摘 要： 通過研讀“焙融還原煉鐵技術及能耗分析”一文及焙熔還原煉鐵方法發(fā)明人的論文和相關專利，對該煉鐵工藝進行了理論分析和物料平衡與熱平衡計算。為了便于比較，簡介了高爐煉鐵工藝原理及技術進步的歷程。討論了焙熔還原煉鐵工藝有待解決的工程問題。工藝模型計算的結果表明，焙融還原煉鐵法如果實施，其工序能耗為643.5 kgce/t鐵，全流程CO2排放量約2350 kg/t鐵，比現(xiàn)有高爐和COREX熔融還原煉鐵生產流程都要高。焙熔還原煉鐵工藝發(fā)明缺乏科學性，實用性，焙熔還原煉鐵工藝產業(yè)化還將面臨大量亟待解決的工程問題。

關鍵詞：非高爐煉鐵；高爐煉鐵；能耗；焙熔還原； CO2排放

         焙熔還原煉鐵技術發(fā)明人夏忠仁先生（以下簡稱“作者”）撰寫了一篇《焙融還原煉鐵技術及能耗分析》的論文曾在《世界金屬導報》發(fā)表[1]，論文作者根據(jù)他在2007年的一項發(fā)明專利 [2]，計算出焙熔還原煉鐵工藝的總煤耗指標為10.32-10.48GJ/t鐵(相當于352.4-357.8kgce/t鐵)。作者提出，“焙熔還原技術的研發(fā)，創(chuàng)造了一種無爐頂煤氣能量過剩的冶金原理，爐頂煤氣利用率CO2/（CO+CO2）×100%接近100%。在不用任何后續(xù)處理措施和設備的情況下，噸鋼產生的溫室氣體排放量指標為1145 kgCO2”。作者認為:“焙熔還原技術間接實現(xiàn)了能源的100%利用,可以取消能量回收和循環(huán)利用脫出CO2等措施,是超低能耗及超低CO2排放的煉鐵技術。是緊湊、簡潔的鋼鐵流程,具有重大的節(jié)能減排效果”。作者認為焙熔還原可“替代高爐煉鐵的技術”，與焙熔還原煉鐵工藝相比，“高爐流程首先應該淘汰出局” [6]。

       根據(jù)金屬學會領導的建議，筆者通過學習研讀“焙熔還原煉鐵技術”發(fā)明專利和相關論文。并按煉鐵專業(yè)方法進行了工藝計算和理論分析，對高爐及焙熔還原煉鐵新工藝的冶煉原理和工程問題進行了分析討論，得出了一些心得和體會，感到作者提出討論的關于高爐煉鐵與熔融還原煉鐵原理和能耗計算的問題的錯誤認識具有普遍性，筆者愿意在此與作者和關注本項技術的讀者交流、分享和討論。

1 焙熔還原煉鐵法的冶金原理分析

1.1 焙熔還原煉鐵的煤氣利用率不可能達到100%

      “焙熔還原煉鐵工藝”是作者2007年開發(fā)研究的一種熔融還原新煉鐵技術，迄今未見到建成裝置生產鐵水的報道。作者認為，該技術的核心思想是將煤的還原劑作用和熱能作用分開，按照各自的需要量從不同的部位將煤輸入該煉鐵系統(tǒng)，能量在系統(tǒng)各環(huán)節(jié)內部利用，實現(xiàn)煤的化學能完全釋放，和全部吸收消化、轉換。作者認為，焙熔還原爐頂煤氣的一氧化碳利用率CO2/（CO+CO2）接近100%。

        焙熔還原煉鐵的爐料采用一種專用的復合含碳球團，該復合含碳球團的結構由鐵氧化物外層和含碳的鐵氧化物內核組成。作者提出了在焙熔還原爐內復合含碳球團的二次還原機理，認為在溫度達到反應溫度時，內部的含碳鐵氧化物發(fā)生了直接還原和碳氣化反應：
FexOy+CO=FexOy-1+CO2  （1）
CO2+C=2CO   （2）

       兩個反應相疊加得：
FexOy+C=FexOy-1+CO  （3）
      內部含碳鐵氧化物還原產生的CO，與鐵氧化物外層發(fā)生間接還原反應：
FexOy+nCO=FexOy-1+（n-1）CO+CO2   （4）

       作者認為上述二次還原反應是不遵循化學反應平衡的特殊反應，內部含碳鐵氧化物直接還原生成的CO氣體，向外擴散過程中繼續(xù)與鐵氧化物外層發(fā)生間接還原反應，未反應的CO氣體隨氣流上升繼續(xù)與復合含碳球團反應，作者認為，最終可實現(xiàn)CO氣體的完全利用。作者在以上假設的基礎上，通過熱平衡計算，得到焙熔還原煉鐵技術噸鐵能耗折合標煤356kg，在高爐理論能耗的基礎上節(jié)能48%，減排50%。，遠遠低于現(xiàn)有高爐和熔融還原煉鐵生產工藝的能耗。

       筆者認真分析了該焙熔還原煉鐵的專利，認為其冶煉過程及煤氣組成必然要受到氣體傳輸、反應時間和化學反應熱力學平衡的限制。其中,還原反應按（5）（6）分步進行,同時爐內高于1000℃的區(qū)域，必然會發(fā)生碳氣化反應（2）。
Fe2O3+CO=2FeO+CO2-------（5）
FeO+CO=Fe+CO2-------（6）
CO2+C=2CO--------（2）
        三個反應相疊加得：Fe2O3+3C=2Fe+3CO--------（7）

        在1100℃以上的密閉缺氧環(huán)境下，CO2處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，如果環(huán)境中碳過剩（例如高爐軟熔帶及其下部），反應式（2）成為控制環(huán)節(jié)，反應（2）和（5）、（6）會同時發(fā)生，得到反應（7）的結果，但是氣相組成即煤氣利用率將受反應（2）化學平衡的制約。如果CO2處在像焙熔還原煉鐵爐下部1100℃以上的密閉缺氧無碳的環(huán)境下，CO2將與周圍任何紅熱的活潑金屬發(fā)生反應生成相對穩(wěn)定的CO，如反應（8），該區(qū)域的氣相組成即煤氣利用率將受反應（8）化學平衡的制約，即CO2濃度超過CO時，化學反應將向生成FeO的方向移動；當FeO進入爐渣生成（FeO）而消耗時，化學反應（8）也會向生成FeO的方向移動。實際上化學反應（8）是化學反應（6）的逆反應。如果爐內沒有消耗反應（8）中產物CO的游離氧或氧化物存在，焙熔還原爐的煤氣利用率不可能達到100%；如果達到了100%，爐內完全成為氧化氣氛，就不可能產出鐵水。理論分析和生產實踐表明，豎爐型炭熱還原煉鐵內煤氣利用率難以超過55%。

1.2在焙熔還原爐下部金屬鐵會發(fā)生二次氧化

       由于進入焙熔還原爐內的高溫熱煙氣體組成主要是CO2和N2，焙熔還原爐下部生成的金屬鐵會發(fā)生二次氧化反應，這個反應是吸熱反應：
Fe+CO2=FeO+CO  （8）

       含碳球團自還原生成的金屬鐵二次氧化反應的發(fā)生，會導致兩個結果：一是焙熔還原爐內預還原生成的鐵水量很少（筆者按作者給出的條件計算，鐵水量約占入爐總鐵量的30%），約占入爐總鐵量70%的鐵再氧化后進入溫度約1550℃爐渣，含（FeO）約75%的熔渣最終將流入終還原爐。二是金屬鐵發(fā)生二次氧化，發(fā)生反應（8）會使焙熔還原爐頂煤氣中CO進一步增加，最終使爐頂煤氣含CO達到6.16%，熱值達到816 kJ•m-3。

2 焙熔還原的物料平衡與熱平衡分析

2.1計算依據(jù)

      根據(jù)焙熔還原煉鐵的專利及作者發(fā)表的文章提供的資料，筆者對焙熔還原煉鐵工藝進行了物料平衡與熱平衡計算，物料平衡與熱平衡計算的原燃料采用作者在專利中列出的硫酸渣精選鐵精礦和無煙煤的數(shù)據(jù)，列入表1～表3，焙熔還原工藝的流程示意圖見圖1。筆者根據(jù)焙熔還原煉鐵技術的思想，對復合含碳球團還原反應進行了如下假設：（1）內部含碳鐵氧化物只進行直接還原反應。（2）鐵氧化物外層只進行間接還原反應。在以上假設的基礎上建立了焙熔還原煉鐵的熱平衡和物料平衡。根據(jù)國際慣例和國家標準的規(guī)定（GB21256-2007）[5]，冶金生產的工序能耗必須用標準煤（1kgce=7000kcal=29.288MJ）為單位進行計算和管理。筆者也將據(jù)此進行計算。

表1 焙熔還原煉鐵的鐵礦石成分



1、焙熔還原爐；2、中間存儲爐；3終還原爐；4、旋風燃燒爐；5、復合含碳球團；10、爐底；20、鐵水1500℃；
22、噴吹煤粉；23、壓縮空氣；25、氮氣；26、氧氣；29、鐵水1550℃；31、爐渣1550℃；33、終還原爐輸出煤氣；
37、二次風； 41、旋風爐輸出燃燒煙氣1620℃；44、焙熔還原爐頂輸出煤氣250℃； 45、煤粉； 48、加入煤粒
圖1 焙熔還原工藝發(fā)明的流程示意圖

2.2計算結果

       根據(jù)焙熔還原煉鐵的專利及作者發(fā)表的文章提供的資料，及筆者對焙熔還原煉鐵工藝的物料平衡與熱平衡核算，得出焙熔還原煉鐵工藝專利的燃料加入量、加入位置、輸出氣體熱值及CO2排放量見表4。其各出口的煤氣（煙氣）組成、溫度及順行必需的最低工作壓力見表5。

表4 焙熔還原的燃料加入位置、加入量及輸出氣體情況

       筆者對焙熔還原煉鐵工藝發(fā)明專利的物料平衡與熱平衡核算的結果列入表7。筆者的計算表明，焙熔還原煉鐵發(fā)明專利的實際工序能耗應為643.5 kgce/t以上。

表7 焙熔還原煉鐵發(fā)明專利的工序能耗計算結果

        計算表明，焙熔還原煉鐵工藝的工序能耗要比作者介紹的數(shù)量（281.2kgce/t）高出1.28倍，其噸鐵CO2排放量也要比作者介紹的數(shù)量（1145kg/t）高出1.05倍。

        以上計算結果還是建立在理想化的條件基礎之上，實際生產中復合含碳球團的還原度和二次氧化率還需要進一步檢驗。另外，終還原爐內（FeO）的直接還原需要消耗大量的熱量，噴吹煤粉和煤氣二次氧化生成的熱量，與終還原爐內渣鐵進行的是輻射傳熱，爐渣的導熱系數(shù)很小，輻射傳熱能否滿足（FeO）直接還原消耗的熱量，還需要實踐檢驗。

3高爐煉鐵工藝原理及其技術進步的歷程簡介

        高爐煉鐵的本質就是用焦炭和煤從鐵礦石中將鐵及雜質還原出來，并熔化滲碳生成過熱鐵水流出爐外與爐渣分離。高爐是一個圓柱型上下小中間粗的密閉、多相、高溫反應器（見圖2）。煉鐵生產時將粒度20～40mm的焦炭、熔劑和含鐵原料（8～40mm的燒結礦、球團礦及塊礦）輪流加入爐頂，通過圓周布料設備均勻分布到爐喉的圓形平面上。從高爐下部風口噴吹的1100～1250℃熱風及部分氧氣，在風口附近使高溫焦炭及噴吹的煤粉燃燒，形成風口循環(huán)區(qū)，向高爐提供熱量，同時產生大量高溫還原煤氣，高溫煤氣在上升過程中與下降的爐料進行逆流熱交換，同時使鐵礦石逐級還原。鐵礦石在高爐上部塊狀帶被煤氣間接還原到大約70%還原度時下降到1200℃～1400℃的軟熔帶，預還原鐵礦石在軟熔帶開始熔融為液態(tài) 流入滴落帶，繼續(xù)和焦炭發(fā)生直接還原反應，直到生成液態(tài)的鐵水及含氧化鐵極低的爐渣，鐵水和爐渣經過由焦炭組成的死鐵層和風口循環(huán)區(qū)后，在爐缸內繼續(xù)反應，使鐵水中的大部分硫磷等雜質進入爐渣，然后經過鐵口出鐵，出爐鐵水溫度約1480℃，渣溫比鐵水溫度高30-70℃。同時高爐冶煉過程中每t鐵產生約1400m3熱值3.35MJ/m3左右的高爐煤氣，在高爐內通過與下降的的爐料換熱，降低到約250℃從爐頂輸出，凈化后作為燒熱風爐、軋鋼及發(fā)電的燃料。

       在高爐煉鐵過程中，作為燃料的高強度焦炭不僅起到了保證料柱有足夠透氣性的骨架作用，而且經過多環(huán)布料的焦炭還會在1200～1400℃軟熔帶形成環(huán)狀均勻分布的焦窗，使上升的高溫煤氣流和可以在直徑15m的高爐圓周面積上大體均勻地分布，保證了高爐中各區(qū)域鐵礦石都能被同步加熱升溫和還原，這是高爐能夠大型化到5800m3的基礎。高爐中滴落帶和死鐵層的高溫焦炭層與滴落流過的熔融鐵礦石發(fā)生直接還原，同時浸沒在渣鐵中的死料柱向渣鐵滲碳，使鐵水含碳量達到飽和，熔點低于1200℃，使爐渣中氧化鐵含量接近于零，最大限度地避免了爐缸碳磚被（FeO）侵蝕。這是高爐能夠實現(xiàn)一代爐役10-20年長壽爐齡的根本原因。

                      圖2  煉鐵高爐內部結構和爐料分區(qū)示意圖

        2012年世界高爐生鐵11億噸，中國高爐生鐵產量達到6.54億噸，占世界的比重59%，2010年中國生鐵產能已達7.7億噸。但現(xiàn)代高爐煉鐵工藝技術進步的歷程十分漫長而艱辛。

       我國東漢時期就有爐缸直徑3.2m的煉鐵小高爐，歐洲十四世紀才出現(xiàn)高爐（Blast Furnace）這個名詞。但直到1735年英國人才首次從煤炭獲得了焦炭，此后焦炭幾乎完全取代了木炭作為高爐燃料，焦炭的采用對高爐大型化起了關鍵性作用。1887年英國人發(fā)明了鐵礦石燒結技術；1911年在美國建造投產了第一臺鏈帶式燒結機；1912年瑞典人發(fā)明用細精礦粉制造球團礦；鐵礦石造塊技術的發(fā)明進一步加快了為高爐大型化的進程。1767年鼓風動力用蒸汽機代替水力，發(fā)明電以后1889年鼓風采用電動鼓風機，高爐產能迅速增加。

        1802年，蘇格蘭工廠建立水冷風口，1867年德國高爐工作者發(fā)明了水冷渣口。1884年美國人提出了水冷爐襯結構，1970年德國人提出了高爐銅冷卻壁結構，許多國家的著名學者均致力于改善高爐爐型及高爐結構，2000年日本川琦千葉6號高爐一代壽命達到了20年。

        隨著技術進步，1857年采用了蓄熱式熱風爐，用爐頂煤氣制造熱風吹入高爐使現(xiàn)代高爐的燃料比（焦比）比鼓冷風降低了20%以上。1871年，為了增產及噴吹燃料代替焦炭，又出現(xiàn)了富氧鼓風以及高壓爐頂操作的發(fā)明專利。1907年發(fā)明了馬基式料罐上料、料鐘布料器。1959年，前蘇聯(lián)首先發(fā)明了一種無料鐘裝料設備。經過600多年發(fā)展，尤其是近250年的數(shù)百項關鍵技術發(fā)明和技術進步的積累，高爐結構和效率取得了巨大的進步?，F(xiàn)代大型高爐有效高度達到33～35m，最大爐缸直徑達到15m，有效容積已達5800m3，逐漸演變完善形成了今天最大日產達1.4萬噸鐵水的現(xiàn)代大型高效長壽高爐。

       最近40年高爐煉鐵技術快速進步，主要特點如下：
      1）大力發(fā)展精料技術，強化原料預處理環(huán)節(jié)，入爐品位由55%提高到60%左右，渣比由550kg/t降低到240-280kg/t、實現(xiàn)鐵水0.3%的低硅冶煉，使燃料比由700 kg/t降低到500 kg/t以下。

       2）推廣采用高風溫、富氧鼓風、脫濕鼓風和噴吹煤粉燃料等節(jié)能措施，提高產量，入爐焦比由550 kg/t左右降低到240～300kg/t、成本及污染物排放量大幅度降低。

       3）焦炭質量進一步提高，高爐容積不斷擴大，高爐設備不斷改進，出現(xiàn)了20座5000m3級超大型高爐，作業(yè)率提高到98%，普遍采用高頂壓，皮帶上料、無料鐘爐頂布料、高風溫熱風爐、新型冷卻系統(tǒng)、爐前機械化和強化爐前除塵等先進設備和計算機自動控制系統(tǒng)，工人的勞動條件大大改善，為煉鐵工藝更加合理化以及新技術開發(fā)創(chuàng)造了更有利的條件。大型高爐勞動生產率達到了1200t/人.年以上，比相同原料條件的1000m3以下的高爐高出7～15倍，燃料比和生產成本降低了10%以上。大型高爐的一代爐役壽命也達到了15～20年。

4 焙熔還原煉鐵工藝有待解決的工程問題

       焙熔還原煉鐵技術目前尚處于理論分析和概念流程設計中，如果要進行工業(yè)化生產鐵水，尚需要逐步解決許多工程問題。例如：
     （1）焙熔還原爐是依靠煤粉燃燒爐生成的1600℃高溫煙氣來提供熱能，高溫煙氣進入焙熔還原爐內移動填充床后的氣流分布，決定了焙熔還原爐內熱量分布和球團的還原條件。高溫煙氣與復合球團換熱以后，達到1400℃左右的復合球團會軟化、粘結成大塊，嚴重時會堵塞氣流通道，甚至在爐壁形成結瘤結厚，嚴重影響爐況的穩(wěn)定順行。所以如何解決焙熔還原爐內料柱的透氣性和1600℃高溫煙氣的氣流分布問題，是焙熔還原爐工業(yè)化生產的基礎。作者沒有提出可行的解決方案。

      （2）不另加碳質還原劑的焙熔還原爐，下部用于固液分離的爐底及爐蓖不但要承受1600℃高溫煙氣沖刷，而且要承受含（FeO）70%以上、溫度1550℃左右的高溫熔渣侵蝕。溫度1530℃、含（FeO）70%以上爐渣進入終還原爐以后，可以迅速將任何高級氧化物耐火材料腐蝕生成爐渣，焙熔還原爐的下部、爐蓖-爐底、終還原爐襯侵蝕將特別嚴重。如何阻止爐渣對耐材的侵蝕，是該技術必須解決的核心問題。作者沒有提出長期經受爐渣中（FeO）侵蝕的耐火材料解決方案。

      （3）焙熔還原爐的終還原爐的工作條件類似HIsmelt熔融還原爐，爐內含（FeO）75%的熔態(tài)爐渣的還原主要依靠加入的粒煤直接還原，而直接還原是一個強吸熱反應，需要消耗大量的熱量。盡管反應器內噴吹煤粉和生成煤氣的二次燃燒可以為直接還原提供熱量，但是導熱不良的渣層很厚,大部分熱量會被高溫煤氣迅速帶走，進入煤粉燃燒爐做燃料。沒有足夠的熱量去滿足爐渣的熔態(tài)還原，就不可能生產出鐵水，滲碳太少、鐵水的熔點太高也流不出終還原爐。底吹20m3氮氣的攪拌強度不足以解決傳熱問題。

      （4）該技術采用的原料是復合含碳球團，但是，迄今為止還沒有一種冷固結自還原含碳球團達到高爐煉鐵生產工藝要求的常溫壓潰強度2000N/個球（30個球平均值）、耐磨指數(shù)<6%（600rpm、-5mm的%）的要求。僅有300m3以下的高爐采用過10～40%冷固結球團。由于粉化率高，大型高爐采用冷固結球團（如護爐用鈦精礦球團）的比例至今沒有超過5%。，完全采用冷固結復合含碳球團入爐，使焙熔還原工藝的單爐產能難以超過30萬t/a（內容積約300m3）。

      （5）采用配煤的冷固結球團入爐，下降升溫過程冷固結球團中的煤分解產生的焦油、瀝青、酚、氰等污染物隨低溫煤氣（煙氣)帶入除塵器、煤氣管線，會產生類似焦化的水污染或因粉塵粘結、積累使除塵器、煤氣管線堵塞，影響生產順行。

5 結論

     （1）筆者對焙熔還原煉鐵工藝發(fā)明專利的物料平衡與熱平衡核算的結果表明，在保證熱平衡條件下，焙熔還原煉鐵工藝的工序能耗為643.5kgce/t鐵，該方法如果實施，其實際能耗和CO2排放比現(xiàn)有的高爐煉鐵和COREX熔融還原煉鐵生產流程都高。焙熔還原煉鐵比2009年全國重點鋼企高爐煉鐵系統(tǒng)噸鐵工序能耗529.14kgce/t高21.6%；比2010年COREX 3000的工序能耗624.7kgce/t也高3%。焙熔還原煉鐵工藝的工序能耗要比作者自己介紹的數(shù)值（281.2kgce/t）高出1.28倍，其噸鐵CO2排放量也要比作者介紹的（1145kg/t）高出1.05倍。由于缺乏煉鐵原理方面基礎理論知識，沒有用科學的方法分析和評價焙熔還原煉鐵工藝發(fā)明，作者得出的焙熔還原煉鐵節(jié)能與減排CO2的結論是不正確的，其發(fā)明的實用性尚待實踐證明。

     （2）現(xiàn)代高爐煉鐵工藝是經過600年的發(fā)展，尤其是近250年世界各國的十幾代煉鐵工作者幾百項關鍵技術發(fā)明專利的積累、技術進步和不斷改進才達到今天的成熟度和先進生產力水平。盡管高爐煉鐵工藝還有許多不盡人意之處，但是至今還沒有一種新工藝在產能、作業(yè)率、一代爐齡、能耗、成本方面的綜合競爭力超過它。目前高爐的改進方向是進一步降低燃料比、焦比、成本和工序能耗，進一步強化冶煉，提高生產率，減少污染物和溫室氣體的排放。迄今為止，“焙熔還原煉鐵”或其它方法都不可能“替代高爐煉鐵的技術”。

     （3）焙熔還原煉鐵工藝在走向產業(yè)化的道路上還面臨大量亟待解決的工程問題，希望作者進一步改進、創(chuàng)新，積累知識產權，使之成為科學、合理、實用、節(jié)能的非高爐煉鐵新工藝。

      （4）只有透徹地了解高爐煉鐵的原理和關鍵技術之后，才能創(chuàng)新出超越高爐的非高爐煉鐵新工藝。非高爐煉鐵工藝也應該采用精料技術，不應對洗選煤、焦炭等優(yōu)質原料抱有偏見，只要能耗、污染物排放能與先進的大型高爐競爭，焦比和成本遠遠低于高爐，用一點低質焦炭也無妨。

參考文獻

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