南非Iscor建成的C1000，設計能力是年產(chǎn)30萬t鐵水。Corex設備型號（例如C1000）中的數(shù)字代表生鐵日產(chǎn)量。我國第一臺Corex裝置是2007年在寶鋼建成的C3000（已經(jīng)于2012年9月搬遷至新疆八一鋼鐵），也是世界上第一套C3000，設計能力為年產(chǎn)生鐵150萬t。二者之間是設于南非、印度和韓國的C2000。其中韓國浦鋼的一套C2000裝置自2003年5月起已經(jīng)以Finex模式運行。

Corex流程，采用的燃料主要是非焦煤，還需部分焦炭；助燃劑采用常溫下工業(yè)純氧。為保證還原單元所需的透氣性，必須使得鐵料具有一定粒度。

Corex采用豎爐作還原單元，采用造氣爐作熔煉單元。在還原單元和熔煉單元之間，有流化床（由細粒爐料組成）及固定床（由大塊爐料組成）。爐料中含有大量的固定碳，燃燒產(chǎn)生的氧化性氣體（CO2和H2O）在穿透料層時得到還原，同時吸熱，使得造氣爐的尾氣達到1 100℃左右。熔煉爐的尾氣溫度與流程的煤耗關系極為密切。目前的Corex煤耗水平基本與煤基海綿鐵相當。也就是說，Corex鐵水與高爐鐵水的能耗差別相當于回轉(zhuǎn)窯海綿鐵與Midrex海綿鐵之間的差別。

HIsmelt公司已經(jīng)在澳大利亞西部的Kwinana建成一個年生產(chǎn)能力為80萬t鐵水的HIsmelt工業(yè)裝置，并于2005年試生產(chǎn)。HIsmelt采用流化床還原單元和鐵浴爐熔煉單元。

流化床與豎爐比較：流化床的優(yōu)點是能夠直接使用粉礦，缺點是難以保證高預還原度。理論上，鐵浴爐的二次燃燒較高（≥20%）時，流化床就難以正常生產(chǎn)金屬鐵。HIsmelt的流化床，也僅將礦石中的鐵氧化物還原至富氏體（FexO）。

鐵浴爐與熔煉造氣爐的本質(zhì)區(qū)別：沒有位于還原單元與熔煉單元之間的大量含碳料層。Hismelt鐵浴爐，優(yōu)點是利用了高效二次燃燒，缺點是尾氣溫度太高。

由于HIsmelt熔煉爐的尾氣溫度和廢氣溫度均較高，熱損失也相應較高。因此，HIsmelt的理論能耗是高于Corex的。但又因HIsmelt使用粉礦（無鐵礦粉造塊環(huán)節(jié)）、采用熱風（無制氧環(huán)節(jié)），HIsmelt經(jīng)濟效益還有待驗證。

3 粒鐵法

粒鐵法，由于生產(chǎn)溫度介于熔融還原和直接還原之間，渣鐵呈半熔化態(tài)，其產(chǎn)品是粒狀的金屬鐵，故而得名粒鐵法。粒鐵法一般采用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)，曾經(jīng)具備一定生產(chǎn)規(guī)模，但目前逐漸遭到淘汰。

近年日本神戶制鋼將轉(zhuǎn)體爐技術(shù)用于粒鐵法生產(chǎn)，推出了ITmk3流程，被稱為第三代煉鐵工藝。2007年底，神戶制鋼與美國動力鋼公司達成了在明尼蘇達州建設一座ITmk3工業(yè)裝置的意向，該裝置計劃年產(chǎn)50萬t粒鐵，投資達2.35億美元，于2010年1月宣布Mesabi粒鐵廠生產(chǎn)出第一批粒鐵。另外，印度、哈薩克斯坦、烏克蘭等國均有建立ITmk3的計劃。

4 流化床在熔融還原中的應用

流化床還原的最大優(yōu)勢是直接使用粉礦，最大問題是容易產(chǎn)生黏結(jié)失流現(xiàn)象。黏結(jié)失流一般有三種方式解決。

第一種方式是采用較低還原度避免出現(xiàn)金屬鐵。Hismelt采用這一方式，優(yōu)點是對還原氣要求較低，且還能提高預還原礦的入爐溫度；其缺點是如果預還原度過低將致使煤耗較高。

第二種方式是采用較低的還原溫度。Finex就是采用這一方式避開黏結(jié)失流問題。Finex還原單元采用4個串聯(lián)起來的流化床，熔煉單元依然是熔煉氣化爐，優(yōu)點是能得到較高預還原度，但與豎爐相比還是差距不小。由于還原溫度較低，還原反應速度受到限制，很難獲得滿意的預還原度和還原氣利用率。次生的問題，是很難將煤耗和還原氣需求量降到理想水平。

第三種方式是采用混合流化床，目前還處于實驗室研究階段，還沒有真正的工業(yè)實例。使用混合流化床很容易將還原溫度提高到800℃以上[8]。這一點對獲得較高的預還原度和還原氣利用率至關重要。該方法的問題在于必須同時避免碳素氣化反應的過分發(fā)展和燃料揮發(fā)分中焦油的不利影響。

第四種方式是加入惰性物，目前尚處于實驗室研究階段。所采用的惰性物有干餾煤粉、焦粉等，配加適宜比例的干餾煤粉可將黏結(jié)失流的溫度提高75℃[8]。

5 熔融還原-直接還原聯(lián)合流程

Corex的能耗與熔煉煤的質(zhì)量緊密關聯(lián)。使用的熔煉煤質(zhì)量一般時，煤耗必然較高，煤氣產(chǎn)生量過大，煤氣利用率低。南非Saldanha廠將Corex的還原尾氣和過剩煤氣用于Midrex的海綿鐵生產(chǎn)，取代了部分天然氣，降低了海綿體能耗，從而形成了熔融還原-直接還原聯(lián)合流程。

此聯(lián)合流程的優(yōu)化，應高度重視還原尾氣的利用，這是降耗的關鍵。因此，應分開過剩煤氣與還原尾氣，逐級利用。過剩煤氣，其成分和溫度都滿足直接還原的要求，可不必進行清洗及再加熱，直接應用。采用優(yōu)化的聯(lián)合流程后，Corex煤耗可降至最低限度，Midrex的能耗也相應大幅度減少。

6 結(jié)語

非高爐煉鐵是鋼鐵工業(yè)的發(fā)展方向。隨廢鋼供需矛盾加劇，直接還原鐵的需求必會增加，以煤為能源的大型直接還原更適合我國實際情況。工業(yè)化應用的熔融還原技術(shù)不斷進步，寶鋼Corex建設與投產(chǎn)開創(chuàng)了我國新啟元，還應追蹤吸引力最大的Finex技術(shù)發(fā)展，關注規(guī)?；驢Ismelt，積極消化吸收熔融還原新技術(shù)。