熔融還原煉鐵技術(shù)分析與發(fā)展建議

趙中秋

（北京首鋼鐵合金有限公司，北京 100023）

許多國家都在積極開發(fā)、研究熔融還原煉鐵新工藝。如奧鋼聯(lián)的COREX、韓國POSCO和奧鋼聯(lián)聯(lián)合開發(fā)的FINEX、澳大利亞的HIsmelt等。我國早在上世紀(jì)60年代就開始展開熔融還原煉鐵工藝的研究。作為一個(gè)鋼鐵大國，我國的鋼鐵總量、資源特點(diǎn)和環(huán)境壓力使熔融還原工藝有著非常廣闊的應(yīng)用前景。我國應(yīng)該在熔融還原工藝方面有長遠(yuǎn)的發(fā)展規(guī)劃和相應(yīng)的投入。

1 國際熔融還原技術(shù)發(fā)展

熔融還原工藝分為一步法和二步法：一步法工藝：Romelt，HIsmelt和HIsarna工藝。這些工藝幾乎都沒有預(yù)還原過程，不能實(shí)現(xiàn)理想的逆向流動(dòng)，而且由于壓力有限，要求氣體量要大，設(shè)備的容積要大。兩步法工藝：這些工藝生產(chǎn)金屬化率達(dá)100%的海綿鐵，然后在一個(gè)獨(dú)立的熔化爐里或一個(gè)整合的熔融段將海綿鐵熔化。這些工藝中以Fastmelt，ITmk3和以前的KR工藝較典型。采用的是逆向流動(dòng)操作。

熔融還原技術(shù)更趨于采用二步法：預(yù)還原裝置主要是豎爐、流化床、轉(zhuǎn)底爐；終還原裝置有半焦填充床、鐵浴爐、電爐。熔融還原技術(shù)3大類型：一是以較高預(yù)還原度和半焦填充床為終還原爐相連接，低二次燃燒率的COREX、FINEX；二是低預(yù)還原度和豎式鐵浴爐相連接、高二次燃燒率的HIsmelt；三是以鐵碳球團(tuán)通過轉(zhuǎn)底爐還原，連接電弧終還原爐的Fastmelt、Itmk3技術(shù)等。

（1）工業(yè)化的COREX工藝。目前可以進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)的只有COREX，主體裝置是預(yù)還原豎爐和熔融氣化爐。塊礦和球團(tuán)加入到豎爐中，還原率到90%以上，通過螺旋排料器再進(jìn)入熔融氣化爐進(jìn)一步還原和熔化，最終生產(chǎn)出合格鐵水。

COREX技術(shù)缺點(diǎn)，生產(chǎn)效率偏低，對(duì)煤種有嚴(yán)格的限制，需要10%～20%焦炭；只能使用高品位塊礦或球團(tuán)礦，不能使用粉礦；鐵水質(zhì)量和爐齡與大型高爐比有一些差距，設(shè)備比高爐復(fù)雜。

（2）HIsmelt技術(shù)。HIsmelt工藝由德國開發(fā)并建了中間試驗(yàn)廠。HIsmelt反應(yīng)器裝的是預(yù)熱的未預(yù)還原的礦石。鐵水從前爐連續(xù)排出，渣是定期從爐缸上部的渣口排出；最大優(yōu)點(diǎn)是可以直接使用粉煤、高磷礦，爐體設(shè)備比較簡單，可以采用高爐的同類設(shè)備如：熱風(fēng)爐、煤粉噴吹等。但存在大量高溫（1450℃）低熱值煤氣未利用、爐襯侵蝕較快等問題。

（3）FINEX技術(shù)。FINEX工藝技術(shù)由韓國浦項(xiàng)公司和奧鋼聯(lián)公司聯(lián)合開發(fā)，第一座年產(chǎn)150萬t的FINEX商業(yè)化于2007年在浦項(xiàng)鋼鐵公司開始運(yùn)行。FINEX是一種直接用燒結(jié)用粉礦原料和非煉焦煤冶煉鐵水的新工藝。FINEX工藝的關(guān)鍵技術(shù)是在流化床反應(yīng)器內(nèi)將粉鐵礦還原成粉狀DRI（直接還原鐵）以及使用熔融氣化爐將DRI熔融還原為鐵水。FINEX工藝主要特點(diǎn)有：直接使用粒度＜8mm的燒結(jié)用粉鐵礦；使用煤；鐵水質(zhì)量可以與高爐及COREX產(chǎn)出的鐵水質(zhì)量媲美。省去了焦化、燒結(jié)和球團(tuán)工藝，減少了污染排放和資源及能源的消耗。

2 國內(nèi)熔融還原技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

（1）2t/h的半工業(yè)聯(lián)動(dòng)熱態(tài)試驗(yàn)裝置-COSRI。借鑒COREX和日本DIOS兩種典型技術(shù)路線的優(yōu)點(diǎn)，COSRI工藝采用中等預(yù)還原度和低二次燃燒率的兩步法熔融還原技術(shù)路線，具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

以冷固結(jié)含碳球團(tuán)為原料；采用液體渣-焦流動(dòng)床進(jìn)行終還原；熔渣中浸沒噴吹煤氧制造還原煤氣；熔池在強(qiáng)攪拌條件下實(shí)現(xiàn)渣鐵分離。1999年在承德煉鋼試驗(yàn)廠建成了COSRI的2t/h的半工業(yè)試驗(yàn)裝置（見圖1），進(jìn)行了中試熱態(tài)試驗(yàn)。使我國成為繼德國、日本和澳大利亞后，第四個(gè)具有噸級(jí)熔融還原聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)裝置的國家。半工業(yè)試驗(yàn)初步證明了該工藝技術(shù)路線是合理的，在許多方面優(yōu)于COREX、HIsmelt等工藝。

圖1 COSRI流程示意圖

（2）寶鋼COREX-3000。2005年寶鋼引進(jìn)奧鋼聯(lián)COREX技術(shù)并進(jìn)一步擴(kuò)容為C-3000，將其設(shè)計(jì)產(chǎn)能從80萬t擴(kuò)大到150萬t/年，于2007年出鐵，這是世界上第一座大型的COREX煉鐵爐，2011年第二座COREX-3000型COREX裝置投產(chǎn)。

（3）20萬t純氧非高爐煉鐵工業(yè)試驗(yàn)裝置。2007年中鋼研集團(tuán)等單位開展了年產(chǎn)20萬t熔融還原工業(yè)試驗(yàn)裝置的開發(fā)和工業(yè)試驗(yàn)研究，命名為POSRI，在理論研究、工藝、設(shè)備設(shè)計(jì)上有了重大突破，熱試階段工藝流程順暢，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好（見圖2），但由于試驗(yàn)爐高熱值煤氣的輸出問題而被迫停爐。

（4）8m3一步法熔融還原試驗(yàn)裝置。該裝置由中鋼研集團(tuán)設(shè)計(jì)，其氧氣高爐爐缸和爐身各設(shè)一排風(fēng)口，爐缸風(fēng)口噴吹氧氣和煤粉，爐身風(fēng)口噴吹預(yù)熱的焦?fàn)t煤氣。試驗(yàn)結(jié)果表明：氧氣高爐可以實(shí)現(xiàn)全氧大噴煤煉鐵生產(chǎn)，噸鐵噴煤量可以達(dá)到450kg；爐身噴吹180Nm3/tFe預(yù)熱焦?fàn)t煤氣以后，噸鐵焦比降低90kg，煤比降低50kg，生產(chǎn)效率提高約20%；氧氣高爐進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，有望大幅度降低燃料消耗。

3 我國熔融還原煉鐵技術(shù)發(fā)展建議

熔融還原技術(shù)更趨于成熟，技術(shù)的趨向更加集中，而開發(fā)熔融還原目的是向傳統(tǒng)高爐流程提出挑戰(zhàn)，使煉鐵生產(chǎn)更加清潔環(huán)保、降低碳排放、降低能源消耗。

我國應(yīng)建立一個(gè)產(chǎn)學(xué)研用一體的，眾多企業(yè)參加、投入的組織機(jī)構(gòu)，真正研究成功一個(gè)流程并推廣。

我國開發(fā)新一代的熔融煉鐵工藝應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：（1）比傳統(tǒng)高爐降低碳排放量30%左右；（2）還原氣體具有較高的H2含量；（3）流程能耗小于高爐流程，能耗降10%左右；（4）流程煤氣脫出CO2，循環(huán)利用，CO2用于食品或封存；（5）直接利用球團(tuán)、塊礦或粉礦；（6）不用或用少量焦炭或焦丁；（7）可以接納鋼鐵廠固體粉塵直接噴吹；（8）規(guī)模在 100 萬～150 萬 t/年。