熔融还原炼铁技术分析与发展建议

2019-02-13 16:33:08 作者:huangj 来源: 浏?#26469;问?span id="hits">0 网友评论 0

现阶段熔融还原技术更加趋于成熟、理性,技术的趋向更加集中。开发熔融还原的目的就是向传统高炉流程提出挑战,降低碳排放和降低能源消耗,使炼铁生产变得更加清洁环保。
   庞建明,潘聪超,赵志民,邸久海,宋耀欣
  中国钢研科技集?#24222;?#38480;公司资源应用与合金材料事业部


  目前,欧盟启动了ULCOS项目、新一代熔融工艺Isarna、ULCORED先进的直接还原工艺流程以及铁矿石电解的研究[1];日本则启动了COURE50项目研究[2]。新一代炼铁技术的研究是以环境友好、节能减排、煤气循环利用为核心的。

  与传统的高炉炼铁方式相比,非高炉炼铁工艺具有投资小、能耗低、流程短、环保等特点。因此人们研究开发了多种非高炉炼铁法,这些方法包括直接还原法和熔融还原法。

  许多国家都在积极开发、研究熔融还原炼铁新工艺[3-5]。如奥钢联的COREX、韩国POSCO和奥钢联联合开发的FINEX、澳大利亚的Ausiron和Hismelt、俄罗斯的ROMELT、日本的DIOS、美国的AISI、?#20998;?#30340;CCF和CLEANMELT等。我国也早在上世纪60年代就开始展开熔融还原炼铁工艺的研究[6]。

  作为一个钢铁大国,我国应该在熔融还原工艺方面有长远的发展规划和相应的投入。我国的钢铁总量、资源特点和环境压力使熔融还原工艺有着非常广阔的应用前景。

  1 国际熔融还原技术发展

  早在20世纪20年代世界上已经开始对熔融还原技术的研究,早期的研究大多采用一步法,由于难以克服在熔炼过程中高FeO熔渣对炉衬的?#29616;?#20405;蚀和能耗高的原因,所以都以失败告终。

  20世纪80年代,发达国家(如德国、日本、美国等国)为谋求技术垄断地位,抢占21世纪钢铁工业技术制高点,相继投入大量人力、物力和财力,在国际上掀起开发煤基熔融还原炼铁新工艺的浪潮。

  熔融还原工艺分为一步法和二步法:

  一步法工艺:Romelt,Ausiron,Hismelt和Hisarna工艺是采用一步法的典型工艺。这些工艺几乎都没?#24615;?#36824;原过程,不能实现理想的逆向流动,而且由于压力有限,要求气体量要大,设备的容积要大[7-10]。

  在这些工艺中,矿石、熔剂和燃料被装进同?#29615;?#24212;器。所有的反应及矿石和熔剂的熔融都在这?#29615;?#24212;器中发生。所需的能量大多数是通过含碳燃料气化获得。在反应器中矿石被还原,渣和铁水靠重力分离。由于采用的是单?#29615;?#24212;器,熔化和还原反应及气化反应是发生在反应器的不同位置的。由于矿石被连续加入反应器中,渣中会含有很高的FeO,这?#31181;?#20102;脱硫,造成铁损。渣中FeO含量高,?#38405;?#28779;材料的侵蚀也很?#29616;兀?#30001;于采用水冷却板,导致了热量损失,这些都是一步法工艺存在的问题。

  两步法工艺:这些工艺生产金属化?#34432;?00%的海绵铁,然后在一个独立的熔化炉里或一个整合的熔融段将海绵铁熔化。这些工艺中以Fastmelt,ITmk3和以前的KR工?#25112;?#20856;型。采用的是逆向流动操作。

  熔融还原技术更趋于成熟、理性,技术的趋向更加集中,这就是主要采用二步法:预还原装置主要是竖炉、流化床、转底炉;终还原装置主要有半焦填充床、铁浴炉、电炉。熔融还原技术主要形成3大类型:一是以较高预还原度和半焦填充床为终还原炉相连接,低二次燃?#31456;?#30340;COREX、FINEX;二是低预还原度和竖式铁浴炉相连接、高二次燃?#31456;?#30340;HIsmelt;三是以铁碳球团通过转底炉还原,连接电弧终还原炉的Fastmelt、Itmk3技术等[10-14]。

  1.1 工业化的COREX工艺

  迄今为止,可以进行商业化生产的只有COREX,上世纪70年代末形成该工艺的概念流程,由德国Korf公司和奥钢联(VAI)合作开发,1981年在德国克尔(Kehl/Rhine)建成了年产6万吨铁水的半工业性试验装置(即KR法),先后进行了6000小时的各种试验,证明了工艺的可行性。1985年4月VAI与南非依斯科尔公司签约决定在Pretoria厂建造一座C-1000型的COREX装置,年产铁水30万吨,1989年11月10日正式投产。这是世界上第一套COREX熔融还原生产装置。经过约一年半?#23548;?#29983;产渐趋稳定,从1991年3月起已经可以高于设计能力10%稳定地运行。接着这一技术在世界上进一步推广:第二套C-2000型COREX装置(见图1)于1995年11月在韩国浦项(POSCO)建成投产;第三套C-2000型于1998年12月在南非萨尔达纳建成投产;第四、第五套C-2000型分别于1999年8月和2001年4月在印度京德尔公司建成投产。目前,除了第一套C-1000因原料运输成本过高而关闭外,其余4套C-2000型COREX装置都在生产运行中。2005年宝钢向奥钢联引进COREX技术并进一步扩容为C-3000,将其设计产能从80万吨扩大到150万吨/年,于2007年11月8日出铁,这将是世界上第一座大型的COREX炼铁炉,也是第六套COREX-3000型COREX装置(见图3);2011年3月28日第二座COREX-3000型COREX装置投产,这也是世界上第七座COREX-3000型COREX装置。但是由于原料存储、投资、技术掌握熟练程度等原因,其成本高于高炉。

  COREX技术发展?#20004;褚浦?#22823;型高炉的成熟技术逐渐增多,如耐材配置、冷却装置、局部的炉型、布料方?#38477;?#20351;其生产的稳定性大为提高,炉龄也有明显延长,产能进一步扩大,技术正逐?#38454;?#21521;成熟。工艺流程如图2所示。主体装置是预还原竖炉和熔融气化炉。块矿和球团加入到竖炉中,还原到90%以上的还原,通过螺旋排料器再进入熔融气化炉进一步还原和熔化,最终生产出合格铁水。主要指标为:综合煤耗500~650公斤固定碳/吨铁水,氧气消耗500~600立方米/吨铁,输出煤气的总能量为13G焦耳/吨铁水。

  

 
 
   图3 宝钢COREX C-3000
  

  客观分析COREX技术,其缺点主要体现在以下方面:

  a)生产效率偏低,设备利用系数仅为0.9吨/立方米.天,大大低于高炉的利用系数指标。其主要限制环节是预还原炉的生产效率偏低,造成预还原炉和终还原炉的生产效率很难匹配。

  b)对煤种有比较严格的限制,特别是煤种的结焦性、挥发份和固定碳等?#38382;?#35201;有合理的搭配,为保持较高的作业率仍需要10~20%焦炭;c)只能使用高品位块矿或球团矿,不能使用粉矿,原料来源受到限制。

  此外,铁水质量和炉龄与大型高炉相比还有一些差距,设备要比高炉复杂,由于引进技术、设备等因素,因而投资也就相对略高,输出副产煤气的合理利用也成为其是否具有经济竞争力的关键因素。

  1.2 进入示范性工厂试验的Hismelt技术

  ……

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