氣基豎爐直接還原煉鐵技術(shù)的發(fā)展
張奔，趙志龍，郭豪，全強(qiáng)，薛慶斌
( 中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京100176)
摘 要: 在分析國內(nèi)外直接還原鐵市場的基礎(chǔ)上，探討了氣基豎爐直接還原煉鐵技術(shù)發(fā)展的市場空間。在中國鋼鐵行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中，氣基豎爐技術(shù)由于具有節(jié)能環(huán)保和產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)的優(yōu)勢，將會成為我國非高爐煉鐵發(fā)展最重要的方向。從原料、產(chǎn)品、工藝特性、機(jī)械設(shè)備等方面對MIDＲEX和Energiron 2種氣基豎爐工藝進(jìn)行了綜合比較，探討了其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著技術(shù)進(jìn)步以及全球經(jīng)濟(jì)、資源、能源條件的變化，氣基豎爐技術(shù)正朝著設(shè)備大型化、氣源多樣化、礦源擴(kuò)大化的方向發(fā)展。
關(guān) 鍵 詞: 直接還原鐵；氣基豎爐；煤制氣； 釩鈦磁鐵礦
目前，全球煉鐵工藝的主體流程是高爐煉鐵工藝。雖然高爐煉鐵技術(shù)成熟、生產(chǎn)能力大、生產(chǎn)效率高，但在粗鋼產(chǎn)能嚴(yán)重過剩以及鋼鐵企業(yè)節(jié)能環(huán)保的壓力下，傳統(tǒng)長流程工藝面臨空前的壓力。
氣基豎爐直接還原煉鐵是非高爐煉鐵領(lǐng)域技術(shù)相對成熟、環(huán)境友好的生產(chǎn)工藝，其產(chǎn)品是廢鋼的替代物，是廢鋼殘留元素的稀釋劑。生產(chǎn)直接還原鐵不需要焦炭，省去了煤焦轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的能源消耗及廢氣排放，節(jié)能環(huán)保，能滿足現(xiàn)代化鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)日益增長的環(huán)境保護(hù)需要 ［1-3］ 。
典型的氣基豎爐直接還原煉鐵技術(shù)依賴于高品位鐵精礦和豐富廉價(jià)的天然氣資源。對于中國來說，“貧礦多、組分雜”的鐵礦資源特點(diǎn)和“多煤少氣”的能源結(jié)構(gòu)，并不適合發(fā)展該技術(shù)。但是，煤制氣直接還原技術(shù)的發(fā)展，為氣基豎爐技術(shù)在中國的推廣應(yīng)用提供了成熟條件，并且對目前中國鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級和節(jié)能減排具有重要的戰(zhàn)略意義。
1 直接還原鐵市場分析
根據(jù)MIDＲEX直接還原鐵全球產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，如圖1所示，直接還原鐵產(chǎn)量在近十幾年內(nèi)快速增長，由4000萬t增加到了7500萬t。國際鐵金屬協(xié)會(IIMA)日前稱，隨著未來采用電爐煉鋼工藝的持續(xù)增加，到2025年全球直接還原鐵產(chǎn)量預(yù)計(jì)將接近實(shí)現(xiàn)翻番，預(yù)計(jì)將會達(dá)到1 . 4 億t。
2014 年全球直接還原鐵的產(chǎn)量為7445萬t，比2013年減產(chǎn)297．7萬t。由于受到全球經(jīng)濟(jì)的影響，以及天然氣資源的限制，全球產(chǎn)量有所下降，但部分國家的產(chǎn)量仍然持續(xù)增長，例如印度增產(chǎn)117．4萬t、加拿大增產(chǎn)30萬t、阿根廷增產(chǎn)19．9萬t、卡塔爾增產(chǎn)12．9萬t、伊朗增產(chǎn)9．4萬t ［4］ 。
表1為全球直接還原鐵產(chǎn)量按區(qū)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果。其主要產(chǎn)區(qū)在中東、北非和拉丁美洲，而亞洲主要是印度( 1806萬t) ，可見直接還原鐵依然產(chǎn)自天然氣豐富的區(qū)域。直接還原鐵產(chǎn)量近3年一直增加的區(qū)域?yàn)橹袞|、北非和北美，而拉丁美洲的產(chǎn)量一直在減少，主要是受該區(qū)域經(jīng)濟(jì)下滑及天然氣資源供應(yīng)的影響。在亞洲和大洋洲區(qū)域，印度以外國家的直接還原鐵產(chǎn)量僅為70萬t，因?yàn)樵搮^(qū)域大部分國家的鋼鐵企業(yè)采用長流程工藝。
中國的粗鋼產(chǎn)量全球第一，2014年為8．23億t，占世界產(chǎn)量的49．5 %，但其中電爐鋼產(chǎn)量僅有10 %，而發(fā)達(dá)國家的電爐鋼達(dá)50 %以上 ［5］ ，可見電爐鋼發(fā)展空間巨大。中國電弧爐煉鋼的主要原料為生鐵塊和熱鐵水，而隨著鋼鐵行業(yè)“去產(chǎn)能”的結(jié)構(gòu)調(diào)整，小高爐的產(chǎn)能會大幅下降，生鐵塊的供給會嚴(yán)重緊縮; 并且電爐兌熱鐵水只是應(yīng)對廢鋼不足的臨時(shí)措施，其在能耗、排放和氧氣消耗方面均有弊端。相對于生鐵塊和熱鐵水，以廢鋼和直接還原鐵為原料，才應(yīng)是電爐煉鋼的主要發(fā)展模式 ［6］ ，并且國際電爐煉鋼的爐料要求配加20%～30%的直接還原鐵，用以稀釋廢鋼中的殘留元素。但目前我國直接還原鐵產(chǎn)量幾乎為空白，隨著電爐煉鋼的發(fā)展，未來中國將會產(chǎn)生約2000萬t的直接還原鐵產(chǎn)能缺口。由于氣基豎爐單臺設(shè)備產(chǎn)能大，自動化程度高，是彌補(bǔ)直接還原鐵巨大產(chǎn)能缺口最合適的工藝技術(shù)，因此氣基豎爐直接還原工藝將會成為我國非高爐煉鐵發(fā)展的最重要的方向。
2 種氣基豎爐直接還原工藝的比較
MIDＲEX氣基豎爐的產(chǎn)量占63．2 %，HYL /Energiron氣基豎爐產(chǎn)量占15．4 %。此2種工藝不僅是氣基豎爐直接還原技術(shù)的主體流程，而且是直接還原鐵領(lǐng)域的重要流程。
2． 1 原料和產(chǎn)品
表2為2種工藝對球團(tuán)礦和天然氣的要求，以及其產(chǎn)品HBI的特性。由表2可知，2種工藝對原料的要求相差無幾，均需要高品位的球團(tuán)礦和低硫的天然氣。而產(chǎn)品性能只是在碳含量方面有所差別，Energiron工藝產(chǎn)品的碳含量范圍相對更大一些。
2． 2 工藝特性
在工藝特性方面，2種工藝的差別比較大。其中MIDＲEX工藝的天然氣重整采用干重整的方式，氧化劑使用爐頂氣中的CO 2 ，因此爐頂氣處理流程中沒有脫碳裝置。重整爐產(chǎn)生的還原氣體中φ( H 2 ) /φ( CO) 為1．6左右。而Energiron工藝的天然氣重整采用濕重整的方式，氧化劑為水蒸氣，因此爐頂氣處理流程中有脫碳裝置，并且在氣體進(jìn)入加熱爐前有氣體加濕器。該工藝產(chǎn)生的還原氣體中φ( H 2 ) /φ( CO) 為3．5左右。
MIDＲEX工藝中有1 座天然氣重整爐，而采用自重整方式的Energiron工藝只有1座氣體加熱爐，天然氣重整在豎爐內(nèi)進(jìn)行。由于重整裝置獨(dú)立，還原氣體質(zhì)量的控制相對簡單些，但采用非天然氣時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)建造重整裝置；而Energiron工藝采用自重整，還原氣體的質(zhì)量控制相對困難點(diǎn)，但采用非天然氣時(shí)，不需要重新設(shè)計(jì)建造重整裝置，只要調(diào)整操作參數(shù)即可。
在豎爐操作方面，MIDＲEX工藝爐內(nèi)壓力為0．1 ～ 0．2MPa，而Energiron工藝豎爐內(nèi)壓力為0．5～0．55MPa。由于MIDＲEX工藝的還原氣體中CO含量較高，而CO的還原反應(yīng)為放熱反應(yīng)，為防止球團(tuán)的粘結(jié)，豎爐內(nèi)溫度為850～900℃；而Energiron工藝的還原氣體中CO含量較低，主要還原性氣體為H 2 ，H 2 的還原反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，因此豎爐內(nèi)溫度為900～950℃。
2． 3 機(jī)械設(shè)備
表3為MIDＲEX和EnergironⅢ工藝主要設(shè)備的數(shù)量。由于EnergironⅢ工藝豎爐內(nèi)高壓操作，其機(jī)械設(shè)備數(shù)量較多。其中用于加熱和熱交換的裝置就有天然氣重整爐、還原氣加熱爐、爐頂氣余熱鍋爐、鍋爐水加熱器和氣體加濕器。而MIDＲEX工藝的加熱和換熱設(shè)備相對就少了些，只有天然氣重整爐和煙氣換熱器。Energiron工藝大量的熱量利用裝置導(dǎo)致其工藝操作復(fù)雜、維護(hù)成本較高，但該工藝對整個系統(tǒng)的能量利用更加充分。
由于豎爐內(nèi)是高濃度的還原性氣體，不可泄露出爐外，以免發(fā)生危險(xiǎn)，因此爐內(nèi)本體進(jìn)出料均有密封裝置。MIDＲEX工藝采用氣體密封，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)出料，操作方便，但密封氣會進(jìn)入工藝氣中，導(dǎo)致工藝氣其中惰性成分增加； 而Energiron工藝采用機(jī)械密封，利用均壓罐進(jìn)出料，操作復(fù)雜，但保證了工藝氣成分穩(wěn)定。
通過2種工藝的原料、產(chǎn)品、工藝和設(shè)備比較，可見各有其優(yōu)勢和不足，在確定工藝路線時(shí)，應(yīng)根據(jù)自己的資源和能源條件、當(dāng)?shù)厮妰r(jià)格以及后續(xù)工藝生產(chǎn)要求等作出最合適的選擇。
3 氣基豎爐工藝的發(fā)展方向
3． 1 設(shè)備大型化
表4為2011年以來建成的產(chǎn)能大于100萬t/a氣基豎爐直接還原煉鐵裝置 ［7］ ?？梢?，無論是MIDＲEX工藝還是Energiron工藝，目前主要致力于建設(shè)大型豎爐裝置，尤其是美國紐柯鋼鐵公司于2013年投產(chǎn)的250萬t/a的大型裝置，其產(chǎn)能相當(dāng)于3200m 3 高爐。據(jù)報(bào)道，MIDＲEX公司也籌劃在阿爾及利亞建設(shè)250萬t/a的大型氣基豎爐裝置。如此規(guī)模的大型裝置不僅可彌補(bǔ)大型鋼鐵企業(yè)的生鐵產(chǎn)能缺口，且生產(chǎn)效率提高，單位投資成本降低，再加上低排放、清潔生產(chǎn)的優(yōu)勢，具備了與傳統(tǒng)高爐煉鐵流程競爭的能力。
3． 2 氣源多樣化
氣基豎爐直接還原技術(shù)依賴天然氣重整制備還原氣體，成為多年來限制該技術(shù)全球推廣的主要瓶頸。而近幾年隨著煤制氣或焦?fàn)t煤氣制備氣基豎爐還原氣體技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，使氣基豎爐的氣源有了多樣性的選擇，其適應(yīng)性更加廣泛 ［8-10］ 。
1999年，MIDＲEX公司在南非撒旦那基于COＲEX工藝產(chǎn)生的煤氣建設(shè)了1座氣基豎爐直接還原裝置。該工廠采用了年產(chǎn)80萬t的氣基豎爐直接還原工藝和年產(chǎn)65萬t的COＲEX熔融還原工藝，其中COＲEX工藝產(chǎn)生的煤氣94%作為氣基豎爐的還原氣 ［11］ 。通過該項(xiàng)目驗(yàn)證了氣基豎爐可以擺脫對天然氣的依賴，使用φ( CO)高于70%的煤制氣進(jìn)行生產(chǎn)。此外，印度ESSAＲ的5號、6號氣基豎爐也使用35%～50% 的COＲEX煤氣混合天然氣進(jìn)行氣體重整。
MIDＲEX公司采用天沃綜能的流化床煤制氣技術(shù)，開發(fā)了煤制氣直接還原技術(shù)MXCOL工藝。此外，MIDＲEX公司還采用魯奇煤氣化技術(shù)，于2014年在印度JSPL建立了年產(chǎn)200萬t的示范工廠 ［12］ 。目前中國山西也正在建造1套年產(chǎn)30萬t的氣基豎爐直接還原裝置，該裝置使用焦?fàn)t煤氣通過重整制取還原氣體。
3． 3 礦源擴(kuò)大化
氣基豎爐直接還原技術(shù)對鐵礦石要求較高，如表2所示，球團(tuán)的全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于65%，并且對球團(tuán)的粒徑、抗壓能力、耐磨性以及冶金性能都有具體規(guī)定。但是隨著高質(zhì)量鐵礦資源的短缺以及豎爐技術(shù)的發(fā)展，一些低品位復(fù)雜伴生鐵礦也逐漸成為其原料。
圖2為利用氣基豎爐技術(shù)的釩鈦磁鐵礦綜合利用工藝路線。釩鈦磁鐵礦球團(tuán)在豎爐內(nèi)進(jìn)行鐵氧化物的還原反應(yīng)，制得的DＲI在電爐內(nèi)進(jìn)行熔分深還原，對釩氧化物進(jìn)行還原，并且實(shí)現(xiàn)渣鐵分離。釩基本全部進(jìn)入鐵水，得到含釩鐵水； 鈦全部富集于渣中，得到高品位的鈦渣。含釩鐵水經(jīng)轉(zhuǎn)爐吹煉，得到釩渣和半鋼。該工藝可達(dá)到鈦回收率95%以上，鐵回收率90%以上，釩回收率75%以上，并且以潔凈的還原氣進(jìn)行還原，形成的鈦渣中添加的雜質(zhì)成分少，可制得具有經(jīng)濟(jì)效益的高品位鈦渣。
由于氣基豎爐內(nèi)還原溫度和還原氣氛的可控性，除了利用釩鈦磁鐵礦，還可以實(shí)現(xiàn)高磷礦或其他復(fù)雜伴生礦的高效利用 ［13-15］ 。
4 結(jié)語
1)在全球鋼鐵“寒冬”的背景下，尤其是中國鋼鐵企業(yè)面臨產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級時(shí)，氣基豎爐由于其節(jié)能環(huán)保和產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)的優(yōu)勢，未來將有廣闊的市場發(fā)展空間。
2)兩大氣基豎爐工藝MIDＲEX和Energiron各有其優(yōu)勢和不足，應(yīng)該根據(jù)資源和能源條件、當(dāng)?shù)厮妰r(jià)格、以及后續(xù)工藝生產(chǎn)要求等，因地制宜地選擇最具有經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)方案。
3)隨著技術(shù)進(jìn)步，以及全球經(jīng)濟(jì)、資源和能源條件的變化，氣基豎爐技術(shù)正向著設(shè)備大型化、氣源多樣化、礦源擴(kuò)大化的方向發(fā)展。
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