近年，世界粗鋼產(chǎn)量隨著亞洲的經(jīng)濟成長而持續(xù)增加?，F(xiàn)代煉鐵法的主流是高爐法，但高爐法為了提高其效率而必須大型化，并且需要環(huán)境負(fù)荷大的燒結(jié)設(shè)備和煉焦?fàn)t。作為替代高爐法的煉鐵法，有MIDREX法所代表的氣基還原鐵冶煉法，但氣基還原鐵冶煉法需要大量的天然氣，所以地區(qū)選定受到限制。在上述背景下，對于今后的煉鐵法而言，如下的期待正在日益高漲：1)降低能耗與環(huán)境負(fù)荷；2)減少投資費用與運行成本；3)適應(yīng)寬泛的原料與能源。為了回應(yīng)這樣的期待，神戶制鋼與Midrex技術(shù)公司共同開發(fā)了3種煤基直接還原煉鐵法———FASTMET、FASTMELT和ITmk3。這些方法可以用世界各地富存的鐵礦粉和煤炭生產(chǎn)高質(zhì)量的鐵源，例如DRI(直接還原鐵)、鐵水和粒鐵。它們的能耗與環(huán)境負(fù)荷與當(dāng)今普遍使用的大容量高爐法不相上下。
   
    煤基還原冶煉法
   
    1 煤基還原鐵冶煉法的定位
   
    作為煤基還原鐵冶煉法的FASTMET、FASTMELT、ITmk3是使用世界上較為大量存在的粉礦石和煤炭的方法。
   
    2 工藝流程
   
    鐵礦石和作為還原劑的煤炭預(yù)先混合，并被成型為球團或壓塊狀的團塊化混合物。這種團塊化混合物供給RHF(轉(zhuǎn)底爐)，在RHF內(nèi)被還原。團塊化混合物在RHF的爐床上鋪一層或兩層予以加熱。在FASTMET、FASTMELT法中，爐內(nèi)加熱到1250～1350℃，以直接還原鐵的形式排至爐外，而在ITmk3法中則加熱到1450℃，在爐內(nèi)還原、熔融而以粒珠的形式排至爐外。
   
    對FASTMET法來講，可以做成高溫還原鐵和經(jīng)冷卻做成低溫還原鐵，或者以HBI(熱壓團塊鐵)的形式來利用制品還原鐵。FASTMELT法是將還原鐵熔煉爐組合到FASTMET法中的方法，把RHF排出的高溫的鐵裝入還原鐵熔煉爐，邊利用其顯熱邊冶煉生產(chǎn)生鐵。
   
    ITmk3法則在RHF內(nèi)生產(chǎn)與爐渣分離的粒鐵，與爐渣一起排出的粒鐵，用磁選機等分選機選出粒鐵。
   
    3 煤基還原鐵冶煉法
   
    首先對FASTMET法中RHF內(nèi)部的反應(yīng)行為加以說明，含有煤料的球團和壓塊的團塊化混合物被爐內(nèi)的輻射熱急激加熱，氧化鐵被碳還原而成為金屬鐵。團塊化混合物發(fā)生的CO在RHF內(nèi)燃燒，被用作主要熱源。還輔助性地供給燃料，燃料是大約相應(yīng)于RHF內(nèi)需要的總熱量的15％～20％?？梢允褂靡簯B(tài)天然氣(LNG)、液化石油氣(LPG)、焦?fàn)t煤氣(COG)、重油等種類廣泛的燃料。
   
    另外，F(xiàn)ASTMET法中由團塊化混合物產(chǎn)生的CO可在RHF內(nèi)基本完全燃燒，所以碳的利用率高，能夠減少能耗和CO2發(fā)生量。RHF內(nèi)的還原過程時間很短，僅僅6～12min，設(shè)備的起動與停止、產(chǎn)量的調(diào)整都可比較簡單地進(jìn)行。
   
    FASTMELT法則是把由RHF生產(chǎn)的還原鐵照原樣裝入熔煉爐的方法。與熔融還原煉鐵法不同，它是將固體還原進(jìn)行到最大限度的還原鐵裝入熔煉爐，可把熔融下的工程負(fù)荷控制到最小限度。
   
    在ITmk3法中，團塊化混合物在RHF內(nèi)被加熱到1450℃。與FASTMET一樣，被還原的團塊在RHF內(nèi)進(jìn)一步熔融與內(nèi)聚，渣與鐵分離。在將球團裝入爐內(nèi)3min后，球團處于還原過程，在中心部還殘留有未還原部分；到5min后，一部分開始熔融；到6min后，大部分熔融；9min后，熔融了的鐵完全從渣中分離。
   
    原料和制品
   
    表1和表2列出了確認(rèn)可以用于FASTMET、FASTMELT、ITmk3中的礦石與煤炭的品質(zhì)。
   
    　　表1 FASTMET法和FASTMELT法可以使用的礦石與煤炭的品質(zhì)
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    礦石 TFe ＞ 60％
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    煤炭 揮發(fā)分 ＜ 42％
     固定碳 ＞ 50％
     灰分 ＜ 16％
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    表2 ITmk3 法可以使用的礦石和煤炭
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    礦石 TFe ＞ 65％
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    煤炭 揮發(fā)分 ＜ 30％
     固定碳 ＞ 55％
     灰分 ＜ 15％
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    確認(rèn)了種類如此寬泛的礦石和煤炭都可以使用。這些煤基還原鐵冶煉法有以下特征：1)可以把普通煤作為還原劑使用；2)不需要燒結(jié)和球團設(shè)備，可以直接使用粉礦；3)可以把煉鐵粉塵和煉鋼粉塵作為原料，并把焦炭粉等作為還原劑使用。
   
    表3和表4列出了FASTMELT生鐵和ITmk3粒鐵的品質(zhì)。ITmk3生產(chǎn)的粒鐵幾乎不含渣分而含有適當(dāng)?shù)奶迹宰鳛殍F源具有足夠高的品質(zhì)。
   
    表3 FASTMELT法冶煉的鐵水有代表性的品質(zhì) ％
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     Fe C Si S
    96.0 4.0 0.1～0.6 ＜0.05
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    表4 ITmk3 法冶煉的粒鐵的有代表性的品質(zhì) ％
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     Fe C Si S
    97.0 3.0 0.03 0.05～0.07
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    煤炭與輔用物消耗量
   
    FASTMET法中煤炭與輔用物消耗量之一例列于表5。煤炭用作還原劑，RHF排出的廢氣顯熱也可以轉(zhuǎn)換成發(fā)電用蒸汽而得到回收。
   
    表5 年產(chǎn)50萬t FASTMET法煤炭與輔助物料消耗量
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    生產(chǎn)1t DRI的消耗
     煤炭，kg 377
     燃?xì)?，GJ 2.43
     電能，kWh 110
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    生產(chǎn)1t DRI的副產(chǎn)品
     蒸汽發(fā)電，kWh 221
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    列于表6的FASTMELT法的消耗量之一例是FASTMET與EIF(煉鐵電爐)組合的情況。EAF是為了用電能和高溫DRI的顯熱熔化DRI而生產(chǎn)生鐵的熔煉爐。
   
    表6 年產(chǎn)50萬t FASTMELT法煤炭與輔助物料消耗量
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    生產(chǎn)1t鐵水的消耗
     煤炭，kg 456
     燃?xì)猓珿J 2.47
     白云石和石灰，kg 15
     電能，kWh 750
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    生產(chǎn)1t鐵水的副產(chǎn)品
     蒸汽發(fā)電，kWh 210
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    表7中列出了ITmk3的消耗量之一例。
   
    表7 年產(chǎn)50萬t Imk3法煤炭與輔助物料的消耗量
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    生產(chǎn)1t粒鐵的消耗
     煤炭，kg 450
     燃?xì)猓珿J 4.10
     電能，kWh 150
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    生產(chǎn)1t粒鐵的副產(chǎn)品
     蒸汽發(fā)電，kWh 234
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    能耗與環(huán)境負(fù)荷
   
    關(guān)于煤基還原鐵冶煉法的能耗與CO2發(fā)生量，為了與傳統(tǒng)的高爐法相比較，進(jìn)行了下述兩種情況的調(diào)查研究：
   
    調(diào)研A：對年產(chǎn)生鐵50萬t的情況，將高爐法、FASTMELT法、ITmk3法做了比較。
   
    調(diào)研B：設(shè)定把年產(chǎn)生鐵350萬t的高爐煉鐵廠的能力增強到年產(chǎn)生鐵400萬t，就下述兩種情況進(jìn)行了比較：
   
    1)通過增大高爐的容積，使能力達(dá)到年產(chǎn)400萬t生鐵；
   
    2)毗鄰已建高爐，設(shè)置年產(chǎn)50萬t生鐵的FASTMELT裝置。
   
    1 調(diào)研A
   
    就煉焦?fàn)t和高爐發(fā)生的可燃性氣體而言，雖然可以供給系統(tǒng)外而在外部有效利用，但對這樣小規(guī)模的高爐來講，能量利用率降低。EIF發(fā)生的可燃性氣體可以作為燃料為RHF所使用。另外，從該系統(tǒng)中不會發(fā)生可燃性氣體副產(chǎn)物。
   
    表8列有調(diào)研A的結(jié)果。年產(chǎn)生鐵50萬t的FASTMELT和ITmk3所需要的能量比同規(guī)模高爐的少。在高爐中，雖然發(fā)生可燃性氣體等的剩余能量，但它被供列本系統(tǒng)之外利用。拿扣除了該剩余能量的實際能耗來比較，則FASTMELT的能耗比高爐法稍高，但大略可予同等評價。再就實際CO2發(fā)生量而言，引入FASTMELT法和ITmk3法可以將其減少。
   
    表 8 調(diào)研 A 匯總
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     50萬t 高爐 50萬t FASTMELT 50萬t ITmk3
    消耗
     煤炭 25.75GJ/2403kg－CO2 14.26GJ/1330kg－CO2 14.09GJ/1314kg－CO2
     燃?xì)?0.00GJ/0kg－CO2 2.47GJ/141kg－CO2 4.10GJ/234kg－CO2
     電力 1.72GJ/154kg－CO2 5.94GJ/531kg－CO2 0.00GJ/0kg－CO2
     其它 0.00GJ/74kg－CO2 0.00GJ/12kg－CO2 0.00GJ/0kg－CO2
     總計 27.47GJ/2630kg－CO2 22.74GJ/2015kg－CO2 18.19GJ/1548kg－CO2
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    剩余能量
     煤氣 5.49GJ/313kg－CO2 0.00GJ/0kg－CO2 0.00GJ/0kg－CO2
     電力 0.00GJ/0kg－CO2 0.00GJ/0kg－CO2 0.30GJ/83kg－CO2
     其它 1.17GJ/109kg－CO2 0.00GJ/0kg－CO2 0.00GJ/0kg－CO2
     總計 6.66GJ/422kg－CO2 0.00GJ/0kg－CO2 0.30GJ/83kg－CO2
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    總消耗
     能耗 20.81GJ 22.74GJ 17.89GJ
    CO2排放 2208kg－CO2 2015kg－CO2 1465kg－CO2
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    這是因為在FASTMELT法和ITmk3法中，不需要煉焦?fàn)t和燒結(jié)裝置這樣的預(yù)處理設(shè)備，加之不向系統(tǒng)外放出CO等可燃性氣體，煤炭中的碳作為還原劑和熱源而得到有效利用的緣故。
   
    另外，這里必須特別指出，ITmk3法生產(chǎn)的粒鐵并不是高溫的鐵水，而是粒狀的固體鐵。這種粒鐵適宜于輸送，所以，ITmk3裝置不是引入消費地，而是放在礦山附近，這可以認(rèn)為是更為高效的利用方法。在礦山附近生產(chǎn)粒鐵再輸送到消費地，與輸送礦石和煤炭相比較，需要輸送的重量大約減少一半，可以降低消耗在運輸上的能量與成本。
   
    2 調(diào)研B
   
    大規(guī)模的高爐較之小規(guī)模高爐，可以有效地利用大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)越性而高效地消費能量。系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的可燃性氣體可以供給外部有效利用。
   
    年產(chǎn)350萬t生鐵的高爐組合年產(chǎn)50萬t生鐵的FASTMELT裝置時的能量平衡?？梢园迅郀t內(nèi)產(chǎn)生的過剩可燃性氣體高效地用于FASTMELT裝置。
   
    調(diào)研B的結(jié)果列于表9。原有的高爐組合FASTMELT法與大規(guī)模高爐相比較，盡管扣除掉剩余能量的能耗和CO2發(fā)生量有些增加，但按系統(tǒng)內(nèi)比較，則可以減少。這是由于在FASTMELT中可以有效利用高爐系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余煤氣，并且可以把煤炭中的碳作為還原劑和熱源而高效利用的結(jié)果。
   
    表 9 調(diào)研B 匯總
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     400萬t 高爐 400萬t（高爐＋FASTMELT）
    消耗
     煤炭 22.75GJ/2122kg－CO2 11.69GJ/2023kg－CO2
     燃?xì)?0.00GJ/0kg－CO2 0.00GJ/0kg－CO2
     電力 1.23GJ/110kg－CO2 1.82GJ/163kg－CO2
     其它 0.00GJ/74kg－CO2 0.00GJ/66kg－CO2
     總計 23.98GJ/2307kg－CO2 23.52GJ/2253kg－CO2
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    剩余能量
     煤氣 4.40GJ/251kg－CO2 3.54GJ/202kg－CO2
     電力 0.00GJ/0kg－CO2 0.00GJ/0kg－CO2
     其它 1.17GJ/109kg－CO2 1.02GJ/96kg－CO2
     總計 5.57GJ/360kg－CO2 4.57GJ/298kg－CO2
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    總消耗
     能耗 18.42GJ 18.95GJ
     CO2排放 1946kg－CO2 1955kg－CO2
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    裝置實績
   
    表10列出了迄今已經(jīng)建設(shè)的驗證裝置和商業(yè)裝置的實績。三套FASTMET商業(yè)裝置已在運行。這些裝置將煉鐵煉鋼爐塵還原、再循環(huán)利用。爐塵含有的Zn和Pb之類的重金屬在RHF內(nèi)揮發(fā)，進(jìn)入廢氣系統(tǒng)中，與還原鐵分別回收。FASTMELT法正在用EAF(電弧爐)的熔煉實驗和Midrex公司的模擬裝置進(jìn)行驗證。
   
    表10 工廠生產(chǎn)實績
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     工藝 工廠 用途 產(chǎn)能
    FASTMET 神戶加古川廠 論證試驗 1800t/yDRI
    FASTMET 新日鐵廣畑廠 工業(yè)設(shè)備，處理轉(zhuǎn)爐灰 190000t/y粉塵
    FASTMET 神戶加古川廠 工業(yè)設(shè)備，處理高爐灰 14000t/y粉塵
    FASTMET 新日鐵廣畑廠 工業(yè)設(shè)備，處理轉(zhuǎn)爐灰 190000t/y粉塵
    ITmk3 神戶加古川廠 試驗設(shè)備 400kg/h粒鐵
    ITmk3 MessabiNugget 論證試驗 2500t/y粒鐵
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    ITmk3法已通過美國的梅薩比粒鐵中間試驗廠的裝置連續(xù)運轉(zhuǎn)試驗，于2004年7月完成了開發(fā)工作。
   
    結(jié)語
   
    煤基還原鐵冶煉法(FASTMET、FASTMELT和ITmk3)具有下列特點，作為適應(yīng)于將來的鐵源需要的煉鐵法而為業(yè)界所期待。
   
    1)不需要煉焦?fàn)t和燒結(jié)設(shè)備，工藝流程簡單，故可遏制初期投資；
   
    2)還原時間短，在12min之內(nèi)完成，因而設(shè)備的起動、停止、產(chǎn)量調(diào)整等容易實現(xiàn)；
   
    3)可以利用種類寬泛的原料與煤炭，選址限制少；
   
    4)FASTMELT和ITmk3生產(chǎn)的生鐵或粒鐵具有高爐生鐵同等的品質(zhì)；
   
    5)與同等規(guī)模的高爐相比較，能耗大致相當(dāng)，而CO2排放量則可以減少。
   
    另外，通過高爐法與煤基還原鐵冶煉法相組合，可以有效地利用高爐法產(chǎn)生的剩余能量。