世界非高爐煉鐵現狀

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）

高爐煉鐵技術經過幾百年的發展，其生產競爭力非常強，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過程中會產生大量污染；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、煉鐵生產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，是一系列煉鐵技術的統稱。非高爐煉鐵的發展根本主要是使煉鐵工業盡量少使用焦煤，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年的焦煤產量10.63億t，占全球焦煤產量的60%[4]。在這種能源條件下，非高爐煉鐵工藝的經濟效益是無法和高爐競爭的。但目前情況正在發生變化，經濟杠桿不斷向非高爐傾斜。焦煤資源不斷減少，而我國鋼鐵行業飛速發展，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，人類社會的可持續發展是目前首要問題，對環境提出更高要求。因此，鋼鐵行業應當對非高爐煉鐵技術投入更多的關注[6]。

1 直接還原

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

圖1 近十年世界DRI年產量/Mt

2017年DRI總產量達到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%。

海綿鐵生產主要分布盛產天然氣而焦煤相對貧乏的區域，有亞洲（以印度、馬來西亞、印尼為主，約占世界總產量的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，貢獻了海綿鐵生產的大部分產量。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，主體設備是回轉窯，代表性流程是SL/RN?；剞D窯流程在印度得到了高度的發展，使印度成為最大的海綿鐵生產國，2016年產量達到26 982 kt。

神戶制鋼近年發展的轉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，得到液態鐵水。

直接還原的優勢有二：一是不使用焦炭，二是對規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，其產品能耗與高爐鐵水（約為11 GJ·t-1）基本相當；但其產品海綿鐵是常溫的，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液態鐵的流程。目前為止，Corex是熔融還原流程中唯一實現了工業化的，但其完全統治地位正受到Hismelt流程的不斷挑戰。熔融還原，其產品是液態的，與高爐鐵水類似，因此產品能直接用于轉爐進行煉鋼。因此，從在鋼鐵工業中發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工業裝置是1987年在南非Iscor建成的C1000，設計能力是年產30萬t鐵水。Corex設備型號（例如C1000）中的數字代表生鐵日產量。我國第一臺Corex裝置是2007年在寶鋼建成的C3000（已經于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窯海綿鐵與Midrex海綿鐵之間的差別。

HIsmelt公司已經在澳大利亞西部的Kwinana建成一個年生產能力為80萬t鐵水的HIsmelt工業裝置，并于2005年試生產。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區別：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（無鐵礦粉造塊環節）、采用熱風（無制氧環節），HIsmelt經濟效益還有待驗證。

3 粒鐵法

粒鐵法，由于生產溫度介于熔融還原和直接還原之間，渣鐵呈半熔化態，其產品是粒狀的金屬鐵，故而得名粒鐵法。粒鐵法一般采用回轉窯生產，曾經具備一定生產規模，但目前逐漸遭到淘汰。

近年日本神戶制鋼將轉體爐技術用于粒鐵法生產，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工業裝置的意向，該裝置計劃年產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勢是直接使用粉礦，最大問題是容易產生黏結失流現象。黏結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金屬鐵。Hismelt采用這一方式，優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失流問題。Finex還原單元采用4個串聯起來的流化床，熔煉單元依然是熔煉氣化爐，優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展和燃料揮發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失流的溫度提高75℃[8]。

5 熔融還原-直接還原聯合流程

Corex的能耗與熔煉煤的質量緊密關聯。使用的熔煉煤質量一般時，煤耗必然較高，煤氣產生量過大，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，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-直接還原聯合流程。

此聯合流程的優化，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。采用優化的聯合流程后，Corex煤耗可降至最低限度，Midrex的能耗也相應大幅度減少。

6 結語

非高爐煉鐵是鋼鐵工業的發展方向。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。工業化應用的熔融還原技術不斷進步，寶鋼Corex建設與投產開創了我國新啟元，還應追蹤吸引力最大的Finex技術發展，關注規模化后HIsmelt，積極消化吸收熔融還原新技術。