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现代化钢铁工业基地如何选择炼铁流程

王泽憨，张波，李学金，吕宇来

(中冶京诚工程技术有限公司)

摘 要：本文对目前流行的几种主要非高炉工艺流程特点及其最新改进、发展作了简要阐述，并与高炉流程在多个层面上进行了分析比较、筛选回答了国内现代化钢铁工业基地炼铁工序流程的选择问题；针对当前国内高炉低碳炼铁的课题提出了简要看法。

关 键 词：炼铁流程；选择；富氢还原；低碳

1 前言

在钢铁工业技术不断更新、产能快速增长的形势下，新建一个现代化的钢铁工业基地，炼铁工艺流程应该如何选择?当今钢铁产业又面临越来越严格的节能、环保要求，尤其在全球气候日趋变暖提出低碳经济这一世界性课题的大环境下，需要我们用智慧认真对待，回答这一问题。

追朔钢铁技术发展的历史得知：高炉炼铁是在替代了原来的直接还原法(块状炼铁法)之后使钢铁工业获得巨大发展，其间，高炉炼铁技术本身也随之不断进步并达到现在比较完善的程度；高炉+转炉流程也随之成为当今钢铁生产的典型流程、主导流程。

钢铁工业的快速发展，紧接着焦炭供应日益紧缺，炼焦资源日趋匮乏，加之低碳技术的要求，又迫使我们不得不重视非高炉炼铁技术。

非高炉炼铁技术发展到现在可工业性生产或接近进入工业性生产的不多，而进入能大工业生产并已商业化比较成熟的工艺流程更少，只不过10余种。

2 几种非高炉炼铁工艺流程

2．1 COREX与FINEX流程(熔融还原工艺)

2．1．1 COREX与FINIX流程和高炉流程之间的关系

如图1所示^[1]，COREX与FINIX流程可粗略地看作把高炉切成两半的反应器：两个流程的上部为预还原设施；下部为熔融气化炉，担负着~10％的剩余还原和熔化成液态铁水的任务，制造还原气是其主要功能。COREX流程上部为预还原炉，来自熔融气化炉的非二次燃烧的CO和H₂用来预还原球团矿或块矿，可达到90％的金属化；金属化(~90％)料通过预还原炉下部的特种螺旋给料器输送到熔融气化炉熔化成铁水；FINEX工艺在C—2000基础上增设了几级流化床反应器和热压块设施，而预还原炉兼作储料仓和加料仓。粉状矿物料通过三级或四级流化床，完成铁矿粉预热、预还原过程，予还原后的铁粉压块并以热压块形式热送到预还原炉再下加到熔融气化炉完成终还原并熔化成铁水。

COREX与FINEX流程是使用煤作为主要燃料的工艺，工艺用煤通过装料系统直接装入熔融气化炉后与鼓入的氧气进行燃烧反应生成高效还原气体。为维持好生产，尚需加入占燃料比15~20％焦碳，随着COREX大型化，焦比有增加的趋势。目前运转的COREX焦比130~250kg/thm；FINEX工艺采用了煤压块技术，焦炭用量稍少些。

与高炉—焦炉—烧结流程比，由于不建烧结、焦化，外购球团和焦炭，所以污染排放物相对少些。

COREX与高炉炉体比较，炉体总高度较高。以C—2000为例，炉顶框架顶标高~107m与宝钢4000m³级高炉炉顶框架顶标高相差无几；由于FINEX工艺增设流化床塔及为流化床上料的料仓等设施，使FINEX比COREX又更上了一层楼。

另外，它们的上料系统必须设2套，一套为预还原炉上料(FINEX为热输送机)；另一套为熔融气化炉上料；它们鼓风都为100％富氧，风口寿命短、破损严重。

2．1．2 COREX与FINIX改进流程

为提高竞争能力，COREX与FINEX流程一直在不断改进，尤其近期在节能减排方面的改进^[1]，以COREX流程为例(如图2所示)，主要项目：

(1)熔融气化炉增加了喷煤系统设施。

(2)气体循环系统增设了CO₂分离设施，优化了炉顶煤气循环系统并减少了炉顶煤气量。

(3)增设LRI系统设施，充分利用还原气的还原能力生产低金属化率(~50％)炉料供高炉炼铁生产用。

2．2 天然气基MIDREX与HYLⅢ流程(直接还原工艺)

2．2．1 天然气基MIDREX流程

MIDREX(如图3所示)^[2]工艺流程由三大部分组成：

(1)从原料到还原铁的生产流程：原料进入竖炉后靠重力下行，在炉内预热带、还原带与上行的还原气接触被预热、还原并流到竖炉底部从排料口排出。炉料在炉内总停留时间10~12小时，在还原带停留5～6小时，炉料在固体状态下还原成海绵铁，金属化率达92％，含碳量0．5～2．5％。还原铁依据与冶炼车间的距离大小可采用热联、热传送带或热输送罐输送到冶炼车间装入电炉或其他冶炼炉，也可以压成团块、冷却后入库存储。

(2)气体循环流程，它是M法的最重要部分，其关键是回收炉顶煤气中在竖炉内未反应的CO、H₂并利用炉顶煤气中的CO₂将天然气的CH₄裂化、转化为CO、H₂。还原气被加热到750~850℃后，以压力~0．1MPa，1800Nm³/t产品的流量送入还原竖炉，还原气中50％的CO和H₂来自炉顶煤气。

(3)海绵铁含碳量控制：在竖炉还原带下部，炉气对还原铁渗碳形成碳化铁(碳在还原铁中的存在形式)。通过控制炉内温度与炉气成分来控制海绵铁的含碳量。

2．2．2 天然气基HYLⅢ(ENERGlRON)流程

HYL法发展到HYLⅢ(现称ENERGIRON)与MIDREX法没有太大差别。该过程由还原竖炉，还原气系统和用于(特定情况下)冷态海绵铁生产的冷却系统组成。还原气体由处理后的合成煤气和循环煤气组成。

还原气系统对合成煤气适当转换和脱除炉顶煤气中CO₂、H₂O以使循环利用达到最优化。系统中加热设施把还原性气体加热到930℃后送入还原竖炉。

产品按用途分DRI一直接还原铁冷态排料；HBI一直接还原铁热态排料和压块以及HYTEMP铁热态卸料气力输送到炼钢厂作为电炉炉料。

为适应节能降耗提高竞争能力的需要，直接还原流程同样作了相应改进^[2](图4示出MIDREX改进流程)：增设CO₂分离设施，以达到减排CO₂和其他有害气体目的并可减少天然气耗量，降低生产成本。

2．2．3 发生炉煤气(或焦炉煤气等)+MIDILEX或HYLⅢ流程

图5示出发生炉煤气+MIDREX流程例^[3]，供竖炉的还原气源是煤在煤气发生炉气化后(气化生成的粗煤气经过洗涤—除尘—转换—脱CO₂后)产生的合成气。该流程适用于天然气资源缺乏，煤资源丰富的地区建设。表1列出了MIDREX还原竖炉对合成气的技术要求^[3]，除了可以采用发生炉煤气外也可采用焦炉煤气或COREX熔融还原流程的输出煤气，如南非撒旦那钢厂(123×10⁴t/a热轧卷)MIDREX工艺就是采用COREX熔融还原炉的输出煤气。

2．3 其他非高炉炼铁流程

2．3．1 RHF+熔化炉流程(图6所示)

MIDREX直接还原公司与神户制钢公司开发的以煤炭为还原剂的FASTMET过程：先将铁矿石粉和煤粉混合后制成球团，尔后把球团装到转底式炉(RHF)的炉床上，球团在炉床旋转的条件下，加热到1250~1350℃进行还原，还原过程需要6~12分钟，在温度大约为1200℃下生产的直接还原铁(DRI)从RHF连续排出，它以非炼焦煤为主要还原剂，可以不用焦炭。工厂不需要建设焦化和烧结设施，但需建设球团设施。FASTMET工艺生产出来的直接还原铁在专用电炉或转炉内熔炼成铁水的工艺为FASTMELT工艺。流程的核心设备RHF即转底炉，以RHF为主又有多种演变与组合，IDP过程^[4]就是其中之一。

这套工艺设施可用以再生钢铁厂的含铁废弃物生产直接还原铁，同时，还可除去废弃物中的锌，生成副产品—粗氧化锌(粉末状)。

2．3．2 ITmk3工艺流程

ITmk3工艺^[5](见图7)已在美国明尼苏达州(投资2000万美元，年产2．5万吨)开始生产，即把含碳球团放在转底炉(RHF)上，用1400℃左右的高温快速加热，在氧化铁快速还原的同时，使碳渗入铁中，并在反应的最后阶段使铁和渣熔融，分离出脉石成分。采用这种工艺所生产的粒铁(含全铁量96~97％)不含渣，而含碳、处理性好，有望降低炼钢成本。

2．3．3 HISMELT工艺流程

HISMELT熔融还原工艺流程^[6](图8所示)是使用粉矿(或其他含铁粉料)和非炼焦煤生产铁水的工艺。原料通过水冷喷枪，以氮气为载气，直接喷入立式熔融还原炉内，在熔池中快速反应，还原铁氧化物的同时产生CO和H₂，富氧35％的热风(~1200℃)从炉子上部通过水冷喷枪吹入，使熔池中的CO、H₂有效的进行二次燃烧，以获得大量的热能，使熔池中的还原反应进行完全。炉底、炉内生成的铁水连续地从前置炉的铁口排出，可由铸铁机铸块或作为炼钢生产用铁水。炉渣定期从炉内排出，可冲水渣，也可放干渣。工艺过程产生的煤气用于矿粉预热，经除尘、脱硫和冷却后可作为热风炉燃烧用的燃料，部分多余的煤气外供。

该工艺最大特点是用以处理高磷矿，但其铁水含硫高，如需降低铁水含硫，就得采用炉外脱硫设施脱硫，另外，渣中未还原铁高。

SRV立式熔融还原炉，熔池砌有耐火材料，上部炉墙为水冷壁。炉体寿命~18个月；但其换衬量不大(因为炉子砌筑量小)。

2．3．4 俄罗斯Romelt流程

该流程(见图9所示)由莫斯科钢研院开发并取得发明专利，日本新日铁取得商业化设计和供货许可。Romelt流程^[7]为一步法熔融还原炼铁生产工艺，其主要特点：

(1)直接使用≤25mm粉矿、钢铁厂粉尘和廉价的≤10mm非焦煤，厂内不需建设焦炉和造块设施。

(2)Romelt流程的铁得率95％；二次燃烧率74％。

(3)该流程还存在长期、连续生产的可行性问题。

2．3．5 巴西TECNORED流程^[8](见图10)

该工艺是采用冷固、自还原球团(或压块)的炼铁法。这种球团(或压块)由铁矿粉或含铁废弃物与焦粉、煤粉、木炭粉或含碳废弃物依合适比例配料并混入熔剂和粘结剂制成球团或压块后，在干燥炉内经养护、固化处理，生产出具有一定强度，可满足该工艺物理、冶金性能需要的球团(或压块)，予还原后在特殊设计的竖炉即TECNORED炉中熔化。由于炉子矮，可使用廉价的固体燃料诸如生石油焦、煤、半焦等，热风(混冷风)鼓风且不富氧。该工艺不需要炼焦、烧结和制氧，所以投资与运行成本比传统流程低。

TECNORED炉可熔化多种金属料如返回料、金属切削物、难熔废钢，加入的低金属化率的DRI转换成液态铁水，利于铁氧化物终还原和DRI内脉石分离、成渣。这使其产率提高，能耗及成本降低。

2．3．6 高炉与非高炉炼铁工艺流程比较

2．3．6．1 几种主要炼铁工艺流程技术参数比较要炼铁工艺流程技术参数比较

上述比较表为国外公司Hatch所作，有个别地方欠妥(如表中粒度单位μk有误)，但可作为参考。

2．4 几种主要炼铁工艺流程的当前状况

(1)全球有1000多座高炉，产能从年产30万吨到440万吨铁水。

(2)COREX流程生产能力从年产80万吨到年产150万吨铁水，世界上有5台运转。

(3)FINEX流程世界上仅有一台在南韩Posco生产运转，年产量150~104t／a。

(4)天然气基Midrex和HYLⅢ流程世界上有许多台。

(5)煤基Midrex和HYLⅢ流程世界上仅有一台运用类似发生炉煤气的一种还原气的示范性装置即南非Saldana Steel(ArcelorMittal)，厂采用COREX熔化制气炉产生的还原气。

(6)回转窑／熔化炉联合流程在世界上有几套，例如新西兰钢厂和南非的Highveld厂。

(7)转底炉/熔化炉联合流程全球有几套，如在美国Iron Dynamics(Indiana，USA)和Inmetco(USA)两个厂的装置以及在日本有三台转底式炉用于处理废弃物。

(8)ITmk3流程，2009年9月第一套工业化装置进入商业化阶段并连续运转，另外两套装置分别在美国和哈萨克斯坦建设。

(9)Tecnored流程处于工业试验或示范工厂阶段(巴西)，该厂设计年产量为30×104t／a。

(10)Hismeh在世界上第一个也是惟一一个处于历时三年提升阶段的工业规模厂—澳大利亚Kwinana厂；据近期报道，该工艺又有较大改进趋向。

(11)Romelt流程的第一个工业生产厂正在缅甸建设，设计年产量为20×104t／a。

3 炼铁流程选择与高炉低碳技术

3．1 几种炼铁流程竞争能力分析与筛选

3．1．1 从技术可靠、成熟性以及资源条件方面筛选

现代化钢铁工业基地必须选用成熟、可靠的技术流程。Romeh，Hismelt，Technored还没有工业规模的试验、考验，存在着较大的技术风险，所以，这三个流程可首先筛除。

从国内资源条件出发：我国是个相对缺油，少气(天然气)而多煤尤其可供炼焦的煤资源相对丰富的国家，我们从国外采购油、气的同时把生产的焦炭远销到美国、德国、南非等世界各地。虽然天然气基直接还原流程比较成熟，也可以大大减少CO₂排放量，但在我国现有条件下依靠使用大量的天然气是不现实的。换言之，天然气基的直接还原流程即天然气基Midrex、HYLⅢ不适合我们目前国情，亦应排除在外。

3．1．2 从生产规模、投资、设备寿命分析筛选

就生产规模而论，高炉单炉产能适应的范围与最大产能的优势是其他流程无法相比的。≥5500m³巨型高炉产量~480×104tHM／a，进一步优化或能达到~500~104tHM／a。而高炉绝大多数设备又可以立足国内，投资成本相对较低。

高炉生产工艺成熟、可靠，现代化大型高炉设计一代炉龄≥15年，这可大大降低维修生产费用并可使钢铁厂均衡、平稳的生产运行。

其他任何流程在单炉最大产能方面与巨型高炉比，都不是一个数量级；另外，生产技术与大部分工艺设备和重要辅助设施需要从国外引进，建设投资高、投资回收期长。在生产作业率、炉子寿命等方面比也远不如高炉流程，其维修费用也相对较高。

3．1．3 从原燃料要求、单位产品消耗，生产成本分析筛选

直接还原法是块矿、球团矿在固态、低温条件下的还原过程，产品还原铁含碳低且不含硅、锰等元素并保存了矿石中的脉石，该法对原料要求相对比较严格，需要使用高品位矿。

熔融还原过程与高炉流程相比，对原燃料的要求也比较苛刻。为提高产率，COREX必须使用品位较高的块矿和球团矿；FINEX虽能直接使用矿粉状料(平均粒度1、3mm，最大粒度<8mm)，但不能用铁精矿粉；另外，熔化制气炉炉缸与高炉炉缸相似，必须有个稳定的焦炭床，当前运转的COREX焦比130～250Kg/tHM，FINEX采用了煤压块技术，焦炭用量稍少些。因此，不论COREX还是FINEX的工序能耗都比高炉要高。

在原燃料紧缺的现在，决定了对原燃料要求苛刻的非高炉流程的生产成本一般都比高炉流程高。

3．1．4 从产品质量，环保与CO₂减排方面分析筛选

高炉与非高炉流程比较有很好的脱硫动力学条件，采用低硅操作技术，生铁质量高([Si]≤0．3％，[S]≤0．03％)。

对高炉流程提出环保质疑点主要在焦化和烧结环节上，如果焦化、烧结环节再进一步加大环保力度，高炉流程在环保方面不比COREX和FINEX流程差，CO₂排放也会进一步再降低。再者，若抛开经济因素，高炉也可以和熔融还原流程一样全部使用高品位的球团矿+块矿作入炉料，采用高富氧率+高喷煤量，这将无疑会进一步降低燃料比并和COREX、FINEX流程一样砍掉了来自焦化、烧结环节上的污染源，污染物排放也将随之大大降低。此时，高炉流程在环保方面会优于COREX和FINEX流程。

直接还原流程(天然气基MIDREX与HYLⅢ流程)与高炉流程相比，在环保方面前者更为清洁，尤其在CO₂排放量方面。因为流程中设有CO₂脱出与处理系统，所以，CO₂排放量比高炉流程低。

3．2 21世纪具有较强竞争能力的炼铁流程与技术指标

通过前面几个层面上的分析比较、筛选，不难得出结果：现代化钢铁工业基地炼铁工序

应首选高炉流程，该流程也最为适宜国内资源等方面的具体条件。为了充分挖掘高炉炼铁工艺的潜能，进一步节能降耗把CO₂排放量降到最低，在以高炉为主导流程的前提下，应吸纳非高炉炼铁工艺流程中的一些技术优势来辅助高炉炼铁流程，使其具有更强的竞争能力。

21世纪，高炉具有较强竞争力的关键是千方百计降低铁水成本，而低成本的铁水的目标是靠高炉先进的生产操作实现的。对此，欧洲高炉炼铁工作者提出了以下技术指标[9]：

—低焦比(<300kg/tHM)

—大喷煤量(煤比>200kg/tHM)

—高富氧率(鼓风氧含量>30％)

—高生产率(工作容积利用系数>3．0tHM／m³WVd)

—稳定高炉操作(作业率>95％)

—一代炉役寿命=20年

当然，高炉精料是实现上述先进指标的基础：保证原、燃料质量，合理的炉料结构和与之相适应的系统设施，尤其应千方百计提高入炉料品位。在铁矿资源紧张的当下，提高入炉品位就需创造条件在入炉料中配加部分金属(回收)料，如北美高炉炉料结构中一般配入5~10％转炉渣、球团粉末(压块)、回收金属料等。另外，配加HBI或LRI即低金属化率(~50％)直接还原铁料以提高入炉品位也是未来很好的选择，该技术措施将会给高炉带来产量提高、焦比与煤比降低的可观效果，如北美AK Steel Mid．3BF吨铁炉料中配加>200kg/tHM的HBI和预处理的金属回收料^[12]，高炉利用系数达3．8tHM／m³WVd，北美地区最高。

3．3 高炉炼铁低碳技术

有关高炉炼铁低碳技术问题另有“对国内低炭炼铁技术的探讨”一文，在此不做重复性论述，仅简要述及如下几点：

(1)还原剂富氢应作为低碳炼铁的技术路线，为此，高炉除采用富氧—大喷煤量操作外，还应喷吹一些其他的富氢系燃料。受国内资源条件所限，可选择除重油、天然气以外的富氢系还原剂如焦炉煤气、废塑料等。

(2)高效、合理利用钢铁企业副产煤气尤其含氢较高的焦炉煤气，对钢铁企业焦炉煤气进行重整并将重整后的富H₂煤气用于直接还原。大型钢铁联合企业采用该工艺可实现副产煤气的优化配置与高效利用，利用该工艺生产的质量高的直接还原铁，可代替废钢用于炼钢，而金属化率低的产品可用于高炉炉料，提高高炉入炉品位，减少CO₂的排放量。

(3)把非高炉炼铁流程的CO₂分离回收技术用于高炉流程，实现高炉煤气的循环再生、利用，既实现了高炉煤气的高效利用，又实现了CO₂的减排，如果再加上CO₂捕集封存技术，可大大减少CO₂排放量。

(4)喷吹废塑料是高炉生产节约资源，降低成本的有效技术手段；同时可以充分利用生活垃圾中废塑料的热能和化学能，解决废塑料填埋难以降解和“白色污染”问题并可有效地减少炼铁系统温室气体排放，减轻环境负荷。总之，高炉喷吹废塑料好处多多，在许多低碳炼铁的项目中是近期开发颇为靠谱的技术，应积极推动国内各个方面达成一种共识、齐心协力，尽快实现高炉喷吹废塑料技术的实施。

4 结语

现代化钢铁工业基地之炼铁工序应以高炉流程为主导，同时应吸收非高炉流程中的一些技术特色。另外，可把直接还原作为辅助流程，充分发挥高炉、非高炉流程各自的优势，实现上述21世纪具有较强竞争能力高炉的技术经济指标。

精料是高炉低碳炼铁的重要保证，也是实现21世纪较强竞争能力高炉技术指标的有效措施。提高原、燃料质量，尤其千方百计提高入炉料品位，在炉料中配加部分金属(回收)料或LRI(低金属化率直接还原铁)料以更有效的降低燃料比和提高产率。

低碳炼铁对高炉流程来说是挑战也是机遇。首先，大型钢铁联合企业可优化配置高效利用企业内部副产煤气，加大采用还原剂富氢的力度；另一方面，高炉除加大喷煤量外，混喷油、天然气以外的富氢还原剂如喷吹焦炉煤气、废塑料等；再者，吸取非高炉流程的CO2分离回收技术用于高炉，实现高炉煤气的循环再生利用。

5 参考文献

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