直接還原煉鐵技術(shù)的展doc

1、直接還原煉鐵技術(shù)的最新發(fā)展 作者: 胡俊鴿,吳美慶,毛艷麗, 鋼鐵研究 摘要撰寫(xiě)人 TsingHua 出版日期： 2006年4月30日 直接還原鐵可以作為電爐、高爐和轉(zhuǎn)爐的爐料。DRI代替優(yōu)質(zhì)廢鋼更適合于生產(chǎn)對(duì)氮和有害元素有 嚴(yán)格要求的鋼種,如用于石油套管、鋼絲繩、電纜線(xiàn)等的鋼種。近年,由于鋼鐵市場(chǎng)升溫,廢鋼資源呈現(xiàn)世界性緊缺。2003年,我國(guó)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)回收的廢鋼鐵和非生產(chǎn)回收廢鋼鐵合計(jì)為1502萬(wàn)t;而全年煉鋼消耗廢鋼與輔助煉鋼消耗廢鋼之和為4 750萬(wàn)t。顯然,國(guó)內(nèi)的廢鋼缺口很大。未來(lái)幾年,隨著國(guó)際市場(chǎng)廢鋼資源的短缺,世界對(duì)廢鋼的 需求量將不斷增長(zhǎng)。當(dāng)今,在廢鋼資源全球性緊缺、國(guó)際市場(chǎng)價(jià)

2、格頻頻上揚(yáng)的情況下,對(duì)于我國(guó)來(lái) 說(shuō),尋找廢鋼替代品已迫在眉捷。直接還原鐵和熱壓塊鐵是最好的廢鋼替代品。1直接還原煉鐵技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r2003年世界直接還原鐵總量為4900萬(wàn)t。比2002年增加了10%,不同工藝所生產(chǎn)直接還原鐵所占份額如下:Midrex 為64.6%,HyL為18.4%,HyL為1.3%,Finmet為5.2%,其他氣 基為0.4%,煤基為10.2%。直接還原工藝根據(jù)還原劑不同可分為氣基和煤基。氣基直接還 原工藝中,豎爐Midrex、Arex(Midrex改進(jìn)型)和HyL工藝、反應(yīng)罐法Hy L、流化床法Fior和Finmet工藝,都已獲得了工業(yè)應(yīng)用,流化床法Fior、Cir cor

3、ed和碳化鐵法在工業(yè)上應(yīng)用不久就停產(chǎn)了。煤基直接還原法中,獲得工業(yè)應(yīng)用的有回轉(zhuǎn)窯 法和轉(zhuǎn)底爐法(Inmet-co、Fastmet、Sidcomet、DRylron),新 開(kāi)發(fā)的多層轉(zhuǎn)底爐Primus工藝已于2003年2月投產(chǎn)。1.1氣基直接還原工藝氣基還原 工藝可分為使用球團(tuán)礦或者塊礦的工藝和使用鐵礦粉的工藝。各種氣基直接還原鐵工藝發(fā)展?fàn)顩r如 表1所示。表1各種氣基直接還原鐵工藝發(fā)展?fàn)顩r工藝裝備工藝特點(diǎn)所用原料目前狀況研究發(fā)展F ior(委內(nèi)瑞拉)4個(gè)流化床反應(yīng)器生產(chǎn)能耗高于豎爐Midrex和HyL鐵礦粉Side tur廠(chǎng)于1976年投產(chǎn),1985年開(kāi)始,年產(chǎn)量達(dá)到35萬(wàn)t41萬(wàn)t。由于市場(chǎng)原

4、因于 2000年停產(chǎn)。由委內(nèi)瑞拉和奧鋼聯(lián)進(jìn)一步發(fā)展成FinmetFinmet(奧鋼聯(lián)和委內(nèi)瑞 拉)4個(gè)流化床反應(yīng)器鐵礦靠重力從較高反應(yīng)器流向較低反應(yīng)器直接使用礦粉,是Fior的進(jìn)一 步改進(jìn),比Fior能耗低、人員需求少。與Fior相比,其還原氣體中H2含量少,CO沒(méi)被 氧化去。在Finmet工藝中,礦粉在流化床第一段被還原過(guò)程產(chǎn)生的熱氣體預(yù)熱,其較高的CO含量可以提高熱平衡,并使HBI的w(C)達(dá)3%。鐵礦粉:<12mm現(xiàn)已有兩個(gè)廠(chǎng)投產(chǎn)澳大利亞的BoodarieIron和委內(nèi)瑞拉的Orinoco Iron目前已生產(chǎn)了650萬(wàn)tHBI目前,VAI正在開(kāi)發(fā)新一代Finmet工藝:Finm e

5、tmegatrain,能力為110萬(wàn)t,是當(dāng)前反應(yīng)裝置的2倍。Midrex(美國(guó)米德 蘭公司)豎爐、天然氣重整爐、熱壓塊機(jī)豎爐爐頂氣與天然氣混合,共同進(jìn)入重整爐制取還原氣, 還原豎爐和制氣設(shè)備是相互聯(lián)系、相互影響的。對(duì)鐵礦含硫量有一定限制,否則含硫爐頂氣進(jìn)入重 整爐將造成裂解催化劑失效。含碳球團(tuán)、塊礦在世界各地獲得非常廣泛應(yīng)用,直接還原鐵產(chǎn)量在各 種工藝中占第1位,2003年比例為66.6%。已獲得工業(yè)廣泛應(yīng)用,在墨西哥、印度尼西亞 、委內(nèi)瑞拉、巴西、印度有多家生產(chǎn)廠(chǎng),2003年在各種直接還原法產(chǎn)量中,占第二位,產(chǎn)量比 例為18.4%。HyL(墨西哥希爾薩公司)豎爐、天然氣重整爐、熱壓塊機(jī)可分

6、為兩部分, 制氣部分和還原部分,這兩部分可以相互獨(dú)立。這點(diǎn)與Midrex不同。另,溫度和壓力比Mi drex高?？梢蕴幚砗蛄枯^高的鐵礦。這也與Midrex不同。含碳球團(tuán)或者塊礦HyL- ZR是HyL的進(jìn)一步改進(jìn),沒(méi)有重整裝置。該工藝目前只在墨西哥Monterrey得以實(shí) 施。Arex(委內(nèi)瑞拉奧里諾科黑色冶金公司開(kāi)發(fā))豎爐是Midrex的改進(jìn)型,無(wú)重整裝置 ,豎爐集氣體重整與礦石還原于一體球團(tuán)礦或者塊礦Megamod-Midrex直徑為7.5 m的豎爐、較大的重整爐年產(chǎn)量超過(guò)200萬(wàn)t的Midrex工藝1.1.1使用球團(tuán)礦或塊礦 的氣基直接還原工藝使用球團(tuán)礦或者塊礦的有豎爐法Midrex、H

7、yL、Arex和罐式爐 HyL。目前,Midrex和HyL是成熟的工藝,在委內(nèi)瑞拉、印度、加拿大、美國(guó)、伊 朗、沙特阿拉伯等已獲得了廣泛應(yīng)用。Midrex主要生產(chǎn)廠(chǎng)有33座。1994年以來(lái)投產(chǎn)的 生產(chǎn)廠(chǎng)逐步大型化,每套年產(chǎn)能大都在100萬(wàn)t左右。如表2所示。HyL是希爾薩公司在H yL基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的高壓逆流式移動(dòng)床工藝,20世紀(jì)80年代開(kāi)始在工業(yè)上應(yīng)用。世界上主要生產(chǎn)廠(chǎng)有12座。近年新投產(chǎn)的設(shè)備年產(chǎn)能都約為100萬(wàn)t。如表3所示。表21994年以來(lái)投產(chǎn)的Midrex生產(chǎn)廠(chǎng)生產(chǎn)廠(chǎng)年生產(chǎn)能力/萬(wàn)t產(chǎn)品投產(chǎn)年印度Ispat工業(yè) 公司100DRI1994埃及ANSDK80DRI1997墨西哥IMEXS

8、A120DRI1997美國(guó)AmericanIronReduction120DRI1997委內(nèi)瑞拉COMSIGVA100HBI1998rinidad&Tobago,Ispat DR3136DRI1999南非撒旦哈(Saldanha)80.4DRI1999埃及ANSDK80DRI2000 HyL-ZR是新開(kāi)發(fā)的無(wú)重整裝置的直接還原工藝,目前為止該工藝只在墨西哥蒙特雷(Mont errey)得以實(shí)施。其天然氣在豎爐內(nèi)發(fā)生部分燃燒,通過(guò)控制而產(chǎn)生合乎要求的還原氣體,從而對(duì)鐵礦石進(jìn)行還原;而傳統(tǒng)HyL工藝一般在添加蒸汽條件下使天然氣在催化重整器中裂表31999年以來(lái)投產(chǎn)的HyL生產(chǎn)廠(chǎng)生產(chǎn)廠(chǎng)年生產(chǎn)

9、能力/萬(wàn)t產(chǎn)品投產(chǎn)年墨西哥蒙特雷Hylsa 4M67.5DRI1998沙特阿拉伯Hadeed110DRI1999俄羅斯LebedinskyGOK90HBI1999委內(nèi)瑞拉DOSVEN150(兩套設(shè)備)HBI2000解。為了獲得 w(H2)達(dá)80%的還原氣體,通過(guò)洗滌去除CO2。Megamod廠(chǎng)的Midrex設(shè)備是 大型的Midrex設(shè)備,如今直接還原鐵年產(chǎn)量超過(guò)170萬(wàn)t,生產(chǎn)率超過(guò)220t/h。直 徑為8m的豎爐年產(chǎn)直接還原鐵能力270萬(wàn)t。1.1.2氣基粉礦直接還原工藝在直接還原生 產(chǎn)中,采用細(xì)礦粉的直接入爐與塊礦和球團(tuán)礦相比其原料成本具有明顯優(yōu)勢(shì)。氣基粉礦直接還原一 般都采用化床工藝。很

10、長(zhǎng)時(shí)間以來(lái),獲得商業(yè)應(yīng)用的粉礦直接還原鐵工藝只有Fior工藝(如表 1所示)。Finmet工藝是Fior工藝的進(jìn)一步發(fā)展<1>,是基于粒度小于12mm的粉 礦的氣體直接還原工藝。已經(jīng)有兩個(gè)工業(yè)廠(chǎng)投產(chǎn),年設(shè)計(jì)產(chǎn)能都超過(guò)200萬(wàn)t熱壓塊鐵。兩個(gè)廠(chǎng)2003年共產(chǎn)163萬(wàn)tHBI。1.1.3氣基直接還原工藝工業(yè)生產(chǎn)結(jié)果表4中匯總了氣基直接還原的一些工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù) <2>。Midrext和HyL工藝的天然氣消耗為9.710.7GJ/t,而Finm et為13.3GJ/t。對(duì)這些工藝來(lái)說(shuō)重要的是天然氣的價(jià)格。而Finmet工藝使用更便 宜的粉礦,補(bǔ)償了較高的天然氣消耗。表4氣基直接還

11、原工藝的操作結(jié)果礦石或球團(tuán)礦/(kg· t-1)塊礦/(kg·t-1)粉礦/(kg·t-1)天然氣/(GJ·t-1)電功率/(kW·t-1)氧/(m3·t-1)產(chǎn)品Midrex1200 300-9.7 93.0 30DRI/HBIHyL1 181 295-10.7 98 34DRI/HBIFinmet-1 500 13.3 165-HBI1.2煤基直接還原在煤基直接還原工藝中,已獲得工業(yè)應(yīng)用的有回轉(zhuǎn)窯和轉(zhuǎn)底爐工 藝。表5表示主要煤基直接還原工藝的發(fā)展現(xiàn)狀<36>。轉(zhuǎn)底爐由于反應(yīng)速度快、原料適應(yīng)性 強(qiáng)等特點(diǎn),近年來(lái)得到了快速

12、發(fā)展。轉(zhuǎn)底爐工藝有許多種,包括Inmeto、Fastmet、Comet、Sidcomet、IDI(IronDynamics Inc)I、TMK3、DRyIron等。表5主要煤基直接還原工藝的發(fā)展現(xiàn)狀工藝裝備工藝特 點(diǎn)所用原料目前狀況研究發(fā)展Primus(盧森堡PaulWurth)多層轉(zhuǎn)底爐、熔融爐兩 段式工藝,除了轉(zhuǎn)底爐外,還有熔融爐,能直接生產(chǎn)出鐵水煤粉與礦粉在爐內(nèi)混合,該工藝能把Z n、Pb、堿金屬等與鐵分開(kāi)鐵礦粉、煤粉鐵屑、鋼鐵廠(chǎng)粉塵已完成工業(yè)試驗(yàn)?zāi)壳氨R森堡Diff erdange已投產(chǎn)8.2萬(wàn)t/a的裝置,處理含鐵廢料。直徑8.3m,8層RedSme lt(德國(guó)和意大利)造球裝置、轉(zhuǎn)底

13、爐裝置和埋弧爐熔融還原裝置這是三段工藝的直接還原,造 球和轉(zhuǎn)底爐裝置相當(dāng)于轉(zhuǎn)底爐技術(shù),埋弧爐可把熱態(tài)DRI熔融成鐵水和渣,產(chǎn)能大于30萬(wàn)t鐵 精礦粉,或者含鐵廢料制成的球團(tuán),專(zhuān)門(mén)為處理金屬?gòu)U料開(kāi)發(fā)Ellwood廠(chǎng)于1978年投產(chǎn)年處理廢料2.5萬(wàn)t的工廠(chǎng)。SMSDemag目前正在開(kāi)發(fā)RedSmeltNST工藝,即用氧/煤基熔融裝置代替埋弧爐,降低成 本。DRyIron轉(zhuǎn)底爐、干壓塊機(jī)、DRI冷卻機(jī)無(wú)粘結(jié)劑的礦煤干壓塊、轉(zhuǎn)底爐單層裝料和溫度控制在1288的高溫輻射加熱。常規(guī)鐵礦粉或者含鐵廢料、焦粉第一個(gè)DRyIron設(shè)備是新日鐵在光 廠(chǎng)建設(shè)以處理殘?jiān)腇astmet(美國(guó)和神戶(hù)合作開(kāi)發(fā))轉(zhuǎn)底爐、

14、球團(tuán)裝置使用冷固結(jié)球團(tuán), 取消了高溫氧化球團(tuán)環(huán)節(jié)。反應(yīng)速度快,生產(chǎn)效率高。產(chǎn)品質(zhì)量差,全鐵含量低,脈石含量高,脫 硫能力較差,所以產(chǎn)品硫含量過(guò)高。粒度為812mm的自還原球團(tuán)2000年新日鐵在廣畑廠(chǎng) 投產(chǎn)了一條年產(chǎn)能達(dá)19萬(wàn)t的Fastmet工藝來(lái)處理殘?jiān)?000年以來(lái),又在君津廠(chǎng)投 產(chǎn)了兩座轉(zhuǎn)底爐,一座處理低鋅灰塵,另一座處理高爐瓦斯灰和轉(zhuǎn)爐塵。其年處理循環(huán)料的能力均 為18萬(wàn)t。2001年又在神戶(hù)的和歌山廠(chǎng)投產(chǎn)一年產(chǎn)能14萬(wàn)t的轉(zhuǎn)底爐設(shè)備來(lái)處理富鋅冶金爐塵。Inmetco(美國(guó)開(kāi)發(fā))轉(zhuǎn)底爐、造 HYL工藝注重鋼鐵生產(chǎn)的環(huán)保 (3-13) 上世紀(jì)50年代中期興建的第一個(gè)工業(yè)規(guī)模直接還原鐵廠(chǎng)

15、為電爐提供優(yōu)質(zhì)的純鐵原料，并導(dǎo)致全世界直接還原鐵工業(yè)迅速發(fā)展。目前，由于此項(xiàng)技術(shù)減少了鋼鐵生產(chǎn)的排放量，從而獲得“綠色”證書(shū)。 在希爾薩直接還原廠(chǎng)投入運(yùn)行時(shí)，對(duì)環(huán)境問(wèn)題并未給予過(guò)多的考慮。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的不斷改進(jìn)，HYL工藝已可以稱(chēng)作綠色的、現(xiàn)代化的工藝。不僅該工藝本身最符合環(huán)境友好要求，而且其新的附帶工藝，如HYLHytemp系統(tǒng)也使煉鋼生產(chǎn)更高效。該工藝通過(guò)全封閉氣動(dòng)系統(tǒng)給現(xiàn)代化電爐熱裝直接還原鐵。這些工藝可使鋼鐵生產(chǎn)的效率和成本效率得到空前的提高。 1、還原氣體 還原氣體的生產(chǎn)有兩種方法：一是外部蒸汽重整器；二是通過(guò)“原地重整”反應(yīng)直接在豎爐反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。 重整和原地重整的比例可以改變，以平衡

16、生產(chǎn)與投資成本的要求。HYL系統(tǒng)可以完全基于外部重整或原地重整(ZR)，或者結(jié)合其他方式(小重整器加吹氧)。這即是HYL工藝的靈活性的主要特點(diǎn)。最適合的方案將取決于當(dāng)?shù)氐哪茉醇霸系某杀窘Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，最佳方案的選擇還必須考慮煉鋼的生產(chǎn)成本。 2、潛在的污染源 直接還原是將氧化鐵轉(zhuǎn)化為金屬鐵和碳化鐵。與此同時(shí)，生產(chǎn)中使用還原劑滲碳劑，如天然氣、煤、燃油以及焦?fàn)t煤氣等，必然會(huì)產(chǎn)生一些廢物和副產(chǎn)品。 直接還原廠(chǎng)潛在的污染源來(lái)自不同的區(qū)域，對(duì)這些區(qū)域必須進(jìn)行認(rèn)真的監(jiān)控。近年來(lái)，為了遵守嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)，許多公司在選擇工藝時(shí)都將減少排放物作為重要標(biāo)準(zhǔn)。直接還原廠(chǎng)的污染物主要是粉塵、SOx、NOx和廢水中的懸

17、浮顆粒。 (1)粉塵的來(lái)源是鐵礦石的處理及運(yùn)輸、直接還原鐵、固體還原劑和灰。后兩者只是還原氣體的替代源，不同于天然氣。HYL廠(chǎng)的材料處理有兩套系統(tǒng)：鐵礦石處理系統(tǒng)和產(chǎn)品處理系統(tǒng)，包括料倉(cāng)、篩分裝置、涂覆裝置、輸送機(jī)和轉(zhuǎn)運(yùn)站。為了減少對(duì)空氣的污染，在產(chǎn)生粉塵的地方要安裝合適的除塵器，尤其是在轉(zhuǎn)運(yùn)站和篩分裝置上。 (2)還原氣體發(fā)生器的燃燒系統(tǒng)、氣體加熱器和回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的煙氣中會(huì)有的污染物是SOx和NOx。對(duì)作為工藝氣體(還原氣體)和燃?xì)獾臍饬鬟M(jìn)行脫碳，控制燃燒，就可以降低SOx和NOx的排放量。采用HYL工藝可選用二氧化碳吸收裝置去除SOx，采用符合最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)的低NOx式燃燒器可控制NOx。 (

18、3)廢水中的懸浮顆料主要是氧化鐵和直接還原鐵顆粒，這些顆?？山?jīng)烘干、濃縮后銷(xiāo)售或重新用作還原裝置的原料。 3、環(huán)境影響 HYL廠(chǎng)的排放物符合最嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)，在很大程度上可歸因于該工藝本身的設(shè)計(jì)。其他工藝需要熱回收設(shè)備，會(huì)導(dǎo)致NOx排放量的增加。由于工藝結(jié)構(gòu)和熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理，因此，HYL工藝是高效的。 HYL廠(chǎng)的重整器的燃?xì)鉄o(wú)需充分的預(yù)熱，加熱器也無(wú)需高溫，從而消除了高NOx的產(chǎn)生。而其他的直接還原法則會(huì)面臨要么降低熱效率，要么安裝昂貴的脫NOx裝置的選擇。HYL廠(chǎng)對(duì)環(huán)境的影響包括固體廢物、排放物、廢水和噪聲，有關(guān)數(shù)據(jù)業(yè)已通過(guò)一些國(guó)家新實(shí)施的嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，諸如美國(guó)、沙特阿拉伯、馬來(lái)西亞和其

19、他已實(shí)行最新環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家。 希爾公司和達(dá)涅利公司共同參與了美國(guó)明尼蘇達(dá)鋼鐵工業(yè)公司的項(xiàng)目，將興建一座年產(chǎn)能為170萬(wàn)t的HYL廠(chǎng)，采用Hytemp系統(tǒng)為達(dá)涅利電爐裝料。鑒于當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)，新建廠(chǎng)所在地區(qū)的環(huán)境法規(guī)是最嚴(yán)格的。 另一座年產(chǎn)能為160萬(wàn)t的工廠(chǎng)正在阿聯(lián)酋阿布扎比的GHC公司興建，這里的環(huán)境控制也是最嚴(yán)格的。 主要的噪聲源是壓縮機(jī)、工藝氣體加熱燃燒器以及在減壓階段反應(yīng)器的裝料和出料系統(tǒng)的料倉(cāng)。壓縮機(jī)可建在一座建筑物內(nèi)以降低噪聲。 4、去除二氧化碳 二氧化碳的去除是廣泛用于化工廠(chǎng)和石油化工廠(chǎng)的分離工藝，常用碳酸鹽溶液或用MDEA為吸收溶液進(jìn)行處理，HYL廠(chǎng)也能采用這種方法。除二氧化碳以外，這些方法還能從還原氣流中脫硫。 硫來(lái)自鐵礦石，在反應(yīng)器還原區(qū)轉(zhuǎn)化為硫化氫，并在還原冷卻洗滌裝置內(nèi)被部分去除，但在去除二氧化碳的裝置中仍存在大量的硫化氫。采用HYL工藝生產(chǎn)的直接還原鐵的硫含量極低。 去除二氧化碳的工藝會(huì)有廢物排放，采用胺的工藝所產(chǎn)生的廢氣主要是二氧化碳和含量為60400ppmV的硫化氫。 二氧化碳可以回收并用于其他用途，因此，不必排入大氣，對(duì)環(huán)境的影響逐步降低。墨西哥TerniumHy