炼铁用冶炼还原工艺的发展

炼铁用冶炼还原工艺开发

熔炼还原 (SR) 工艺是铁水（铁水）生产技术的最新发展。这些工艺将非炼焦煤的气化与铁矿石的熔体还原相结合。 SR工艺的能源强度低于高炉（BF），因为不需要生产焦炭，也减少了制备铁矿石的需要。

SR 炼铁工艺是在 1930 年代后期构思的。 SR 工艺的发展历史可以追溯到 1950 年代。铁矿石SR的实验室规模基础研究是由Dancy于1951年首先开始的。然而，从1980年开始认真努力。

20世纪下半叶，初级炼铁技术有两条不同的发展路线。

第一条开发线以高炉为中心，它仍然是铁水生产的主要工艺单元。一般来说，这条发展路线不包括熔炉本身的任何根本性工艺变化。它经历了一个渐进的演变过程，包括 (i) 炉子尺寸的增加，(ii) 炉料制备的改进，(iii) 顶部压力的增加，(iv) 热风温度的增加，(v) 无钟罩装载和改进负荷分配，(vi) 改进耐火材料和冷却系统，(vii) 注入辅助燃料（燃气、液体燃料或煤粉）和用氧气 (O2) 富集热空气，以及 (viii) ) 自动化的应用以及仪表和控制技术的改进。高炉炼铁的持续成功反映了在铁水生产过程中可以实现的非常高水平的热效率和化学效率以及随之而来的成本优势。事实上，在大型 BF 的情况下，这些都得到了规模经济的补充。

然而，高炉中的铁水生产技术现已发展到技术和经济高效生产的阶段，通常在每年 200 万吨（Mt）至每年 3 Mt 的大规模运营中进行。此外，高炉炼铁需要大量相关的基础设施和生产单元，包括焦炭制造和铁矿石烧结设施。这导致了现代高炉综合体的高资本密集度，不仅需要很长的建设时间，而且需要运营到接近产能水平才能在经济上可行。

与 BF 的发展平行的第二条发展路线包括以较低投资成本开发更小、更灵活的制造路线的相当大的努力。这导致了在 1960 年代末和 1970 年代初出现的替代初级炼铁技术的发展。这是直接还原 (DR) 技术，其中通过在低于铁熔点的温度下还原气体将氧化铁原料还原为金属铁。来自 DR 工艺的产品直接还原铁 (DRI) 在物理上与原料形式（通常是铁矿石块和/或球团）相似，并且含有原始矿石中存在的脉石矿物。 DRI 也称为海绵铁。它适用于炼钢过程中作为废钢的替代品，与废钢相比具有质量优势，主要是残留量低，易于处理和喂料。

DR 工艺能够在比 BF 低得多的产出水平下经济运行，通常每年不到 0.6 Mt。它们只需要很少的支持基础设施，而且资本密集度比 BF 低得多。其中一些 DR 工艺使用天然气作为生产还原气体的原料。天然气的供应在全球范围内并不广泛。基于煤的 DR 工艺主要是基于回转窑的工艺，由于各种技术和经济原因，它们仅在少数国家流行。

DR 工艺还受到这样一个事实的影响，即它们生产的中间产品与废料直接竞争，因为它需要在感应炉或电弧炉中经常熔化和精炼。高昂的电力成本使电熔的吸引力降低。同样在低迷的环境中，废钢价格的下跌导致直接还原铁价格的下降。这导致 DR 流程在全球大多数国家/地区的普及度较低。

DR 工艺的较低普及度为发展 SR 炼铁工艺路线提供了动力。结果是将开发工作集中在可以与 BF 工艺竞争但不太容易受到其面临的问题的影响的工艺上。

SR炼铁工艺发展目标

SR炼铁工艺的发展目标如下。

• 降低成本 - 由于 BF 是一种热能和化学效率高的工艺，因此任何竞争对手的工艺都很难降低原材料和能源成本。但有机会降低与高炉炼铁相关的高成本，避免资本密集型相关工厂、设备和生产单元。因此，SR 炼铁工艺的明显目标是直接使用非炼焦煤作为工艺燃料和还原剂，以避免需要炼焦装置。使用铁矿石粉的能力也是另一个目标，它提供了降低烧结/造粒厂等烧结装置成本的机会。使用已广泛使用的大量 O2 提供了一种无需热风炉即可实现高工艺温度的方法，而且由于 O2 通常在高压下可用，因此不需要大型鼓风机。
• 小规模运营 – 发展 SR 炼铁工艺的第二个目标是具有经济规模的工艺。如果可以避免 SR 炼铁工艺对相关装置的依赖，那么总投资成本可以因此降低，从而可以以更小的产能（例如每年约 0.5 公吨）经济地运行这种工艺。小容量 SR 工艺还可以为不太复杂的工厂提供机会，该工厂需要相当短的建设时间来进行调试，并且操作更简单。在那些难以安排大规模融资和冶金煤供应存在问题的国家，这种 SR 炼铁技术也具有吸引力。
• 提高灵活性 - SR 炼铁工艺具有较低的资本成本和使用非焦煤，可以在操作过程中具有更高的灵活性。 SR 工艺的小型且相当独立的工艺单元在后勤和管理上也比大型综合综合体（包括焦化、烧结和 BF 工艺）更灵活，其中一个领域的变化或生产延迟会影响所有其他领域.燃料来源的灵活性是有利的，并且可以使用来自不同供应商的各种煤炭的工艺提供了额外的灵活性。
• 能够与其他领域的可用技术集成 - 这是开发 SR 炼铁工艺的另一个目标。该工艺必须生产可供现有炼钢工艺使用的铁。此外，SR 工艺不会干扰工厂内已经运行的炼铁工艺。在这种情况下，要求的产品在温度和化学成分方面与高炉铁水相似。
• 在环境影响方面的优越性——由于世界各地对环境影响的认识不断提高，对环境影响较小的工艺在行业中具有较高的可接受性。因此，与炼铁的 BF 工艺相比，SR 工艺开发的目标是降低排放和废物排放。

过程概念

为了使 SR 炼铁工艺补充和/或与 BF 工艺竞争，正在开发新一代的 SR 工艺。这些工艺以非炼焦煤为主要燃料和还原剂，旨在生产液态铁产品。其中一些工艺建议使用吨位 O2 作为氧化剂，以使煤燃料的燃烧能够满足工艺热需求。少数人设想大规模使用电加热作为工艺热源。

长期以来，在除高炉之外的工艺中将铁矿石熔炼还原得到液态铁产品已被认为是技术上可行且有吸引力的工艺路线，并且已经提出了许多工艺概念。其中许多工艺概念从未找到商业应用，现在似乎不太可能开发出来。

要了解SR炼铁工艺是如何发展到现在的发展水平，有必要了解SR炼铁工艺概念发展的起点。

• 基于氧气炼钢 (BOS) 的工艺概念 - 在 1970 年代末和 1980 年代初，人们对通过提高工艺的废钢熔化能力来降低 BOS 生产路线成本的方法产生了浓厚的兴趣。这是受当时低价格水平的废钢刺激。向转炉添加燃料（通常是煤），然后通过吹出额外的氧气释放热量以熔化额外废料的方法得到了开发，但容器中的能量回收往往相对低效，并且很大一部分燃料能量在转炉中损失了。炉废气。人们很快意识到这些气体非常适合用作直接还原中的还原气体，这是一项广为人知的技术。然后很明显，生产的还原铁可以作为金属原料送入转炉，以维持自给自足的熔化和还原过程。最初，将热 DRI 从还原装置送入炼钢反应器被视为一个困难的工程问题，因此提出了在从还原装置排放之前冷却 DRI 的工艺。然而，现在已经接受的是，通过 DRI 的热传递获得的改进的能源效率超过了工程问题，并且目前的工艺概念是基于热传递的。尽管各种基于 BOS 的工艺具有特定的工艺特征，这反映了开发人员在工程和工艺重点方面的差异，但工艺的基本概念和热化学设计实际上是相同的。
• 基于直接还原的工艺概念 - 由于天然气的可用性和高价格，基于天然气的 DR 还原工艺在大多数地区的吸引力逐渐降低，因此努力使用非焦煤作为还原气体的来源用于 DR 工厂的运行。与煤气化相关的 DR 工艺被认为在技术上是可行的，但由于煤气化的高资本成本而无法实施。然而，这一概念得到了推进，并提出了一种创新设计的熔化气化炉，它与相当传统类型的还原轴相连。熔化气化炉有一个流化床，从还原竖井向煤和 DRI 进料，氧气喷枪浸没在流化床中。进入床层的煤被脱挥发分，剩余的焦炭形成流化床的主要成分，以及用于熔化 DRI 的燃料。
• 基于 BF 炉膛的工艺概念 - 提出了几种工艺设计，其中在焦炭床中进行熔化和气化，其方式与 BF 中的最终熔化阶段大致相同。在这些设计中，O2 和煤被注入装满焦炭的反应器中，焦炭也被供给 DRI。熔化的铁和炉渣渗过焦炭，收集在反应器底部，热气通过焦炭床离开熔化区。焦炭的存在提供了一个开放的床，在其中发生熔化并且气体可以从中逸出，但主要燃料是与 O2 一起燃烧的非炼焦煤。在这个过程概念中，目标是尽量减少焦炭消耗。在这个工艺概念中，DRI 也可以与煤和 O2 一起注入反应器底部，或者从反应区顶部引入，其中焦炭需要补充反应器中消耗的焦炭。该概念的进一步发展方向是在熔化反应器的上部而不是单独的工艺单元中制造还原阶段，从而提供连续逆流氧/煤熔炼还原工艺。这种工艺试图达到 BF 能够达到的非常高水平的热效率和化学效率。
• 输入电能的过程概念 - 这些概念已成为多个过程的基础。这些概念使用电作为热源，而煤或其他碳氢化合物仅作为还原剂。这些概念的基本假设是，随着时间的推移，核能发电将以非常低的成本提供丰富的电能，并且随着资源的枯竭，化石燃料将变得越来越昂贵。通常，这些概念在反应器设计中采用电加热，在其他方面类似于在各种氧气/煤工艺中使用的那些。这些概念认识到，无论热源是燃烧还是电力，碳/氢/氧/铁化学系统施加的热化学约束都适用。
• 采用以化石燃料为主要能源的电熔炉的工艺概念 - 有几种工艺使用电炉进行熔化和最终还原，并使用化石燃料（通常是非焦煤）作为主要能源。在这些概念下，通常在还原阶段引入燃料，还原产生的废气与产生的其他废热一起用于产生用于熔化操作的电能。这种类型的设计允许还原和熔化操作在一定程度上解耦，这不需要紧密匹配，因为该过程总是可以通过从配电网输入或输出到配电网来达到平衡。一般来说，这些工艺将部分还原的材料和一些燃料（炭）从还原单元转移到熔炉，熔炉也进行最终还原。

基于上述目标和理念，开展了多个工艺的开发工作。其中一些工艺是 BSC、CIG、Hoogovens、Kobe、Krupp、Korf、BSC Oxy/Coal BF、Kawasaki、Pirogas、Plasmasmelt、Sumitomo、DSS、Combismelt、Elred 和 Inred 等。其中一些工艺在初始后无法生存在实验室规模工作。一些达到了试验工厂阶段，然后放弃了。由于在此期间发生了大规模的“并购”活动，其中一些开发工作被合并，开发工作继续以新的名称进行。然而，在这些开发工作中获得的知识有助于进一步开发用于炼铁的 SR 工艺。

近年来，全世界约有 20 种 SR 工艺正在开发中。 SR 工艺的基本原理是将预还原的铁矿石/烧结矿/球团与非焦煤和 O2 或热风在反应器中熔化。所有 SR 工艺的目标是消耗最少的非焦煤和 O2，以提高工艺燃料效率。

SR炼铁工艺大致可分为两类，即（i）利用煤和电的工艺，以及（ii）利用O2和非焦煤的工艺。

利用煤炭和电力的工艺

这些 SR 工艺利用电力作为能源，使用非炼焦煤作为还原剂。根据所涉及的阶段数量，这些过程主要可以分为两种类型，即（i）单阶段过程和（ii）两阶段过程。

在单级工艺中，反应器容器中加入未经任何预还原的冷铁矿石，并且使用非焦煤作为还原剂。在这个过程中，还原和熔炼都在电熔炉中进行。冶炼厂的废气用于内部发电。与任何其他全氧煤工艺相比，该工艺具有更大的灵活性。

在两阶段工艺的情况下，还原装置中生产的直接还原铁在电熔炉中熔炼。来自还原装置的废气用于内部发电。与其他全氧煤工艺相比，该工艺具有更大的灵活性。

煤电单级和两级工艺的概念如图1所示。

图 1 煤电单级和两级工艺的概念  

利用氧气和煤的工艺

这些 SR 工艺利用氧煤燃烧作为能源以及还原目的。根据所涉及的阶段数（根据其热化学设计），这些过程可分为三种类型，即（i）单阶段过程，（ii）两阶段过程和（iii）三阶段过程。

单阶段工艺是所有铁浴工艺中最简单的工艺，理论上代表了在一个反应​​器中生产铁水的理想设计，在该反应器中同时进行还原和熔炼。在这个过程中，所有的冶金反应都在一个反应​​器中进行，铁矿石、煤和 O2 被加入其中，从液浴中释放出来的气体被后燃烧到非常高的程度（约 75%），大部分的热量被转移回液体浴。反应器由湿煤和湿铁矿石进料，没有任何预还原，因此该过程具有很高的能量需求。总能量由煤与 O2 燃烧提供。由于可用于利用还原性气体的可能性有限，因此对 O2 和煤的要求很高。这种 SR 工艺通常效率低下且在经济上没有吸引力，除非对大量高价值（高温和高还原潜力）废气给予足够的评价。适当控制具有氧化潜力和高沸点特性的泡沫渣和耐火材料侵蚀是与该工艺相关的另外两个问题。其优势包括低资本成本、使用未经处理的铁矿石和非焦煤，以及接受低品位矿石和煤炭的能力。 Romelt 和 Ausmelt 工艺就是这种 SR 工艺的例子。图 2 显示了利用 O2 和煤进行后燃和后燃的单级 SR 工艺的概念。

图 2 使用 O2 和煤的单级 SR 工艺概念，不带和带后燃烧

在两阶段工艺中，使用两个独立的反应器进行预还原和熔炼还原。来自冶炼阶段的废气用于预还原，这反过来又降低了最终还原和熔化的能量需求。根据预还原和后燃烧的程度，这些过程可以进一步分为两组。在第一组中，那些具有高度预还原和非常低程度的后燃烧的过程存在。这需要对冶炼过程进行严格控制，其中产生的废气的成分和量刚好足以生产高度金属化的 DRI。 Corex 工艺属于这一类。在第二组中，那些具有低程度的预还原和高程度的后燃烧的过程存在。热的预还原氧化铁通常与非焦煤和O2/预热空气一起加入熔炼反应器。从液浴中释放出来的气体在熔炉内被氧气/预热空气二次燃烧。后燃烧的热量从气相有效地传递到液浴。 HIsmelt、DIOS、AISI-DOE等工艺属于这一组。通过将气体反应区与熔炼区分开可以提高两阶段工艺的效率。发生热损失是因为熔化器废气在用于还原之前要从 1600 摄氏度冷却到 800 摄氏度。但是，如果在气体反应区中存在碳，它可以帮助降低废气的温度，因为 C+CO2=2CO 和 C+H2O=CO+H2 的吸热反应。图 3 显示了利用 O2 和煤进行后燃和后燃的两阶段 SR 工艺的概念。

图 3 使用 O2 和煤的两阶段 SR 工艺的概念，不带和带后燃烧

在三级工艺中，单独的气化炉与熔炼单元和预还原单元相连，对煤进行气化，产生 CO、H2、CH4 等。该过程需要在熔炼反应器和预还原单元之间增加一个气化/气体重整步骤。 -还原反应器。气化区中碳的存在有助于降低冶炼厂废气的温度，而不会损失能量。利用 O2 和煤的三阶段 SR 工艺的概念如图 4 所示。

图 4 利用 O2 和煤的三阶段 SR 工艺概念

SR 流程的优势

SR工艺在原材料、能源成本、资金成本、规模经济和环境相容性方面具有许多优势。这些优势包括以下几点。

• 与 BF 相比，由于经济规模较小，因此投资成本较低。
• 降低运营成本主要是因为使用了非炼焦煤。
• 由于更快的反应动力学和因对流而提高的传输速率，因此熔炼强度高，生产率高。比熔化能力非常高，至少是高炉比熔化能力的两倍。可以直接利用铁矿粉和煤粉。
• 不需要昂贵的炼焦煤。
• 该工艺有助于消除烧结/造粒和焦炭制造。由于这种消除，减少了人力需求并降低了运营成本。
• 由于排放量较低，该过程对环境友好。
• 该工艺可保持与高炉相同的铁水质量。
• 可以改进对工艺参数的控制。
• 可以灵活选择热化学设计。
• 还原过程比 BF 更快。
• 可以尽可能回收现有库存、厂内粉尘、污泥和其他回收物。
• 该工艺通过利用废气发电来提高能源经济性。 SR 工艺产生丰富的废气，可用于发电。

SR 流程的局限性包括以下几点。

• 该过程消耗大量 O2，生成 O2 需要大量电力（每 N 立方米 O2 大约需要 0.6 kWh）。
• 该工艺会产生大量高热值（约 2000 kcal/N cum）的出口气体，该工艺的经济可行性取决于其有效利用。
• SR 工艺单元的最大模块尺寸有限，如果工厂需要较大的炼铁能力，则可能不是最佳选择。
• 铁矿石的预还原是该工艺的必要条件。
• 该过程需要高效的后燃烧，以满足冶炼过程的能源需求。






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