现有主要炼铁工艺的优缺点和研发方向
第44卷 第2期 2009年2月
钢铁
Vol. 44, No. 2
February 2009
Iron and Steel
现有主要炼铁工艺的优缺点和研发方向
周渝生, 钱 晖, 张友平, 李肇毅, 范建峰
(宝山钢铁股份公司宝钢研究院, 上海201900)
摘 要:对现有主要炼铁工艺的优缺点和研发的方向做了简要评述。讨论了中国炼铁工艺的差距和努力方向。在今后相当长时期内大型高炉流程仍将是主要产铁设备, 高炉流程优化的目标是用足设计炉顶压力, 进一步降低能耗, 应通过开发以煤代焦的新技术, 将大型高炉的入炉焦比降低到200kg/t 以下, 节省焦炭等优质资源、改善环保。降低铁水成本, 减少污染物排放量, 实现炼焦厂、烧结厂的清洁生产, 建设生态型钢铁企业。直接还原炼铁工艺的研发方向是加强研究粉煤加压气化生产合成煤气及利用炼钢炼焦剩余煤气, 用于大中型直接还原竖炉或流化床生产优质直接还原铁。完善改进引进的COREX 23000工艺, 开发使用粉矿、粉煤的技术设备, 术, 形成有中国特色的熔融还原工艺。
关键词:炼铁; 高炉炼铁工艺; 直接还原; 熔融还原
中图分类号:TF557 文献标识码:A :2) 22and Its R esearch Direction
Present Ironm aking Processes
ZHOU Yu 2sheng , Q IAN Hui , ZHAN G Y ou 2ping , L I Zhao 2yi , FAN Jian 2feng
(Baosteel Research Institute , Baoshan Iron and Steel Co. , L td. , Shanghai 201900, China )
Abstract :Advantages and disadvantages and research direction of present ironmaking processes are introduced with the gap between Chinese and advanced ironmaking technology. In the relatively long period to come blast furnace will still be the main ironmaking process. The optimization of blast f urnace operation is to take f ull advantage of top gas pressure , replace coke by coal , reduce energy consumption , and reduce coke ratio to less than 200kg/t. Reduc 2ing the cost of ironmaking and reducing pollution emissions , are helpf ul to realize clean production in coke 2making plant and sintering plant , and build up ecotype iron &steelcorporations. The research direction of direct reduced iron is to strengthen the development of shaft furnace or fluidized bed facilities using syngas f rom fine coal pressurized gasification ,and residual LD G/CO G in the steel works. On the basis of COREX 23000process it is important to im 2prove COREX process , develop the equipment working on fine iron ore and fine coal , and new non 2blast furnace ironmaking technology , as a new smelting reduction process.
K ey w ords :ironmaking ; blast f urnace process ; direct reduction ; smelting reduction
作为国民经济的支柱型产业, 钢铁工业为中国的经济发展作出了巨大贡献。同时, 作为资源、能源密集型产业, 炼铁工艺的能源消耗占钢铁产品的70%以上, 是钢铁生产中资源、能源的主要载体, 也
1 现有主要炼铁工艺的优缺点
1. 1 高炉炼铁工艺
2006年全世界生产生铁10. 6亿t ,95%以上是
给企业的节能、减排工作带来了很大的压力。特别是在强劲的市场需求拉动下,2007年中国的粗钢产量达到了4. 89亿t , 占世界总产量的1/3以上, 因此如何优化现有炼铁工艺, 研发创新炼铁新工艺技术, 实现钢铁工业节能、减排的目标, 是钢铁企业面临的重大课题, 本文试图通过对主要炼铁工艺的评述, 讨论今后炼铁工艺节能、减排的努力方向。
高炉流程生产的。中国2006年产铁4. 2亿t ,2007
年4. 69亿t 铁,4. 89亿t 钢,3亿t 焦炭。高炉流程是现代钢铁生产流程的龙头。
高炉反应器的优点是热效率高、技术完善, 设备已大型化、长寿化, 单座高炉年产铁最高可达400万t 左右, 一代炉役的产铁量可达5000万t 以上, 可以说, 没有现代化的大型高炉就没有现代化的钢铁工业大生产。在今后相当长时期内, 高炉流程在中国
作者简介:周渝生(19452) , 男, 教授级高级工程师; E 2m ail :yszhou @baosteel.com ; 修订日期:2008208206
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将继续是主要产铁设备, 继续占统治地位。中国已
完全掌握现代先进高炉技术, 单位建设投资和生产成本相对较低。
但目前人们对高炉工艺流程有种种不满:一是高炉必须要用较多焦炭, 而炼焦煤越来越少, 焦炭越来越贵; 二是环境污染严重, 特别是焦炉的水污染物粉尘排放、烧结的SO 2粉尘排放, 高炉的CO 2排放很高(图1) ; 三是传统炼铁流程长, 投资大; 四是从铁、烧、焦全系统看重复加热、降温, 增碳、脱碳, 资源、能源循环使用率低, 热能利用不合理。在炼铁工序的结构优化中重点应抓好高炉流程的优化, 高炉流程优化的主要目标是降低能耗, 节省资源、改善环保
。
近年来炼铁工艺技术取得了重大技术进步, 它主要体现在以下几个方面[1]。
(1) 高炉长寿技术。最近10年, 炼铁工作者为延长高炉寿命, 从注重高炉整体寿命优化设计、精心施工、操作和维护等方面开发了许多新技术和新工艺, 取得了显著的效果, 先进高炉一代炉役(无中修) 寿命可达18年以上。川崎公司千叶6号高炉(4500m 3) 和水岛2、4号高炉都取得了20年以上的长寿实绩。日本矢作制铁公司的361m 3高炉、岩手制铁公司的150m 320世纪90。最近大修的部分要体现在全炉体装冷却器) , 从炉底至炉喉全部采用冷却器, 无冷却盲区; 在风口以上, 炉腹、炉腰和炉身下部, 软熔带根部上下移动区域使用自我造衬、自我保护无过热的铜冷却壁, 在此区域淡化耐材炉衬的作用, 依靠在表面形成稳定的可再生的渣皮来保护铜冷却壁; 高效冷却设备和优质耐材炉衬的有效匹配, 如在高炉炉缸侧壁区域使用热压小块碳砖、优质微孔碳砖配合铸铁冷却壁结构等。
(2) 高炉炉型设计理论的新发展。增加炉缸死铁层设计深度(达到炉缸直径的20%～30%) , 减少炉缸内铁水环流对炉缸侧壁的侵蚀。逐步减小高利用系数(炉役平均有效容积利用系数大于2. 2) 、高煤比(炉役平均喷煤量达150kg/t 以上) 、高炉炉腹角。对富氧大量喷煤强化冶炼的高炉, 高炉炉型设计中将炉腹冷却壁放置到风口前中心点向上1122m ×1122m 及3166m ×1152m 炉腹上两点的连线以外(见图2) , 即可避免因高煤比富氧喷吹、高利用系数强化冶炼使冷却壁过早损坏。
(3) 高炉以煤代焦、降低入炉焦比达到新水平。宝钢特大型高炉早已实现了连续6年以上年均喷煤220kg/t , 入炉焦比低于280kg/t 。实现高煤比的核心技术是1250℃高风温和稳定优质炉料性能[2]。
(4) 对高炉强化冶炼炉内煤气通过能力限度有了明确的认识[3]。限制高炉强化的气体力学因素, 是高炉内煤气的通过能力, 项仲庸等统计了宝钢、鞍钢、武钢、本钢、包钢、首秦、迁安、上钢一厂、重钢等厂2004年至2006年上半年利用系数最高月的高炉操作数据, 得到炉缸断面积与炉腹煤气量指数的关系图(见图3) , 据此定义了高炉炉腹煤气量指数, 即单位炉缸面积上通过的炉腹煤气量。
用提高鼓风量来提高高炉的产量顺行是有上限
图1 传统钢铁生产流程中的CO 2排放源分布
Fig. 1 Emission of CO 2in traditional steel production
关于高炉炼铁工艺流程长短问题。500年前最初的高炉流程也很短, 把铁矿石和煤或木炭加入高炉内就能炼铁。但那时炉子很小, 生产效率很低, 生铁质量很差, 燃料消耗极高。自从发明了冶金焦炭、烧结矿和氧化球团, 才有今天优质、低耗、高产、长寿的现代高炉大工业生产。高炉使用焦炭和烧结矿、氧化球团炼铁不是落后, 而是近百年来炼铁工艺技术不断进步的结果。这与今天转炉前面增加了铁水预处理和后面增加了钢水炉外精炼工序来提高核心设备的效率及产品质量是一个道理, 只是高炉先走一步而已。问题是必须尽可能降低现有流程的工序能耗和污染物排放量。
关于炼铁工艺使用焦炭的问题。从世界范围看, 炼焦煤资源的确较少, 但中国总还是有一些储量, 中国2007年产煤24亿t , 用煤生产出煤化工产品同时年产3亿t 焦炭, 其中一部分炼冶金焦供炼铁工艺使用, 比起当成一般化石燃料烧掉更合理。因此炼铁工艺不是不应该用焦炭, 而是应该更珍惜使用, 应该尽量减少吨铁冶金焦的耗用量。
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力提高之后, 使2CO =CO 2+C 反应向缩小煤气体积方向移动, 反应加速, 有利于提高CO 2的浓度, 使煤气的化学能利用得更好, 并有利于铁矿石的间接还原反应进行; ②提高炉顶压力最明显的效果是由于煤气体积缩小, 炉内上升煤气流速降低, 炉内透气性改善, 透气阻力系数降低, 从而降低了阻损, 改善高炉顺行, 减少了炉况波动, 保持稳定操作。在相同的透气阻力系数下, 高炉(或竖炉) 可以接受更多的炉腹煤气量, 容许高炉接受更多的风量, 从而提高产量, 改善冶炼指标, ; ③高, , 使煤气利, ; ④降低煤气流速, 使, 从而提高焦炭负荷和提高喷吹煤粉的利用率, 有利于减少燃料比和焦比。
炉顶压力对高炉能够通过的炉腹煤气量影响很大(表1) 。因此, 用足设计炉顶压力是大型高炉强化生产操作的重要条件。
表1 4000m 3级高炉炉顶压力对利用
系数和冶炼强度的影响
T able 1 I nfluence of top press on utilization coeff icient and
operation intensity of 4000m 3BF
炉顶压力/
kPa [***********]
炉腹煤气量/利用系数/冶炼强度/入炉风量/
(3・m in -1) (-3・d -1) (-3・d -1) (3・m in -1) 7379. 11. 860. 9405903. 87840. 38301. 58762. 79223. 99697. 6
1. 982. 102. 212. 332. 44
1. 0001. 0591. 1171. 1761. 236
6272. 86641. 87010. 87379. 77758. 8
1. 2 直接还原炼铁工艺
直接还原炼铁工艺分为气基和煤基直接还原两大类, 其产品是固态海绵铁, 主要供电炉炼钢用。气
的, 不能认为只要增加鼓风量就能高产。当原料条件改善, 允许炉腹煤气量指数提高时, 才有可能增产, 否则会使高炉难以顺行。提高高炉产量的正确手段是, 应在接近高炉所能够通过的最大炉腹煤气量的条件以下(71m /m ) , 采取强化高炉冶炼的措施。宝钢高炉的强化是在降低渣量, 低炉腹煤气量的条件下进行的。大型高炉空塔煤气流速范围约为310～3. 2m/s 。
(5) 提高炉顶压力是降低燃料比、焦比及增产的重要手段[3]。提高炉顶压力对降低燃料比、焦比及高炉增产有良好效果, 早已得到生产实践的反复证明, 其原因可能有下列几个方面:①高炉炉内压
3
2
基直接还原是在竖炉、固定床罐式炉或流化床内, 用天然气或经裂化产出的H 2和CO 作为还原剂将铁矿石中的氧化铁还原成海绵铁。竖炉直接还原炼铁主要有Midrex 法和H Y L 法。
煤基直接还原是用煤作还原剂在回转窑或转底炉内将矿石中的氧化铁还原。直接还原的优点是流程短, 没有烧结和炼焦工序, 污染较少; 缺点是对原料要求严, 要用高品位的铁矿原料。大型气基直接还原炼铁必须要有丰富廉价的天然气供应。回转窑要用灰熔点高、反应性好的煤。因此,DRI 的生产成本比一般的废钢价格高, 故许多钢厂只是用DRI 作
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钢 铁第44卷
为纯净原料的配料来保证钢材的质量, 而不是作为
一般废钢使用。由于这些原因, 直接还原工艺虽然是完全成熟的, 但受到资源条件的限制, 在大多数地区发展缓慢。
用于处理和回收钢厂含锌铅粉尘的直接还原炼铁工艺主要有转底炉(IDI 2DR YIRON , 图4, IN 2M ETCO , FASTM ET ) 、川崎制铁的MA IRZ 回转窑、卢森堡的PRIMAU S 多层炉, 产品用作高炉或电炉原料。
美国有6座、日本有3座转底炉, 韩国埔项/光阳及中国台湾中钢正在分别建设20万t 级转底炉专门处理钢厂含锌、铅粉尘。
(炉, 公司的OXY 2CU
, 5) 电复杂机械零件的粉末冶金制品, 美国普兰特2惠特尼公司用隧道窑生产IN 2100高温合金粉末制成的飞机发动机涡轮盘用于F16战斗机。
由于正规设计的直接还原隧道窑长达160～270m , 产能小(单窑最大年产6万t ) 、热损失大、能耗很高、劳动生产率低等技术经济等原因, 国外早已不用它生产炼钢用DRI 了。瑞典Hoganas 公司的固体碳还原铁粉工艺流程见图6。目前国内外生产粉末冶金铁粉的原料要求用低杂质含量, 含铁达70%以上, , 非金属, 提高其
DRI 是极不经济的。
1-焦炭末和与石灰混合后的还原剂; 2-铁精矿粉; 3-干
燥; 4-破碎; 5-筛分; 6-磁选; 7-装料碳化硅罐;8-隧
) ; 9-卸料; 10-粗破碎; 11-道窑还原(还原温度1200℃
贮料罐; 12-细粉碎; 13-磁选; 14-研磨过筛; 15-带式
) ; 16-粉末混匀; 炉还原2退火(退火温度800～900℃
17-自动装袋; 18-铁精矿粉; 19-还原剂(焦炭粉和石灰)
图6 瑞典H oganas 公司的隧道窑固体碳
还原铁粉工艺流程
Fig. 6 H oganas process for production of iron
powder in Sw eden
1. 3 熔融还原炼铁工艺
隧道窑是欧洲开发的专门用于生产高附加值的
粉末冶金铁粉的主要工艺手段, 其产品用于汽车家
熔融还原是一种发展中的炼铁新技术, 由于流程短、环保好、排放污染物少, 受到许多国家的重视。目前已工业规模生产的仅有奥钢联的COREX 工艺; 正在进行试验、有希望实现工业规模生产的有韩国的FIN EX 法, 澳大利亚的H Ismelt 法等。熔融还原的产品是铁水、炉渣, 开发熔融还原的目的是代替高炉。和高炉流程比, 熔融还原的特点是主要用煤, 用焦很少或不用焦炭, 因而可以不建焦炉, 可全用氧气而不用空气鼓风, 氧气消耗量大。COREX
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法可使用和高炉同样的块状含铁原料, FIN EX 法、H Ismelt 法可直接用粉矿作原料。目前南非、印度、韩国已有4套设计年产能力70万t 铁水的COREX 熔融还原工业生产装置, 现在生产正常, 作业率可达93%, 吨铁耗氧约600m 3, 耗煤约1050kg , 同时副产大量中热值煤气, 其产出的铁水成分和温度都与高炉基本相同。
COREX 法是一种新的已经工业化的清洁炼铁技术,COREX 利用了高炉的炉缸及气基直接还原竖炉的成熟设计, 把高炉分为两截, 使用块煤和块矿炼铁, 所以成功地实现了工业化生产。为加速中国炼铁技术的进步, 宝钢率先引进两套COREX 23000技术和设备是十分必要的。COREX %、粉矿, ; ②对入炉块状原料的理化性能有很高的要求, 提高了原料成本, 使铁水成本升高; ③在炉体中部的高温区使用了很多活动部件, 使设备维修成本及热损失增加, 设备利用率降低; ④依赖稳定的焦床保护炉缸, 因此目前在生产的COREX 焦比均高于130kg/t ; ⑤终还原熔化气化炉内的料柱太轻, 使保护炉缸内部出铁口端部的炮泥泥包难以形成, 给炉缸的长寿维护带来困难。
作为重要的冶金前沿技术熔融还原还需要向前发展, 需要在消化吸收COREX 等技术的经验教训基础上进一步改进和创新。因此, 将根据中国的具体条件, 借助国家“十一五”科技支撑计划项目开发具有中国特色的熔融还原新工艺。
FIN EX 法是韩国浦项制铁与奥钢联合作, 在COREX 法基础上研发的直接使用粉矿的熔融还原新工艺。年产150万t 铁水的FIN EX 23000装置于2007年4月10日投产, 设计日产4300t , 达到3800t , 最近有一个月达到了设计能力。浦项制铁不惜化
通过流化床还原炉, 使用COREX 炉的熔融气化炉制得的还原气对粉矿进行还原, FIN EX 工艺为FINM ET 流化床+COREX 的熔融气化炉两种工艺设备的组合。FIN EX 克服了高炉、COREX 炉、直接还原竖炉工艺的一些缺点:
(1) FINEX 工艺原燃料为资源丰富、廉价、极易获得的铁粉矿(平均粒度在1～3mm , 最大粒度
(2) 生产成本低。浦项制铁2007年FIN EX 煤耗约在800kg/t 水平,POSCO 认为FIN EX 比高炉;
, 相当; 、COREX 炉相当。
FIN EX 的投资仅为其高炉流程的80%, 但迄今的投资尚不透明。认为其工艺可靠, 今后设备利用率也可与COREX 炉相当。该法使用的宽粒度铁粉矿超大型多级流化床预还原工艺和650℃DRI 热压块工艺设备的利用率、稳定性等钢铁界最关注的焦点问题情况尚不清楚, 因此, 被大型工程项目采用的技术经济可行性也还有待实践证明。
H Ismelt 法作为当前最具代表性的铁浴法熔融还原工艺有以下主要特点
(1) 可全部使用粒度为-6mm 以下的粉矿及粉煤, 原料成本低, 便于推广应用;
(2) 由于其炉渣含氧化铁高, 有较好的脱磷效果, 非常适合于冶炼高磷铁矿, 这是区别于高炉和其它非高炉炼铁工艺的重要特点;
(3) 产出的铁水含磷低、碳低、硅锰含量为零、含硫高。不适合直接供传统的炼钢流程使用。要经炉外脱硫和添加硅铁、锰铁合金或与高炉铁水兑配, 使其达到炼钢铁水的成分要求(表2) ;
(4) 由于炉渣含(FeO ) 高, 炉衬腐蚀快, 一代炉龄仅1年, 设备利用率低;
(5) 由于HIsmelt 熔融还原炉为常压操作, 大量高温含尘低热值煤气热能难以回收利用, 吨铁能耗高。
费巨资开发FIN EX 新技术, 总共投入了10. 6亿美元, 经过了17年研究开发, 历经多次挫折和失败, 在国内申请了224项专利, 在20多个国家申请了58项专利, 不断优化改进后, 才得以完成年产150万t FIN EX 的工业化生产试验。中国钢铁企业应该学习浦项制铁创新新流程的胆识和决心。浦项宣称到目前为止还没有考虑如何推广或向海外转让技术, 也不公开其年度工艺操作数据, 因此, 笔者认为FIN EX 工艺尚未达到商业化生产的指标, 仍然是工业化示范工程装置。
FIN EX 工艺的核心技术是流化床还原技术, 即
2 现有高炉炼铁流程工艺改进的方向
2. 1 炼焦工艺的努力方向
拓宽炼焦煤资源, 炼焦生产工艺和技术上多元化。如利用捣固炼焦大幅度提高装炉煤的堆密度, 从而提高弱粘煤和非炼焦煤炼焦的比例降低焦炭成本、风选破碎配煤工艺、煤调湿等。为了以煤代焦、降低入炉焦比, 应强化不提高主焦煤比例条件下进
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表2 高炉、COREX 、FINEX 等技术的生铁质量比较
T able 2 Composition of the hot metal produced by various ironmaking processes
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工艺
还原剂矿石出炉温度/℃
w (C ) /%w (Si ) /%w (S ) /%w (N ) /10-6
高炉焦炭块矿1450～1550
4. 0～5. 00. 2～0. 80. 01～0. 05
60
COREX FIN EX HIsmelt ROMEL T
块煤块矿1450～1550
4. 0～5. 00. 2～0. 80. 01～0. 05
20
块煤粉矿1450～1550
4. 0～5. 00. 2～0. 80. 01～0. 05
20
粉煤粉矿1440～1530
3. 0～4. 20. 010. 15～0. 25
粉煤粉矿1350～1500
4. 0～4. 80. 010. 15～0. 25
60
一步提高焦炭的热强度的技术手段研究, 进一步降低炼焦工序能耗、控制炼焦污染, 建设国内一流清洁生产焦炉。2. 2 烧结工艺的努力方向
段, , 通过技术创新最大限度地回收烧结环冷机的烟气余热能; 通过热烟气循环新技术降低燃料比和烧结烟气及粉尘的排放量; 针对烧结生产过程中多种污染排放的严重环境污染问题, 通过开发高效、低成本的适合中国特点的持久性有机污染物二恶英、SO 2减排的技术措施, 通过调整烧结原料有选择地严格限制使用含氯、含油原料等技术措施, 采用烟气脱硫等新
2,
、SO 2和烟粉尘污, 。同时要持续研发低成本配矿技术、低SiO 2的烧结技术、开发烧结人工智能控制系统。目前烧结机SO 2、烟粉尘排放占钢铁企业排放总量的50%～80%。由于会增加成本, 将减少烧结机SO 2、二恶英污染物排放量付诸工业实施, 建设生态型钢铁企业是一项艰巨、必要但有意义的工作。
可以借鉴或引进Outotek/SVA I 研发的烧结烟气优化排放技术(EOS ) 。参见图7～9。
Outotek 认为, 烧结烟气优化排放(EOS )
技术
图7 烧结烟气优化排放技术(E OS) 的流程示意图
Fig. 7 Sketch of E OS
的优点有(见表3、4) :①有利于减少SO x /NO x 排
放; ②烧结废气量减少40%～50%; ③热废气抽回返用可节省固体燃料20%; ④可以在对目前生产干扰最小的情况下对现有设备进行改造; ⑤可保证烧结矿产品质量。2. 3 高炉炼铁工艺的努力方向
近10年来高炉炼铁工艺在保持高炉顺行的操炉技术、精料技术、200kg/t 的大喷煤技术和高炉长
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表4 烧结烟气优化排放技术减少排放量的比例
T able 4 R eduction of emission by E OS 烧结排放烧结废气量粉尘
NO x SO 2CO CO 2
%
低碱度烧结矿
405035
高碱度烧结矿40～50
6030～4525～35503065
452570
二恶英
寿技术方面的成就斐然, , 炉身中下部和炉, 从而使高炉的维修量偏大、维修费用偏高。按大型高炉炉缸截面积日均铁通量年度统计, 宝钢分公司高炉与德国蒂森相比生产率也有差距。在200kg/t 大喷煤和高产条件下实现高炉长寿是今后发展的总趋势。高炉的超高量喷煤技术研究(喷煤占燃料比的一半以上) 、长期稳定高煤比喷吹技术(年均220～250kg/t ) 保持国际领先水平。研究在原燃料供应劣化的形势下, 如何进一步降低能耗、増产减排, 开发具有高量喷煤、低燃料比、保证长期稳定运行的高炉冶炼专家系统, 开发特大型高炉干法除尘技术等。
试验研究成果表明, 炉顶还原气压力为0. 6M Pa 比0. 2M Pa 的竖炉生产率提高约1. 1倍; 还原气压力为1M Pa 时竖炉生产率可比0. 2M Pa 提高约2. 5倍(见图10) 。而且炉顶压力提高还使系统的压力损失大大减少
。
表3 烧结烟气优化排放技术与现有烧结机排放量对比表
T able 3 Comparison of emission from different
sintering m achines
成分流量/(m 3・h -1)
SO 2/(mg ・m -3) NO x /(mg ・m -3)
常规烧结EOS 工艺
[***********]92341. 01814. 67. 5
7153481980. 72911. 511. 7
减排量(质量分数) /%
[1**********]518
图10 还原气压力与竖炉生产率的关系
Fig. 10 R elationship betw een reducing gas pressure and
productivity of DR shaft furnace
粉尘/(mg ・m -3) 二恶英/呋喃/(ng TEQ ・m -3)
HCI/(mg ・m -3)
φ(O 2) /%φ(CO 2) /%
众所周知, 提高炉顶压力是降低燃料比、焦比及
增产的重要手段, 但目前高炉的最高设计炉顶压力
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仅为0. 3M Pa , 实际应用的炉顶压力仅为0. 20～
0125M Pa 。炼铁设计研究人员对提高高炉炉顶压力工程问题的研究工作视而不见或视为畏途是不明智的。因为同样是加入球团和块矿的H Y L 23竖炉,10多年前就在0. 55M Pa 的炉顶压力下实现了高效率的大规模工业生产[4]。长期来, 使用块煤制气固体排渣的鲁奇煤气化炉也一直在2. 0MPa 的炉顶压力下稳定生产[5], 如果炼铁高炉的最高设计炉顶压力为0140MPa 或0. 50MPa 或更高, 从而可在比目前高出一倍的生产率下生产铁水, 现有高炉的容积将可减少一半, 因此, 建议高压高炉的关键技术研究应作为炼铁界的专项重大攻关项目之一来开展。
此外, , 炉焦比降低到200t 技术人员面临的重大研发课题。
3 现有主要炼铁方法的比较
根据迄今为止发表过的最好年均生产数据或示范工程的最佳试验数据, 按照华东沿海地区钢厂铁矿石全部进口, 煤焦全部由国内市场供应, 工厂设备国产化率95%的相同条件, 对现有主要炼铁方法的生产率、成本、设备利用率、投资等技术经济指标做了大致比较, 见表5。
:扩大使用粉矿、, , 尽可能降, 。
20世纪90年代, 中国在天津无缝钢管厂建成
表5 现有主要炼铁方法的主要技术经济指标比较表
T able 5 Main technological and economic indexes of m ain ironm aking processes
项目
燃料比/(kg ・t -1)
入炉焦比/(kg ・t -1) 煤比/(kg ・t -1) 粒度/mm 氧耗/(m 3・t -1) 吨铁输出煤气量/(m 3・t -1) 输出煤气热值/(kJ ・m -3) 最大炉缸面积利用系数
(生产率) /(t ・m -2・d -1) 日产铁能力/(t ・d -1)
特大型高炉
500280
2100～[***********]～12000
0. 03
小型高炉
6004501500～[**************]00～2500
0. 03
COREX 100050～180820～95010～[***********]0～4400
0. 05
FIN EX 100050～180820～95010～[***********]0～4300
0. 05
HIsmelt 80008000～[***********]0. 10
铁水w (S ) /%高温区活动部件年均设备利用率/%
铁水成本/%全流程单位投资/%
无
981. 01. 0
无
981. 00. 8
多
931. 30. 9
多
801. 31. 3
较多
301. 00. 7
投产了2×15万t 回转窑直接还原生产装置,1998年, 宝钢开发了水煤浆加压气化煤合成气2竖炉结合的BL 法直接还原新工艺, 但由于缺乏廉价充足的天然气(煤气) 供应, 中国一直未能建成气基直接还原工业生产装置, 中国在直接还原炼铁工艺技术上与国际上有很大的差距。
根据中国的资源条件及国际市场石油天然气近10年来持续涨价的趋势, 中国在直接还原炼铁工艺工业生产技术的研究发展方向是:主要立足于非焦煤粉加压气化生产合成煤气及钢铁厂剩余转炉煤气、焦炉煤气, 经过净化、加热后用于大中型直接还原竖炉或流化床生产优质直接还原铁DRI 代替废钢。
2007年11月在浦钢搬迁罗泾工程中, 宝钢建
成投产了COREX 23000熔融还原炼铁装置(图11) , 目前正在建设第2台COREX 23000。宝钢引进COREX 工艺节省了前期开发过程的时间和资金投入, 而且可在COREX 基础上进一步开发创新, 有可能形成自主知识产权的非高炉炼铁专有技术, 为推动炼铁技术进步做出新贡献。
与高炉法相比, 目前COREX 23000熔融还原炼铁生产装置在铁水成本、设备利用率、原料使用范围方面还有较大差距。还有较大的技术创新空间。
直接利用粉矿粉煤的HIsmelt 法对钢铁界经营者有很大的吸引力, 但该工艺要实现工业化生产在热煤气利用、提高设备利用率及降低炉衬成本方面还有很长的路要走, 应在拥有丰富廉价高磷铁矿资源的地区和企业强化对铁浴法熔融还原炼铁工艺及
第2期周渝生等:现有主要炼铁工艺的优缺点和研发方向
・9・
装置的研究开发工作, 因地制宜研制出适合中国国情的低成本铁浴法熔融还原炼铁工艺
。
图12 FINEX 工艺流程示意图
Fig. 12 Sketch of process
图11 宝钢罗泾工程第1台COREX 23000
熔融还原炼铁装置
Fig. 11 First COREX 2at U 中国发明专利[1**********]3. 1提出了一种低
焦比高炉炼铁新工艺———将粉煤气化形成高温热煤气喷入高炉以煤代焦[6], 流程图见图13。其主要特点是, 将干粉煤在气化炉内进行加压气化, 产生的热煤气用净化脱除CO 2后的冷高炉煤气激冷到950～1050℃, 然后喷入高炉炉身中部软熔带根部上面, 使高炉炉料在到达软熔带时金属化率达到90%～95%, 这样可将大型高炉的焦比降低到200kg/t 以
中国在非高炉炼铁工艺研究开发工作方面的主要差距在于缺少类似韩国浦项FIN EX (图12) 或H Ismelt 的影响很大的原创性、有特色、开展过工业
化试验或生产并拥有知识产权的重大研究成果。宝钢在引进的COREX 23000投产后, 以克服COREX 的缺陷即以使用粉矿、粉煤利用技术开发为突破口, 并与氢冶金的思路相结合, 在消化吸收完善COREX 工艺设备基础上, 进行技术创新的试验研究, 研发工作的目标是发展熔融还原技术
。
下。
本方法避开了高炉炉腹煤气量指数的限制, 在低于炉料流态化流速下可通过提高还原气流速强化直接还原过程, 使炉身达到接近M IDREX
的高生产
图13 一种低焦比高炉炼铁新工艺流程示意
Fig. 13 Sketch of ironm aking process with low coke ratio
率, 炉缸采用全氧喷煤强化熔炼, 具有氧气化铁炉的效率, 生产率可望比传统高炉高出30%～50%。 此前报道过的各种高炉炉顶煤气喷吹工艺方案、欧洲钢铁业降低CO 2排放的UL COS 方案、高炉喷吹还原性气体的专利, 都可能会被冶金煤气加热过程中400～800℃必然发生的严重析炭反应所
困扰而难以工程化。因本方法进入高炉前的煤气温度在800℃以上, 不会发生析炭反应。
本方法充分利用成熟而已超大型化的高炉技
术, 去掉了COREX 高温区的大量活动部件(DRI 螺旋排料机、推料板\煤旋转布料器) 及十分复杂的发生煤气处理系统和熔融气化炉上部调剂等自动控制
・10・
钢 铁第44卷
系统, 可达到比COREX 更经济、更环保、生产率更
高的效果。
5 结语
本文对现有主要炼铁工艺的优缺点和研发的方向做了一个简要的评述。讨论了中国炼铁工艺的差距和努力方向。
在今后相当长时期内, 热效率很高、技术设备已完善, 大型化、长寿化的高炉流程在中国将继续是主要产铁设备, 继续占据统治地位。在炼铁工序的结构优化中重点应抓好高炉流程的优化, 高炉流程优化的主要目标是进一步降低能耗, 节省资源、改善环保。
, 能降耗, , , 减少污染物排放量, 、烧结厂的清洁生产, 建设生态型钢铁企业。
高炉应千方百计减少高炉吨铁冶金焦的耗用量, 争取实现半煤半焦, 目标是超越COREX , 通过开发新的以煤代焦技术, 将大型高炉的入炉焦比降低到200kg/t 以下。提高传统炼铁工艺的竞争力和生存力。
在直接还原炼铁工艺工业生产技术的研究发展方面, 加强研究非焦粉煤加压气化生产合成煤气及利用炼钢炼焦剩余煤气, 经过净化、加热后用于大中型直接还原竖炉或流化床生产优质直接还原铁DRI
代替废钢的工艺技术和装备研发, 尽快形成中国特
色的煤基大型直接还原铁生产技术。
在宝钢引进的COREX 23000的基础上, 完善COREX 工艺设备, 以开发扩大使用粉矿、粉煤技术为突破口, 开展创新非高炉炼铁技术的试验研究, 研发工作的目标是发展有中国特色的熔融还原工艺, 促进炼铁技术的进步, 创造世界领先水平的新炼铁流程。
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