非高爐煉鐵工藝流程發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望

張曉華，師學(xué)峰，趙凱，張玉柱，孔征

（華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院 河北 唐山 063210）

高爐煉鐵是當(dāng)今世界上最為成熟、最高效的鐵水生產(chǎn)方式，世界生鐵產(chǎn)量的85%以上是由高爐煉鐵生產(chǎn)的[1]。20世紀(jì)90年代以來，我國鋼鐵工業(yè)急速發(fā)展，已成為了世界上最大的鋼鐵材料生產(chǎn)國和消費(fèi)國[2]。2017年中國粗鋼產(chǎn)量為8.317億噸，相比2016年增長5.7%，占全球粗鋼產(chǎn)量的49.2%，生鐵產(chǎn)量約7億t[3]。

高爐煉鐵工藝流程長，對焦炭依賴度比較高[4]。相比于高爐冶煉工藝，非高爐工藝以粉煤或氣體為還原劑，不使用一般高爐冶煉時所必須的焦炭，從而在理論上實現(xiàn)了無焦煉鐵[5]。我國用于煉制焦炭的焦煤資源占全國煤炭總儲量的26.25%，及時開發(fā)清潔、環(huán)保、不依賴焦炭的熔融還原煉鐵技術(shù)是冶金工作者努力的方向[6-9]。

近年來，國內(nèi)外非高爐煉鐵呈現(xiàn)百花齊放的姿態(tài)，各種熔融還原工藝層出不窮，其中以COREX工藝和FINEX工藝最為成熟，但這兩種工藝并不能完全擺脫焦炭是束縛，在冶煉的過程中仍然需要少量的焦炭來穩(wěn)定鐵水的質(zhì)量[10]。目前熔融還原煉鐵首先需要解決的是擺脫焦炭的束縛，實現(xiàn)無焦冶煉，從而達(dá)到高效生產(chǎn)、節(jié)能減排的目的。

1 熔融還原煉鐵工藝

一切在不使用高爐的情況下冶煉液態(tài)生鐵的方法都稱為熔融還原。熔融還原技術(shù)主要以煤為主要能源、以氣體作為還原劑的氧-煤工藝，或者使用煤作為還原劑、以電作為主要能源的電-煤工藝的數(shù)十個熔煤工藝[11-12]。

熔融還原法不僅可以節(jié)省昂貴的焦炭的使用，而且可以免去燒結(jié)球團(tuán)工藝以減少污染[13]。熔融還原工藝流程發(fā)展類型較多，目前市面上比較成熟和突出的則主要有以下幾種：COREX工藝、FINEX工藝、HISarna工藝、HISmelt工藝和CCF工藝。幾種典型的熔融還原工藝與高爐工藝的原料及鐵水成分對比見表1。

表1 熔融還原工藝與高爐工藝成分對比Table 1 Comparison of smelting reduction process and blast furnace process composition

2 當(dāng)前主流熔融還原煉鐵工藝

2.1 一步法熔融還原煉鐵工藝

HISarna工藝流程

HISarna是一種不包含造球、燒結(jié)和煉焦三個環(huán)節(jié)的煤基鐵浴法熔融還原煉鐵工藝，該工藝直接使用煤粉和粉礦作為原燃料，熔劑選用石灰石和白云石。HISarna工藝主要由旋風(fēng)熔化爐和熔融還原爐兩部分組成。旋風(fēng)熔化爐內(nèi)的平均溫度可達(dá)到約1400至1500℃。粉礦、熔劑和氧氣通過旋風(fēng)熔化爐底部的水冷噴槍噴入爐內(nèi)，形成渦流。旋風(fēng)熔化爐內(nèi)的氧氣與從熔融還原爐進(jìn)入的煤氣進(jìn)行燃燒并釋放出大量的熱，在高溫環(huán)境下礦粉被熱分解和還原，并且熔化得到預(yù)還原度為20%左右的熔融產(chǎn)品。熔化后的粉礦液滴粘附在旋風(fēng)熔化爐的水冷爐壁上，沿爐壁流動并滴入熔融還原爐中。氧氣和粉煤從熔融還原爐上方噴入，預(yù)還原后的粉礦與碳發(fā)生直接還原反應(yīng)，生成熱態(tài)金屬鐵液和爐渣，最終實現(xiàn)渣鐵分離[14-15]。

圖1 HISarna工藝流程Fig.1 HISarna process flow

2.2 兩步法熔融還原煉鐵工藝

（1）COREX工藝流程

COREX工藝屬于兩步熔融還原工藝，主要由固相預(yù)還原和熔融態(tài)終還原組成。固相預(yù)還原在還原豎爐中進(jìn)行，終還原在熔融氣化爐中進(jìn)行。鐵礦石、球團(tuán)礦和熔劑從預(yù)還原爐的頂部通過裝料設(shè)備和布料裝置裝入，鐵礦石在預(yù)還原爐中被還原成金屬化率大于70%的金屬化爐料，爐料進(jìn)入到熔融氣化爐中被熔煉成鐵水，同時產(chǎn)生還原煤氣[16-19]。COREX煉鐵工藝所使用的鐵礦石要求全鐵含量大于60%，且SiO2與Al2O3含量之和要求小于6%，工藝使用的熔劑一般為白云石和石灰石。

圖2 COREX工藝流程Fig .2 COREX process flow

（2）FINEX工藝流程

FINEX工藝所使用的原燃料鐵粉礦要求全鐵含量在60% ～ 62%之間，熔劑選用石灰和白云石。FINEX工藝流程包含三個工序。第一步，熔融氣化爐中的煤經(jīng)過燃燒分解成為氣體CO和H2，用這些高溫氣體將放置在流化床反應(yīng)器上部的鐵礦石進(jìn)行預(yù)還原；第二步，在流化床中被還原的粉礦進(jìn)行壓塊后變成熱壓塊鐵，將非焦煤通過壓塊變成壓塊煤并加入到熔融氣化爐中；第三步，熱壓鐵塊被壓塊煤產(chǎn)生的熱量熔化成鐵水和爐渣，粉礦和非焦煤中的硫隨爐渣排出[20-21]。

圖3 FINEX工藝流程Fig .3 FINEX process flow chart

（3）HISmelt工藝流程

HIsmelt技術(shù)結(jié)合了氧氣煉鋼技術(shù)與高爐煉鐵技術(shù)。該工藝的原料為粉礦和粉煤，預(yù)還原爐采用的是循環(huán)流化床。大部分煤和礦石混合料從槍口直接噴到金屬熔融區(qū)，在熔融金屬區(qū)迅速熔化，熔解的爐料和氣體形成HIsmelt冶煉法特有的噴泉現(xiàn)象[22-23]，冶煉產(chǎn)生的氣體主要有H2和CO。熔池上部高速噴入富氧熱風(fēng)，這些熱風(fēng)與熔池中產(chǎn)生的氣體進(jìn)行再燃燒，并且在上部氣體積聚區(qū)釋放出大量的熱。通過輻射和對流傳熱的方式，可將熱量充分混合到金屬液滴內(nèi)并傳輸?shù)饺鄢刂校@些熱量可以用于補(bǔ)償?shù)V石冶煉和造渣所需要吸收的熱。

圖4 HIsmelt工藝流程Fig.4 HIsmelt process flow

（4）CCF煉鐵工藝

CCF工藝所使用的含鐵原料為鐵精礦粉，熔劑選用石灰。CCF熔融熔融還原工藝同樣是由預(yù)還原和終還原兩部分組成的。在旋風(fēng)反應(yīng)器中進(jìn)行礦粉的預(yù)還原，在豎式鐵浴爐中進(jìn)行終還原。礦粉和氧從旋風(fēng)爐上部噴入爐內(nèi)，煤氣在旋風(fēng)爐內(nèi)進(jìn)行燃燒，提供熔化和預(yù)還原所需熱量。預(yù)還原后的熔融態(tài)鐵氧化物附著在水冷爐壁上，然后在重力的作用下進(jìn)入下部的鐵浴，或者預(yù)還原后直接進(jìn)入鐵浴。將鐵浴中的二次燃燒率控制在25%，并在鐵浴的同時進(jìn)行鐵氧化物的終還原和煤粉的氣化。為滿足熱量需求，二次燃燒傳熱效率應(yīng)達(dá)到80%以上。

圖5 CCF工藝流程Fig .5 CCF process flow

3 幾種熔融還原方法技術(shù)指標(biāo)

通過對以上幾種非高爐煉鐵工藝的能量來源以及生產(chǎn)噸鐵能耗與排放進(jìn)行對比，了解非高爐煉鐵較于高爐煉鐵的優(yōu)勢所在，比較得出最優(yōu)的煉鐵方式，以最少能耗生產(chǎn)最多鐵水同時盡可能減少污染物的排放。

3.1 生產(chǎn)噸鐵能耗及排放

分別對每種工藝的能耗進(jìn)行分析，得出工藝能耗的數(shù)值并將五種工藝的能耗數(shù)值進(jìn)行比較，由于各個工藝所用的能量來源物不同，因此，其生產(chǎn)噸鐵所產(chǎn)生的排放也各不相同。能耗分析見表2所示。

表2 幾種非高爐工藝能耗對比Table 2 Comparison of energy consumption of several nonblast furnace processes

H I S a r n a 煤量：4 8 3 k g/t；氧氣量：5 1 0 m 3/t。煤氣量：9 8 7 m 3；煤氣溫度：1 4 5 0-1 5 0 0℃ [31]；H I S m e l t煤量：(9 0 0 ～ 9 5 0) k g/t；氧氣：2 3 5 m 3/t。煤氣成分：C O、H 2、C O 2、C H 4。煤氣量：2 7 6 5 m 3/t[32]；煤氣溫度：1 6 0 0 ～ 1 7 0 0℃；煤氣成分：C O、H 2、C O 2、C H 4。煤氣量：1 2 1 4 m 3/t；煤氣溫度：1 8 0 0℃[33]；煤氣成分： C O、H 2、C O 2、C H 4。C C F 粒煤：6 4 0 k g/t；氧氣量：5 1 0 m 3/t。

3.2 優(yōu)缺點分析

分析這幾種熔融還原煉鐵工藝的優(yōu)缺點，見表3所示。

表3 幾種工藝的優(yōu)缺點對比分析Table 3 Comparison and analysis of advantages and disadvantages of several processes

4 熔融還原發(fā)展前景

擺脫焦炭對于鋼鐵生產(chǎn)的束縛，使鋼鐵生產(chǎn)不受焦煤的限制，進(jìn)而改變鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)能結(jié)構(gòu)，已成為鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重中之重。從鋼鐵生產(chǎn)的原材料來看，焦煤資源目前處于世界性短缺的局面；從我國目前的資源情況來看，鋼鐵行業(yè)要想做到可持續(xù)發(fā)展最主要的還是要發(fā)展熔融還原。從環(huán)境保護(hù)方面來看，傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)對于環(huán)境的污染比較嚴(yán)重，這使得行業(yè)發(fā)展受到環(huán)境保護(hù)的制約。

中國作為世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國之一，而熔融還原又是目前解決我國鋼鐵行業(yè)存在主要問題的關(guān)鍵技術(shù)，因此我國目前非常有必要開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的熔融還原煉鐵技術(shù)[40-45]。在吸收國外引進(jìn)的先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國現(xiàn)有原燃料的現(xiàn)狀及特征，對設(shè)備和現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行完善，開發(fā)出一套適宜于我國資源的熔融還原煉鐵技術(shù)，從而實現(xiàn)設(shè)備和技術(shù)的國有化。

5 回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原-氧煤燃燒熔分煉鐵工藝的提出

在對Romelt和煙化爐等工藝的熔池冶煉技術(shù)進(jìn)行綜合分析并結(jié)合我國現(xiàn)有能源和資源的特點后[46-48]，鋼鐵研究院和華北理工大學(xué)提出了回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原氧煤燃燒熔分爐煉鐵新工藝，其工藝流程見圖6。該工藝包括兩個步驟：在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行預(yù)還原和在氧煤燃燒熔分爐內(nèi)進(jìn)行的熔化和分離。將鐵礦粉，還原劑和熔劑添加到回轉(zhuǎn)窯中，原料與回轉(zhuǎn)窯燃燒的熱煙氣進(jìn)行換熱，熱煙氣將原料逐漸加熱至1000 ～ 1200℃，爐料中的鐵氧化物被還原并進(jìn)入到熔分爐內(nèi)。熔化爐側(cè)面分別設(shè)有兩排風(fēng)口，煤粉和氧氣從下排風(fēng)口吹入，而上排風(fēng)口只噴吹氧氣，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)預(yù)還原過的爐料進(jìn)入熔分爐后進(jìn)行終還原，并實現(xiàn)渣鐵分離。由于熔分爐內(nèi)產(chǎn)生的煤氣溫度很高，將回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的窯尾煤氣脫除CO2后同熔分爐內(nèi)逸出的煤氣進(jìn)行混合，達(dá)到降低煤氣溫度和熱值的效果，以避免回轉(zhuǎn)窯內(nèi)粘結(jié)和結(jié)圈。溫度降低后的煤氣直接通入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，為回轉(zhuǎn)窯提供燃料和還原劑。氧煤燃燒熔分煉鐵工藝的能量的主要來源主要為氧氣和煤粉，這在很大程度上解決了目前我國所面臨的焦炭不足問題。預(yù)還原爐料金屬化率對熔分爐煤耗和氧耗有很大的影響，金屬化率越高，煤耗和氧耗越低，初步計算表明：爐料金屬化率越高，噸鐵所需的煤量越少，氧耗也越少，噸鐵排出的煤氣量降低，煤氣熱值也較低[1]。

圖6 回轉(zhuǎn)窯-氧煤燃燒熔分煉鐵工藝流程Fig.6 Flow chart of rotary kiln-oxygen combustion melting ironmaking process

將回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原與熔分爐冶煉技術(shù)相結(jié)合，原料使用粉礦和粉煤，而不使用焦炭，符合我國目前焦煤資源短缺的現(xiàn)狀，該工藝可冶煉特種鐵礦資源，為特種鐵礦資源的冶煉尋到了合理的道路，同時很好的解決了目前資源不足的問題。工藝流程短、一次燃料消耗低、能源利用率高、能耗低等都是回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原-氧煤燃燒煉鐵的優(yōu)勢所在。

6 結(jié) 語

非高爐煉鐵作為新興的煉鐵技術(shù)，展現(xiàn)出了其巨大的優(yōu)勢。通過對幾種非高爐煉鐵工藝能耗的分析，了解到非高爐煉鐵雖說可以擺脫焦炭是束縛，冶煉一些難冶煉的鐵礦石，但由于目前市面上幾種較成熟的非高爐煉鐵工藝的能耗均高于高爐煉鐵，使得非高爐煉鐵無法大規(guī)模投入生產(chǎn)?；剞D(zhuǎn)窯預(yù)還原-氧煤燃燒煉鐵工藝相較于其他非高爐煉鐵工藝，由于其能耗低，可冶煉的礦石種類較多，使得其在非高爐煉鐵工藝中優(yōu)勢較為突出，對回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原-氧煤燃燒煉鐵工藝的研究也顯得尤為重要。