Corex工艺：清洁低成本的传统炼铁替代方案

Corex炼铁工艺

20世纪末，为开发熔融还原技术作为生产液态铁(热金属)的替代路线，采取多项新举措。因传统高炉(BF)炼铁依赖冶金煤，冶金煤不仅昂贵，且在焦炉转化为高炉焦炭过程中伴随环境问题。熔融还原工艺基于熔融还原技术，生产热金属无需冶金焦。Corex工艺是这些举措之一，是首个且唯一商业化确立的、基于非焦煤的熔融还原工艺，作为高炉替代路线生产热金属。

Corex工艺由奥地利技术供应商VOEST于20世纪70年代末开发，1980年代确认可行性。1981年德国Kehl建成首座试验厂。商业化与南非钢铁商ISCOR合作达成，1989年11月在其Pretoria厂投产C-1000(C-0.5M)模块。该首代反应器称熔融气化炉，炉床直径5.5米，热金属产率40-60 t/h，额定年产30万吨。首代工艺通用性有限，解决大量技术问题，但帮助跨越该熔融还原技术关键示范阶段。

模块升级与商业化部署

C-1000模块成功运行后，开发商推出C-2000(C-0.8M)模块：炉床直径7.3米，热金属产率80-100 t/h，额定年产60-80万吨。首台C-2000于1995年在POSCO浦项厂投产。此后：Archelor Mittal南非Saldanha厂(1998年12月)1台，印度JSW Bellary厂(1999年8月、2000年4月)2台，印度ESSAR Hazira厂2台。

C-2000商业成功后，开发商提供更大产能模块：(i)C-1.0M模块，炉床直径7.8米，产率100-125 t/h，年产80-100万吨；(ii)C-1.3M模块，炉床直径9.4米，产率125-160 t/h，年产100-130万吨；(iii)C-3000(C-1.5M)模块，炉床直径9.6米，产率160-180 t/h，年产130-150万吨；(iv)C-2.0M模块，炉床直径11.5米，产率210-240 t/h，年产170-200万吨。宝钢集团在上海罗泾厂先后投产两台C-3000(C-1.5M)模块(2007年11月、2011年3月)。

如今Corex技术是公认生产液态热金属的工艺，质量与高炉铁水完全一致。它是工业化商业化验证的直接熔融还原工艺，允许直接从铁矿石和非焦煤成本高效、环保兼容地生产热金属。它是由烧结厂、焦炉、高炉组成的传统高炉路线的唯一替代方案。

Corex工艺区别于高炉路线的特点

• 直接使用非焦煤作还原剂和能源
• 铁矿石可直接以块矿、球团形式可行装入工艺
• 用纯氧代替富氮热风。非焦煤直接使用因煤在熔融气化炉内焦化，高拱顶温度>1000℃致使非焦煤释放烃类完全裂解，避免焦油生成。典型Corex矿料负荷为30%块矿+70%球团。运行结果显示甚至块矿比例达80%仍能稳定运行。高纯氧生成无氮顶煤气，因高热值可循环还原或作热能/发电用。

Corex工艺吸引力所在

• 适合炼钢的热金属质量
• 消除焦炉和副产品厂，投资运行成本低
• 工艺相关排放率低
• 可用多种铁矿石特别是非焦煤
• 生成高价值输出煤气，可发电、生产DRI、替代天然气等多用途

工艺描述

Corex工艺最创新特征是将铁还原和熔融操作分离为两个独立反应器：还原竖炉和熔融气化炉。两级操作中，竖炉产出DRI装入熔融气化炉熔化。熔融气化炉中非焦煤经吹氧气化，预还原铁矿石/球团熔化。出气用于上游竖炉还原铁矿石/球团。工艺流程示意图见Fig 1，主要装置段示意图见Fig 2。

图1 Corex工艺流程示意图

图2 Corex主要装置段示意图

还原竖炉

铁矿石(块矿、球团或混合)装入还原竖炉，在逆流还原煤气作用下还原为直接还原铁(DRI)。物料靠重力在竖炉下降。还原煤气~800-850℃、>3 kg/cm²压力逆流上升至炉顶，以~250-300℃排出。铁质物料在竖炉直接还原至>90%冶金化度，称DRI。DRI冶金化度和熔剂煅烧程度强依赖四参数：(i)还原煤气量和质量，(ii)还原煤气温度，(iii)铁质负荷可还原性，(iv)装料平均粒度和分布。随后热DRI(~800℃)和部分煅烧石灰石、白云石经调速螺旋卸料机从还原竖炉卸入熔融气化炉。

熔融气化炉

熔融气化炉主要分三反应区：(i)气态游离板区(上部/拱顶)，(ii)焦炭床区(中部、氧风口上方)，(iii)炉床区(下部、氧风口下方)。因连续气流穿过焦炭床，焦炭床与游离板区过渡区也存在流化床。熔融气化炉操作压力3-5 kg/cm²，上部流化床区~1500℃，下部熔融集液区~1550℃。非焦煤、石灰石、石英经锁斗系统装入流化床上方游离板区，快速加热至1000-1200℃。竖炉也加入部分配焦，防止矿/球团粘连架料、维持床层透气性。

挥发分析出，固定碳破碎颗粒落入气化区，氧气通过高炉型风口喷吹燃烧碳生成一氧化碳(CO)。喷吹氧气化煤焦生成CO。热煤气显热传给焦炭床，用于熔化铁渣和其他冶金反应。放热燃烧提供能量完成热DRI还原并熔化渣铁。除最终还原熔化外，所有其他冶金反应也在熔融气化炉进行。热金属和渣按常规高炉实践出铁出渣。

还原煤气生成与输出煤气

竖炉还原煤气由熔融气化炉流化床中煤与氧部分燃烧产生。熔融气化炉出煤气1050-1100℃，掺入冷却煤气冷却至还原煤气温度(800-850℃)。经热旋风分离器清洗回收夹带细粉。部分洁净煤气作为含>94% CO+H₂的还原气体引入竖炉。剩余煤气与竖炉净化尾气混合，作为输出燃料煤气(即Corex煤气)。

Corex煤气热值~2000 kcal/Nm³。主要体积组分：CO~44%，CO₂~30%，H₂~21%，水分~1%，N₂~2%，CH₄~1.5%，粉尘<5 mg/Nm³。供各用户Corex煤气压力通常~700 mm水柱。

煤气循环利用

热量物料衡算计算在Corex运行中起重要作用。由压缩机站和CO₂移除组成的循环系统可使更多输出煤气用于冶金工作。这提高输出煤气利用率，改善整体经济性并更环保。基于煤气循环的利用率提高，熔融气化炉煤气产生量显著降低，直接反映为燃料和氧气消耗降低。渣产生量也减少20%以上。

工艺化学

Corex工艺采用高炉概念，但将高炉在粘结带界面虚拟分为两半(图3)。工艺分三阶段。第一阶段在还原竖炉，铁矿石负荷经熔融气化炉逸出气体还原转化为热DRI。热DRI机械传送至熔融气化炉进行第二、三阶段。第二阶段在熔融气化炉中，加入煤和氧气熔化渗碳热DRI。第三阶段在熔融气化炉上部，维持煤焦流化床。此处CO₂和水分(H₂O)转化为CO和H₂。因离开熔融气化炉煤气中几乎无CO₂或H₂O，Corex煤气后燃烧度为零，得到富化学能煤气。

图3 高炉路线与Corex路线概念对比

还原竖炉反应

• 铁负荷经CO和H₂分级还原冶金化：Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe
• 石灰石白云石煅烧：CaCO₃ = CaO + CO₂；CaCO₃·MgCO₃ = CaO·MgO + 2CO₂
• 碳沉积反应和碳化铁(Fe₃C)形成：2CO = CO₂ + C；3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂

上述反应中，氢还原铁氧化物和煅烧为吸热，CO还原铁氧化物和碳沉积为放热。还原煤气在竖炉因烧石灰和白云石几乎完全脱硫：CaO + H₂S = CaS + H₂O；MgO + H₂S = MgS + H₂O。顶煤气低硫化氢含量对Corex煤气后续使用重要。

熔融气化炉反应

• 煤干燥：100℃
• 煤脱挥发分：200-950℃，释放甲烷(CH₄)和高碳烃(CₙHₘ)
• 挥发分分解：熔融气化炉游离板区高温下烃类裂解为氢和元素碳(CₙHₘ = nC + m/2 H₂)。需所有高碳烃在游离板区裂解以保证优质还原煤气生成。通过维持拱顶温度1050-1100℃实现。游离板区其他反应：(i)CO₂ + C = 2CO(布杜亚尔反应)，(ii)H₂O + C = CO + H₂(水煤气反应)，(iii)CO + H₂O = CO₂ + H₂(变换反应)。
• 未煅烧石灰石白云石煅烧
• 海绵铁残余铁氧化物还原
• DRI中FeO由焦炭床碳直接还原
• 煤焦氧燃烧：风口前区域存在熔融气化炉最高温度。风口区碳气化反应：(i)2C + O₂ = 2CO，(ii)2CO + O₂ = 2CO₂，(iii)C + CO₂ = 2CO
• 铁渣熔化分离，出热金属和液态渣

产品特性与单耗指标

Corex工艺典型热金属成分：C-4.5%，Si-0.5%，Mn-0.08%，S-0.03%，P-0.1%。热金属温度~1470-1500℃。

典型渣成分：CaO-35%，MgO-13%，SiO₂-31%，Al₂O₃-15%，FeO-0.4%，TiO₂-0.5%，S-1.2%。液态渣温度~1520-1580℃。

典型Corex顶煤气组成：CO~42%，H₂~19%，CO₂~31%，CH₄~1.9%。典型还原煤气组成：CO~62%，H₂~23%，CO₂~9%，CH₄~2%。典型输出煤气组成：CO~44%，H₂~21%，CO₂~30%，水分~1%，N₂~2%，CH₄~1.5%，粉尘<5 mg/Nm³。

典型单耗(每吨热金属)：干基非焦煤~940 kg，熔剂~265 kg，氧气~520 Nm³。配输出煤气循环时：干基非焦煤~770 kg，熔剂~185 kg，氧气~455 Nm³。典型生成量(每吨热金属)：液态渣~340 kg，输出煤气~16,500千Nm³，热值~1910 kcal/Nm³。配循环时：液态渣~265 kg，输出煤气~14,100千Nm³，热值~1790 kcal/Nm³。

Corex工艺总能量输入约45%用于炼铁，其余进入输出燃料煤气。产出热金属碳硅含量与高炉相似。但非焦煤中几乎所有硫进入渣和热金属。有机硫在煤气化并被DRI吸收，以硫化铁形式返回熔融气化炉。

环保方面

Corex工艺将大部分污染物以惰性状态捕获在渣中，释放烃类在熔融气化炉拱顶销毁。因熔融气化炉原位焦化煤，大部分霍捕获在渣中，大幅降低气态SO₂或H₂S排放。因用纯氧代替热风，Corex显著降低NOx氮排放，粉尘排放也有优势。Corex排放水平远低于含高炉、烧结厂、焦炉的BF路线。

Corex热金属生产CO₂排放比高炉路线至少低15%。大气排放也低于常规高炉。CO₂排放~1420 kg/tHM vs 高炉~1900 kg/tHM。SO₂排放~55 kg/tHM vs 高炉路线~1400 kg/tHM。颗粒物和NOx排放约为高炉路线10%。酚类排放~0.04 g/tHM vs 高炉~100 g/tHM。硫化物排放~0.01 g/tHM vs 高炉~180 g/tHM。氨排放Corex~60 g/tHM vs 高炉~900 g/tHM。废水氰化物排放Corex路线完全消除。

优势与局限

优势

• 比传统高炉路线降低单位投资成本
• 生产成本更低
• 排放排放低，环保性能更好
• 输出煤气高热值适用广泛应用
• 原料使用灵活，可用多种铁矿石和煤
• 运行灵活性好：产能、停车、原料变更

局限

• 熔融气化炉需优化煤和DRI分布避免热气边缘流动
• 无后燃烧导致输出煤气化学能损失，煤耗高
• 冷却煤气压缩机等多设备维护导向
• 热DRI传送和热煤气循环在检修期有危险
• 熔融气化炉因用劣质生煤致焦炭床状况差，高频压力峰值，导致粉尘循环系统和煤气净化系统卡堵
• 对工艺输入质量参数敏感：粒度、细粉比例、高温下煤/铁矿石/球团的解离和降解行为