煤基直接还原回转窑工艺：低成本无焦煤炼铁技术
煤基直接还原回转窑工艺
煤基直接还原回转窑工艺用于将铁矿石直接转化为金属铁，无需熔化物料。该工艺优势在于低资本支出和无需焦煤。金属铁通过非焦煤中碳质材料在铁矿石熔点(1535℃)以下还原铁氧化物生产。因铁矿石全程与还原剂直接接触，常称直接还原铁(DRI)。高冶金化度还原产品呈"蜂窝结构"，常称海绵铁。
煤基DRI厂选址灵活，因非焦煤大型矿床广泛分布且易运输。多数工厂采用回转窑还原工艺。这些工厂使用多种原料和非焦煤。原料质量直接影响工艺和产品。部分厂不直接用铁矿石，改用球团矿。铁矿石、白云石、非焦煤原料混合从回转窑一端加入，煤燃烧器加热生产DRI。产品DRI连同焦炭(称多洛焦)从另一端排出。此外，向窑内供一次风和二次风启动燃烧、维持反应过程。
原料
主要原料
回转窑法生产DRI主要原料：(i)粒级合格铁矿石或球团矿，(ii)非焦煤，(iii)少量白云石作脱硫剂。
铁矿石质量要求
优质铁矿石是煤基直接还原工艺基本投料。多数煤基直接还原厂用块铁矿石。主要质量要求：
- 高Fe含量、低脉石和有害元素(磷、硫)
- 良好搬运性能(滚筒指数、磨损指数)
- 粒度规整、细粉少
- 高可还原性
- 还原过程中低解离度
- 与还原剂煤良好匹配
粒级铁矿石质量须满足物理、冶金、化学要求。物理要求：强度和粒度。矿石要硬、高强度。最优滚筒强度≥90%。视可还原性，一般用5-20mm规整矿。冶金要求：高可还原性、热稳定性、加热还原过程中低粘连和解体倾向。化学要求重要：除去氧外，直接还原过程中无其他化学变化。源自铁矿石的脉石物质(硅、铝)及硫磷含量对后续炼钢操作经济性有不利影响。故矿石要求高铁、低脉石。期望物理化学规格：
- 粒度：5-20mm
- 超大/超小粒度：各<5%最大
- 滚筒指数：>90%
- 杂质(红土等)：<5%
- 总铁：≥65%
- SiO₂：<3%
- SiO₂+Al₂O₃：≤5%
- 硫：≤0.01%
- 磷：≤0.05%
- 水分：≤1%
非焦煤质量要求
回转窑用非焦煤双重角色：供热、作还原剂。主要质量要求：
- 非焦化特性
- 低灰分
- 低硫分
- 良好反应性
- 高灰熔点
- 中等挥发分
煤非焦化特性必要，因焦化反应导致窑内结圈。回转窑工艺焦化指数实际允许限值≤3。低灰分必要：高灰分导致窑可用还原体积未充分利用，也增加固定碳消耗(加热惰性灰分至反应温度需额外能量)。灰分≤20%为高效运行实际极限。低硫控制DRI硫含量。煤硫≤0.01%最大。煤良好反应性必要：固态还原重要步骤是正向反应，煤燃烧生成CO₂与煤反应再生CO(布杜亚尔反应)。故煤须具足够反应性使布杜亚尔反应按所需速率进行。烟煤和次烟煤通常显示适合DRI生产的良好反应性。灰熔点另一重要特性。低灰熔点煤导致粘性物料，因窑内结瘤形成渣层覆盖矿石表面降低还原率，致使窑运行不稳定。故回转窑操作需灰熔点>1400℃煤。煤挥发分须适宜煤基回转窑工艺。极低挥发分煤导致焦炭反应性极低，产品冶金化差。极高挥发分煤虽产高反应性焦炭，但增加窑内气量也不宜。通常回转窑工艺挥发分范围25%-30%。回转窑直接还原用煤需低膨胀指数，通常<1。非焦煤物理化学规格：
- 块煤粒度：5-20mm
- 细煤粒度：<5mm
- 杂质(页岩、石等)：<3%
- 固定碳：≥45%
- 挥发分：25%-30%
- 灰分：≤20%
- 水分：≤8%
白云石规格
白云石用于DRI生产脱硫。典型规格：MgO≥22%，CaO≤28%，LOI平衡。
化学反应
化学反应在回转窑内进行。回转窑横截面见图1。
图1 回转窑横截面
煤基直接还原工艺基于固体还原剂非焦煤。反应高温(1000-1100℃)下进行。煤在窑内双重角色：部分作燃料供热使原料达所需温度；主要角色供碳还原。白云石作硫清除剂最终随焦炭排出。焦炭含煤灰和铁矿石其他杂质。铁矿石还原为DRI过程中反应分几阶段进行。铁矿石经历最终还原反应：
Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂
反应显示一氧化碳(CO)为还原气体，由煤控制燃烧按布杜亚尔反应获得：
C + O₂ = CO₂
C + CO₂ = 2CO
上述CO按上式还原铁矿石氧化铁为金属铁。但氧化物还原为金属非一步完成，而是逐级去氧生成各种中间氧化物。还原序列：Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe。
铁矿石和煤床层内反应为多相性质。发生两组反应：第一组在煤、CO₂、氧气间；第二组在铁矿石颗粒和CO间。因铁矿石氧以CO₂形式移除，CO₂逸出使DRI产品多孔。矿石颗粒与气态还原剂反应可视为以下五个连续阶段：
- 阶段1：气态反应物扩透过包裹矿石颗粒的膜至固体表面
- 阶段2：反应物穿透扩散过已反应外层包覆层至未反应核心表面
- 阶段3：气态反应物在反应界面与固体反应
- 阶段4：气态产物扩散过反应层至固体外表面
- 阶段5：气态产物扩散过气膜回主气体主体
因反应分几阶段且按顺序进行，速率最慢阶段控制总反应速率。扩散速率和反应速率主要为三参数函数：(i)反应物浓度，(ii)活性界面温度，(iii)活性反应面积。
直接还原过程
直接还原过程在回转窑进行，操作温度维持1000-1100℃。窑产品(DRI和焦炭混合)经外部水冷系统回转冷却器冷却。产品经筛分磁选。DRI有磁性被吸引分离，非磁性焦炭分离。
铁矿石和煤破碎筛分至相应粒度，按预定比例经给料管加入回转窑。回转窑轻微倾斜2.5°，交流变频电机变速旋转，转速0.2-1.0 rpm。因倾斜和旋转，物料从进料端至出料端约7-8小时。
煤粉从出料端吹入维持床层所需温度和碳浓度。窑顶装多个壳体风机向相应区域吹风维持温度分布。物料和热气逆流移动，铁矿石预热并随到达出料端逐渐还原。
回转窑大致分两区：预热区和还原区(图2)。预热区占窑长40%-50%。此区驱除负荷水分，煤挥发分在600-800℃范围释放，在自由空间上方通过风管供入燃烧空气燃烧。燃烧热提高衬里和床面温度。窑旋转时衬里传热给负荷。负荷预热至~950℃进入还原区。还原区维持1000-1100℃，为氧化铁固态还原金属铁适宜温度。窑长度方向装热电偶确定窑热力学剖面。窑内温度通过调节壳体风口风机风量和控制煤喷射控制。矿石氧化铁由窑内煤生成一氧化碳还原为金属铁。
窑出热还原物料经转料斗进入回转冷却器冷却。冷却器也倾斜2.5°，交流变频电机0.3-1.2 rpm变速驱动。水喷淋壳体顶部间接冷却壳内热物料。冷却水收集于冷却器下方槽中，泵入冷却塔循环并补水。经封闭料斗卸入冷却器的固体冷却至~100℃且无空气接触。料斗格栅移除大块结瘤(>50mm)防止堵塞/损坏冷却器卸料机构。结瘤大块经大块闸门单独排出。其余物料经双翻板阀卸至皮带输送机。产品经输送机送产品分离系统。
窑冷却产品经回转冷却器卸出后送产品分离区，DRI磁选分离焦炭并筛分各粒级。
窑内逆流物料移动的煤气进入粉尘沉降室(DSC)重颗粒沉降。连续湿式刮板移除。煤气进后燃烧室(ABC)余碳或CO被余氧燃烧。ABC后煤气高温含大量热能，通常经余热回收锅炉(WHRB)生成蒸汽。蒸汽一般发电用。WHRB出口煤气冷却至~200℃进入袋式除尘器、洗涤器、电除尘(ESP)等除尘设备除细粉尘。洁净煤气~80℃经烟囱排大气。
为避免显著窑结圈，窑操作温度须控制在1100℃以内。
因回转窑工艺需7-8小时还原时间，工艺生产率受限，通常视窑大小在3-15万吨/年范围。工艺重要阶段和工艺概念见图2。
图2 回转窑工艺重要阶段和概念
煤基回转窑还原工艺需~6 Gcal燃料能量。>2 Gcal能量随窑废气排出。部分能量在WHRB回收。
典型煤基直接还原工艺流程图见图3。
图3 煤基直接还原工艺流程图
存活工艺共性特征
20世纪下半叶此领域开发多工艺和概念。部分存活部分消亡。存活工艺和概念有若干共性或略异特征：
- 避免空气进入回转窑的密封方法
- 从回转窑出料端抛掷/甩入非焦煤方法
- 原料称重配料装料方法
- 沿窑长定期定量引入受控空气方法，使其不氧化床层还原产品
- 沿窑长定期测量记录温度方法
- 喷水冷却钢制圆柱壳体间接冷却DRI-焦炭混合物方法
- DRI-焦炭混合物中DRI分离方法
- 废气处理和压力控制维持期望流量剖面方法
- 废气能量回收方法
设备与设施
原料制备段
含振动给料机、破碎机、筛分机。铁矿石通常无需破碎，因一般采购粒级料(5-20mm)。铁矿石通常进地面料斗，经振动给料机输送至筛分机，筛分分离超大(+20mm)和超小(-5mm)。超大料输送至超大破碎机获粒级料。非焦煤收到粒度通常-200mm，经初级二级破碎机闭路配初级二级筛分。筛分分离两馈分：窑用块煤(5-20mm)和喷吹细煤(-5mm)。白云石破碎筛分一般不需，因一般采购粒级料(3-8mm)直接经输送机进日料仓。所有原料从卸料点经输送机进日料仓。
原料储存段
含储存仓(日料仓)。不同原料分设储存仓。仓通常设计存放至少一日消耗量原料。
原料给料系统
含称重给料机，设于各仓下方按所需比例从仓取各原料送输送机进窑。
回转窑——煤基还原工艺核心
还原反应在此反应器进行。窑直径长度视产能而定。窑全长一般衬高铝质浇注耐火材料，进出料端设挡渣墙。窑通常倾斜2.5°下坡，视窑大小靠2-4托轮支撑。可通过调整坡度和转速控制物料通过窑输送速率。窑两端相对有进出料锥体，各自风机冷却。窑壳设小取样口。液压系统控制窑在托轮上纵向定位。煤铁矿石计量入倾斜窑高端。部分煤从窑出料端气力喷入。负荷先经预热区煤脱挥发分、铁矿石预热至还原预热温度。沿窑长均匀间隔安装耐热钢空气喷管控制温度工艺，逆流铁矿石方向。喷管顶端装特殊内部旋流器改善燃烧均匀性。窑出料端中央燃烧器用LDO(轻柴油)冷窑加热。初始加热后关燃料供应，燃烧器喷风助煤燃烧。窑温用固定热电偶和"快速响应热电偶"(QRT)口测量。固定热电偶沿窑长布置监控各段温度。固定热电偶有时因灰/矿/结瘤覆盖给出误读，此时用QRT监控窑温。
回转冷却器
窑出产品(DRI)连同煤灰、煅烧白云石、残余焦炭~1000℃卸出。窑出料端封闭料斗装大块分离器和清理大块检修门将热DRI传给回转冷却器。冷却器为适当尺寸旋转圆筒，倾斜2.5°。DRI经壳体上表面喷水间接冷却。冷却水收集于冷却器下槽泵入冷却塔循环补水。经封闭料斗卸入冷却器固体冷却至~100℃无空气接触。料斗格栅移除大块结瘤(>50mm)防堵塞/损坏冷却器卸料机构。结瘤大块经大块闸门单独排出。其余物料经双翻板阀卸至输送机。产品经输送机送产品分离系统。
产品分离段
含振动筛和磁选机。冷却产品经皮带输送机送产品分离段。冷却器卸出产品含DRI、焦炭、煤灰。产品分离楼先经双层筛3mm和20mm筛分。筛分产品送磁选机分离磁性和非磁性部分。先筛除+20mm DRI。下料(DRI、焦炭、煤灰混合)筛分±3mm馈分。各馈分经磁选机。+3mm非磁部分多为焦炭，可回收窑作燃料或作电厂锅炉燃料。-3mm非磁部分多为废煅烧白云石、灰、细焦炭，弃置。各馈分磁性部分为DRI。+3mm馈分可直接炼钢，细馈分可压块装袋收集。
产品储存段
含储存仓。DRI块矿(3-20mm)和DRI细矿(-3mm)分仓存放。仓通常设计存放至少一日产量。厂产生焦炭单独储存作电厂燃料。
废气系统
窑废气~850-900℃经粉尘沉降室，重粉尘因气速骤降沉降。烟气进后燃烧室余未燃可燃物吹余风燃烧。后燃室温度有时水喷淋控制。燃烧煤气经落料管进蒸发冷却器降温，经ESP/袋式除尘/洗涤器等除尘设备分离余粉尘。经引风机(ID风机)和烟囱排大气。但宜装余热回收锅炉(WHRB)回收废气显热能量。此时后燃室后烟气经弯管进WHRB提取显热。煤气经ESP/袋式除尘/洗涤器、引风机、烟囱排大气。
公用工程供应
工艺需压缩空气和冷却水两公用工程。空压机通常供压缩空气，冷却水系统含泵房和冷却塔。
回转窑结瘤形成
窑内物料翻滑滑动，耐火衬里表面不可避免形成薄粉尘层。窑特定区域易颗粒积累，热力和流动条件共同作用形成圆柱沉积物，因旋转运动形成环。环增厚减小窑可用开口即工作体积，阻碍产品和烟气流动。环通常靠近还原区或燃烧器，因该区温度极高，特别是燃烧器火焰直接冲击致耐火衬里过热。这是最常见也最麻烦的环类型。
回转窑结瘤形成主要原因是FeO-SiO₂-Al₂O₃系低熔点复合物形成，如维斯铁石、辉石、铁镁矽石、尖晶石；及CaO-MgO-FeO-SiO₂-Al₂O₃系如钙铝石、钙长石、钙镁石、铁镁矽石、尖晶石、铁镁硅酸盐。这些复合物共存降低窑负荷熔点，使其粘附耐火壁。部分结瘤因细粉团聚靠近加料端或DRI因过高温度和/或出料端低碳铁比烧结形成。
因这些环无法从窑外触及，运行中无法移除。多案例环快速增长导致窑非计划停工。观察到窑停工大多仅因结瘤形成。
DRI生产相关术语
衡量DRI还原反应有效性相关术语定义：
总铁百分比 "Fe T"指样品总铁含量，含金属铁和与氧等元素化合铁。
Fe T = (铁重量/样品重量)×100
金属铁百分比 "Fe M"指化学未结合铁及渗碳体(Fe₃C)铁。
Fe M = (金属铁重量/样品重量)×100
残余铁氧化物指DRI中残留氧化铁，FeO、Fe₃O₄或Fe₂O₃形式，通常仅FeO为唯一残余氧化物。
总碳指DRI中总碳，等于游离碳和结合碳(渗碳体)之和。
杂质指DRI中不希望元素/化合物，硫磷最常见。
冶金化率指还原剂作用去氧将氧化铁转化为金属铁(游离或渗碳体结合)程度量度。
冶金化程度指总铁中金属铁所占比例。
冶金化程度 = (金属铁重量/总铁重量)×100 = (Fe M/Fe T)×100
当量冶金化率——给定冶金化度下海绵铁碳含量重要。炼钢时有能力去除残余氧化铁氧。引出当量冶金化率概念，定义：
当量冶金化率% = 冶金化程度(%) + 5 × DRI中总碳%
还原百分比指生产DRI时去除氧量参考初始Fe为Fe₂O₃。
%还原 = {[(%O/%Fe T)在Fe₂O₃中 – (%O/%Fe M)在DRI中]/(%O/%Fe T)在Fe₂O₃中}×100
%还原 = [1 - 2.327×(%O/%Fe T)在DRI中]×100
此定义给出DRI中铁状态。有人以矿石初始氧化物状态(含Fe₃O₄、FeO)为参考定义还原百分比，易混淆。此时还原百分比定义DRI工艺执行还原量。
脉石百分比指DRI中非铁化合物(SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等)。
脉石 = 100 - %O与Fe - %Fe M - %C
四元碱度指CaO、MgO与Al₂O₃、SiO₂比，表达为(%CaO + %MgO)/(%Al₂O₃ + %SiO₂)。
制造工艺