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China's Coal-based Direct Reduction Iron Status and Prospects
鋼鐵工業(yè)為了擺脫焦煤資源短缺對發(fā)展的羈絆，適應(yīng)日益提高的環(huán)境保護要求，降低鋼鐵生產(chǎn)能耗，改善鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高質(zhì)量和品質(zhì)，尋求解決廢鋼短缺的途徑，實現(xiàn)資源的綜合利用，使得非高爐煉鐵工藝越來越得到重視。盡管迄今為止還沒有任何一種非高爐煉鐵工藝能夠超越高爐的高功率、大容量的絕對優(yōu)勢，但作為傳統(tǒng)工藝的有益補充，非傳統(tǒng)工藝仍然占據(jù)了一席之地。
我國天然氣缺乏，但煤炭資源豐富的特點，決定了煤基直接還原技術(shù)是我國發(fā)展直接還原鐵的首選工藝。
1、煤基直接還原鐵生產(chǎn)現(xiàn)狀
煤基直接還原是指直接以煤作還原劑的工藝，是相對于氣基直接還原工藝而言。目前世界直接還原鐵生產(chǎn)中，主要分為氣基法和煤基法，表1為2003～2007年世界幾種直接還原工藝的產(chǎn)量構(gòu)成。
表1 2003～2007年世界幾種直接還原工藝 %
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年份 Midrex HYL-III HYL-I Finmet 其他氣基 煤基
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2003 64.60 18.40 1.30 5.20 10.20 0.40
2004 64.10 18.90 1.90 1.50 13.50 0.10
2005 61.34 19.65 2.32 0.04 16.48
2006 59.70 18.40 2.20 19.69
2007 59.10 16.80 1.60 22.60
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表中顯示煤基直接還原法生產(chǎn)的DRI占總產(chǎn)量的比例小，但近幾年發(fā)展較快，產(chǎn)量逐漸增加，其生產(chǎn)主要集中在印度和南非等地。世界上現(xiàn)有煤基直接還原工藝不少，但形成生產(chǎn)規(guī)模的主要有兩種：回轉(zhuǎn)窯和轉(zhuǎn)底爐。
1.1 回轉(zhuǎn)窯工藝
目前，世界煤基直接還原鐵采用的主流工藝是回轉(zhuǎn)窯，其優(yōu)點是出窯產(chǎn)品經(jīng)磁選后提高了鐵品位，產(chǎn)品質(zhì)量較好且已成為電爐冶煉優(yōu)質(zhì)鋼的潔凈鐵源之一。
現(xiàn)有生產(chǎn)煉鋼原料的煤基回轉(zhuǎn)窯可分為：德國克虜伯法（Krupp-Codir）；德國魯奇法（SL/RN）；印度阿卡爾法（AccAR）；印度西爾法（Sill）；英國戴維法（DRC）；印度梯第爾法（TDR）。其中德國的CODIR法最為典型，在整個煤基直接還原過程中占據(jù)重要地位。
CODIR回轉(zhuǎn)窯工藝流程是由德國Krupp公司在WELZE和KRUPP-RENN流程基礎(chǔ)上開發(fā)成功的。
該工藝原料可為球團礦、塊礦，也可為粉礦，還原劑采用揮發(fā)分較小的高活性煤，脫硫劑用石灰石或白云石。爐料、還原煤和脫硫劑從回轉(zhuǎn)窯尾部進入窯內(nèi)后在與爐氣逆向運動過程中將礦石還原為海綿鐵。
CODIR回轉(zhuǎn)窯工藝流程中約占總量70%的還原煤由窯頭用壓縮空氣噴入，因此較好地抑制了再氧化和結(jié)圈現(xiàn)象。冷卻筒采用間接和直接水冷相結(jié)合的方式，提高了設(shè)備的作業(yè)率，有利于回轉(zhuǎn)窯的連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)，在多種回轉(zhuǎn)窯工藝中具有較突出的優(yōu)勢。早在1973年，南非Dunswart公司年產(chǎn)15萬t海綿鐵的CODIR回轉(zhuǎn)窯工業(yè)裝置就已投產(chǎn)。
回轉(zhuǎn)窯工藝雖已趨成熟，也達到一定規(guī)模，但有其固有缺點：料在窯中隨窯體轉(zhuǎn)動而滾動運動，易被粉碎，產(chǎn)生的粉末與煤灰粘在一起而形成“結(jié)圈”，從而損壞爐襯，形成操作事故，使作業(yè)率下降；受“結(jié)圈”影響，還原溫度偏低，一般最高1100℃左右，影響還原速度；對煤種有特定要求，灰熔點必高于1280℃，否則就要“結(jié)圈”；單臺設(shè)備生產(chǎn)能力不大，設(shè)備投資相對較大。
1.2 轉(zhuǎn)底爐法
轉(zhuǎn)底爐由于反應(yīng)速度快、原料適應(yīng)性強等特點，近年來得到了快速發(fā)展。轉(zhuǎn)底爐工藝有許多種，包括Fastmet、Inmeto、Comet等，其中機械化、自動化程度較高的Fastmet法是先進、經(jīng)濟、可靠且可借鑒的工藝。
Fastmet工藝是由美國Midrex直接還原公司與日本神戶制鋼于60年代開發(fā)出來，采用環(huán)形回轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)DRI的一種方法。該方法用煤粉和鐵礦粉作原料，制成的冷固結(jié)含碳球團礦在爐中不依靠焦炭和天然氣而實現(xiàn)高溫還原。
鐵精礦、煤粉和粘結(jié)劑混合攪拌器造球后直接裝入干燥器或轉(zhuǎn)底爐。在1250～1350℃的高溫下，隨著爐底的旋轉(zhuǎn)，約有90%～95%的氧化鐵被還原成DRI。
轉(zhuǎn)底爐工藝最基本的特點是細粒度的礦煤緊密結(jié)合，在高溫下快速還原，只需10～20min，生產(chǎn)周期短；料落在爐底后就不再運動，只隨爐底前行，故不致破碎，對球的強度要求不高；能量利用率高，還原產(chǎn)物CO經(jīng)二次燃燒放出大量熱能，約相當于總供熱量的一半左右（國外有報道為三分之二）；原料中如含有害雜質(zhì)（鋅、鉛、砷等），在轉(zhuǎn)底爐中可以部分或大部揮發(fā)，并可從煙氣中回收；爐內(nèi)為微負壓系統(tǒng)，無煙氣泄出，也無工業(yè)污水，煙氣中SO2排放量也大大低于燒結(jié)；投資不算大，低于相當規(guī)模的回轉(zhuǎn)窯。
不過轉(zhuǎn)底爐法存在產(chǎn)品含鐵品位低，含硫高（TFe＜85%，硫0.1％～0.2%）的缺點，難以直接作為生產(chǎn)煉鋼用DRI；產(chǎn)品直接加入高爐煉鐵，當加入量較小時可提高高爐產(chǎn)量，降低焦比，但加入量大時對高爐的影響情況還有待考證。另外設(shè)備運轉(zhuǎn)部件多，運行維護難度大，產(chǎn)品的穩(wěn)定性還有待實際生產(chǎn)來驗證。
2、我國煤基直接還原鐵現(xiàn)狀
我國DRI的生產(chǎn)還處于起步階段，產(chǎn)量依舊很低，一直不足百萬噸，2003年為31萬t，2004年為43萬t，2005年為41萬t，2006年為40萬t，2007年為60萬t。每年國內(nèi)一些大型鋼鐵企業(yè)還從國外進口質(zhì)量較好的直接還原鐵產(chǎn)品，每年進口的數(shù)量約為50～100萬t左右。
近一兩年新上馬的DRI廠較多，但時至今日，直接還原鐵在我國并沒有取得人們當初所期望的那樣長足發(fā)展，究其原因就在于我國DRI原料供應(yīng)問題、現(xiàn)有工藝不先進、生產(chǎn)規(guī)模小、質(zhì)量差，根本無法與進口直接還原鐵競爭。
我國的鐵礦資源以貧鐵礦為主，少量的天然富礦，品位也只有60%左右，這就意味著國內(nèi)基本沒有可以直接供直接還原所需的大型富塊礦礦山基地。通過細磨精選，將使這些精礦粉的生產(chǎn)線成本升高，鐵回收率下降。精礦粉經(jīng)脫水、干燥、制粒、焙燒加工成具有一定強度的爐料(球團或壓塊)，或因工藝復雜，設(shè)備投資過高，或因工藝技術(shù)尚未完善，工藝的穩(wěn)定性或可靠性尚待解決，成為我國直接還原鐵發(fā)展的限制性環(huán)節(jié)，嚴重地影響著我國直接還原鐵的迅速、正常發(fā)展。
目前，我國直接還原鐵技術(shù)主要是回轉(zhuǎn)窯法和隧道窯法，另外轉(zhuǎn)底爐工藝也正在國內(nèi)逐漸發(fā)展起來。
2.1 國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯現(xiàn)狀
國內(nèi)已建成的回轉(zhuǎn)窯工藝有三種：一步法、二步法和冷固結(jié)球團法。
“一步法”是指把細磨鐵精礦造球，在鏈篦機上經(jīng)干燥、預(yù)熱（900℃），直接送入回轉(zhuǎn)窯進行固結(jié)和還原，所有工序在一條流水工藝線上連續(xù)完成。
“二步法”是先把鐵精礦造球，經(jīng)高溫（1300℃）氧化焙燒，制成氧化球團；然后再將氧化球團送入回轉(zhuǎn)窯進行還原，制成成品。
“冷固結(jié)球團法”是在磁鐵礦精粉中加入少量特制的復合型粘結(jié)劑造球，在較低的溫度（200℃）下干燥固結(jié)，然后送入回轉(zhuǎn)窯進行還原，省略了高溫焙燒氧化固結(jié)的過程。
據(jù)不完全統(tǒng)計，我國有5家回轉(zhuǎn)窯直接還原廠，具體情況如表2所示。
表2 我國回轉(zhuǎn)窯直接還原廠家
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回轉(zhuǎn)窯直接還原廠家 工藝 年產(chǎn)量，萬t
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新疆富蘊金山礦冶有限公司 一步法 30
遼寧喀左 一步法 5
密云冶金礦山公司 一步法 6.2
天津鋼管公司 二步法 30
魯中冶金礦山公司 冷固結(jié)法 5
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現(xiàn)在除了天津鋼管公司和新疆富蘊金山礦冶有限公司仍在生產(chǎn)外，其他三家皆因成本、環(huán)保及原料等問題，相繼停產(chǎn)。
2.2國內(nèi)隧道窯現(xiàn)狀
國內(nèi)除了回轉(zhuǎn)窯直接還原廠，其余的煤基DRI均為隧道窯罐式法廠家生產(chǎn)，其產(chǎn)品也是目前市場上流通使用的主要商品還原鐵。我國已建成和正在建設(shè)的隧道窯有100多座，設(shè)計年產(chǎn)能超過400萬t，且DRI隧道窯建設(shè)熱潮有增無減，現(xiàn)有約70多個單位規(guī)劃建設(shè)產(chǎn)能5～30萬t/a的隧道窯直接還原廠。
但隧道窯法采用鐵礦粉和還原煤間接加熱的方式來還原，存在熱效率低，能耗高（還原煤500～650kg/t?DRI，加熱用煤450～550 kg/t?DRI），生產(chǎn)周期長（48～76h），污染嚴重（還原煤灰，廢還原罐等固體廢棄物多，粉塵多），產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，單機生產(chǎn)能力難以擴大等問題，因此將來不可能成為我國直接還原鐵發(fā)展的主導方法。
2.3國內(nèi)轉(zhuǎn)底爐現(xiàn)狀
我國對轉(zhuǎn)底爐工藝的研究有一定的歷史，其中轉(zhuǎn)底爐煤基熱風熔融煉鐵工藝，又稱恰普法（CHARP），是由北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院冶金噴槍研究中心在轉(zhuǎn)底爐直接還原基礎(chǔ)上開發(fā)的新煉鐵工藝。1997年，冶金噴槍研究中心在含碳球團直接還原的實驗過程中發(fā)現(xiàn)了珠鐵析出的現(xiàn)象，同年申請了轉(zhuǎn)底爐珠鐵生產(chǎn)的專利。2002年再次申請了名為煤基熱風轉(zhuǎn)底爐熔融還原煉鐵法的專利。
在該工藝中，含碳復合球團在1350～1450℃的溫度下還原、熔化，且鐵水易于與渣分離。不同于傳統(tǒng)DRI技術(shù)的固相區(qū)還原，該工藝在固液兩相區(qū)進行還原反應(yīng)。
1992年，北京科技大學理化系與河南舞陽鋼鐵公司合作，借鑒Fastmet和Inmetco工藝，在舞陽鋼鐵公司建成一座直徑3m的環(huán)形轉(zhuǎn)底爐并進行了試驗，取得初步成功。后來又為鞍山設(shè)計了一臺直徑8m的直接還原環(huán)形轉(zhuǎn)底爐。1996年在鞍山湯崗子鐵礦建成了一座直徑5.5m轉(zhuǎn)底爐試驗裝置，產(chǎn)品的金屬化率穩(wěn)定，達80％～85%。2004年在山西和河南的兩家鋼鐵公司建成了直徑為13.5m的轉(zhuǎn)底爐兩臺，設(shè)計年生產(chǎn)能力為金屬化球團礦7萬t。山西翼城和河南鞏義永通鋼鐵公司的轉(zhuǎn)底爐雖建成，但現(xiàn)在都處于停爐狀態(tài)。
馬鋼首座20萬t/a含鋅塵泥轉(zhuǎn)底爐脫鋅工程，已于2008年10月28日進入設(shè)備與鋼結(jié)構(gòu)安裝階段，2009年整個工程完工；萊鋼的轉(zhuǎn)底爐處理鋼鐵廠粉塵項目也已獲得國家批復，建成后可形成年處理自產(chǎn)塵泥32.9萬t，年產(chǎn)金屬化球團20萬t，鋅灰0.2萬t的生產(chǎn)能力；天津榮成鋼鐵公司正在建設(shè)年產(chǎn)80萬t的轉(zhuǎn)底爐來擴大產(chǎn)能。轉(zhuǎn)底爐還原裝置的應(yīng)用正在逐步改變我國的直接還原鐵生產(chǎn)的格局，出現(xiàn)了一片大好的發(fā)展熱潮。
3、發(fā)展前景及建議
我國雖然是世界鋼鐵生產(chǎn)大國，但并不是鋼鐵強國，我國鋼鐵產(chǎn)品在國際市場上的競爭力還不強，需要調(diào)整鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高市場競爭力。發(fā)展DRI，實現(xiàn)“精料入爐”，能夠提高廢鋼綜合利用水平，促進和保證我國發(fā)展優(yōu)質(zhì)鋼。
國內(nèi)現(xiàn)有的直接還原工藝單體產(chǎn)能有限，單體最大產(chǎn)能也只有15萬t/a，很難滿足我國不斷增大的DRI需求量，因此今后尋求具備更大產(chǎn)能的工藝是提高DRI年產(chǎn)量的一個發(fā)展趨勢。
現(xiàn)有的煤制氣-豎爐直接還原工藝為天然氣資源不足的地區(qū)，尤其是對我國直接還原的發(fā)展提供了新的途徑。我國有豐富的煤炭資源、成熟的煤制氣技術(shù)和長期運行的經(jīng)驗，并且煤制氣技術(shù)還是國家推廣的環(huán)保用煤技術(shù)，具有發(fā)展煤制氣-豎爐工藝的先決條件。如今遼寧海城東四型鋼公司、延吉東方創(chuàng)新資源有限公司等都在籌劃、規(guī)劃、設(shè)計建設(shè)煤制氣-豎爐直接還原鐵項目，其中海城東四型鋼公司、延吉東方創(chuàng)新和吉林天池礦業(yè)設(shè)計建設(shè)的DRI項目分別為年產(chǎn)50萬t、100萬t和80萬t，這些項目的建成將徹底改變我國直接還原鐵生產(chǎn)的面貌，大大提高我國DRI的年產(chǎn)量。煤制氣-豎爐直接還原工藝也將成為我國DRI生產(chǎn)的重要途徑。
針對現(xiàn)今制約我國直接還原鐵發(fā)展的因素，結(jié)合今后的發(fā)展前景，提出兩點建議：
應(yīng)采用多種途徑尋求和建立穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的原料供應(yīng)基地，解決DRI的礦石資源。
對于沒有原料資源的沿海地區(qū)，應(yīng)廣開門路建立多渠道國外塊礦或氧化球團供應(yīng)網(wǎng)。
我國礦產(chǎn)資源雖然天然富礦少，但鐵精礦資源較充足，因此建設(shè)直接還原鐵專用球團生產(chǎn)廠在資源上是可行的。根據(jù)現(xiàn)有資料，遷安、遼陽、本溪、武安、樺甸等地區(qū)的鐵精礦都符合要求，均有可能建設(shè)這類球團生產(chǎn)廠。球團成本都可能達到等于或低于國外同類、同質(zhì)量的礦石或球團的到岸價格。
冷固球團是另一種降低DRI原料成本的優(yōu)選產(chǎn)品。冷固球工藝簡單，節(jié)省能源，它的開發(fā)很可能為DRI發(fā)展走出新的路子。因此，冷固球團的研究和工業(yè)性試驗是十分必要的，應(yīng)該引起冶金工業(yè)的重視和支持。
組織對煤制氣-豎爐直接還原技術(shù)的研究，盡早實現(xiàn)工業(yè)化。
煤制氣-豎爐直接還原工藝在資源和技術(shù)上是可行的，符合我國的實際情況，但在煤制氣方法的選擇、煤種的選擇、煤制氣煤氣壓力與豎爐用煤氣壓力的銜接、煤氣的過剩壓能及顯熱的綜合利用等問題還亟待解決。
4 結(jié)論
?。?）為實現(xiàn)鋼鐵強國，提高市場競爭力，對優(yōu)質(zhì)鋼材的需求日益增加，結(jié)合我國目前直接還原鐵發(fā)展現(xiàn)狀，未來我國DRI必將有更廣闊的發(fā)展空間。
?。?）我國是個天然氣匱乏，但煤炭儲量豐富的國家，因此煤基直接還原鐵技術(shù)是首選工藝，煤制氣-豎爐還原工藝同樣符合我國實際情況，為我國發(fā)展氣基直接還原提供了思路和條件。
?。?）我國具有直接還原鐵的巨大市場需求，要求我們繼續(xù)在開發(fā)新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備，提高工藝效率上做更多的研究，開發(fā)出具有我國特色的直接還原鐵技術(shù)。
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