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官方公共微信非高炉炼铁技术现状及其在中国的发展
作者：&&&&&信息来源：&&&&&发表时间：&&&&&文章时间：&&&&&卷：&&&&&期：&&&&&页码：
非高炉炼铁技术(或称非焦炼铁技术)是当今钢铁生产工艺中最受关注的技术之一。依产品的形态不同，非高炉炼铁技术可分为熔融还原与直接还原两种工艺方法。直接还原是以非焦煤为能源，在不熔化、不造渣的条件下，原料保持原有物理形态，铁的氧化物经还原获得以金属铁为主要成分的固态产品的技术方法;熔融还原是以非焦煤为能源，铁矿物在高温熔融状态下完成还原过程，获得液态铁水的技术方法。
1、非高炉炼铁技术及现状
高炉法虽然仍是当今炼铁生产的主体流程，但非高炉炼铁法已成为炼铁技术发展的方向。2010年，全球非高炉炼铁总量约7737万t，占全球生铁总量的7.40%。
1.1、非高炉炼铁技术发展的动力
非高炉炼铁技术发展的动力可归纳如下：
(1)传统高炉炼铁以焦炭为能源，但焦煤资源短缺已成为影响钢铁工业可持续发展的重要因素。为了摆脱焦煤资源对钢铁工业发展的羁绊，改善钢铁生产的能源结构，必须发展以非焦煤为能源的钢铁生产工艺。
(2)高炉炼铁得到的铁水中碳接近饱和，因而炼钢生产的重要任务之一是脱除过量的碳，整体工艺不合理、能耗高、碳排放量大。钢铁生产必须适应提高节能减排、环境友好的要求，克服传统钢铁生产的不合理环节，降低钢铁生产能耗，减少碳排放。
(3)以废钢为原料的电炉炼钢能耗明显低于高炉－转炉炼钢，但废钢短缺及废钢质量不断恶化制约了电炉钢发展。而直接还原铁可作为优质的废钢替代物和废钢中残留元素的稀释剂。
(4)提高钢铁产品质量和品质，改善钢铁产品结构，提高纯净钢产量是钢铁工业发展的方向。直接还原铁生产是实现、推进这一方向的重要环节。
(5)自然界大量含铁资源难以满足高炉炼铁对原料要求，为了利用这些资源和实现资源的综合利用需要寻求高炉炼铁以外的炼铁方法。
1.2、直接还原炼铁的现状
(1)直接还原铁产量持续增加
近年全球直接还原铁产量持续增加，如图1所示。据统计，2010年世界直接还原铁(DRI/HBI)的产量已达7037万t，约为高炉生铁产量(9.52亿t)的6.7%。
图1：世界直接还原铁产量（年）
迄今为止，有数十种直接还原工艺实现了工业化生产，其中气基竖炉占直接还原铁的主导地位。从表1可知，2010年气基竖炉产量占总产量的 74.3%。而以煤为还原剂的煤基直接还原法约占总产量25%。各种直接还原铁生产工艺产量见表1。
表1：2010年各种直接还原铁生产工艺产量占全球产量的份额
HYL/Energiron
煤基直接还原
全球产量合计，万t
此外，大型气基竖炉直接还原装置建设未受金融危机的干扰，印度、俄罗斯、中东等地区仍在建设气基竖炉直接还原装置。这些装置投入生产后，直接还原铁的产能、产量还将大幅度增加。
(2)煤制气－竖炉直接还原法
传统的气基竖炉直接还原炼铁以天然气为能源，其发展受到石油、天然气资源的制约。因此，煤制气－竖炉直接还原方法应运而生。南非实现了以COREX熔融还原尾气作为Midrex竖炉还原气的工业化生产；墨西哥HYL公司提出了直接使用焦炉煤气、合成气、煤制成气为还原气的HYL/Energiron工艺。两种工艺均可应用于天然气资源不足的地区，为发展气基直接还原工艺开辟了非天然气能源的新途径，成为竖炉发展的热点。
目前，印度正在建设煤制气(加压鲁齐炉)－HYL/Energironl60万t/年竖炉直接还原厂和煤制气(加压鲁齐炉)－Midrex竖炉180万t/年DRI－DRI热送――电炉炼钢生产线。
另外，气基竖炉热出料、直接还原铁热输送和直接入电炉炼钢等相关技术的工业化，为直接还原铁－电炉短流程工艺进一步降低能耗提供了条件。
(3)回转窑法
2010年，全球由煤基法回转窑生产的直接还原铁约为1812万t，占直接还原铁总产量的25.70%。值得注意的是，回转窑法在印度得到了快速发展。除了一些大型回转窑之外，印度还有数百条产能 1.0－3.0万t/年的回转窑在运行，其生产数据难以准确统计。有文献估计，印度回转窑产能约1950万t/年。
(4)转底炉法
转底炉已在处理钢铁厂含Fe、zn、cr、Ni粉尘方面实现了工业化生产，成为直接还原发展的热点。但转底炉法采用内配碳球团为原料，产品铁品位低、S高(0.10－0.15%)，难以用于生产炼钢用直接还原铁。据报道，2009年4季度在美国明尼苏达州，一座年产50万t的转底炉建成并投入运行(采用ITmk3工艺，以转底炉为反应器)。该工艺生产的颗粒状“砾铁”可直接用于电炉炼钢。
(5)流化床法
已建成的流化床法工业化装置实际产量仅为设计生产能力的50%左右，其发展严重受挫，流化床法仅为全球总产量 1.0%。
(6)随道窑法
隧道窑法是最古老的炼铁方法之一，通常仅用于粉末冶金还原铁粉生产的一次还原工序。其技术含量低，适合于小规模生产，投资小，符合小型企业投资需要。
近年，隧道窑法在中国异常发展，建设热潮仍呈有增无减的态势。应该指出：隧道窑法的热效率低，能耗高(耗煤约1t/t，其中还原用煤450-650kg/t，加热用煤450-550kg/t)，生产周期长(48-76小时)；污染严重(还原煤灰、废还原罐等固体废弃物多，粉尘多)，产品质量不稳定，单机生产能力较小等问题。因此该方法不可能成为直接还原铁发展的方向。
除中国外，近期印度、东南亚国家也有用隧道窑生产炼钢用直接还原铁项目的报道。
1.3熔融还原的现状
熔融还原法自问世以来，其发展速度十分缓慢。2010年熔融还原法产铁约620万t，仅占全球生铁总产量的0.6%，远低于人们对熔融还原发展的预期。
(1)COREX工艺和FINEX工艺
迄今为止，熔融还原只有具有预还原的“二步法”COREX工艺和FINEX工艺实现了工业化生产。目前工业化生产COREX装置有5座:南非C－2000一座，印度C－2000二座，宝钢C－3000二座，总产能600万t/年。
在COREX工艺的基础上由浦项公司开发的FINEX工艺，是以多级流化床取代COREX的预还原竖炉，原料由块矿/球团改为粉矿。目前，浦项公司二座FINEX装置(70万t/年和130万t/年各一座)已投入工业化生产，还有一座200万t/年装置正在建设中，预计2013年投产。
但是，COREX工艺对原料、燃料要求过于苛刻，工序能耗偏高，未能实现全煤作业(仍需要部分焦炭)，作业率低(～93%)，而且与高炉相比铁水生产成本和单位产能投资均偏高。而FINEX工艺的熔融还原造气炉所用的煤压块仍然需要主焦煤(20%)，结焦煤(1/3焦煤40%)，同时也无法实现全煤作业(生产仍需要部分焦炭/焦丁)，预还原粉矿需要压块后再进入熔融还原造气炉，工艺环节多，维护量大，后续工序连接难度大，能否全部使用精矿粉目前尚无定论，工序能耗高于传统高炉炼铁工序，作业率仅为91～93%。据POSCO公司介绍，FINEX单位产能投资和生产成本分别是高炉炼铁系统的85%和95%，该结果是否具有普适性还有待于验证。
(2)“一步法”熔融还原
所谓“一步法”熔融还原是指铁矿还原、熔化、渣铁分离等全过程均在同一个反应器内完成，由于没有单独设置预还原反应器，生产过程中高FeO渣对反应器耐火材料的侵蚀严重，加之二次燃烧的控制、传热效率及大量高温尾气利用等问题尚未得到满意的解决，使“一步法”熔融还原工艺发展受阻。目前“一步法”熔融还原工艺均未进入工业化生产，多数研究进入“休眠状态”。澳大利亚力拓公司开发的Hlsmelt工艺由于存在炉衬侵蚀、煤气处理、传热效率等问题，作业率和产能未达到设计指标，到目前为止仍无法实现商业化生产。
虽然熔融还原发展缓慢，但与高炉炼铁系统相比，熔融还原工艺向大气排放硫化物(S02、S03、COS等)可减少80～90%，氮氧化物(NOX)可减少95～98%，因此在世界焦煤资源紧缺环境下，以煤作为主要能源同时具有环境友好优势的熔融还原在钢铁生产技术发展中倍受关注。另外，熔融还原炼铁虽然只是一个实现工业化生产仅20年的新技术、新工艺，目前尚无法取代传统的高炉炼铁法，但从可持续发展观点看问题，熔融还原乃是钢铁生产技术发展中最受关注的方向之一。
2、中国非高炉炼铁技术现状
我国钢铁生产的主要能源是焦炭，世界性焦煤资源的短缺严重地威胁着我国钢铁工业的可持续发展。此外，铁矿、废钢也短缺是影响我国钢铁工业发展的重要因素，非高炉炼铁是改善钢铁生产的能源结构，摆脱焦煤资源对钢铁工业发展的羁绊，减少钢铁生产对环境的不良影响，提高产品质量的重要途径。
2.1、中国直接还原现状
(1)直接还原“发展热”持续强劲
我国从上世纪50年代开始，对直接还原技术进行了开发研究，取得了众多成果，为非高炉炼铁技术发展奠定了基础。时至今日，发展直接还原铁的“热潮”持续强劲，钢铁生产形势的变化对我国直接还原炼铁技术的开发研究影响甚小。
自我国直接还原实现工业化生产以来，我国直接还原铁年产量从未超过60万t，不足全球年产量的1.0%，且产品中约40%的质量达不到H90国家标准(BY/T－)(TFe&90%)，体密度 &2.0kg/cm?，质量不稳定，生产企业经济效益差，严重地影响了直接还原铁的应用和发展。已建成的直接还原厂中，除了天津钢管、富蕴金山矿业的回转窑单机生产能力达15万t/年外，其余生产装置单机能力均小于7.5万t/年。
应该说，我国直接还原“发展热”持续强劲，但成效甚微。探寻正确、有效途径是我国今后直接还原炼铁技术发展的重要课题。
(2)回转窑生产状况
目前，我国共建成5个回转窑直接还原厂：天津钢管、富蕴金山矿业、密云、鲁中、喀左。其中，天津钢管公司的回转窑直接还原生产指标世界领先，在引进技术的基础上，进行了大量改造，技术上有了重大进步，单机产能达15万t/年，在使用TFe68%球团时，产品TFe&94.0%，金属化率&93.0%，S、P&0.015%，Si02～1.0%，煤耗(褐煤)900～950kg/t，且尾气预热发电进一步降低了能耗。
2007年以来，世界铁矿石价格飘升，用于生产直接还原铁的铁精矿价格增幅更大，造成了我国所有回转窑直接还原厂亏损停产。
回转窑法技术成熟，在资源适宜、中小规模需求条件下是可供选择的方法，但因对原燃料要求苛刻，单位产能投资和运行费用偏高，稳定运行难度偏大，生产规模偏小(最大15万t/年座)，难以成为我国直接还原铁发展的主体工艺。
(3)隧道窑发展状况
2008年以后的我国直接还原铁都来源于隧道窑。据估计，我国已建成及在建的隧道窑200余座，年产能可能超400万t/年，广泛分布于新疆、山西、河北、辽宁、吉林、河南等十多个省市。目前，隧道窑的建设热潮有增无减。据统计，约70多个单位仍在规划建设隧道窑直接还原铁厂。
前已述及，隧道窑法因技术含量低，适合于小规模生产，投资小，符合民营企业投资需要，近年来在我国得到迅速的发展。但隧道窑法单机产能小，能耗高，污染严重，产品质量差(主要表现为TFe低，Si02含量高)，因此解决隧道窑能耗、环保问题是隧道窑法生存和发展的重大课题。从国民经济发展节能减排、保护环境的基本原则出发，隧道窑生产炼钢用直接还原铁不可能成为我国直接还原发展的方向。
(4)转底炉发展状况
我国对转底炉煤基直接还原技术进行了大量的研究，从上世纪90年代开始，先后在舞阳、鞍山、河南等地建成多座试验装置或工业化试生产装置。
近年来，随着钢铁工业发展、环境保护的要求，以及对含铁尘泥的处理、复合矿的综合利用的重视，转底炉工艺受到人们的关注。我国现已建成转底炉9座，都已投产运行。包括用于复合矿的综合利用(四川龙蟒、攀枝花)，含铁粉尘利用(马钢、沙钢)，生产预还原炉料(山西翼城、莱钢、天津荣程)。
以含碳球团或含碳压块为原料快速还原为特征的转底炉法，是处理冶金厂含铁尘泥(含锌粉尘、冶炼不锈钢的粉尘)有效的方法。但是，使用转底炉法处理精矿生产直接还原铁，由于煤灰渗入，致使铁品位低，含S高，难以满足炼钢生产的需要。对于得到的直接还原铁：采用电炉预熔化处理直接还原铁，需要消耗500～550kwh/t电能；采用氧煤为能源的熔化处理，其工艺和装备还有待开发和验证，直接入高炉冶炼，加人量较小时可提高高炉产量，降低焦比，但加入量较大时对高炉冶炼过程、能耗以及经济效益的影响还有待实践的验证。应该说采用转底炉生产还原铁，直接入高炉冶炼扩大高炉产能的方法，在技术、能耗、经济效益等方面都存在风险，选用该方式应持慎重的态度。
总之，虽然转底炉法在冶金厂含铁尘泥处理和复合矿综合利用方面是一种有效的方法，可以预期在我国将得到一定的发展，但不可能成为我国炼钢用直接还原铁生产的主导方法。
(5)煤制气－竖炉炼铁发展态势
我国天然气资源短缺，可直接用于直接还原的高品位块矿和球团也匾乏，迄今尚没有直接还原竖炉的工业化生产装置。
近年来，我国钢铁、化工工作者对煤制气、竖炉直接还原铁生产进行了调查、研究工作，取得了大量的数据，为我国采用煤制气－竖炉直接还原技术奠定了良好的基础。业内专家和企业普遍认为煤制气－竖炉直接还原将成为我国直接还原铁生产的主要途径。但是，在煤制气方法的选择、煤种的选择、竖炉工艺的选择、煤制气与竖炉的衔接、煤气的加热、及相关装备等问题还有待进一步深人研究和探讨。
据不完全统计，约二十多个单位正在筹划、规划、设计建设50～160×104t/a的煤制气－竖炉直接还原铁生产线，这些生产线建成将改变我国直接还原铁生产的面貌，但由于原料供应、投资大等原因，至今还没有进入实质性的运作。
2.2中国熔融还原炼铁工艺现状
随着焦炭价格不断上升、国家限制高炉炼铁产能增加政策的贯彻，熔融还原将成为我国钢铁企业改善能源结构的手段。目前，已有部分企业计划以采用熔融还原工艺生产铁水，实现企业总体产能和产品质量的提升。
(1)自主熔融还原技术开发
上世纪80年代以来，我国对多种熔融还原工艺进行了探索性试验研究。熔融还原的中间试验曾列为国家科技攀登计划，进行了半工业化试验，但未能实现工业化生产。
近年来，针对我国资源条件的熔融还原工艺开发研究工作十分活跃，如针对难选矿、复合矿，以非结焦为能源生产铁水的熔融还原工艺，或以含碳球团/块为原料，应用竖炉或电炉生产铁水等。虽然这些研究还未实现工业化生产，但为我国发展熔融还原进行了有益的探索，夯实技术发展的基础。
(2)熔融还原(COREX)实现工业化生产
宝钢于2005年引进了COREXC－3000技术，建成我国第一座熔融还原炼铁厂，并于2008年11月投产。由于是COREXC－3000型的首座生产装置，其设计、装置配备的合理性未得到充分验证，对原燃料条件的缺乏成熟经验借鉴，至今生产每吨铁水仍需要约200kg焦炭，产能、能耗、作业率、铁水成本等未达到预期目标。
2010年，在汲取第一套COREX装置生产经验和教训基础上，宝钢对第二套COREX装置上部竖炉进行了改进，投产后竖炉产品金属化率迅速达到90%，为下部熔融还原造气炉运行提供了有利条件，可以期待第二套COREX装置的生产指标将比第一套有大幅度的提高。
宝钢引进COREX熔融还原技术，为熔融还原在我国实现了工业化生产开创了新的纪元。通过宝钢COREX项目的实践，揭示了许多在试验研究中难以发现的问题和解决问题的方向，为我国非高炉炼铁的发展奠定了基础。
3.我国非高炉直接还原炼铁的展望
煤制气－竖炉直接还原工艺具有技术成熟、能耗低，单机生产能力大，环境效益好等特点，适合中国的能源条件。此外，我国具有煤制气一竖炉直接还原工艺所涉及的化工、冶金、装备制造等学科、行业技术基础，可以认为，煤制气－竖炉直接还原工艺是我国发展直接还原铁生产的主导方向。
(1)煤炭资源丰富
天然气资源短缺是长期以来制约我国直接还原铁发展的重要因素。随着煤化工技术的发展，煤制气已成为化工生产中成熟的常规技术。我国煤炭资源丰富，具备各种以煤为能源的煤基直接还原工艺用煤以及各种煤制气方法用煤的资源。
(2)掌握非结焦煤制备还原气技术
我国是世界以非结焦煤为原料制备化工合成气工业化生产装置最多的国家，几乎所有的成熟煤制气方法在我国均有大型工业化生产装置(日投煤量1200～2400t/d)，并积累了丰富的运行经验。以动力煤为原料生产成分为H2+CO≮90.0%，H2O+CO2≯5.0%的合成气，在技术上是可行、可靠的，可满足直接还原竖炉对还原气的要求。
以动力煤为原料生产成分为H2+CO≮90.0%，H2O+CO2≯5.0%的合成气，在煤炭价格≮750元/t(热值约5000kcal/kg)条件下，合成气的生产成本≯0.55～0.60元/Nm，，是直接还原铁生产可以接受的。
(3)专用精矿的制备
缺乏高品位铁矿资源是制约我国直接还原工业发展的另一个重要因素。近年来，我国选矿工作者对国内铁矿资源进行了大量研究，研究结果表明:对于普通磁铁矿，通过国内自有知识产权的选矿技术可以获得TFe& 69.5～ 70.5%， Si02&2.00，0，可生产满足直接还原铁生产的专用精矿。
实践也已证实，以专用精矿为原料，采用国内成熟的链算机-回转窑技术生产的球团，可以满足直接还原回转窑、气基竖炉对原料的要求。
(4)煤制气-竖炉法可行性
用国内精矿生产直接还原专用球团的经济估算结果可见：立足国内资源采用煤制气-竖炉生产直接还原铁具有经济可行性。中国高炉炼铁的现状和存在的问题_百度文库
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