常用熔融還原煉鐵技術(shù)分析評估
作者：1發(fā)布時間：2010-02-07
雖然國家對鋼鐵產(chǎn)能進行嚴格控制，但卻明確支持熔融還原煉鐵技術(shù)的開發(fā)研究。鋼鐵專家一致認為熔融還原技術(shù)作為煉鐵的重要方法必將成為鋼鐵工業(yè)發(fā)展的必然趨勢和發(fā)展目標。隨著鋼鐵工業(yè)的入門門檻提高，熔融還原技術(shù)將成為中小企業(yè)進入鋼鐵行業(yè)的重要渠道。
習慣上人們用“有無預還原”將熔融還原分為“一步法”熔融還原和“二步法”熔融還原。“一步法”熔融還原只有熔態(tài)還原，礦石預還原率接近0，是真正意義上的熔融還原煉鐵法，如HIsmelt、Romelt、Ausmelt等低預還原率工藝均屬于此；而“二步法”熔融還原，即預還原加終還原，如COREX、FINEX工藝等，嚴格講“二步法”應該稱為還原熔融煉鐵法。
COREX工藝最先應用于工業(yè)生產(chǎn)，HIsmelt工藝已建示范廠，F(xiàn)INEX－3000設備也已達到設計生產(chǎn)指標，這些工藝均已取得一定成功，但卻不一定是最佳工藝。因此，通過對現(xiàn)有工藝、流程和設備的評價分析，取其優(yōu)點，開發(fā)適合我國國情的熔融還原煉鐵新技術(shù)十分必要。
1. HIsmelt工藝
2005年5月，澳大利亞奎那那（Kwinana）采用HIsmelt熔融還原煉鐵技術(shù)建成年產(chǎn)鐵水80萬t的示范廠。由于工藝技術(shù)比較獨特，該工廠占地面積小，不包括原燃料儲存場地，HIsmelt工廠包括所有設備的占地約300m×200m。入廠原料是礦粉、熔劑和原煤，最后產(chǎn)品是鑄鐵塊和干渣。廠區(qū)內(nèi)最高設備是礦粉循環(huán)預熱器，高度約60m，最核心設備是熔融還原爐主體，其他設備都是目前冶金行業(yè)成熟應用的裝置。
HIsmelt熔融還原的特點：
1. 原料來源廣泛，可全部使用粒度6mm以下的粉礦、粉煤，包括無法通過燒結(jié)廠回收的廢棄物，物料中的C、CaO和MgO也能得到利用，對燃料煤的要求不高，大幅減少資源消耗。
2. 由于HIsmelt熔融還原爐有強氧化性爐渣，有較好地脫磷效果，適合于冶煉高磷礦，這是區(qū)別于高爐和其他非高爐煉鐵工藝的主要特點。
3. 由于氧化性氣氛很強，產(chǎn)出的鐵水含磷低、碳低、硫高、硅錳含量為0，不適合直接供煉鋼流程使用。在經(jīng)過爐外脫硫和添加錳鐵、硅鐵合金或與高爐鐵水兌配，達到煉鋼鐵水的要求。
4. 操作靈活，反應過程的啟動、關閉簡便易行，從而使得煉鐵和煉鋼作業(yè)能有效銜接，而不必限產(chǎn)鐵水。
5. 由于粉礦預還原度低，爐渣含F(xiàn)eO高，爐襯腐蝕快，一代爐齡僅12～18個月。
6. HIsmelt熔融還原為低壓操作，大量高溫含塵煤氣熱能難以回收利用，噸鐵能耗高，高溫低熱值尾氣成為該工藝的“雞肋”。
HIsmelt是典型的“一步法”熔融還原工藝，直接利用粉礦、粉煤冶煉對鋼鐵業(yè)者有著較大的吸引力。但該工藝要想實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，在熱煤氣利用、CO二次燃燒并將熱量有效傳遞給熔池，提高設備利用率及降低爐襯成本方面還有很長的路要走。
2. COREX工藝
COREX工藝演化了高爐煉鐵技術(shù)，將高爐從概念的軟熔帶部分分為兩部分。一部分利用成熟的高爐長壽爐缸技術(shù)（包括焦炭床和碳磚結(jié)合冷卻壁技術(shù)）構(gòu)造成了造氣煤炭流化床即熔融氣化爐；而另一部分借鑒了成熟的大型MIDREX氣基還原技術(shù)，構(gòu)造成了預還原豎爐，使用塊煤和塊廠煉鐵，成功地實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。
COREX的基本工藝流程為：塊礦、燒結(jié)礦、球團礦或這些原料的塊狀混合物，通過封閉漏斗系統(tǒng)裝入到預還原豎爐中，在原料下行的過程中，被逆向流動的還原氣體還原成金屬化率約80%～90%的直接還原鐵（DRI）。螺旋卸料器將DRI從預還原豎爐中傳送到熔融氣化爐中，進行終還原和熔化。熔融氣化爐產(chǎn)生的煤氣由于含有煤粉、灰塵和鐵塵、CO和H2等，且溫度高于1100℃，不能直接進入預還原豎爐，必須在旋風除塵器中凈化，混入冷煤氣降溫，調(diào)整到最佳工作范圍800～850℃后作為還原氣從下部送入豎式預還原爐。
COREX演化了高爐煉鐵技術(shù)，取得了商業(yè)成功，但同時也繼承了高爐煉鐵的一些缺點：
1. COREX是典型的爐床法煉鐵工藝，與高爐相比，COREX更多地依靠間接還原，間接還原度越高，工藝進行得越容易，難以擺脫料柱透氣性問題的困擾。
2. 為保證豎式預還原爐料柱的透性必須使用塊礦、燒結(jié)礦、球團礦或這些原料的塊狀混合物，因此必須配有造塊設備。對入爐塊狀原料的理化性能有很高的要求，從而提高了原料成本。
3. COREX的實踐證明，要依靠焦炭床來保護爐缸，穩(wěn)定生產(chǎn)，就無法擺脫對焦炭的依賴（焦比＞10%～20%），尤其是大型化后，焦比會超過200kg/THM。
4. 從熔融氣化爐抽出的高溫煤氣經(jīng)凈化后，從＞1100℃降至800～850℃，溫度損失了250℃左右，熱效率比不上高爐。
5. 雖然使用了全氧冶煉，但按爐缸面積計算的生產(chǎn)率僅為高爐的0.7～0.9。
6. 豎爐預還原爐料的金屬化率波動大。
7. 操作影響因素多，在爐體中部的高溫區(qū)使用了排料布料活動部件，使設備維修成本及熱損失增加，個別設備還不夠成熟，利用率不高。
8. 在高爐冶煉條件下，采用富氧噴吹有一定的限度，傳統(tǒng)高爐更不能采用全氧冶煉。COREX工藝雖然采用全氧冶煉，但其生產(chǎn)率并不高，根本原因在于，雖然全氧熔煉速率很快，但受到上部豎爐鐵礦還原速率的限制，對于一定產(chǎn)能的COREX熔融還原工藝，要求下部熔融氣化爐的操作必須與上部的豎爐鐵礦還原情況相匹配，才能達到較好的技術(shù)經(jīng)濟指標。
3. FINEX工藝
FINEX工藝是在COREX工藝基礎上開發(fā)的一種新的熔融還原工藝。FINEX工藝亦分為兩部分，用一種名為FINMET工藝的技術(shù)，采用多級流化床將鐵礦粉還原來代替COREX的豎式還原爐，然后利用COREX的熔融氣化爐進一步熔化、深度還原和渣鐵分離。
韓國浦項年產(chǎn)150萬t鐵水的FINEX-3000裝置于2007年10月投產(chǎn)，已經(jīng)達到日產(chǎn)4300t設計能力。1995年浦項為了研究FINEX引進了COREX-2000，將新技術(shù)流程打通，不斷優(yōu)化。FINEX開發(fā)研究經(jīng)過了17年，總共已投入10.6億美元，經(jīng)歷過多次的挫折和失敗，才得以建成年產(chǎn)150萬t的FINEX生產(chǎn)裝置。
FINEX工藝特點為：FINEX工藝的原料由塊礦、球團礦改為粉礦（平均粒度在1～3mm，最大粒度＜8mm），資源豐富、廉價的粉礦和一般煙煤，為該工藝的發(fā)展賦予新的發(fā)展活力；FINEX爐頂煤氣全部循環(huán)使用。浦項認為FINEX比高爐生產(chǎn)成本下降15%，總體投資是高爐流程的80%；FINEX流程的SOx、NOx、粉塵的排放量與高爐流程相比，只有6%、4%和21%，且沒有焦化含酚、氰等污水排放，是一種清潔生產(chǎn)工藝，鐵水質(zhì)量與高爐、COREX爐相當。
冶金界最關心的是該工藝的原料、能耗和生產(chǎn)成本。FINEX的優(yōu)勢是用貯量豐富的普通煤種代替焦煤，但流態(tài)化反應器的還原效率不如豎爐，其金屬化率只有80%～85%，增加了熔融氣化爐的還原負擔，使得每噸生鐵耗用的煤量要比高爐高得多。目前，先進的大型高爐燃料比約500kg/t，而FINEX約850kg/t（也有報導是1050kg/t），還有500Nm3/t的氧氣消耗。如高爐工藝考慮焦化、燒結(jié)、球團等鐵前工序的的全流程能耗，則二者的差距明顯減少。加上FINEX從煤氣回收的能量遠高于高爐，有計算表明FINEX的工序能耗還略低于高爐工藝（含鐵前工序）。
高爐生鐵成本中原料占60%左右，而FINEX只占45%左右。高爐成本中燃料和動力占30%左右，扣除煤氣回收約28%。而FINEX燃料和動力因使用大量氧氣約占55%，扣除煤氣回收仍占約41%，其中氧氣每噸鐵消耗約500m3，其費用為成本的20%，有專家估算，在國內(nèi)情況下，F(xiàn)INEX與大型高爐相比（如1座3800m3高爐與2座年產(chǎn)150萬t鐵的FINEX），高爐比FINEX生鐵成本低12.5%。
4．綜合分析評價
1. 從工藝角度看，COREX更多依靠間接還原工藝，保留著高爐煉鐵工藝的特點；FINEX則把COREX的預還原豎爐改變成多極流化床反應器，可以完全使用粉礦；這兩種熔融還原工藝可以說是對高爐的“改良”，只是FINEX的改良程度更大一些。而HIsmelt則完全擺脫了高爐煉鐵工藝概念，是煉鐵技術(shù)的一種“革命”，可有效解決困擾高爐工藝的料柱透氣性問題，是真正意義上的熔融還原技術(shù)。
2. 在原燃料資源的取用上，COREX可以使用非焦煤，優(yōu)于高爐，但還須使用塊礦和球團及部分焦炭。FINEX不僅可用非煉焦煤，而且擺脫了對塊狀原料的依靠，這一點優(yōu)于高爐和COREX，只是還需要塊煤和粉煤造塊。Hismelt則原燃料全部粉狀化，且對原燃料性質(zhì)無特殊要求，資源面最寬，便于就地取材，并且可使用高磷礦石。
3. 在流程設備上，COREX需要球團與塊礦等造塊設備和部分焦炭；FINEX使用粉礦和粉煤造塊，可以不建燒結(jié)、球團、煉焦廠；HIsmelt完全免除了燒結(jié)、球團、煉焦廠投資，也不需要煤造塊。但三種工藝均需配套制氧設備和自備電廠。
4. 在生產(chǎn)成本上，F(xiàn)INEX和Hismelt原料成本相對較低，COREX和FINEX氧氣成本較高。燃料消耗前兩種高于Hismelt，因此生鐵成本COREX最高，Hismelt最低，但三種均高于高爐。
5. 從一次性投資看，COREX要高一些，F(xiàn)INEX投資成本會較低，HIsmelt冶煉設備相對單一，三者之中投資最低。
6. 現(xiàn)狀與前景。COREX工藝最成熟，已有數(shù)家投入生產(chǎn)，并取得很好的成績，完全實現(xiàn)了商業(yè)化。FINEX在工藝上優(yōu)于COREX，但目前仍處在示范工廠試生產(chǎn)階段，再經(jīng)過一段時間的調(diào)整完善，將具備商業(yè)化推廣價值，成為COREX的有力競爭者。Hismelt工藝示范工廠投產(chǎn)較晚，又是一種全新的工藝，估計需要一段時間改進、完善，但因其工藝優(yōu)點多、投資和生產(chǎn)成本低，一旦成功，其競爭優(yōu)勢比較大。
