非高炉炼铁技术

钢铁产品是人类社会最主要的结构材料，也是产量最大、覆盖面最广的功能材料。在可预见的未来，钢铁产品仍将是一种非常重要且不可替代的材料。近年来，随着我国经济的快速稳定增长，钢铁工业得到了前所未有的发展，2005年我国粗钢产量已突破3亿吨，其中绝大部分来自高炉—转炉流程。高炉炼铁工艺历经数百年的发展，工艺已日趋成熟。即使如此，高炉工艺也存在一些问题：工艺流程复杂、能耗高、环境污染严重与投资庞大等。另外高炉工艺对冶金焦有很强的依赖性，然而从已探明的世界煤炭储量来看，焦煤仅占总储煤量的5%，而且分布很不均匀，因此高炉炼铁的发展面临着焦煤缺乏的困难。为解决这一困难，众多的非高炉炼铁技术就应运而生了，而且得到了较快的发展。
非高炉炼铁技术根据其工艺特征、产品类型及用途不同可以分为熔融还原和直接还原两大类。熔融还原法是以非焦煤为能源，在高温熔态下进行铁氧化物还原，渣铁能完全分离，得到类似高炉的含碳铁水。直接还原法则是以气体燃料、液体燃料或非焦煤为能源，在铁矿石(或含铁团块)软化温度以下进行还原得到金属铁的方法。其产品呈多孔低密度海绵状结构，被称为直接还原铁(ＤＲＩ)或海绵铁。
熔融还原
熔融还原法是20世纪20年代开始提出的。50年代研究开发的熔融还原法大多设想在一个反应器内完成全部熔炼过程，称一步法。但是由于还原反应产生的ＣＯ的燃烧热不能迅速传递到吸热的还原反应区，迫使熔炼中止而告失败。70年代以来普遍采用了两步法的原则：即将整个熔炼过程分成固态预还原和熔态终还原两步，分别在两个反应器内完成。其中最具重要意义的ＣＯＲＥＸ法是由ＫＯＲＦ和ＶＯＥＳＴ-ＡＬＰＩＮＥ在奥地利和德国政府的财政支持下联合开发的，目前已经进入工业化应用阶段。还有其它处于研究阶段的熔融还原流程，比如：ＨＩＳＭＥＬＴ、ＦＩＮＥＸ、ＤＩＯＳ、ＡＩＳＩ、ＣＯＩＮ等。下面将受到广泛关注的几种工艺进行简要的介绍。
1 ＣＯＲＥＸ
多年来，ＣＯＲＥＸ流程是唯一工业化的熔融还原流程，目前有数套ＣＯＲＥＸ设备在运行中，中国上海宝钢引进了一套ＣＯＲＥＸ-3000正在建设中。ＣＯＲＥＸ法工艺流程为，矿石的还原和熔融分别在两个炉子中进行，采用预还原竖炉及熔融气化炉分别对铁矿石进行还原和熔化。ＣＯＲＥＸ法预还原竖炉采用高架式结构，熔融气化炉产生的高温还原气被送入预还原竖炉，逆流穿过下降的矿石层。从还原竖炉排除的预还原矿石的还原率约为95%，料温为800～900℃。熔融气化炉的任务是熔化预还原矿石及生产还原煤气。
ＣＯＲＥＸ法的优点是：以非焦煤为能源，摆脱了高炉炼铁对优质冶金焦的依赖；对原、燃料适应性较强，生产的铁水可用于氧气转炉炼钢；生产灵活，必要时可生产高热值煤气以解决钢铁企业的煤气平衡问题；直接使用煤和氧，不需要焦炉及热风炉等设备，减少污染，降低基建投资，生产费用比高炉减少30%以上。

但是ＣＯＲＥＸ也存在一些不足，对矿石的质量要求较为严格，必须使用球团矿、天然块矿和烧结矿等中等均匀粒度的块状原料，不能使用磷含量高的矿石。另外ＣＯＲＥＸ要求使用块煤也是一个潜在问题。
由于当今采煤多已机械化，原煤中含粉率较高，且块煤在储运过程中，产生粉末是不可避免的。因此，ＣＯＲＥＸ需要解决粉煤的利用问题。ＣＯＲＥＸ煤的消耗量(吨铁约1000ｋｇ)远高于高炉流程，其最终能耗及操作成本很大程度上依赖于尾气的综合利用。
2 ＦＩＮＥＸ
因为ＣＯＲＥＸ使用的矿石粒度为8～30ｍｍ的块矿，大量廉价的粉矿不能直接利用，因此浦项钢铁公司和奥钢联共同开发了ＦＩＮＥＸ流程，用于粒度1～10ｍｍ的粉矿。ＦＩＮＥＸ的特点是采用多级流化床反应器代替ＣＯＲＥＸ的竖炉对铁矿进行还原。在流化床反应器中利用熔融气化炉提供的热还原气体对配合添加剂的铁粉矿进行还原。采用适当的气流速度，使炉料在流态化状态下进行还原。因此不存在炉料的透气性问题，可全部使用铁粉矿为原料。目前韩国浦项钢铁公司的ＦＩＮＥＸ演示设备已于2003年5月底投入生产，有望在近期内投入工业化生产。
ＦＩＮＥＸ工艺是两种成熟工艺的组合，即流化床工艺和ＣＯＲＥＸ的熔融气化炉工艺。其特点是：①不需要炼焦厂和烧结厂，从而节省设备投资和减少环境污染；②可使用粉状铁矿石和普通煤作为炼铁原料。从生产成本上看，粉矿的价格要比块矿低20%左右，普通煤比炼焦煤价格低约25%，因此其原料成本比较低廉。同时ＦＩＮＥＸ工艺也存在一些不足。ＦＩＮＥＸ方案固定投资较高，比高炉方案总投资约高20%。其燃料及动力费用也高于高炉，若要降低ＦＩＮＥＸ的成本，必须进一步降低吨铁的耗煤量。ＦＩＮＥＸ能够处理的矿粉是有选择性的，要求矿粉粒度1～10ｍｍ。由于ＦＩＮＥＸ采用了流化床工艺，将会出现粉料的粘结问题，致使其作业率<80%，从而影响操作的连续性和稳定性，流化床设备利用率较低(约0.5ｔ/(ｍ3?ｄ))；另外其设备磨损也较为严重。这些都是ＦＩＮＥＸ工艺进一步发展所面临的问题。
3 ＨＩＳＭＥＬＴ
ＨＩＳＭＥＬＴ(ＨｉｇｈＩｎｔｅｎｓｉｔｙＳｍｅｌｔｉｎｇ)技术是德国Ｋｌｏｃｋｎｅｒ和ＣＲＡ公司联合开发的。该流程可直接使用粉矿和煤粉冶炼。可向铁浴炉熔池中喷入煤粉，在其顶部吹入1200℃富氧热风，使炉内产生的煤气进行二次燃烧，产生热量满足熔池反应需要，终还原炉产生的还原性气体作为还原剂进入预还原系统。ＨＩＳＭＥＬＴ流程可直接将铁矿粉吹入熔融还原炉中，目前已完成中试，正向工业化迈进。2003年2月首钢参与投资的ＨＩＳＭＥＬＴ工厂(年产80万ｔ)在澳大利亚Ｋｗｉｎａｎａ开始筹建，已于2005年5月基本完成调试工作。
ＨＩＳＭＬＥＴ工艺可直接使用粉矿和煤粉，其熔融还原炉中产生强烈的搅拌并且温度很高，所以铁矿粉的还原速度很快，ＨＩＳＭＥＬＴ的另一个特点可处理廉价的高磷铁矿粉。由于熔融还原炉中采用较高的二次燃烧率，致使高温尾气的利用价值很低，只能用于预热粉矿。为了使尾气得到综合利用，ＨＩＳＭＥＬＴ拟采取添加天然气的方法，这样可使尾气用于发电，或用于预还原铁矿粉(还原率30%以下)。由于熔融还原炉内采用二次燃烧方式，致使炉内呈现氧化性气氛，严重侵蚀炉衬。炉子压力小于1ｋｇ，使煤气不能有效利用。另外，ＨＩＳＭＥＬＴ采用虹吸式出铁，不能保证铁水的温度。
直接还原
根据还原剂的不同可以分为气基和煤基直接还原工艺，气基直接还原依然主导着直接还原铁流程，2004年气基ＤＲＩ产量占总ＤＲＩ产量的88%。ＭＩＤＲＥＸ和ＨＹＬ-ＩＩＩ是最主要的气基直接还原工艺，它们将天然气转化成所需的还原剂，然后在竖炉中还原块矿或球团矿。其它主要的直接还原工艺还有ＦＩＯＲ(ＦＩＮＭＥＴ)、ＩＴＭＫ3、ＦＡＳＴＭＥＴ等。
1 气基直接还原工艺
采用气体作为还原剂的直接还原工艺发展较快的有ＭＩＤＲＥＸ和ＨＹＬ-Ⅲ工艺以及采用流化床作为反应器的ＦＩＮＭＥＴ和Ｃｉｒｃｏｒｅｄ工艺。
ＭＩＤＲＥＸ直接还原工艺是Ｍｉｄｒｅｘ公司开发成功的。它属于气基直接还原法，以天然气经催化裂解后得到的气体(主要成分Ｈ2、ＣＯ)为还原剂，在800～900℃还原铁矿得到海绵铁。ＭＩＤＲＥＸ法具有工艺成熟、操作简单、生产率高、热耗低、产品质量高等优点，因此在直接还原工艺中占统治地位。
但是ＭＩＤＲＥＸ也存在一定的局限性，首先是它要求有丰富的天然气资源作保障；其次ＭＩＤＲＥＸ的反应温度低，反应速度较慢，炉料在还原带大约停留6ｈ，在整个炉内停留时间在10ｈ左右。另外ＭＩＤＲＥＸ工艺要求铁矿石粒度适宜且均匀，粒度过大会影响ＣＯ和Ｈ2的扩散使反应速度降低；粒度过小，透气性差，还原气分布不均匀，一般小于5ｍｍ粉末的含量不能大于5%。同时对于铁矿石的品位要求也高，这是直接还原生产海绵铁的通病，对于矿石中的Ｓ和Ｔｉ的含量要求很严。
由于使用块矿或球团，生产能力相对较低，为了提高气基竖炉流程的生产能力，ＭＩＤＲＥＸ最近在竖炉中吹入少量氧气来提高还原气体及炉料的温度，研究表明：将料温从789℃提高到898℃，竖炉的生产能力提高了50%。
利用流化床作为反应器的ＦＩＯＲ(ＦＩＮＭＥＴ)工艺发展较快，另外利用循环流化床的Ｃｉｒｃｏｒｅｄ工艺也得到了广泛的关注。
在1976年，ＦＩＯＲ工艺被提出，它是利用流化床还原铁矿粉生产热压块铁的方法。利用该工艺在委内瑞拉建造的工业装置已经运行了25年，总产量超过了600万ｔ。在1991年，ＦＩＯＲ工艺得到了进一步的发展，ＶＡＩ和Ｅｘｘｏｎ公司在ＦＩＯＲ的基础上联合开发了一种新的炼铁工艺流程ＦＩＮＭＥＴ。该工艺使用的矿石粒度小于12ｍｍ。采用的仍为四级流化床反应器(第一级流化床温度为500℃，压力为1.1ＭＰａ；最后一级流化床温度为800℃，压力为1.4ＭＰａ)。热直接还原铁粉利用气流传输到热压系统直接得到热压块铁。还原所用的气体是由新生产的气体与循环气体组成。循环气体经过除尘后与新气体混合，再经过去除ＣＯ2，被预热到850℃后通入反应器中。
ＦＩＮＭＥＴ是目前唯一投入生产的粉矿直接还原技术。然而ＦＩＮＭＥＴ工艺还存在一些缺点，它的还原剂一般都采用天然气(每吨ＨＢＩ耗天然气约15ＧＪ)，因此只有在天然气价格低廉的地区才可能推广。同时它对矿石的要求也比较高，无法处理大量低品位的铁矿。ＦＩＮＭＥＴ采用普通的流化床工艺(ＦＢ)，气体流速较慢，生产能力较低(1.5～2ｔ/(ｍ3?ｄ))，而且还容易发生粘结现象，另外使用高压操作对设备及操作要求极高，这些都影响该工艺的进一步推广。
Ｃｉｒｃｏｒｅｄ流程在循环流化床(ＣＦＢ)中使用纯氢气还原粒度小于1ｍｍ的铁矿粉，研究表明，在650℃，铁矿粉停留15ｍｉｎ的还原率可达70%，为了提高整个流程的生产效率，还需要将ＣＦＢ出来的铁矿粉进一步在ＦＢ中使用氢气还原4ｈ达到95%的金属化率。但是它必须解决廉价氢气的来源问题，而且它仍然采用了普通流化床，随之而来的就是粉料的粘结问题。
2 煤基直接还原工艺
煤基直接还原工艺的研究热点是转底炉流程，其特点是在高温状态下在转底炉中实现铁矿的固态还原，目前已经产生一些变种流程，如ＦＡＳＴＭＥＴ和ＩＴＭＫ3流程等。ＩＴＭＫ3流程在美国能源部的支持下(200万美元)，已完成前期试验，这种流程可得到珠铁，它的吨铁综合能耗为615ｋｇ标煤(其中煤12ＧＪ，燃气6ＧＪ)。转底炉的优点是能够处理低强度的含碳球团，但高温尾气带走大量热量导致能耗过高。由于通过气体热辐射传热，转底炉内只能铺2～3层球团，导致设备利用率低下(～100ｋｇ/(ｍ2?ｈ))。
由以上对比可知，气基还原工艺具有冶炼温度低、能耗降低、产品质量好的优点，但是受我国资源特点的限制，难以在我国得到发展。转底炉的特点是可使用低强度的含碳球团，但是其能耗高、生产能力低、产品质量较差。
低温快速还原炼铁新技术
根据对炼铁工艺的深入研究和我国具体国情的分析，钢铁研究总院提出了低温快速还原炼铁新流程，即首先在高效球磨机中对铁矿粉进行细化和活化，然后在低温还原装置中进行快速还原。通过近几年的研究，开发了超细粉体催化低温冶金新技术，此技术充分结合了超细粉体和催化剂改善动力学条件的优势，因此能够更大幅度降低反应活化能、降低还原反应温度(降至700℃左右)，实现低温快速反应，是一种能耗低、污染少、资源利用率高的新型绿色冶金工艺流程。新流程可通过煤气化技术产生还原性气体，也可利用国内日益过剩的焦化煤气，不必像ＦＩＮＭＥＴ和Ｃｉｒｃｏｒｅｄ流程依赖天然气资源，符合我国的能源结构。新流程还可直接利用我国的铁精矿粉，省去造球工艺及相应的能耗。
钢铁研究总院发明了多级循环流化床反应器，不仅解决了普通流化床容易发生粘结现象，而且也大大提高了设备的利用率(可达50ｔ/(ｍ3?ｄ))，除此之外，新型反应器还能提高还原气体的利用率、降低过程能耗和固定投资等。新流程与其它炼铁流程的比较见表1，从表1可见，新流程的能耗远低于其它炼铁流程，ＣＯ2等废气排放量也将远低于其它流程。
表1　各种炼铁流程的数据比较
流程 能源构成 吨铁净能耗/GJ 电耗/KWh
低温快速还原 煤 9.3 200
高温转底炉 煤＋天然气 20.54
高炉炼铁流程 焦炭和煤 23
COREX流程 煤＋少量焦炭 26.2
Finmet 天然气 15 175
Hismelt 煤粉＋天然气 22.6（其中天然气2.2）

目前，低温快速还原新工艺得到国家支持，基本上完成了基础理论研究工作，正进行反应器研发及工艺研究，有望成为新一代炼铁新流程。
当今冶金界较为关注的非高炉炼铁工艺中ＣＯＲＥＸ、ＦＩＮＥＸ和ＨＩＳＭＥＬＴ流程都可以不使用焦煤，从而避免了炼焦工艺引发的环境污染。ＣＯＲＥＸ采用竖炉-熔融气化炉冶炼流程，ＦＩＮＥＸ采用流化床—熔融气化炉冶炼流程，而ＨＩＳＭＥＬＴ采用铁浴还原，因而就决定了这些流程的特色和适应范围：ＣＯＲＥＸ必须使用块矿，ＨＩＳＭＥＬＴ和ＦＩＮＥＸ则可用粉矿；成熟的竖炉气基还原工艺是ＣＯＲＥＸ流程工业化的重要保障，粉体流化床由于粘结等问题尚未完全解决、铁浴炉二次燃烧和炉衬侵蚀之间的固有矛盾注定了ＦＩＮＥＸ和ＨＩＳＭＥＬＴ实现的难度远高于ＣＯＲＥＸ流程。ＣＯＲＥＸ和ＦＩＮＥＸ流程产生大量高热值的还原性尾气，尾气利用的途径将决定工艺的经济性，而ＨＩＳＭＥＬＴ高温低热值尾气却成为工艺的“鸡肋”。
各种气基还原工艺都能在较低温度下生产海绵铁或热压块，竖炉流程(ＭＩＤＲＥＸ，ＨＹＬ-ＩＩＩ)比流化床流程(ＦＩＮＭＥＴ)成熟，因此竖炉流程依然主宰着气基还原工艺，气基还原流程目前都要使用天然气资源，很难在我国得到发展。
转底炉流程可使用低强度的含碳球团，给煤基直接还原流程注入新的活力，但其能耗高、生产效率低、产品质量差将会制约它的发展。
目前，世界各国都在进行试验研究，把非高炉炼铁工艺作为钢铁工业技术革命的措施，努力寻求新的突破。为了跟上国际钢铁工艺技术革命的步伐，我国亦有必要加强这方面的研究开发工作。基于这种情况，钢铁研究总院提出了新型低温快速还原新工艺，实现低温快速反应。该工艺可利用国内日益过剩的焦化煤气或煤气化得到还原性气体，不必依赖天然气资源；还可直接利用我国的铁精矿粉，省去造球工艺及相应的能耗。故此是一种能耗低、污染少、资源利用率高的新型绿色冶金工艺流程，目前处于研究开发阶段，具有很好的发展前景。