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环境友好型炼铁工艺技术开发——日本COURSE50
1  COURSE50概要
    日本钢铁工业能源效率达成世界最高水平，为预防地球变暖，减排CO2做出了很大贡献。以后，要在全球范围深入减排CO2，关键是技术开发。从长远看，革新性技术开发是根本对策。
    5月，日本前首相安倍晋三发表了“漂亮星球50(Cool Earth50)”计划，在该计划中提出了开发节能技术，使环境保护和经济发展并举。“创新炼铁工艺技术开发(COURSE50)”就是为实现这一目标革新性技术之一。
    COURSE50(CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking process by innovative technology for cool Earch 50)是经过抑制CO2排放和分离、回收CO2，将CO2排放量降低约30％技术。2030年将确立此项技术，2050年实现应用及普及。
    该项技术开发第一步(～财年)关键是应征新能源产业技术开发机构(NEDO)研究开发计划。该机构“环境友好型炼铁工艺技术开发”已正式经过。
    COURSE50——开拓新未来，新一代炼铁法开发最终开启了。COURSE50步骤示意图见图1。
2  减排CO2技术
    用氢作还原剂还原铁矿石，产生H2O，降低CO2排放量。氢作还原剂炼铁工艺示意图见图2。
2．1氢还原机理
    通常情况下，假如用CO气体还原铁矿石，就会产生CO2。而用氢作还原剂炼铁法只产生H2O，所以，能够说是很有利于环境保护炼铁法。两种还原方法对比见图3。
2．2氢还原特点
    传统高炉炼铁法是利用CO气体作还原剂，去除铁矿石中氧(还原)。
    CO气体分子大，所以，难以渗透到铁矿石内部。H2气体分子极小，能够很轻易渗透到铁矿石内部，其渗透速度约是CO气体5倍。所以，高炉使用H2作还原剂能够实现快速还原。氢还原特点见图4。
    现在，世界上有使用天然气直接还原炼铁法(由铁矿石直接还原成固体铁方法)。不过，缺乏天然气日本不能采取这种直接还原炼铁法，而且，也极难制取廉价H2，所以，现在高炉炼铁法中还没有采取H2还原技术。
    3分离、回收CO2技术
    3．1化学吸收法开发
    化学吸收法是在吸收塔让氨等碱性水溶液(吸收液)和含CO2气体接触，选择性地将CO2吸收在吸收液里后，用再生塔加热吸收液，分离、回收高纯度CO2技术。化学吸收法步骤图见图5。
  化学吸收法适适用于从常压气体中分离、回收大量CO2。不过，应用于炼铁工艺还是开发初始阶段，必需处理多个问题。所以，在COURSE50计划中将30t CO2／d规模工艺评价设备纳入实际炼铁工艺，致力于以下技术开发。：30 t CO2／d评价设备和1t CO2／d试验装置见图6和图7。 (1)降低能耗(开发新吸收液，有效利用由炼铁工艺中取得能量)；
    (2)定量化分离、回收CO2技术对炼铁工艺影响。
    3．2利用试验方法和计算方法开发新吸收液
    充足利用量子化学、统计数据处理等计算方法和试验方法，致力于新吸收液开发。同传统吸收液相比，该吸收液可大幅度降低分离、回收CO2所需能量，是高性能化学吸收液。新吸收液开发步骤见图8。
 3．3物理吸附技术开发
    物理吸附法是经过在流体分子和吸附剂表面之间工作范德瓦尔斯力选择性地将CO2吸附在吸附剂里，采取减压操作，高纯度、高回收率分离、回收吸附CO2技术。
    物理吸附法系统简易，低能耗就可分离、回收CO2。该项技术应用于从高炉煤气中分离、回收CO2及大规模煤气处理，这在目本也是首次尝试。
    在COURSE50计划中将3t CO2／d规模评价设备纳入实际炼铁工艺，进行工艺开发。同时进行比该项技术能耗更低，规模化技术开发。物理吸附法示意图见图9。
4支持COURSE50技术
    4．1焦炭改良
    使用氢还原，降低高炉焦炭使用量，有望降低CO2排放量。其次，在焦炭用量降低情况下，仍能维持铁矿石还原反应所需炉内透气性，就需要高强度焦炭。
    因为氢还原时吸热反应，高炉内温度降低，需要能够和之对应高反应性焦炭。新开发高性能粘结剂含有高软化熔融性和膨胀性，将焦炭用配煤颗粒间空隙填满压实，有提升焦炭强度效果。利用这种效果，能够提升以前不能使用高反应性煤配煤量，能够制造含有高强度和高反应性两种特征焦炭，见图10。
   4．2提升焦炉煤气氢含量
    ●开发必需性
    从外部采购高炉还原铁矿石使用氢时，在制造氢场所会产生CO2；   
    ●现实状况
    钢铁厂生产焦炭时产生焦炉煤气中含有50％以上氢，现在是作为钢铁厂内燃料煤气有效利用；
    ●未利用能开发利用
    开发利用钢铁厂未利用能，经过改质焦炉煤气中焦油来提升氢含量，并和焦炉煤气中CO同时喷入高炉，就能够降低高炉焦比；
    ●新技术开发
    在COURSE50计划中，将开发促进焦炉煤气中焦油改质催化剂；
    ●高炉喷吹改质焦炉煤气(H2 60％)。
    高炉是从炉顶装入铁矿石，从炉子下部吹入还原气体。在铁矿石从炉顶下降过程中，经过还原反应生产出铁水。在这次技术中，将改质焦炭干馏过程中发生富氢煤气(焦炉煤气)，深入提升心含量。然后，将这种气体从高炉下部或中部喷吹到高炉中。经过此项技术，实现比传统高炉炼铁法高速、高效率降低CO2排放量炼铁法。焦炉煤气改质示意图见图11。
4．3开发利用未利用余热
    日本钢铁厂已将炼铁工艺中产生大部分余热作为蒸汽和电力回收利用。在这些世界最尖端能源利用技术和节能技术基础上，致力于新技术开发，将传统技术中不能对应未利用余热有效用于分离、回收CO2。钢铁厂余热回收现实状况见图12。
  ●将钢铁厂余热有效用于分离、回收CO2
    为了分离、回收处理高炉煤气中CO2，需要新蒸汽和电力等。假如从外部采购这些能源，生产这些能源又会产生CO2。所以，本开发中将研究现在技术上或经济上仍极难利用钢铁厂未被利用余热，主动开发利用这部分能源。
    具体目标是在下列技术开发中有所突破：   
    (1)炉渣显热回收技术开发
    在化学吸收法中，作为从吸收液中分离出CO2热能，回收、供给钢铁厂内未利用高温余热是有效。
    所以，在由1200～1600℃高温熔融：状态钢渣制造渣制品过程中，进行回收钢渣显热技术开发。开发关键点是提升余热回收效率炉渣冷却方法和形状控制等。炉渣显热回收示意图见图13。
    (2)低温余热发电技术开发
    进行从余热中回收、供给分离、回收CO2所用电能技术开发。世界上已经有回收100％：左右余热低温余热发电实施例，见图14。不过，在设备成本、余热回收效率方面还存在问题，仍没有达成普及程度。经过技术开发处理以下问题：
         ●经过探索低热发电系统低沸点媒介物，来提升余热回收效率；
●     降低发电设备成本及体积技术开发。
(3)PCM(潜热蓄热材)利用
    在化学吸收法中，未利用中低温余热作为从吸收液中分离出CO2热能有效利用。将这些中低温余热高效回收(蓄热)、运输、释放(放热)方法，估计开发利用潜热蓄热材技术。
    PCM蓄热介质利用熔化、凝固潜热，是能够高密度蓄热物质。．在用车辆等运输收纳在绝热容器中PCM过程中，热损失少。将陆续发生余热和其它场所一点一点发生余热积蓄搜集在PcM蓄热介质中，有望作为分离、回收CO2能源利用，见图15。
    在COURSE50计划中，估计进行扩大利用温度范围(高温)高输出功率直接热交换潜热蓄热、输送技术开发。
    (4)热泵利用
    为了将中低温余热作为化学吸收法所需热源有效利用，估计进行热泵利用技术开发。热泵是由能量(动力、热)作甩，产生出温度差装置。升温幅度小情况也可期待高效率，所以，关键用于由高温排水制取低压蒸汽等。热驱动热泵将余热本身温度和环境温度差作为驱动力工作，不用从外部投入能量，就可制取高温热源。即使现在有很多采取例，但对现在没有利用方法低温余热，假如使用热驱动热泵，可期待将其一部分能量用于分离、回收CO2，见图16。
(3)PCM(潜热蓄热材)利用
    在化学吸收法中，未利用中低温余热作为从吸收液中分离出CO2热能有效利用。将这些中低温余热高效回收(蓄热)、运输、释放(放热)方法，估计开发利用潜热蓄热材技术。
    PCM蓄热介质利用熔化、凝固潜热，是能够高密度蓄热物质。．在用车辆等运输收纳在绝热容器中PCM过程中，热损失少。将陆续发生余热和其它场所一点一点发生余热积蓄搜集在PcM蓄热介质中，有望作为分离、回收CO2能源利用，见图15。
    在COURSE50计划中，估计进行扩大利用温度范围(高温)高输出功率直接热交换潜热蓄热、输送技术开发。
    (4)热泵利用
    为了将中低温余热作为化学吸收法所需热源有效利用，估计进行热泵利用技术开发。热泵是由能量(动力、热)作甩，产生出温度差装置。升温幅度小情况也可期待高效率，所以，关键用于由高温排水制取低压蒸汽等。热驱动热泵将余热本身温度和环境温度差作为驱动力工作，不用从外部投入能量，就可制取高温热源。即使现在有很多采取例，但对现在没有利用方法低温余热，假如使用热驱动热泵，可期待将其一部分能量用于分离、回收CO2，见图16。
(3)PCM(潜热蓄热材)利用
    在化学吸收法中，未利用中低温余热作为从吸收液中分离出CO2热能有效利用。将这些中低温余热高效回收(蓄热)、运输、释放(放热)方法，估计开发利用潜热蓄热材技术。
    PCM蓄热介质利用熔化、凝固潜热，是能够高密度蓄热物质。．在用车辆等运输收纳在绝热容器中PCM过程中，热损失少。将陆续发生余热和其它场所一点一点发生余热积蓄搜集在PcM蓄热介质中，有望作为分离、回收CO2能源利用，见图15。
    在COURSE50计划中，估计进行扩大利用温度范围(高温)高输出功率直接热交换潜热蓄热、输送技术开发。
    (4)热泵利用
    为了将中低温余热作为化学吸收法所需热源有效利用，估计进行热泵利用技术开发。热泵是由能量(动力、热)作甩，产生出温度差装置。升温幅度小情况也可期待高效率，所以，关键用于由高温排水制取低压蒸汽等。热驱动热泵将余热本身温度和环境温度差作为驱动力工作，不用从外部投入能量，就可制取高温热源。即使现在有很多采取例，但对现在没有利用方法低温余热，假如使用热驱动热泵，可期待将其一部分能量用于分离、回收CO2，见图16。
  5研究开发体制
    研究开发体制和开发时间表分别见图17和图18。5．1研究开发目标
    (1)降低高炉CO2排旗量技术开发
    ●开发为减排CO2，用氢等作还原剂还原铁矿石反应控制技术，目标是降低高炉焦比；
    ●开发利用焦炉未利用余热(800％℃)，提升氢含量焦炉煤气改质技术；
    ●开发高炉用氢作还原剂时使用高强度、高反应性焦炭制造技术。
    (2)从高炉煤气中分离、回收CO2技术开发
    ●开发和从高炉煤气中分离、回收CO2相关化学吸收法和物理吸附法；
●推进扩大利用钢铁厂未利用余热，降低分离、回收CO2用能量技术开发。

现相关键炼铁工艺优缺点和研发方向

现相关键炼铁工艺优缺点和研发方向
周渝生，  钱  晖，  张友平，  李肇毅，  范建峰
(宝山钢铁股份企业宝钢研究院，上海00)
摘要：对现相关键炼铁工艺优缺点和研发方向做了简明评述。讨论了中国炼铁工艺差距和努力方向。在以后相当长时期内大型高炉步骤仍将是关键产铁设备，高炉步骤优化目标是用足设计炉顶压力，深入降低能耗，应经过开发以煤代焦新技术，将大型高炉入炉焦比降低到200 kg／t以下，节省焦炭等优质资源、改善环境保护。降低铁水成本，降低污染物排放量，实现炼焦厂、烧结厂清洁生产，建设生态型钢铁企业。直接还原炼铁工艺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下煤气，用于大中型直接还原竖炉或流化床生产优质直接还原铁。完善改善引进COREX一3000工艺，开发使用粉矿、粉煤技术设备，开展创新非高炉炼铁技术，形成有中国特色熔融还原工艺。
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    文件标识码：A    文章编号：0449—749X()02—0001一10
    作为国民经济支柱型产业，钢铁工业为中国经济发展作出了巨大贡献。同时，作为资源、能源密集型产业，炼铁工艺能源消耗占钢铁产品70％以上，是钢铁生产中资源、能源关键载体，也给企业节能、减排工作带来了很大压力。尤其是在强劲市场需求拉动下，中国粗钢产量达成了4．89亿t，占世界总产量1／3以上，所以怎样优化现有炼铁工艺，研发创新炼铁新工艺技术，实现钢铁工业节能、减排目标，是钢铁企业面临重大课题，本文试图经过对关键炼铁工艺评述，讨论以后炼铁工艺节能、减排努力方向。
1  现相关键炼铁工艺优缺点
1．1高炉炼铁工艺
    全世界生产生铁10．6亿t，95％以上是高炉步骤生产。中国产铁4．2亿t，4．69亿t铁，4．89亿t钢，3亿t焦炭。高炉步骤是现代钢铁生产步骤龙头。
    高炉反应器优点是热效率高、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，一代炉役产铁量可达5 000万t以上，能够说，没有现代化大型高炉就没有现代化钢铁工业大生产。在以后相当长时期内，高炉步骤在中国将继续是关键产铁设备，继续占统治地位。中国已完全掌握现代优异高炉技术，单位建设投资和生产成本相对较低。
    但现在大家对高炉工艺步骤有种种不满：一是高炉必需要用较多焦炭，而炼焦煤越来越少，焦炭越来越贵；二是环境污染严重，尤其是焦炉水污染物粉尘排放、烧结SO2粉尘排放，高炉CO2排放很高(图1)；三是传统炼铁步骤长，投资大；四是从铁、烧、焦全系统看反复加热、降温，增碳、脱碳，资源、能源循环使用率低，热能利用不合理。在炼铁工序结构优化中关键应抓好高炉步骤优化，高炉步骤优化关键目标是降低能耗，节省资源、改善环境保护。
相关高炉炼铁工艺步骤长短问题。5前最初高炉步骤也很短，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停进步结果。这和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升关键设备效率及产品质量是一个道理，只是高炉先走一步而已。问题是必需尽可能降低现有步骤工序能耗和污染物排放量。
    相关炼铁工艺使用焦炭问题。从世界范围看，炼焦煤资源确实较少，但中国总还是有部分储量，中国产煤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，比起当成通常化石燃料烧掉更合理。所以炼铁工艺不是不应该用焦炭，而是应该更珍爱使用，应该尽可能降低吨铁冶金焦耗用量。
    多年来炼铁工艺技术取得了重大技术进步，它关键表现在以下多个方面[1]。
    (1)高炉长寿技术。最近，炼铁工作者为延长高炉寿命，从重视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很多新技术和新工艺，取得了显著效果，优异高炉一代炉役(无中修)寿命可达以上。川崎企业千叶6号高炉(4500 m3)和水岛2、4号高炉全部取得了20年以上长寿实绩。日本矢作制铁企业361 m3高炉、岩手制铁企业150 m3高炉一代炉役寿命在20世纪90年代就达成了20年以上水平。最近大修部分高炉已将长寿目标定为30年。
    高炉长寿技术关键表现在全炉体装冷却器(壁)，从炉底至炉喉全部采取冷却器，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、自我保护无过热铜冷却壁，在此区域淡化耐材炉衬作用，依靠在表面形成稳定可再生渣皮来保护铜冷却壁；高效冷却设备和优质耐材炉衬有效匹配，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)高炉炉型设计理论新发展。增加炉缸死铁层设计深度(达成炉缸直径20％～30％)，降低炉缸内铁水环流对炉缸侧壁侵蚀。逐步减小高利用系数(炉役平全部有效容积利用系数大于2．2)、高煤比(炉役平均喷煤量达150 kg／t以上)、高炉炉腹角。对富氧大量喷煤强化冶炼高炉，高炉炉型设计中将炉腹冷却壁放置到风口前中心点向上1．22m×1．22 m及3．66 m×1．52 m炉腹上两点连线以外(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、降低入炉焦比达成新水平。宝钢特大型高炉早巳实现了连续6年以上年均喷煤220 kg／t，人炉焦比低于280 kg／t。实现高煤比关键技术是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经过能力程度有了明确认识[3]。限制高炉强化气体力学原因，是高炉内煤气经过能力，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、重钢等厂至上六个月利用系数最高月高炉操作数据，得到炉缸断面积和炉腹煤气量指数关系图(见图3)，据此定义了高炉炉腹煤气量指数，即单位炉缸面积上经过炉腹煤气量。
用提升鼓风量来提升高炉产量顺行是有上限，不能认为只要增加鼓风量就能高产。当原料条件改善，许可炉腹煤气量指数提升时，才有可能增产，不然会使高炉难以顺行。提升高炉产量正确手段是，应在靠近高炉所能够经过最大炉腹煤气量条件以下(71 m3／m2)，采取强化高炉冶炼方法。宝钢高炉强化是在降低渣量，低炉腹煤气量条件下进行。大型高炉空塔煤气流速范围约为3．0～3．2 m／s。
    (5)提升炉顶压力是降低燃料比、焦比及增产关键手段[3]。提升炉顶压力对降低燃料比、焦比及高炉增产有良好效果，早已得到生产实践反复证实，其原因可能有下列多个方面：①高炉炉内压力提升以后，使2CO=CO2＋C反应向缩小煤气体积方向移动，反应加速，有利于提升CO2浓度，使煤气化学能利用得愈加好，并有利于铁矿石间接还原反应进行；②提升炉顶压力最显著效果是因为煤气体积缩小，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，降低了炉况波动，保持稳定操作。在相同透气阻力系数下，高炉(或竖炉)能够接收更多炉腹煤气量，许可高炉接收更多风量，从而提升产量，改善冶炼指标，尤其是降低燃料比和焦比；③高炉风口鼓风动能和炉内煤气分布对应向着更合理分布方向改变，从而改善炉内气流分布，使煤气利用率提升，燃料比和焦比降低；④降低煤气流速，使炉尘吹出量降低，从而提升焦炭负荷和提升喷吹煤粉利用率，有利于降低燃料比和焦比。
    炉顶压力对高炉能够经过炉腹煤气量影响很大(表1)。所以，用足设计炉顶压力是大型高炉强化生产操作关键条件。
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，关键供电炉炼钢用。气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H2和CO作为还原剂将铁矿石中氧化铁还原成海绵铁。竖炉直接还原炼铁关键有Midrex法和HYL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氧化铁还原。直接还原优点是步骤短，没有烧结和炼焦工序，污染较少；缺点是对原料要求严，要用高端铁矿原料。大型气基直接还原炼铁必需要有丰富廉价天然气供给。回转窑要用灰熔点高、反应性好煤。所以，DRI生产成本比通常废钢价格高，故很多钢厂只是用DRI作为纯净原料配料来确保钢材质量，而不是作为通常废钢使用。因为这些原因，直接还原工艺即使是完全成熟，但受到资源条件限制，在大多数地域发展缓慢。
    用于处理和回收钢厂含锌铅粉尘直接还原炼铁工艺关键有转底炉(IDI—DRYIRON，图4，INMETCO，FASTMET)、川崎制铁MAIRZ回转窑、卢森堡PRIMAUS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。
    也有用小高炉处理回收钢厂含锌铅铬镍等重金属粉尘制成合金铁块(川崎制铁STAR炉，蒂森企业OXY—CUP炉，图5)。

隧道窑是欧洲开发专门用于生产高附加值粉末冶金铁粉关键工艺手段，其产品用于汽车家电复杂机械零件粉末冶金制品，美国普兰特一惠特尼企业用隧道窑生产IN一100高温合金粉末制成飞机发动机涡轮盘用于F16战斗机。
    因为正规设计直接还原隧道窑长达160～270 m，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企业固体碳还原铁粉工艺步骤见图6。现在中国外生产粉末冶金铁粉原料要求用低杂质含量，含铁达70％以上，隧道窑产出海绵铁粉含碳氧高，非金属夹杂物多，还要用氢气进行精还原脱氧脱碳，提升其铁粉质量达成国家标准水平。用低效率高能耗隧道窑来处理钢厂废粉尘或一般铁精矿粉生产高炉原料或炼钢原料级DRI是极不经济。
1．3熔融还原炼铁工艺
    熔融还原是一个发展中炼铁新技术，因为步骤短、环境保护好、排放污染物少，受到很多国家重视。现在已工业规模生产仅有奥钢联COREX工艺；正在进行试验、有期望实现工业规模生产有韩国FINEX法，澳大利亚HIsinelt法等。熔融还原产品是铁水、炉渣，开发熔融还原目标是替换高炉。和高炉步骤比，熔融还原特点是关键用煤，用焦极少或不用焦炭，所以能够不建焦炉，可全用氧气而不用空气鼓风，氧气消耗量大。COREX法可使用和高炉一样块状含铁原料，FINEX法、HIsraelt法可直接用粉矿作原料。现在南非、印度、韩国已经有4套设计年产能力70万t铁水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600 m3，耗煤约1050 kg，同时副产大量中热值煤气，其产出铁水成份和温度全部和高炉基础相同。
    COREX法是一个新已经工业化清洁炼铁技术，COREX利用了高炉炉缸及气基直接还原竖炉成熟设计，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进步，宝钢率先引进两套COREX一3000技术和设备是十分必需。COREX工艺最先成功但不一定是其中最好者。COREX法也继承了高炉部分根本性缺点：①不能100％直接使用粉煤、粉矿，必需使用块状原料；②对人炉块状原料理化性能有很高要求，提升了原料成本，使铁水成本升高；③在炉体中部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依靠稳定焦床保护炉缸，所以现在在生产COREX焦比均高于130 kg／t；⑤终还原熔化气化炉内料柱太轻，使保护炉缸内部出铁口端部炮泥泥包难以形成，给炉缸长寿维护带来困难。
    作为关键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等技术经验教训基础上深入改善和创新。所以，将依据中国具体条件，借助国家“十一五”科技支撑计划项目开发含有中国特色熔融还原新工艺。
    FINEX法是韩国浦项制铁和奥钢联合作，在COREX法基础上研发直接使用粉矿熔融还原新工艺。年产150万t铁水FINEX一3000装置于4月10日投产，设计日产4300 t，达成3800t，最近有30天达成了设计能力。浦项制铁不惜化费巨款开发FINEX新技术，总共投入了10．6亿美元，经过了研究开发，历经数次挫折和失败，在中国申请了224项专利，在20多个国家申请了58项专利，不停优化改善后，才得以完成年产150万tFINEX工业化生产试验。中国钢铁企业应该学习浦项制铁创新新步骤胆识和决心。浦项宣称到现在为止还没有考虑怎样推广或向海外转让技术，也不公开其年度工艺操作数据，所以，笔者认为FINEX工艺还未达成商业化生产指标，仍然是工业化示范工程装置。
    FINEX工艺关键技术是流化床还原技术，即经过流化床还原炉，使用COREX炉熔融气化炉制得还原气对粉矿进行还原，FINEX工艺为FINMET流化床+COREX熔融气化炉两种工艺设备组合。FINEX克服了高炉、COREX炉、直接还原竖炉工艺部分缺点：
    (1)FINEX工艺原燃料为资源丰富、廉价、极易取得铁粉矿(平均粒度在1～3mm，最大粒度＜8mm)，采取粉煤压块技术，现在仍然使用10％焦炭；
    (2)生产成本低。浦项制铁FINEX煤耗约在800 kg／t水平，POSCO认为FINEX比高炉步骤制造成本下降15％；
    (3)环境保护好，环境保护水平和COREX相当；
    (4)铁水质量和高炉、COREX炉相当。
    浦项宣称FINEX投资仅为其高炉步骤80％，但迄今投资尚不透明。认为其工艺可靠，以后设备利用率也可和COREX炉相当。该法使用宽粒度铁粉矿超大型多级流化床预还原工艺和650℃ DRI热压块工艺设备利用率、稳定性等钢铁界最关注焦点问题情况尚不清楚，所以，被大型工程项目采取技术经济可行性也还有待实践证实。
    HIsmelt法作为目前最具代表性铁浴法熔融还原工艺有以下关键特点
    (1)可全部使用粒度为一6 mm以下粉矿及粉煤，原料成本低，便于推广应用；
    (2)因为其炉渣含氧化铁高，有很好脱磷效果，很适合于冶炼高磷铁矿，这是区分于高炉和其它非高炉炼铁工艺关键特点；
    (3)产出铁水含磷低、碳低、硅锰含量为零、含硫高。不适合直接供传统炼钢步骤使用。要经炉外脱硫和添加硅铁、锰铁合金或和高炉铁水兑配，使其达成炼钢铁水成份要求(表2)；
表2  高炉、COREX、FINEX等技术生铁质量比较
    (4)因为炉渣含(FeO)高，炉衬腐蚀快，一代炉龄仅1年，设备利用率低；
    (5)因为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。
2  现有高炉炼铁步骤工艺改善方向
2．1  炼焦工艺努力方向
    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升装炉煤堆密度，从而提升弱粘煤和非炼焦煤炼焦百分比降低焦炭成本、风选破碎配煤工艺、煤调湿等。为了以煤代焦、降低入炉焦比，应强化不提升主焦煤百分比条件下深入提升焦炭热强度技术手段研究，深入降低炼焦工序能耗、控制炼焦污染，建设中国一流清洁生产焦炉。
2．2烧结工艺努力方向
    烧结机是高炉利用铁粉矿低成本炼铁关键手段，深入提升烧结利用系数增加烧结矿产能，经过技术创新最大程度地回收烧结环冷机烟气余热能；经过热烟气循环新技术降低燃料比和烧结烟气及粉尘排放量；针对烧结生产过程中多个污染排放严重环境污染问题，经过开发高效、低成本适合中国特点持久性有机污染物二恶英、SO2减排技术方法，经过调整烧结原料有选择地严格限制使用含氯、含油原料等技术方法，采取烟气脱硫等新技术大幅度降低烧结机SO2、二恶英污染物排放量，争取改变烧结机是钢铁厂二恶英、SO2和烟粉尘污染关键源头丑陋形象，建成世界最清洁生产烧结厂，提升烧结工艺生存力。同时要连续研发低成本配矿技术、低SiO2烧结技术、开发烧结人工智能控制系统。现在烧结机SO2、烟粉尘排放占钢铁企业排放总量50％～80％。因为会增加成本，将降低烧结机SO2、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、必需但有意义工作。
    能够借鉴或引进Outotek／SVAI研发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)技术优点有(见表3、4)：①有利于降低SOx／NOx排放；②烧结废气量降低40％～50％；③热废气抽回返用可节省固体燃料20％；④能够在对现在生产干扰最小情况下对现有设备进行改造；⑤可确保烧去烧结矿冷却机结矿产品质量。2．3高炉炼铁工艺努力方向
    最近高炉炼铁工艺在保持高炉顺行操炉技术、精料技术、200 kg／t大喷煤技术和高炉长寿技术方面成就斐然，宝钢特大型高炉技术经济指标达成了世界领先水平。差距在于强化冶炼后高炉“健康”情况还不太理想，炉身中下部和炉缸侧壁出现过温度过高困扰，从而使高炉维修量偏大、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，宝钢分企业高炉和德国蒂森相比生产率也有差距。在200 kg／t大喷煤和高产条件下实现高炉长寿是以后发展总趋势。高炉超高量喷煤技术研究(喷煤占燃料比二分之一以上)、长久稳定高煤比喷吹技术(年均220～250 kg／t)保持国际领先水平。研究在原燃料供给劣化形势下，怎样深入降低能耗、增产减排，开发含有高量喷煤、低燃料比、确保长久稳定运行高炉冶炼教授系统，开发特大型高炉干法除尘技术等。
    试验研究结果表明，炉顶还原气压力为0．6MPa比0．2 MPa竖炉生产率提升约1．1倍；还原气压力为1 MPa时竖炉生产率可比0．2 MPa提升约2．5倍(见图10)。而且炉顶压力提升还使系统压力损失大大降低。
众所周知，提升炉顶压力是降低燃料比、焦比及增产关键手段，但现在高炉最高设计炉顶压力仅为0．3 MPa，实际应用炉顶压力仅为0．20～0．25 MPa。炼铁设计研究人员对提升高炉炉顶压力工程问题研究工作视而不见或视为畏途是不明智。因为一样是加入球团和块矿HYL一3竖炉，10多年前就在0．55 MPa炉顶压力下实现了高效率大规模工业生产[4]。长久来，使用块煤制气固体排渣鲁奇煤气化炉也一直在2．0 MPa炉顶压力下稳定生产[5]，假如炼铁高炉最高设计炉顶压力为0．40 MPa或0．50 MVa或更高，从而可在比现在高出一倍生产率下生产铁水，现有高炉容积将可降低二分之一，所以，提议高压高炉关键技术研究应作为炼铁界专题重大攻关项目之一来开展。
    另外，怎样深入提升高炉非焦煤百分比，将入炉焦比降低到200 kg／t以下，也是炼铁生产和工程技术人员面临重大研发课题。
3  现相关键炼铁方法比较
    依据迄今为止发表过最好年均生产数据或示范工程最好试验数据，根据华东沿海地域钢厂铁矿石全部进口，煤焦全部由中国市场供给，工厂设备国产化率95％相同条件，对现相关键炼铁方法生产率、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。
 炼铁工艺技术发展总趋势：扩大使用粉矿、粉煤及非焦煤百分比，深入降低人炉焦比，尽可能降低工序成本，最大程度地降低单位产品能耗及污染物排放，实现清洁生产。
    20世纪90年代，中国在天津无缝钢管厂建成投产了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一竖炉结合BL法直接还原新工艺，但因为缺乏廉价充足天然气(煤气)供给，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和国际上有很大差距。
    依据中国资源条件及国际市场石油天然气最近连续涨价趋势，中国在直接还原炼铁工艺工业生产技术研究发展方向是：关键立足于非焦煤粉加压气化生产合成煤气及钢铁厂剩下转炉煤气、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替换废钢。
    11月在浦钢搬迁罗泾工程中，宝钢建成投产了COREX一3000熔融还原炼铁装置(图11)，现在正在建设第2台COREX一3000。宝钢引进COREX工艺节省了前期开发过程时间和资金投入，而且可在COREX基础上深入开发创新，有可能形成自主知识产权非高炉炼铁专有技术，为推进炼铁技术进步做出新贡献。
    和高炉法相比，现在COREX一3000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。还有较大技术创新空间。
    直接利用粉矿粉煤H[smelt法对钢铁界经营者有很大吸引力，但该工艺要实现工业化生产在热煤气利用、提升设备利用率及降低炉衬成本方面还有很长路要走，应在拥有丰富廉价高磷铁矿资源地域和企业强化对铁浴法熔融还原炼铁工艺及装置研究开发工作，因地制宜研制出适合中国国情低成本铁浴法熔融还原炼铁工艺。
 中国在非高炉炼铁工艺研究开发工作方面关键差距在于缺乏类似韩国浦项FINEX(图12)或HIsmelt影响很大原创性、有特色、开展过工业化试验或生产并拥有知识产权重大研究结果。宝钢在引进COREX一3000投产后，以克服COREX缺点即以使用粉矿、粉煤利用技术开发为突破口，并和氢冶金思绪相结合，在消化吸收完善COREX工艺设备基础上，进行技术创新试验研究，研发工作目标是发展熔融还原技术4   一个低焦比高炉炼铁新工艺
    中国发明专利10033923．1提出了一个低焦比高炉炼铁新工艺——将粉煤气化形成高温热煤气喷人高炉以煤代焦[6]，步骤图见图13。其关键特点是，将干粉煤在气化炉内进行加压气化，产生热煤气用净化脱除CO2后冷高炉煤气激冷到950～1050℃，然后喷人高炉炉身中部软熔带根部上面，使高炉炉料在抵达软熔带时金属化率达成90％～95％，这么可将大型高炉焦比降低到200 kg／t以下。
本方法避开了高炉炉腹煤气量指数限制，在低于炉料流态化流速下可经过提升还原气流速强化直接还原过程，使炉身达成靠近MIDREX高生产率，炉缸采取全氧喷煤强化熔炼，含有氧气化铁炉效率，生产率可望比传统高炉高出30％～50％。
    以前报道过多种高炉炉顶煤气喷吹工艺方案、欧洲钢铁业降低CO2排放ULCOS方案、高炉喷吹还原性气体专利，全部可能会被冶金煤气加热过程中400～800℃肯定发生严重析炭反应所部分煤气输出困扰而难以工程化。因本方法进入高炉前煤气温度在800℃以上，不会发生析炭反应。
    本方法充足利用成熟而已超大型化高炉技术，去掉了COREX高温区大量活动部件(DRI螺旋排料机、推料板＼煤旋转布料器)及十分复杂发生煤气处理系统和熔融气化炉上部调剂等自动控制系统，可达成比COREX更经济、更环境保护、生产率更高效果。
5  结语
    本文对现相关键炼铁工艺优缺点和研发方向做了一个简明评述。讨论了中国炼铁工艺差距和努力方向。
    在以后相当长时期内，热效率很高、技术设备已完善，大型化、长寿化高炉步骤在中国将继续是关键产铁设备，继续占据统治地位。在炼铁工序结构优化中关键应抓好高炉步骤优化，高炉步骤优化关键目标是深入降低能耗，节省资源、改善环境保护。
    高炉步骤发展方向是用足设计炉顶压力，节能降耗，节省使用焦炭等优质能源，降低生产成本，降低污染物排放量，实现炼焦厂、烧结厂清洁生产，建设生态型钢铁企业。
    高炉应千方百计降低高炉吨铁冶金焦耗用量，争取实现半煤半焦，目标是超越COREX，经过开发新以煤代焦技术，将大型高炉入炉焦比降低到200 kg／t以下。提升传统炼铁工艺竞争力和生存力。
    在直接还原炼铁工艺工业生产技术研究发展方面，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下煤气，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替换废钢工艺技术和装备研发，立即形成中国特色煤基大型直接还原铁生产技术。
    在宝钢引进COREX一3000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试验研究，研发工作目标是发展有中国特色熔融还原工艺，促进炼铁技术进步，发明世界领先水平新炼铁步骤。