环境和谐型炼铁工艺技术开发日本.docx

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环境和谐型炼铁工艺技术开发——日本COURSE50
1  COURSE50概要
    日本钢铁工业的能源效率达到世界最高水平, 为防止地球变暖, 减排CO2做出了很大贡献。今后, 要在全球范围进一步减排CO2, 关键是技术开发。从长远看, 革新性的技术开发是根本对策。
     5月, 日本前首相安倍晋三发表了”美丽星球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。”创新的炼铁工艺技术开发(COURSE50)”就是为实现这一目标的革新性技术之一。
    COURSE50(CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking process by innovative technology for cool Earch 50)是经过抑制CO2排放以及分离、 回收CO2, 将CO2排放量减少约30％的技术。2030年将确立此项技术, 2050年实现应用及普及。
    该项技术开发的第一步( ～ 财年)主要是应征新能源产业技术开发机构(NEDO)的研究开发计划。该机构的”环境和谐型炼铁工艺技术开发”已正式经过。
    COURSE50——开拓新的未来, 新一代炼铁法的开发终于启动了。COURSE50流程示意图见图1。
2  减排CO2技术
    用氢作还原剂还原铁矿石, 产生H2O, 减少CO2的排放量。氢作还原剂炼铁工艺示意图见图2。
2．1氢还原机理
    一般情况下, 如果用CO气体还原铁矿石, 就会产生CO2。而用氢作还原剂的炼铁法只产生H2O, 因此, 能够说是非常有利于环保的炼铁法。两种还原方法对比见图3。
2．2氢还原的特点
    传统的高炉炼铁法是利用CO气体作还原剂, 去除铁矿石中的氧(还原)。
    CO气体的分子大, 因此, 难以渗透到铁矿石内部。H2气体的分子极小, 能够很容易渗透到铁矿石内部, 其渗透速度约是CO气体的5倍。因此, 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的直接还原炼铁法(由铁矿石直接还原成固体铁的方法)。可是, 缺乏天然气的日本不能采用这种直接还原炼铁法, 而且, 也很难制取廉价的H2, 因此, 当前高炉炼铁法中还没有采用H2还原技术。
    3分离、 回收CO2技术
    3．1化学吸收法的开发
    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、 回收高纯度的CO2的技术。化学吸收法流程图见图5。
  化学吸收法适用于从常压气体中分离、 回收大量的CO2。可是, 应用于炼铁工艺还是开发的初始阶段, 必须解决几个问题。因此, 在COURSE50计划中将30t CO2／d规模的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)减少能耗(开发新吸收液, 有效利用由炼铁工艺中获得的能量);
    (2)定量化分离、 回收CO2技术对炼铁工艺影响。
    3．2运用实验方法和计算方法开发新吸收液
    充分运用量子化学、 统计数据处理等计算方法和实验方法, 致力于新吸收液的开发。同传统吸收液相比, 该吸收液可大幅度降低分离、 回收CO2所需的能量, 是高性能化学吸收液。新吸收液开发步骤见图8。
 3．3物理吸附技术的开发
    物理吸附法是经过在流体分子和吸附剂表面之间工作的范德瓦尔斯力选择性地将CO2吸附在吸附剂里, 采用减压操作, 高纯度、 高回收率分离、 回收吸附的CO2的技术。
    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及大规模的煤气处理, 这在目本也是初次尝试。
    在COURSE50计划中将3t CO2／d规模的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的, 规模化技术的开发。物理吸附法示意图见图9。
4支持COURSE50的技术
    4．1焦炭改良
    使用氢还原, 降低高炉焦炭使用量, 有望减少CO2排放量。另一方面, 在焦炭用量减少的情况下, 仍能维持铁矿石还原反应所需的炉内透气性, 就需要高强度焦炭。
    由于氢还原时的吸热反应, 高炉内温度降低, 需要能够与之对应的高反应性焦炭。新开发的高性能粘结剂具有高软化熔融性和膨胀性, 将焦炭用配煤颗粒间的空隙填满压实, 有提高焦炭强度的效果。利用这种效果, 能够提高以前不能使用的高反应性煤的配煤量, 能够制造具有高强度和高反应性两种特性的焦炭, 见图10。
   4．2提高焦炉煤气的氢含量
    ●开发的必要性
    从外部采购高炉还原铁矿石使用的氢时, 在制造氢的场所会产生CO2;    
    ●现状
    钢铁厂生产焦炭时产生的焦炉煤气中含有50％以上的氢, 当前是作为钢铁厂内的燃料煤气有效利用;
    ●未利用能的开发利用
    开发利用钢铁厂未利用的能, 经过改质焦炉煤气中的焦油来提高氢含量, 并与焦炉煤气中的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的催化剂;
    ●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的过程中, 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的富氢煤气(焦炉煤气), 进一步提高心含量。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、 高效率减少CO2排放量的炼铁法。焦炉煤气改质示意图见图11。
4．3开发利用未利用的余热
    日本的钢铁厂已将炼铁工艺中产生的大部分余热作为蒸汽和电力回收利用。在这些世界最尖端的能源利用技术和节能技术的基础上, 致力于新技术的开发, 将传统技术中不能对应的未利用的余热有效用于分离、 回收CO2。钢铁厂余热回收现状见图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的CO2, 需要新的蒸汽和电力等。如果从外部采购这些能源, 生产这些能源又会产生CO2。因此, 本开发中将研究当前技术上或经济上仍很难利用的钢铁厂未被利用的余热, 积极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的热能, 回收、 供给钢铁厂内未利用的高温余热是有效的。
    因此, 在由1200～1600℃高温熔融: 状态钢渣制造渣制品的过程中, 进行回收钢渣显热的技术开发。开发的关键点是提高余热回收效率的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所用的电能的技术开发。世界上已有回收100％: 左右余热的低温余热发电的实施例, 见图14。可是, 在设备成本、 余热回收效率方面还存在问题, 仍没有达到普及的程度。经过技术开发解决以下问题:
         ●经过探索低热发电系统的低沸点媒介物, 来提高余热回收效率;
●     降低发电设备的成本及体积的技术开发。
(3)PCM(潜热蓄热材)的利用
    在化学吸收法中, 未利用的中低温余热作为从吸收液中分离出CO2的热能有效利用。将这些中低温余热高效回收(蓄热)、 运输、 释放(放热)的方法, 预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, 是能够高密度蓄热的物质。．在用车辆等运输收纳在绝热容器中的PCM过程中, 热损失少。将陆续发生的余热和其它场所一点一点发生的余热积蓄收集在PcM蓄热介质中, 有望作为分离、 回收CO2的能源利用, 见图15。
    在COURSE50计划中, 预计进行扩大利用温度范围(高温)的高输出功率直接热交换潜热蓄热、 输送技术的开发。
    (4)热泵的利用
    为了将中低温余热作为化学吸收法所需的热源有效利用, 预计进行热泵利用技术开发。热泵是由能量(动力、 热)作甩, 产生出温度差的装置。升温幅度小的情况也可期待高效率, 因此, 主要用于由高温排水制取低压蒸汽等。热驱动热泵将余热本身的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。虽然现在有许多采用例, 但对当前没有利用方法的低温余热, 如果使用热驱动热泵, 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)的利用
    在化学吸收法中, 未利用的中低温余热作为从吸收液中分离出CO2的热能有效利用。将这些中低温余热高效回收(蓄热)、 运输、 释放(放热)的方法, 预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, 是能够高密度蓄热的物质。．在用车辆等运输收纳在绝热容器中的PCM过程中, 热损失少。将陆续发生的余热和其它场所一点一点发生的余热积蓄收集在PcM蓄热介质中, 有望作为分离、 回收CO2的能源利用, 见图15。
    在COURSE50计划中, 预计进行扩大利用温度范围(高温)的高输出功率直接热交换潜热蓄热、 输送技术的开发。
    (4)热泵的利用
    为了将中低温余热作为化学吸收法所需的热源有效利用, 预计进行热泵利用技术开发。热泵是由能量(动力、 热)作甩, 产生出温度差的装置。升温幅度小的情况也可期待高效率, 因此, 主要用于由高温排水制取低压蒸汽等。热驱动热泵将余热本身的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。虽然现在有许多采用例, 但对当前没有利用方法的低温余热, 如果使用热驱动热泵, 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)的利用
    在化学吸收法中, 未利用的中低温余热作为从吸收液中分离出CO2的热能有效利用。将这些中低温余热高效回收(蓄热)、 运输、 释放(放热)的方法, 预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, 是能够高密度蓄热的物质。．在用车辆等运输收纳在绝热容器中的PCM过程中, 热损失少。将陆续发生的余热和其它场所一点一点发生的余热积蓄收集在PcM蓄热介质中, 有望作为分离、 回收CO2的能源利用, 见图15。
    在COURSE50计划中, 预计进行扩大利用温度范围(高温)的高输出功率直接热交换潜热蓄热、 输送技术的开发。
    (4)热泵的利用
    为了将中低温余热作为化学吸收法所需的热源有效利用, 预计进行热泵利用技术开发。热泵是由能量(动力、 热)作甩, 产生出温度差的装置。升温幅度小的情况也可期待高效率, 因此, 主要用于由高温排水制取低压蒸汽等。热驱动热泵将余热本身的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。虽然现在有许多采用例, 但对当前没有利用方法的低温余热, 如果使用热驱动热泵, 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)减少高炉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的反应控制技术, 目的是降低高炉焦比;
    ●开发利用焦炉未利用余热(800％℃), 提高氢含量的焦炉煤气改质技术;
    ●开发高炉用氢作还原剂时使用的高强度、 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
    ●开发与从高炉煤气中分离、 回收CO2有关的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。

现有主要炼铁工艺的优缺点和研发方向

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 00)
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, 应经过开发以煤代焦的新技术, 将大型高炉的入炉焦比降低到200 kg／t以下, 节省焦炭等优质资源、 改进环保。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一3000工艺, 开发使用粉矿、 粉煤的技术设备, 开展创新非高炉炼铁技术, 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    文章编号: 0449—749X( )02—0001一10
    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, 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, 本文试图经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。
1  现有主要炼铁工艺的优缺点
1．1高炉炼铁工艺
     全世界生产生铁10．6亿t, 95％以上是高炉流程生产的。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5 000万t以上, 能够说, 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。
    但当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SO2粉尘排放, 高炉的CO2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、 改进环保。
关于高炉炼铁工艺流程长短问题。5 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。自从创造了冶金焦炭、 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 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。
    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 , 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 以上。川崎公司千叶6号高炉(4500 m3)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361 m3高炉、 岩手制铁公司的150 m3高炉一代炉役寿命在20世纪90年代就达到了20年以上水平。最近大修的部分高炉已将长寿目标定为30年。
    高炉长寿技术主要体现在全炉体装冷却器(壁), 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150 kg／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1．22m×1．22 m及3．66 m×1．52 m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经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, 即单位炉缸面积上经过的炉腹煤气量。
用提高鼓风量来提高高炉的产量顺行是有上限的, 不能认为只要增加鼓风量就能高产。当原料条件改进, 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经过的最大炉腹煤气量的条件以下(71 m3／m2), 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3．0～3．2 m／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重复证明, 其原因可能有下列几个方面: ①高炉炉内压力提高之后, 使2CO=CO2＋C反应向缩小煤气体积方向移动, 反应加速, 有利于提高CO2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, 炉内透气性改进, 透气阻力系数降低, 从而降低了阻损, 改进高炉顺行, 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)能够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, 改进冶炼指标, 特别是降低燃料比和焦比; ③高炉风口的鼓风动能和炉内煤气分布相应向着更合理分布的方向变化, 从而改进炉内气流分布, 使煤气利用率提高, 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经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。
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H2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—DRYIRON, 图4, INMETCO, FASTMET)、 川崎制铁的MAIRZ回转窑、 卢森堡的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(川崎制铁的STAR炉, 蒂森公司的OXY—CUP炉, 图5)。

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, 其产品用于汽车家电复杂机械零件的粉末冶金制品, 美国普兰特一惠特尼公司用隧道窑生产IN一100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160～270 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公司的固体碳还原铁粉工艺流程见图6。当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, 隧道窑产出的海绵铁粉含碳氧高, 非金属夹杂物多, 还要用氢气进行精还原脱氧脱碳, 提高其铁粉质量达到国标水平。用低效率高能耗的隧道窑来处理钢厂废粉尘或普通铁精矿粉生产高炉原料或炼钢原料级DRI是极不经济的。
1．3熔融还原炼铁工艺
    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。当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FINEX法, 澳大利亚的HIsinelt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法可使用和高炉同样的块状含铁原料, FINEX法、 HIsraelt法可直接用粉矿作原料。当前南非、 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600 m3, 耗煤约1050 kg, 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, 因此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一3000技术和设备是十分必要的。COREX工艺最先成功但不一定是其中最佳者。COREX法也继承了高炉的一些根本性的缺点: ①不能100％直接使用粉煤、 粉矿, 必须使用块状原料; ②对人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, 因此当前在生产的COREX焦比均高于130 kg／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。
    FINEX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FINEX一3000装置于 4月10日投产, 设计日产4300 t, 达到3800t, 最近有一个月达到了设计能力。浦项制铁不惜化费巨资开发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tFINEX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。浦项宣称到当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FINEX工艺尚未达到商业化生产的指标, 依然是工业化示范工程装置。
    FINEX工艺的核心技术是流化床还原技术, 即经过流化床还原炉, 使用COREX炉的熔融气化炉制得的还原气对粉矿进行还原, FINEX工艺为FINMET流化床+COREX的熔融气化炉两种工艺设备的组合。FINEX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＜8mm), 采用粉煤压块技术, 当前依然使用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比高炉流程制造成本下降15％;
    (3)环保好, 环保水平与COREX相当;
    (4)铁水质量与高炉、 COREX炉相当。
    浦项宣称FINEX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。
    HIsmelt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)可全部使用粒度为一6 mm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);
表2  高炉、 COREX、 FINEX等技术的生铁质量比较
    (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。
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
    烧结机是高炉利用铁粉矿低成本炼铁的核心手段, 进一步提高烧结利用系数增加烧结矿产能, 经过技术创新最大限度地回收烧结环冷机的烟气余热能; 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, 经过开发高效、 低成本的适合中国特点的持久性有机污染物二恶英、 SO2减排的技术措施, 经过调整烧结原料有选择地严格限制使用含氯、 含油原料等技术措施, 采用烟气脱硫等新技术大幅度减少烧结机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和烟粉尘污染主要源头的丑陋形象, 建成世界最清洁生产的烧结厂, 提高烧结工艺的生存力。同时要持续研发低成本配矿技术、 低SiO2的烧结技术、 开发烧结人工智能控制系统。当前烧结机SO2、 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、 必要但有意义的工作。
    能够借鉴或引进Outotek／SVAI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)技术的优点有(见表3、 4): ①有利于减少SOx／NOx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能够在对当前生产干扰最小的情况下对现有设备进行改造; ⑤可保证烧去烧结矿冷却机结矿产品质量。2．3高炉炼铁工艺的努力方向
    近 来高炉炼铁工艺在保持高炉顺行的操炉技术、 精料技术、 200 kg／t的大喷煤技术和高炉长寿技术方面的成就斐然, 宝钢特大型高炉的技术经济指标达到了世界领先水平。差距在于强化冶炼后的高炉的”健康”状况还不太理想, 炉身中下部和炉缸侧壁出现过温度过高的困扰, 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200 kg／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220～250 kg／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、 增产减排, 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0．6MPa比0．2 MPa的竖炉生产率提高约1．1倍; 还原气压力为1 MPa时竖炉生产率可比0．2 MPa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。
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, 但当前高炉的最高设计炉顶压力仅为0．3 MPa, 实际应用的炉顶压力仅为0．20～0．25 MPa。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HYL一3竖炉, 10多年前就在0．55 MPa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2．0 MPa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0．40 MPa或0．50 MVa或更高, 从而可在比当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。
    另外, 如何进一步提高高炉的非焦煤比例, 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。
 炼铁工艺技术的发展的总趋势: 扩大使用粉矿、 粉煤及非焦煤比例, 进一步降低人炉焦比, 尽可能降低工序成本, 最大限度地减少单位产品的能耗及污染物排放, 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的BL法直接还原新工艺, 但由于缺乏廉价充分的天然气(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 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。
     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), 当前正在建设第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, 当前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。还有较大的技术创新空间。
    直接利用粉矿粉煤的H[smelt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。
 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FINEX(图12)或HIsmelt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一3000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4   一种低焦比高炉炼铁新工艺
    中国创造专利 10033923．1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人高炉以煤代焦[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CO2后的冷高炉煤气激冷到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200 kg／t以下。