我國的鋼鐵行業(yè)遇到前所未有的發(fā)展逆勢，突破鋼鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵性核心技術(shù)是實(shí)現(xiàn)逆勢突圍途徑之一。推進(jìn)，開發(fā)直接還原鐵生產(chǎn)，改變鋼鐵生產(chǎn)方式，完善鋼鐵生產(chǎn)流程，是當(dāng)今鋼鐵生產(chǎn)的典型核心技術(shù)，必須大力攻克和開發(fā)。原鞍鋼副總工程師王太炎通過《中國非焦煉鐵網(wǎng)》撰稿就相關(guān)專業(yè)技術(shù)做了剖析。

一、前言

　　我國的鋼鐵行業(yè)遇到前所未有的發(fā)展逆勢，突破鋼鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵性核心技術(shù)是實(shí)現(xiàn)逆勢突圍途徑之一。推進(jìn)，開發(fā)直接還原鐵生產(chǎn)，改變鋼鐵生產(chǎn)方式，完善鋼鐵生產(chǎn)流程，是當(dāng)今鋼鐵生產(chǎn)的典型核心技術(shù)，必須大力攻克和開發(fā)。

　　我國鋼鐵生產(chǎn)長期以長流程為主導(dǎo)，高爐鐵的產(chǎn)能達(dá)5.7億噸/年，高爐鐵占鐵的總產(chǎn)量99.99%，直接還原鐵產(chǎn)量只有40—60萬噸/年。而美國直接還原鐵煉鋼短流程的鋼產(chǎn)量占鋼產(chǎn)總量的50%以上，印度鋼產(chǎn)量為4300萬噸/年，直接還原鐵產(chǎn)量為1900萬噸/年?？梢?，我國高爐鐵與直接還原鐵生產(chǎn)極不平衡。更談不上鋼鐵短流程的開發(fā)與形成。

　　國外直接還原鐵生產(chǎn)工藝大致分為兩種：一種為氣基豎爐生產(chǎn)工藝；另外一種為煤基回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)實(shí)踐證明，前者具有生產(chǎn)規(guī)模大、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)操作方便靈活、環(huán)境友好等特點(diǎn)，在南美、北美、中東、東南亞、印度等天然氣比較富裕的國家被廣泛采用。后者由于生產(chǎn)成本高，能耗高等原因只能在特定的條件下采用。

　　我國由于煤炭資源比較豐富，為發(fā)展高爐鐵煉鋼的長流程，提供碳資源，從而形成我國單一的鋼鐵冶金長流程的生產(chǎn)模式，造成我國鋼鐵行業(yè)高成本，高耗能，高二氧化碳排放量的被動局面。因此改變鋼鐵生產(chǎn)方式，節(jié)能、減排、超低二氧化碳排放，勢在必行。

　　我國天然氣資源短缺是影響氣基豎爐直接還原鐵生產(chǎn)的最大障礙。用循環(huán)經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)，合理利用鋼鐵長流程生產(chǎn)過程產(chǎn)生大量的焦?fàn)t煤氣（還原性氣體）代替天然氣生產(chǎn)直接還原鐵，形成我國特有的長流程與短流程并存的鋼鐵冶金新流程，為鋼鐵行業(yè)化危為機(jī)、逆勢突圍，實(shí)現(xiàn)又好、又快發(fā)展提供了技術(shù)儲備。

二、焦?fàn)t煤氣是氣基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵的優(yōu)選氣源

　　2.1 高爐鐵長流程生產(chǎn)過程中需配以相應(yīng)規(guī)模的煉焦廠，生產(chǎn)焦炭供給高爐使用，煉焦過程同時(shí)產(chǎn)生大量的焦?fàn)t煤氣（每噸裝入煤產(chǎn)生420NM3焦?fàn)t煤氣）用618NM3的焦?fàn)t煤氣可生產(chǎn)一噸直接還原鐵?？梢姡撹F廠生產(chǎn)直接還原鐵，不需外來氣源（天然氣，合成氣等）用過程中產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵，可謂氣體資源的循環(huán)利用。

　　2.2  國外氣基豎爐直接還原工藝全部采用天然氣作為直接還原的氣源。天然氣經(jīng)高溫?zé)崃呀獬?/span> H2 + CO 作為鐵精礦直接還原的還原劑：天然氣中含有CH4  90—95%，裂解成70%H2 + 30%CO，耗用大量的熱能，焦?fàn)t煤氣中含有CH4  僅為24—26%裂解耗能僅為天然氣耗能的1/3—1/4。焦?fàn)t煤氣中含H2為56—58%不需裂解耗能。從節(jié)能意義而言，用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵大大優(yōu)于用天然氣生產(chǎn)直接還原鐵。

　　2.3  我國的天然氣相對短缺，而焦?fàn)t煤氣絕對過剩。不完全統(tǒng)計(jì)全國獨(dú)立焦化廠每年放散焦?fàn)t煤氣200億M3或用作燃料，發(fā)電等低價(jià)值利用。含有56—58% H2的焦?fàn)t煤氣不宜用作燃料（H2發(fā)熱值為2589Cal）而應(yīng)用作原料（還原劑），熱值為9000—9500 Cal的天然氣應(yīng)該作為燃料。從合理利用燃?xì)獾挠^點(diǎn)，用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)還原鐵是合理的、經(jīng)濟(jì)的。

　　2.4  直接還原鐵生產(chǎn)屬于氫冶金過程，基本反應(yīng)式為；Fe2O3+3H2==2Fe+3H2O；高爐鐵生產(chǎn)屬碳冶金過程，基本反應(yīng)式為；Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2——不難看出，碳冶金的最終產(chǎn)物是CO2，而氫冶金的最終產(chǎn)物是H2O。因此，鋼鐵廠增加直接還原鐵的產(chǎn)量是降低CO2排放量最直接、最有效的途徑。

　　2.5  我國大量富余的焦?fàn)t煤氣用于發(fā)電，經(jīng)研究考證，用同樣數(shù)量的焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵的工廠經(jīng)濟(jì)效益是發(fā)電的7.1倍。對焦?fàn)t煤氣平衡相對不足的鋼鐵廠，可以采用合理調(diào)整燃?xì)饨Y(jié)構(gòu)，實(shí)行多種燃?xì)饴?lián)供方式（焦?fàn)t煤氣，高爐煤氣，轉(zhuǎn)爐煤氣，煤制氣等）合理頂替出大量焦?fàn)t煤氣，作為生產(chǎn)直接還原鐵氣源。

三、采用 HYL--ZR技術(shù)是氣基豎爐的首選工藝

　　3.1  HYL—ZR工藝流程

　　3.1.1 典型氣基豎爐生產(chǎn)工藝主要有HYL--ZR工藝和MIDREX工藝。經(jīng)研究比較證明，HYL--ZR工藝是目前工藝成熟、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用、環(huán)境友好的新工藝，技術(shù)工藝流程如下：

　　3.1.2  HYL—ZR 工藝流程的描述

　　原料氣重整用反應(yīng)器內(nèi)部的金屬鐵為催化劑，稱為自重整。在反應(yīng)器外部不再有催化劑，簡化工藝結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)建設(shè)成本。

　　對反應(yīng)器頂氣進(jìn)行選擇性吸收CO2后補(bǔ)充到原料氣中循環(huán)利用，最大限度節(jié)省原料氣，還原性氣體有效利用率達(dá)100%。

　　多種煤制氣原料（焦?fàn)t氣、合成氣、礦物燃料氣等）用原天然氣生產(chǎn)DRI裝置生產(chǎn)試驗(yàn)成功，生產(chǎn)出合格的DRI，多項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于天然氣。

　　直接還原反應(yīng)系統(tǒng)采用高溫，高壓技術(shù)（1050℃，壓力大于6巴）全面優(yōu)化HYL--ZR技術(shù)的能量平衡，降低系統(tǒng)能耗，降低系統(tǒng)粉塵耗損（頂氣中的礦粉含量小于1%），HYL-DRI 工廠能源利用率：熱DRI工廠為87%，冷DRI工廠為83%，其他為70%。

　　頂氣采用選擇性吸收CO2直接還原系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)超低CO2排放。如果100%回收CO2，CO2 排放量為0。

　　3.1.3 DRI在鋼鐵廠中應(yīng)用不斷擴(kuò)大：

　?。?/span>1）提高高爐爐料的金屬化率

　　（2）轉(zhuǎn)爐煉鋼可作廢鋼的代用品

　?。?/span>3）用作EAF爐中的精料。

　　3.1.4產(chǎn)品品種擴(kuò)大：冷DRI、熱DRI、高碳DRI和HBI等。

　　3.1.5高碳DRI及熱送技術(shù)開發(fā)，是HYL技術(shù)的創(chuàng)新之一，有利于電爐降低能耗（含碳提高到4-6%，電爐能耗可降低7%以上，加上采用熱送技術(shù)可降低能耗20%以上。

　　3.1.6過程中采用“三噴”技術(shù)（噴水泥、噴硫、噴純氧）解決了操作安全的問題，大大提高操作溫度，提高反應(yīng)效率，降低系統(tǒng)能耗。

　　3.2 HYL—ZR工藝主要特點(diǎn)的概述

　　產(chǎn)品的適用性：高碳直接還原鐵、冷直接還原鐵、熱直接還原鐵、熱壓鐵塊。

　　產(chǎn)品的高質(zhì)量

　　高碳含量的直接還原鐵

　　熱直接還原鐵直接用于電弧爐煉鋼

　　適用于多種不同原料鐵礦石

　　直接還原產(chǎn)品被煉鋼廠認(rèn)可

　　對還原性氣體要求較低

　　產(chǎn)品的金屬化率高，生產(chǎn)成本低

　　還原性氣體有多種選擇的余地

　　最低的環(huán)保影響

　　3.3本工藝對原料礦石有較高的適應(yīng)性

　　本工藝對于鐵礦石的化學(xué)成分沒有更多的限制

　　本工藝可以使用高硫鐵礦石——硫在 CO2 吸附的系統(tǒng)中與 CO2 一起被清除，這是還原過程的組成部分

　　根據(jù)原料礦石的具體條件，球團(tuán)礦和塊礦的混合比例為球團(tuán)100%到塊礦100%均可，巴西和印度用100%塊礦

　　本地工廠使用的鐵礦石，選用規(guī)格直徑3.2mm的塊礦。降低噸直接還原鐵礦石消耗指標(biāo)

　　另外，由于采用高壓操作，豎爐內(nèi)部的氣體速度較低，因而礦石損失較少,降低了工廠費(fèi)用

　　3.4   高碳直接還原鐵整合效益分析

　　根據(jù)HYL冶金廠使用金屬化率94%，含碳4%，還原鐵100%熱送到電弧爐煉鋼實(shí)際操作情況，分析如下：

　　化學(xué)潛能釋放：碳化鐵分解反應(yīng)（Fe3C == 3Fe + C + ΔE -0.7 kWh/kg C）產(chǎn)生熱能，因而改善電弧爐的供電的熱效率

　　碳的熱效應(yīng)：與其他碳資源加入比較，盡管限制表面碳（石墨）的增加，直接還原鐵中的Fe3C在電弧爐中的高收得率，依然是本工藝特點(diǎn)之一
　　易產(chǎn)生泡沫渣，有助于渣鐵分離：高碳直接還原鐵有利吸收自由氧和全氧

　　在多數(shù)的系統(tǒng)中均可控制增碳和裝入金屬收得率

　　3.5  采用本工藝生產(chǎn)的直接還原鐵與高爐鐵綜合比較

　　*   原燃料消耗降低35%

　　*    液鋼產(chǎn)量增加 25%

　　*    CO2 排放量減少38%

四、打造中國式鋼鐵冶金短流程

　　4.1 長流程與短流程并存模式

　　我國的鋼鐵冶金長流程已發(fā)展到極致階段，為了消除長流程的弊病，采用長流程與短流程并存的生產(chǎn)模式，是根據(jù)我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展實(shí)際狀況的過渡性選擇。其流程如下：

　　4.2  獨(dú)立焦化廠用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵供給煉鋼的短流程模式

　　獨(dú)立焦化廠（原城市煤氣焦化廠），由于用天然氣頂替焦?fàn)t氣，造成大量焦?fàn)t煤氣富余，被迫放散或低價(jià)值利用。當(dāng)大量焦?fàn)t煤氣用于生產(chǎn)直接還原鐵，不僅可以為煉鋼廠提供精料，而且大大降低煉鐵工序能耗。其流程如下：

　　4.3  用煤制氣生產(chǎn)DRI，電爐煉鋼，軋鋼短流程模式
用非煉焦煤（褐煤或長焰煤）生產(chǎn)合成氣（SYNGAS）代替天然氣生產(chǎn)直接還原鐵，熱送電爐煉鋼，對我國這樣的天然氣短缺，而煤資源相對多的國家，該流程是理想的選擇。其流程如下：

　　4.4 用天然氣生產(chǎn)DRI，電爐煉鋼，典型短流程模式對天然氣充裕的地區(qū)（例如我國西北地區(qū)），采用國外的典型鋼鐵冶金短流程模式，亦是合適的選擇。其流程如下：