近年世界鋼產(chǎn)量隨著亞洲特別是中國經(jīng)濟的快速發(fā)展而持續(xù)增長，現(xiàn)在的生鐵主要靠高爐生產(chǎn)，而高爐生產(chǎn)效率的提高主要靠大型化，但伴隨著增大的燒結設備和焦爐，也增加了對生態(tài)環(huán)境的污染。和高爐法類似的還原法生產(chǎn)中,典型如MIDREX法屬于氣基還原法，由于受天然氣資源的限制難以在全球普遍推廣，據(jù)此，神戶制鋼和美國Midrex公司共同開發(fā)成功煤基還原的FASTMET法、FASTMELT法和ITmk3法則具有以下優(yōu)點：（1）有利于節(jié)能和降低對生態(tài)環(huán)境污染；（2）投資和運行成本低；（3）對原料和能源的適應性廣。以下對其系統(tǒng)介紹，以供參考選用。
煤基還原鐵生產(chǎn)法
（1）煤基還原鐵生產(chǎn)法的地位。從目前世界上的還原鐵生產(chǎn)量來看，氣基用塊礦的MIDREX法和HYI法居首位，以粉礦為原料的CIRCOREO法、FIOR法和FINMET法等次之；而煤基用粉礦為原料的FASTMET法，F(xiàn)ASTMELT法和ITmk3法則居第三位，以塊礦為原料的SL/RL法和COREX法則居第四位，并已呈現(xiàn)出后來居上的趨勢。
（2）其工藝流程如下：將礦粉和煤粉混合后用造球機制成球狀團塊，經(jīng)干燥后加入環(huán)形爐內(nèi)加熱并還原。團塊在爐內(nèi)鋪成1-2層，F(xiàn)ASTMET和FASTMELT法為加熱到1250-1350℃還原為還原鐵后排出爐外；ITmk3法則在加熱到1450℃并還原、熔融為粒鐵后排除爐外。FASTMET法將高溫還原鐵冷卻后制成低溫原鐵的DRI成品，或者趁熱將高溫還原鐵壓成更大團塊的HBI成品，以便對外出口海運途中不至于因氧化而發(fā)熱，從而有利于擴大直接還原鐵的市場。FASTMELT法則將是將從環(huán)形爐出爐的高溫還原鐵趁熱裝入熔化爐制成鐵水。ITmk3法則將在環(huán)形爐和渣分離的粒鐵與渣一塊出爐后，再經(jīng)過磁選機將粒鐵選出為成品。
（3）煤基還原鐵生產(chǎn)法的反應過程。首先以FASTMET法為例對團塊在環(huán)形爐的反應簡介如下：含碳團塊在爐內(nèi)加熱至700-1400℃，氧化鐵被所含碳還原而產(chǎn)生CO在爐內(nèi)燃燒并成為主要熱源，同時并加入15-20%的輔助燃料，采用LNG、LPG、COG和重油均可。主要的還原反應式為：Fe3O4+4C=3Fe+4CO，F(xiàn)e3O4+4CO=3Fe+4CO2，F(xiàn)e2O3+3C=2Fe+3CO，F(xiàn)e2O3+3CO=2Fe+3CO2，C+CO2=2CO。
由上可以看出，由含碳團塊產(chǎn)生的CO可充分燃燒使碳的使用率增高，從而可降低能耗和CO2的發(fā)生量。且還原過程僅6-12分鐘，還原結束后即冷卻至1000-1200℃出爐。由于反映過程非常短，故開爐、停爐及調(diào)整產(chǎn)量均較為方便。而FASTMELT法則將出爐的高溫還原鐵直接加入熔化爐化為鐵水，為降低熔化過程的負荷，應按固體還原的最大限度適當延長在環(huán)形爐的還原時間，ITmk3法除在環(huán)形爐內(nèi)加熱到1450℃外，從時間上務必保證渣鐵分離。經(jīng)試驗爐分段取樣觀察，固塊入環(huán)形爐3分鐘后，固塊部分被還原但中心尚未還原，5分鐘后一部分開始熔融，6分鐘后基本熔融，9分鐘后熔融的鐵和渣完全分離。
原料和產(chǎn)品
3種還原法所用的鐵礦石和煤的主要成分如表1。
表1 3種還原法的原料主要成分（單位：%）
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還原法 |
鐵礦粉含全鐵 |
煤粉 |
|
分 |
固定炭 |
灰分 |
|
FASTMET法、FASTMELT法 |
》60 |
《42 |
》50 |
《16 |
|
ITmk3法 |
》65 |
《30 |
》55 |
《15 |
由上可以看出，對可用的鐵礦粉和煤粉的質(zhì)量要求不高，說明煤基還原法有以下特點：（1）可使用一般煤作為還原劑；（2）不需要球團礦和燒結礦，可直接使用粉礦；（3）可以用煉鐵粉塵和煉鋼粉塵為原料，還可以用焦粉為還原劑。
關于FASTMELT法產(chǎn)鐵水和ITmk3法產(chǎn)粒鐵的成分如表2。
表2 FASTMELT法產(chǎn)鐵水和ITmk3法產(chǎn)粒鐵的成分表
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還原產(chǎn)品 |
化學成分 |
|
|
Fe |
C |
Si |
S |
|
FASTMELT產(chǎn)鐵水 |
96.0 |
4.0 |
0.1-0.6 |
《0.05 |
|
ITmk3產(chǎn)粒鐵 |
97.0 |
3.0 |
0.03 |
0.05-0.07 |
煤炭及其它能源消耗量
各還原法的有關能源消耗量如表3。
表3 各還原法（50萬t/a規(guī)模）的煤炭和能源的單耗表
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還原法和產(chǎn)品 |
煤炭（kg） |
可燃氣（GT） |
電力（kwh） |
回收余熱發(fā)電（kwh） |
白云石、石灰石（kg） |
|
FASTMET生產(chǎn)1tDRI |
377 |
2.43 |
110 |
221 |
- |
|
FASTMELT生產(chǎn)1t鐵水 |
456 |
2.47 |
750 |
210 |
15 |
|
ITmk3生產(chǎn)1t粒鐵 |
450 |
4.10 |
150 |
234 |
- |
注：FASTMELT法的熔化爐采用電熔爐，故電耗較高。
能耗及環(huán)境負荷
為對煤基還原鐵法和原有的高爐法進行能耗比較，采取了兩種方法，即A法為生產(chǎn)50萬t/a生鐵時用高爐與FASTMELT法和ITmk3法的比較，B法為由350萬t/a擴大至400萬t/a時利用高爐法增產(chǎn)和在高爐附近建50萬t/aFASTMELT法的比較。
（1）A法比較。以50萬t/a規(guī)模的3種方法生產(chǎn)1t產(chǎn)品的能耗和Co2排放量對比如表4。
表4 3種生產(chǎn)方法的能耗（GT/t）和Co2排放量（kg/t）比較
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項目 |
高爐法 |
FASTMELT法 |
ITmk3法 |
|
|
能耗 |
CO2量 |
能耗 |
CO2量 |
能耗 |
CO2量 |
|
（一）能耗小計 |
27.47 |
2630 |
22.74 |
2015 |
18.19 |
1548 |
|
煤炭 |
25.75 |
2403 |
14.26 |
1330 |
14.09 |
1314 |
|
燃氣 |
0 |
0 |
2.47 |
141 |
4.10 |
234 |
|
電力 |
1.72 |
154 |
5.91 |
531 |
0 |
0 |
|
其它 |
0 |
74 |
0 |
12 |
0 |
0 |
|
（二）回收能小計 |
6.66 |
422 |
0 |
0 |
0.30 |
83 |
|
燃氣 |
5.49 |
313 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
電力 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0.30 |
83 |
|
其它 |
1.17 |
109 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
（三）凈能耗 |
20.81 |
2088 |
22.74 |
20.15 |
17.89 |
1465 |
從上可以看出，FASTMELT法和ITmk3法的能耗小計比高爐法低，但扣除高爐法回收的大量可燃氣后，F(xiàn)ASTMELT法的凈能耗比高爐法略高，但是CO2排放量仍低，因此采用FASTMELT法和ITmk3法時仍有利減少排放CO2。這主要是由于它們可直接使用煤粉和鐵礦粉等原料，而不像高爐法需要事先往焦爐和燒結機進行預處理，加上本身所產(chǎn)生的些可不外供而作為還原劑和熱源得到有效利用的原因。
另外還應特別指出的是，ITmk3生產(chǎn)的粒鐵并非高溫鐵水而乃是固體狀的粒鐵，由于運輸方便，除可在消費地生產(chǎn)外，還可以在礦山附近生產(chǎn)，這樣其效率更高，因為產(chǎn)品的運輸重量僅為其所用煤、鐵粉重量的1/2，還有利于節(jié)省運輸能耗。
（2）B法比較 首先，400萬t/a規(guī)模的大型高爐由于充分發(fā)揮了其規(guī)模效率，其使用的能耗和凈能耗均比50萬t/a規(guī)模的高爐下降，如凈能耗由50萬t/a級高爐的20.81GT/t下降到18.42GT/t，響應的CO2排放量亦由2008kg/t降低到1946kg/t，分別下降10%和12%左右，其次，采用350萬t/a高爐和50萬t/aFASTMELT設備的組合方式生產(chǎn)400萬t/a鐵水時，由于高爐產(chǎn)生的剩余可燃氣可在FASTMELT法生產(chǎn)中得到有效利用，使組合方式的總能耗和凈能耗以及相應的CO2排放量都均低于50萬t/a級的兩種單個方式，但略高于4000萬t/a級高爐，具體對比如表5。
表5 兩種方式生產(chǎn)鐵水時的能耗（GT/t）和CO2量（kg/t）的對比
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項目 |
400萬t/a級高爐 |
350萬t/a高爐+50萬t/aFASTMELT |
|
能耗 |
CO2量 |
能耗 |
CO2量 |
|
（一）能耗小計 |
23.98 |
2307 |
23.52 |
2253 |
|
煤炭 |
22.75 |
2122 |
21.69 |
2023 |
|
電力 |
1.23 |
110 |
1.82 |
163 |
|
其它 |
0 |
74 |
0 |
66 |
|
（二）回收能小計 |
5.57 |
360 |
4.57 |
298 |
|
可燃氣 |
4.40 |
251 |
3.54 |
202 |
|
其它 |
1.17 |
109 |
1.03 |
96 |
|
（三）凈能耗 |
18.42 |
1946 |
18.95 |
1955 |
實際運行的設備
已建的工試和商業(yè)化設備的實際運行見表6。
表6 煤基還原鐵設備運行實際
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還原法 |
生產(chǎn)企業(yè) |
用途 |
能力（萬t/a） |
投產(chǎn)年月 |
|
FASTMET法 |
神戶制鋼加古川廠 |
工試 |
DRI 1.8 |
1995 |
|
FASTMET法 |
新日鐵廣煙廠 |
處理轉爐粉塵 |
粉塵19.0 |
2000年4月 |
|
FASTMET法 |
神戶制鋼加古川廠 |
處理高爐粉塵 |
粉塵14.0 |
2001年4月 |
|
FASTMET法 |
新日鐵廣煙廠 |
處理轉爐粉塵 |
粉塵19.0 |
2005年2月 |
|
ITmk3法 |
神戶制鋼加古川廠 |
中試 |
粒鐵400kg/h |
1999年10月 |
|
ITmk3法 |
美Mesabi粒鐵廠 |
工試 |
粒鐵 2.5 |
2003年5月 |
由上可知，FASTMET已有3臺商業(yè)化設備用于處理鋼鐵廠過去實埋處理的含鐵粉塵，在用環(huán)形爐生產(chǎn)球團礦的同時，將揮發(fā)出的鋅等有害金屬經(jīng)除塵器處理并作為氧化鋅回收后，出售給冶煉廠作為原料，使綜合效果更好，F(xiàn)ASTMELT法則由Midred公司完成模擬熔化工試后，并于2005年和中國石家莊鋼鐵廠等達成合資建廠協(xié)議數(shù)項。ITmk3法則由美Mesabi粒鐵于20004年7月完成工試，正和有關企業(yè)洽談合資建商業(yè)化設施中。
綜上所述，FASTMET法等3種煤基還原鐵生產(chǎn)法具有以下優(yōu)點：（1）由于省去焦爐和燒結機，比高爐法的投資大為節(jié)約，如50萬t/a的ITmk3法僅需150億日元。（2）還原時間僅12分鐘，設備開停和產(chǎn)量調(diào)整方便，且原料來源廣，因此應用方便；（3）FASTMELT和ITmk3的產(chǎn)品質(zhì)量同高爐，能耗和同規(guī)模高爐相仿，但CO2排放量少，適于小鋼廠采用；（4）FASTMELT法和高爐合并建設，還有利于有效利用高爐的剩余煤氣。據(jù)此，神戶制鋼和Midrex將繼續(xù)改進和開發(fā)新的直接還原鐵生產(chǎn)新技術，以支持鋼鐵發(fā)展
