常用熔融还原炼铁技术分析评估
2010-02-07 10:39:57 来源：
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虽然国家对钢铁产能进行严格控制，但却明确支持熔融还原炼铁技术的开发研究。钢铁专家一致认为熔融还原技术作为炼铁的重要方法必将成为钢铁工业发展的必然趋势和发展目标。随着钢铁工业的入门门槛提高，熔融还原技术将成为中小企业进入钢铁行业的重要渠道。
习惯上人们用“有无预还原”将熔融还原分为“一步法”熔融还原和“二步法”熔融还原。“一步法”熔融还原只有熔态还原，矿石预还原率接近0，是真正意义上的熔融还原炼铁法，如HIsmelt、Romelt、Ausmelt等低预还原率工艺均属于此；而“二步法”熔融还原，即预还原加终还原，如COREX、FINEX工艺等，严格讲“二步法”应该称为还原熔融炼铁法。
COREX工艺最先应用于工业生产，HIsmelt工艺已建示范厂，FINEX－3000设备也已达到设计生产指标，这些工艺均已取得一定成功，但却不一定是最佳工艺。因此，通过对现有工艺、流程和设备的评价分析，取其优点，开发适合我国国情的熔融还原炼铁新技术十分必要。
1. HIsmelt工艺
2005年5月，澳大利亚奎那那（Kwinana）采用HIsmelt熔融还原炼铁技术建成年产铁水80万t的示范厂。由于工艺技术比较独特，该工厂占地面积小，不包括原燃料储存场地，HIsmelt工厂包括所有设备的占地约300m×200m。入厂原料是矿粉、熔剂和原煤，最后产品是铸铁块和干渣。厂区内最高设备是矿粉循环预热器，高度约60m，最核心设备是熔融还原炉主体，其他设备都是目前冶金行业成熟应用的装置。
HIsmelt熔融还原的特点：
1. 原料来源广泛，可全部使用粒度6mm以下的粉矿、粉煤，包括无法通过烧结厂回收的废弃物，物料中的C、CaO和MgO也能得到利用，对燃料煤的要求不高，大幅减少资源消耗。
2. 由于HIsmelt熔融还原炉有强氧化性炉渣，有较好地脱磷效果，适合于冶炼高磷矿，这是区别于高炉和其他非高炉炼铁工艺的主要特点。
3. 由于氧化性气氛很强，产出的铁水含磷低、碳低、硫高、硅锰含量为0，不适合直接供炼钢流程使用。在经过炉外脱硫和添加锰铁、硅铁合金或与高炉铁水兑配，达到炼钢铁水的要求。
4. 操作灵活，反应过程的启动、关闭简便易行，从而使得炼铁和炼钢作业能有效衔接，而不必限产铁水。
5. 由于粉矿预还原度低，炉渣含FeO高，炉衬腐蚀快，一代炉龄仅12～18个月。
6. HIsmelt熔融还原为低压操作，大量高温含尘煤气热能难以回收利用，吨铁能耗高，高温低热值尾气成为该工艺的“鸡肋”。
HIsmelt是典型的“一步法”熔融还原工艺，直接利用粉矿、粉煤冶炼对钢铁业者有着较大的吸引力。但该工艺要想实现工业化生产，在热煤气利用、CO二次燃烧并将热量有效传递给熔池，提高设备利用率及降低炉衬成本方面还有很长的路要走。
2. COREX工艺
COREX工艺演化了高炉炼铁技术，将高炉从概念的软熔带部分分为两部分。一部分利用成熟的高炉长寿炉缸技术（包括焦炭床和碳砖结合冷却壁技术）构造成了造气煤炭流化床即熔融气化炉；而另一部分借鉴了成熟的大型MIDREX气基还原技术，构造成了预还原竖炉，使用块煤和块厂炼铁，成功地实现了工业化生产。
COREX的基本工艺流程为：块矿、烧结矿、球团矿或这些原料的块状混合物，通过封闭漏斗系统装入到预还原竖炉中，在原料下行的过程中，被逆向流动的还原气体还原成金属化率约80%～90%的直接还原铁（DRI）。螺旋卸料器将DRI从预还原竖炉中传送到熔融气化炉中，进行终还原和熔化。熔融气化炉产生的煤气由于含有煤粉、灰尘和铁尘、CO和H2等，且温度高于1100℃，不能直接进入预还原竖炉，必须在旋风除尘器中净化，混入冷煤气降温，调整到最佳工作范围800～850℃后作为还原气从下部送入竖式预还原炉。
COREX演化了高炉炼铁技术，取得了商业成功，但同时也继承了高炉炼铁的一些缺点：
1. COREX是典型的炉床法炼铁工艺，与高炉相比，COREX更多地依靠间接还原，间接还原度越高，工艺进行得越容易，难以摆脱料柱透气性问题的困扰。
2. 为保证竖式预还原炉料柱的透性必须使用块矿、烧结矿、球团矿或这些原料的块状混合物，因此必须配有造块设备。对入炉块状原料的理化性能有很高的要求，从而提高了原料成本。
3. COREX的实践证明，要依靠焦炭床来保护炉缸，稳定生产，就无法摆脱对焦炭的依赖（焦比＞10%～20%），尤其是大型化后，焦比会超过200kg/THM。
4. 从熔融气化炉抽出的高温煤气经净化后，从＞1100℃降至800～850℃，温度损失了250℃左右，热效率比不上高炉。
5. 虽然使用了全氧冶炼，但按炉缸面积计算的生产率仅为高炉的0.7～0.9。
6. 竖炉预还原炉料的金属化率波动大。
7. 操作影响因素多，在炉体中部的高温区使用了排料布料活动部件，使设备维修成本及热损失增加，个别设备还不够成熟，利用率不高。
8. 在高炉冶炼条件下，采用富氧喷吹有一定的限度，传统高炉更不能采用全氧冶炼。COREX工艺虽然采用全氧冶炼，但其生产率并不高，根本原因在于，虽然全氧熔炼速率很快，但受到上部竖炉铁矿还原速率的限制，对于一定产能的COREX熔融还原工艺，要求下部熔融气化炉的操作必须与上部的竖炉铁矿还原情况相匹配，才能达到较好的技术经济指标。
3. FINEX工艺
FINEX工艺是在COREX工艺基础上开发的一种新的熔融还原工艺。FINEX工艺亦分为两部分，用一种名为FINMET工艺的技术，采用多级流化床将铁矿粉还原来代替COREX的竖式还原炉，然后利用COREX的熔融气化炉进一步熔化、深度还原和渣铁分离。
韩国浦项年产150万t铁水的FINEX-3000装置于2007年10月投产，已经达到日产4300t设计能力。1995年浦项为了研究FINEX引进了COREX-2000，将新技术流程打通，不断优化。FINEX开发研究经过了17年，总共已投入10.6亿美元，经历过多次的挫折和失败，才得以建成年产150万t的FINEX生产装置。
FINEX工艺特点为：FINEX工艺的原料由块矿、球团矿改为粉矿（平均粒度在1～3mm，最大粒度＜8mm），资源丰富、廉价的粉矿和一般烟煤，为该工艺的发展赋予新的发展活力；FINEX炉顶煤气全部循环使用。浦项认为FINEX比高炉生产成本下降15%，总体投资是高炉流程的80%；FINEX流程的SOx、NOx、粉尘的排放量与高炉流程相比，只有6%、4%和21%，且没有焦化含酚、氰等污水排放，是一种清洁生产工艺，铁水质量与高炉、COREX炉相当。
冶金界最关心的是该工艺的原料、能耗和生产成本。FINEX的优势是用贮量丰富的普通煤种代替焦煤，但流态化反应器的还原效率不如竖炉，其金属化率只有80%～85%，增加了熔融气化炉的还原负担，使得每吨生铁耗用的煤量要比高炉高得多。目前，先进的大型高炉燃料比约500kg/t，而FINEX约850kg/t（也有报导是1050kg/t），还有500Nm3/t的氧气消耗。如高炉工艺考虑焦化、烧结、球团等铁前工序的的全流程能耗，则二者的差距明显减少。加上FINEX从煤气回收的能量远高于高炉，有计算表明FINEX的工序能耗还略低于高炉工艺（含铁前工序）。
高炉生铁成本中原料占60%左右，而FINEX只占45%左右。高炉成本中燃料和动力占30%左右，扣除煤气回收约28%。而FINEX燃料和动力因使用大量氧气约占55%，扣除煤气回收仍占约41%，其中氧气每吨铁消耗约500m3，其费用为成本的20%，有专家估算，在国内情况下，FINEX与大型高炉相比（如1座3800m3高炉与2座年产150万t铁的FINEX），高炉比FINEX生铁成本低12.5%。
4．综合分析评价
1. 从工艺角度看，COREX更多依靠间接还原工艺，保留着高炉炼铁工艺的特点；FINEX则把COREX的预还原竖炉改变成多极流化床反应器，可以完全使用粉矿；这两种熔融还原工艺可以说是对高炉的“改良”，只是FINEX的改良程度更大一些。而HIsmelt则完全摆脱了高炉炼铁工艺概念，是炼铁技术的一种“革命”，可有效解决困扰高炉工艺的料柱透气性问题，是真正意义上的熔融还原技术。
2. 在原燃料资源的取用上，COREX可以使用非焦煤，优于高炉，但还须使用块矿和球团及部分焦炭。FINEX不仅可用非炼焦煤，而且摆脱了对块状原料的依靠，这一点优于高炉和COREX，只是还需要块煤和粉煤造块。Hismelt则原燃料全部粉状化，且对原燃料性质无特殊要求，资源面最宽，便于就地取材，并且可使用高磷矿石。
3. 在流程设备上，COREX需要球团与块矿等造块设备和部分焦炭；FINEX使用粉矿和粉煤造块，可以不建烧结、球团、炼焦厂；HIsmelt完全免除了烧结、球团、炼焦厂投资，也不需要煤造块。但三种工艺均需配套制氧设备和自备电厂。
4. 在生产成本上，FINEX和Hismelt原料成本相对较低，COREX和FINEX氧气成本较高。燃料消耗前两种高于Hismelt，因此生铁成本COREX最高，Hismelt最低，但三种均高于高炉。
5. 从一次性投资看，COREX要高一些，FINEX投资成本会较低，HIsmelt冶炼设备相对单一，三者之中投资最低。
6. 现状与前景。COREX工艺最成熟，已有数家投入生产，并取得很好的成绩，完全实现了商业化。FINEX在工艺上优于COREX，但目前仍处在示范工厂试生产阶段，再经过一段时间的调整完善，将具备商业化推广价值，成为COREX的有力竞争者。Hismelt工艺示范工厂投产较晚，又是一种全新的工艺，估计需要一段时间改进、完善，但因其工艺优点多、投资和生产成本低，一旦成功，其竞争优势比较大。
习惯上人们用“有无预还原”将熔融还原分为“一步法”熔融还原和“二步法”熔融还原。“一步法”熔融还原只有熔态还原，矿石预还原率接近0，是真正意义上的熔融还原炼铁法，如HIsmelt、Romelt、Ausmelt等低预还原率工艺均属于此；而“二步法”熔融还原，即预还原加终还原，如COREX、FINEX工艺等，严格讲“二步法”应该称为还原熔融炼铁法。
COREX工艺最先应用于工业生产，HIsmelt工艺已建示范厂，FINEX－3000设备也已达到设计生产指标，这些工艺均已取得一定成功，但却不一定是最佳工艺。因此，通过对现有工艺、流程和设备的评价分析，取其优点，开发适合我国国情的熔融还原炼铁新技术十分必要。
1. HIsmelt工艺
2005年5月，澳大利亚奎那那（Kwinana）采用HIsmelt熔融还原炼铁技术建成年产铁水80万t的示范厂。由于工艺技术比较独特，该工厂占地面积小，不包括原燃料储存场地，HIsmelt工厂包括所有设备的占地约300m×200m。入厂原料是矿粉、熔剂和原煤，最后产品是铸铁块和干渣。厂区内最高设备是矿粉循环预热器，高度约60m，最核心设备是熔融还原炉主体，其他设备都是目前冶金行业成熟应用的装置。
HIsmelt熔融还原的特点：
1. 原料来源广泛，可全部使用粒度6mm以下的粉矿、粉煤，包括无法通过烧结厂回收的废弃物，物料中的C、CaO和MgO也能得到利用，对燃料煤的要求不高，大幅减少资源消耗。
2. 由于HIsmelt熔融还原炉有强氧化性炉渣，有较好地脱磷效果，适合于冶炼高磷矿，这是区别于高炉和其他非高炉炼铁工艺的主要特点。
3. 由于氧化性气氛很强，产出的铁水含磷低、碳低、硫高、硅锰含量为0，不适合直接供炼钢流程使用。在经过炉外脱硫和添加锰铁、硅铁合金或与高炉铁水兑配，达到炼钢铁水的要求。
4. 操作灵活，反应过程的启动、关闭简便易行，从而使得炼铁和炼钢作业能有效衔接，而不必限产铁水。
5. 由于粉矿预还原度低，炉渣含FeO高，炉衬腐蚀快，一代炉龄仅12～18个月。
6. HIsmelt熔融还原为低压操作，大量高温含尘煤气热能难以回收利用，吨铁能耗高，高温低热值尾气成为该工艺的“鸡肋”。
HIsmelt是典型的“一步法”熔融还原工艺，直接利用粉矿、粉煤冶炼对钢铁业者有着较大的吸引力。但该工艺要想实现工业化生产，在热煤气利用、CO二次燃烧并将热量有效传递给熔池，提高设备利用率及降低炉衬成本方面还有很长的路要走。
2. COREX工艺
COREX工艺演化了高炉炼铁技术，将高炉从概念的软熔带部分分为两部分。一部分利用成熟的高炉长寿炉缸技术（包括焦炭床和碳砖结合冷却壁技术）构造成了造气煤炭流化床即熔融气化炉；而另一部分借鉴了成熟的大型MIDREX气基还原技术，构造成了预还原竖炉，使用块煤和块厂炼铁，成功地实现了工业化生产。
COREX的基本工艺流程为：块矿、烧结矿、球团矿或这些原料的块状混合物，通过封闭漏斗系统装入到预还原竖炉中，在原料下行的过程中，被逆向流动的还原气体还原成金属化率约80%～90%的直接还原铁（DRI）。螺旋卸料器将DRI从预还原竖炉中传送到熔融气化炉中，进行终还原和熔化。熔融气化炉产生的煤气由于含有煤粉、灰尘和铁尘、CO和H2等，且温度高于1100℃，不能直接进入预还原竖炉，必须在旋风除尘器中净化，混入冷煤气降温，调整到最佳工作范围800～850℃后作为还原气从下部送入竖式预还原炉。
COREX演化了高炉炼铁技术，取得了商业成功，但同时也继承了高炉炼铁的一些缺点：
1. COREX是典型的炉床法炼铁工艺，与高炉相比，COREX更多地依靠间接还原，间接还原度越高，工艺进行得越容易，难以摆脱料柱透气性问题的困扰。
2. 为保证竖式预还原炉料柱的透性必须使用块矿、烧结矿、球团矿或这些原料的块状混合物，因此必须配有造块设备。对入炉块状原料的理化性能有很高的要求，从而提高了原料成本。
3. COREX的实践证明，要依靠焦炭床来保护炉缸，稳定生产，就无法摆脱对焦炭的依赖（焦比＞10%～20%），尤其是大型化后，焦比会超过200kg/THM。
4. 从熔融气化炉抽出的高温煤气经净化后，从＞1100℃降至800～850℃，温度损失了250℃左右，热效率比不上高炉。
5. 虽然使用了全氧冶炼，但按炉缸面积计算的生产率仅为高炉的0.7～0.9。
6. 竖炉预还原炉料的金属化率波动大。
7. 操作影响因素多，在炉体中部的高温区使用了排料布料活动部件，使设备维修成本及热损失增加，个别设备还不够成熟，利用率不高。
8. 在高炉冶炼条件下，采用富氧喷吹有一定的限度，传统高炉更不能采用全氧冶炼。COREX工艺虽然采用全氧冶炼，但其生产率并不高，根本原因在于，虽然全氧熔炼速率很快，但受到上部竖炉铁矿还原速率的限制，对于一定产能的COREX熔融还原工艺，要求下部熔融气化炉的操作必须与上部的竖炉铁矿还原情况相匹配，才能达到较好的技术经济指标。
3. FINEX工艺
FINEX工艺是在COREX工艺基础上开发的一种新的熔融还原工艺。FINEX工艺亦分为两部分，用一种名为FINMET工艺的技术，采用多级流化床将铁矿粉还原来代替COREX的竖式还原炉，然后利用COREX的熔融气化炉进一步熔化、深度还原和渣铁分离。
韩国浦项年产150万t铁水的FINEX-3000装置于2007年10月投产，已经达到日产4300t设计能力。1995年浦项为了研究FINEX引进了COREX-2000，将新技术流程打通，不断优化。FINEX开发研究经过了17年，总共已投入10.6亿美元，经历过多次的挫折和失败，才得以建成年产150万t的FINEX生产装置。
FINEX工艺特点为：FINEX工艺的原料由块矿、球团矿改为粉矿（平均粒度在1～3mm，最大粒度＜8mm），资源丰富、廉价的粉矿和一般烟煤，为该工艺的发展赋予新的发展活力；FINEX炉顶煤气全部循环使用。浦项认为FINEX比高炉生产成本下降15%，总体投资是高炉流程的80%；FINEX流程的SOx、NOx、粉尘的排放量与高炉流程相比，只有6%、4%和21%，且没有焦化含酚、氰等污水排放，是一种清洁生产工艺，铁水质量与高炉、COREX炉相当。
冶金界最关心的是该工艺的原料、能耗和生产成本。FINEX的优势是用贮量丰富的普通煤种代替焦煤，但流态化反应器的还原效率不如竖炉，其金属化率只有80%～85%，增加了熔融气化炉的还原负担，使得每吨生铁耗用的煤量要比高炉高得多。目前，先进的大型高炉燃料比约500kg/t，而FINEX约850kg/t（也有报导是1050kg/t），还有500Nm3/t的氧气消耗。如高炉工艺考虑焦化、烧结、球团等铁前工序的的全流程能耗，则二者的差距明显减少。加上FINEX从煤气回收的能量远高于高炉，有计算表明FINEX的工序能耗还略低于高炉工艺（含铁前工序）。
高炉生铁成本中原料占60%左右，而FINEX只占45%左右。高炉成本中燃料和动力占30%左右，扣除煤气回收约28%。而FINEX燃料和动力因使用大量氧气约占55%，扣除煤气回收仍占约41%，其中氧气每吨铁消耗约500m3，其费用为成本的20%，有专家估算，在国内情况下，FINEX与大型高炉相比（如1座3800m3高炉与2座年产150万t铁的FINEX），高炉比FINEX生铁成本低12.5%。
4．综合分析评价
1. 从工艺角度看，COREX更多依靠间接还原工艺，保留着高炉炼铁工艺的特点；FINEX则把COREX的预还原竖炉改变成多极流化床反应器，可以完全使用粉矿；这两种熔融还原工艺可以说是对高炉的“改良”，只是FINEX的改良程度更大一些。而HIsmelt则完全摆脱了高炉炼铁工艺概念，是炼铁技术的一种“革命”，可有效解决困扰高炉工艺的料柱透气性问题，是真正意义上的熔融还原技术。
2. 在原燃料资源的取用上，COREX可以使用非焦煤，优于高炉，但还须使用块矿和球团及部分焦炭。FINEX不仅可用非炼焦煤，而且摆脱了对块状原料的依靠，这一点优于高炉和COREX，只是还需要块煤和粉煤造块。Hismelt则原燃料全部粉状化，且对原燃料性质无特殊要求，资源面最宽，便于就地取材，并且可使用高磷矿石。
3. 在流程设备上，COREX需要球团与块矿等造块设备和部分焦炭；FINEX使用粉矿和粉煤造块，可以不建烧结、球团、炼焦厂；HIsmelt完全免除了烧结、球团、炼焦厂投资，也不需要煤造块。但三种工艺均需配套制氧设备和自备电厂。
4. 在生产成本上，FINEX和Hismelt原料成本相对较低，COREX和FINEX氧气成本较高。燃料消耗前两种高于Hismelt，因此生铁成本COREX最高，Hismelt最低，但三种均高于高炉。
5. 从一次性投资看，COREX要高一些，FINEX投资成本会较低，HIsmelt冶炼设备相对单一，三者之中投资最低。
6. 现状与前景。COREX工艺最成熟，已有数家投入生产，并取得很好的成绩，完全实现了商业化。FINEX在工艺上优于COREX，但目前仍处在示范工厂试生产阶段，再经过一段时间的调整完善，将具备商业化推广价值，成为COREX的有力竞争者。Hismelt工艺示范工厂投产较晚，又是一种全新的工艺，估计需要一段时间改进、完善，但因其工艺优点多、投资和生产成本低，一旦成功，其竞争优势比较大。
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