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直接还原铁技术

供稿:工控网 2006/6/14 13:25:00

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直接还原铁是铁矿在固态条件下直接还原为铁,可以用来作为冶炼优质钢、特殊钢的纯净原料,也可作为铸造、铁合金、粉末冶金等工艺的含铁原料。这种工艺是不用焦碳炼铁,原料也是使用冷压球团不用烧结矿,所以是一种优质、低耗、低污染的炼铁新工艺,也是全世界钢铁冶金的前沿技术之一。
直接还原炼铁工艺有气基法和煤基法两种,按主体设备可分为竖炉法、回转窑法、转底炉法、反应罐法、罐式炉法和流化床法等。目前,世界上90%以上的直接还原铁产量是用气基法生产出来的。但是天然气资源有限、价高,使生产量增长不快。用煤作还原剂在技术上也已过关,可以用块矿,球团矿或粉矿作铁原料(如竖炉、流化床、转底炉和回转窑等)。但是,因为要求原燃料条件高(矿石品位要大于66%,含SiO2+Al2O3杂质要小于3%,煤中灰分要低等),规模小,设备寿命低,生产成本高和某些技术问题等原因,致使直接还原铁生产在全世界没有得到迅速发展。因此,高炉炼铁生产工艺将在较长时间内仍将占有主导地位。
1. 直接还原铁的质量要求
直接还原铁是电炉冶炼优质钢种的好原料,所以要求的质量要高(包括化学成份和物理性能),且希望其产品质量要均匀、稳定。
1.1 化学成份
直接还原铁的含铁量应大于90%,金属化率要>90%。含SiO2每升高1%,要多加2%的石灰,渣量增加30Kg/t,电炉多耗电18.5kwh。所以,要求直接还原铁所用原料含铁品位要高:赤铁矿应>66.5%,磁铁矿>67.5%,脉石(SiO2+Al2O3)量<3%~5%。直接还原铁的金属化率每提高1%,可以节约能耗8~10度电/t。直接还原铁含C<0.3%,P<0.03%,S<0.03%,Pb、Sn、As、Sb、Bi等有害元素是微量。
1.2 物理性能
回转窑、竖炉、旋转床等工艺生产的直接还原铁是以球团矿为原料,要求粒度在5~30mm。隧道窑工艺生产的还原铁大多数是瓦片状或棒状,长度为250~380mm,堆密度在1.7~2.0t/m³。
生产过程中产生的3~5mm磁性粉料,必须进行压块,才能用于炼钢。强度:取决于生产工艺方法、原料性能和还原温度。改进原料性能和提高温度有利于提高产品强度。产品强度一般>500N/cm²。
2. 直接还原铁产生工艺技术介绍
2.1 竖炉法
气基竖炉法MIDREX、HYL法直接还原铁产生中占有绝对优势,该工艺技术成熟、设备可靠,单位投资少,生产率高(容积利用系数可达8~12t/m³·d),单炉产量大(最高达180万t/年)等优点。经过不断改进,其生产技术不断完善,实现规模化生产。
(1) MIDREX技术
Midrex法标准流程由还原气制备和还原竖炉两部分组成。
还原气制备:将净化后含CO与H2约70%的炉顶气加压送入混合室,与当量天然气混合送入换热器预热,后进入1100℃左右有镍基催化剂的反应管进行催化裂化反应,转化成CO24%~36%、H260%~70%、CH43%~6%和870℃的还原气。后从风口区吹入竖炉。
竖炉断面呈圆形,分为预热段、还原段和冷却段。选用块矿和球团矿原料,从炉顶加料管装入,被上升的热还原气干燥、预热、还原。随着温度升高,还原反映加速,炉料在800℃以上的还原段停留4~6小时。新海绵铁进入冷却段完成终还原和渗碳反应,同时被自下而上通入的冷却气冷却至<100℃。还原铁的排出速度用出铁器调节。产品典型成分如下:
产品化学成分(%)
工艺/成分 Tfe ηFe SiO2 Al2O3 CaO MgO C P S
Midrex 91-93 92-95 2.0-5.5 0.5-1.5 0.2-1.6 0.3-1.1 0.7-2.5 0.07 0.01 -0.03
工艺多用球团和块矿混合炉料。球团粒度9-16mm占95%,球团冷压强度>2450N/球,块矿粒度10~35mm占85%;要有高软化温度和中等还原性;化学成分铁量要高,酸性脉石低(≯3%-5%),CaO<2.5%,MgO<1.0%,TiO<0.15%,S<0.008%。为放宽对矿石含硫要求,Midrex法改用净化炉顶气作冷却气。在冷却海绵铁的同时被热海绵铁脱硫,从冷却段排出后再作为裂化剂,可容许用含硫0.02%矿石。
现今Midrex法作业指标为:产品金属化率86%~96%,有效容积利用系数10 t/m³·d,能耗10.47GJ/t,电114kWh/t,水1.64m³/t。
Arex法是Midrex法的新改进,天然气被氧气(或空气)部分氧化后送入竖炉,利用新生热海绵铁催化裂化,省去了还原气重整炉。改进后吨铁电耗可降低50Kwh。
(2) HYL(罐式)法与HYL-Ⅲ(竖炉)法。
HYL法由4座罐式反应炉和1座还原气重整炉构成。该工艺作业稳定、设备可靠。产品含碳2%左右,不易再氧化,不发生炉料粘结;只因还原气要反复冷却、加热,系统热效率低,能耗偏高,气体消耗为20.93GJ/t;1975年后再没建新厂。
对HYL罐式法作出改革,保留原还原制备工艺,但将还原气重整转化与气体加热合一;4个罐式反应炉改为连续式竖炉,称HYL-Ⅲ竖炉法。
该工艺采用高氢还原气,高还原温度(900-960℃)和0.4-0.6MPa高压作业。改善还原动力学,加速还原发应;含硫气不通过重整炉,延长了催化剂和催化管使用寿命;还原和冷却作业分别控制,能对产品金属化率和含碳量进行大范围调节,产品平均金属化率90.9%、控制碳量1.5%-3.0%,质量稳定;配置CO2吸收塔,选择性地脱除还原气中H2O和CO2,提高还原气利用率;重整炉产生高压蒸汽发电。最低生产能耗为10.43-11.2 GJ/t,电耗90kWh/t。HYL(罐式)法已逐渐被HYL-Ⅲ(竖炉)法取代,合计产量占世界总产量的25%左右。
该法的新改进是天然气进入反应器直接裂解,生产高碳(3.8%)DRI产品。最近又推出HYL-Hytemp生产系统。将热还原铁(650℃)气力输送到电炉车间,喷入电炉。冶炼时间缩短,电极和耐火材料消耗降低,金属收率提高。吨钢电耗降低112kW·h,电极消耗降低0.55kg,冶炼时间缩短16min,产率提高16%,吨钢成本可降低4.6美元。
2.2 气基流化工艺
(1)F1NMEF工艺
该工艺使用<12mm粒度矿粉(脉石<3%,低硅高铁),在流化床上干燥,被加热到100℃,送入反应器结构顶端的闭锁料斗系统中,加压1.1MPa后,通过4个串联液化床反应器,铁粉在重力作用下从上方反应器向下流动,与作为还原剂的重整天然气逆向而行。产品含铁92%,金属化率92%~95%,含碳0.5%~3.0%,以FeC形式存在。现世界上已有三套这种装置,1999年奥钢联建第一套,第二套在西澳BNP公司,能力250万吨/年,埃及建的第三套,年能力115万吨。该工艺的优点成本低、质量好。
(1) Circored和Circofer工艺
两种工艺核心设备都包括一座循环液化床和一座普通流休床。Circored是用天然气为能源,Circofer以煤为能源。铁精矿粉是经过预热后(约900℃)进入循环流化床参加反应,使动力学条件得到改善,在4个大气压条件下,铁矿与氢在630℃时可被还原(在气体环路中加入部分氢)。
2.3转底炉法
将铁矿粉、钢铁厂含铁粉尘、煤粉和粘结剂按一定比例混合,压制成含碳球团矿,送入烘干机内进行烘干,脱除水份。将干燥的含碳球团均匀地铺在转底炉上(只铺一层),在高温1200~1400℃下球团矿内氧化铁与碳反应,放出CO,在炉膛内燃烧成CO2,并形成高温废气(在1000℃以上)。一般反应只要20分钟左右。
将废气收引出预热煤气(400℃)和助燃空气(900℃),低温废气从蓄热室和换热器引出,再去烘干生球团。这时废气温度在100℃左右。从节能角度看,能源利用效率较高。转底炉的高温气体由燃烧器来提供(使用煤气加热)。
转底炉可以处理含Zn、Pb高粉尘,可以避免配入烧结矿中后,在高炉冶炼过程中Zn、Pb的富集造成的负面影响。
目前的山西翼城,河南巩义已有外径为16.3米的转底炉,年产量在7万吨,金属化率达85%,每吨铁投资为182元。
2.4开发利用焦炉煤气,对含碳球团在竖炉内进行直接还原。焦炉煤气含55%左右的氢。在化学反应中,氢对氧化铁的还原率是最高的。目前,首钢准备开展这方面的工作。焦炉煤气要进行裂解,提高H2的含量,并要预热到930~950℃,在参与还原反应,反应后气体要脱除CO2,再循环利用。
用氢作还原剂存在的主要技术问题:
?H2还原铁的其它氧化物都是吸热反应,需要充足的热。在满足还原和供热的煤气的最佳H2含量为32.05%。
?富氢预还原会导致物料的粉结。采取分段供应富氢和非富氢供气制度。3. 直接还原铁发展现状
3.1 全世界直接还原铁发展比较快,2003年产量为4960万吨,2004年为5460万吨,2005年约为6000万吨。年增长率在10%以上。在直接还原铁生产工艺中,气基直接还原占92%。表1 各种直接还原铁生产所占比例 单位:%
年 MIDREX HYLⅢ HYLⅠ Finmet 其他煤基 其他气基
2003 64.60 18.40 1.30 5.20 10.20 0.40
2004 64.10 18.90 1.90 2.90 12.10 0.10 2004年委内瑞拉产量783万吨,印度937万吨,墨西哥654万吨,伊朗641万吨,俄罗斯314万吨,沙特341万吨,特立尼达和多哥236万吨,中国为43万吨。
3.2 中国情况
2005年中国生产直接还原铁为约50吨,而生产能为比产量要高出20%。主要是技术、原料、成本等因素影响。
全国现有30多个直接还原铁企业,其总生产能力约60万吨。总体上讲,规模小,生产成本高,缺少高品质的原料。多数企业用隧道窑反应罐法,生产工艺落后,能耗高,环境污染严重。
(1) 天津直按还原铁厂生产实践
2004年产直接还原铁33.2万吨,2005年约产34万吨,设备作业率在98%以上。
该厂是采用DRC法煤基直接还原生产工艺:两条φ5X80m回转窑----冷却筒----产品分选----成品。
使用巴西球团矿(含铁品位68%,SiO2+Al2O3约为2%)适宜配入煤和石灰石,进行混均,从回转窑给料端加入。窑体是倾斜安装,慢速旋转,使炉料朝卸料端运动,同时,矿石被加热和还原(注意温度控制在不要使脉石熔融,以免结圈)。煤作为热源和还原剂,一部分随铁矿石同时加入,另一部分从窑的卸料端喷入窑内。供煤所燃烧的空气,通过沿窑长度方向安装在窑壳上不同位置的风机由轴向吹入窑内。热的还原产品经过冷却筒冷却,然后筛分、磁选及风选,分离出非磁性物,得到成品。来自窑内的烟气经余热锅炉回收余热(产<

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