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直接还原炼铁技术的最新发展doc


直接还原炼铁技术的最新发展
作者: 胡俊鸽,吴美庆,毛艳丽, 钢铁研究 摘要撰写人 TsingHua 出版日期: 2006 年 4 月 30 日

直接还原铁可以作为电炉、高炉和转炉的炉料。DRI 代替优质废钢更适合于 生产对氮和有害元素有 严格要求的钢种,如用于石油套管、钢丝绳、电缆线等的 钢种。近年,由于钢铁市场升温,废钢资源呈现世界性紧缺。2003 年,我国钢铁企业 生产回收的废钢铁和非生产回收废钢铁合计为 1502 万 t;而全年炼钢消耗废钢与 辅助炼钢消耗废钢之和为 4 750 万 t。显然,国内的废钢缺口很大。未来几年,随着 国际市场废钢资源的短缺,世界对废钢的 需求量将不断增长。 当今,在废钢资源全 球性紧缺、 国际市场价格频频上扬的情况下,对于我国来 说,寻找废钢替代品已迫 在眉捷。直接还原铁和热压块铁是最好的废钢替代品。1 直接还原炼铁技术发展 状况 2003 年世界直接还原铁总量为 4900 万 t。比 2002 年增加了 10%,不同工艺 所生产直接还原铁所占份额如下:Midrex 为 64.6%,HyLⅢ为 18.4%,HyLⅠ为 1.3%,Finmet 为 5.2%,其他气 基为 0.4%,煤基为 10.2%。 直接还原工艺根据还原剂 不同可分为气基和煤基。气基直接还 原工艺中,竖炉 Midrex、Arex(Midrex 改进 型)和 HyLⅢ工艺、反应罐法 Hy LⅠ、流化床法 Fior 和 Finmet 工艺,都已获得了 工业应用,流化床法 Fior、Cir cored 和碳化铁法在工业上应用不久就停产了。煤 基直接还原法中,获得工业应用的有回转窑 法和转底炉法(Inmet-co、Fastmet、 Sidcomet、DRylron),新 开发的多层转底炉 Primus 工艺已于 2003 年 2 月投产。 1.1 气基直接还原工艺气基还原 工艺可分为使用球团矿或者块矿的工艺和使用 铁矿粉的工艺。各种气基直接还原铁工艺发展状况如 表 1 所示。表 1 各种气基 直接还原铁工艺发展状况工艺装备工艺特点所用原料目前状况研究发展 F ior(委 内瑞拉)4 个流化床反应器生产能耗高于竖炉 Midrex 和 HyLⅢ铁矿粉 Side tur 厂 于 1976 年投产,1985 年开始,年产量达到 35 万 t~41 万 t。由于市场原因于 2000 年停产。由委内瑞拉和奥钢联进一步发展成 FinmetFinmet(奥钢联和委内瑞 拉)4 个流化床反应器铁矿靠重力从较高反应器流向较低反应器直接使用矿粉,是 Fior 的进一 步改进,比 Fior 能耗低、 人员需求少。 Fior 相比,其还原气体中 H2 含量 与 少,CO 没被 氧化去。 Finmet 工艺中,矿粉在流化床第一段被还原过程产生的热 在 气体预热,其较高的 CO 含量可以提高热平衡,并使 HBI 的 w(C)达 3%。铁矿

粉:<12mm 现已有两个厂投产澳大利亚的 BoodarieIron 和委内瑞拉的 Orinoco Iron 目前已生产了 650 万 tHBI 目前,VAI 正在开发新一代 Finmet 工艺:Finm etmegatrain, 能力为 110 万 t,是当前反应装置的 2 倍。Midrex(美国米德 兰公司)竖炉、天然气 重整炉、 热压块机竖炉炉顶气与天然气混合,共同进入重整炉制取还原气, 还原竖 炉和制气设备是相互联系、相互影响的。对铁矿含硫量有一定限制,否则含硫炉 顶气进入重 整炉将造成裂解催化剂失效。含碳球团、块矿在世界各地获得非常 广泛应用,直接还原铁产量在各 种工艺中占第 1 位,2003 年比例为 66.6%。 已获得 印度尼西亚 、 委内瑞拉、 巴西、 印度有多家生产厂,2003 工业广泛应用,在墨西哥、 年在各种直接还原法产量中,占第二位,产量比 例为 18.4%。 HyLⅢ(墨西哥希尔萨 公司)竖炉、天然气重整炉、热压块机可分为两部分, 制气部分和还原部分,这两 部分可以相互独立。这点与 Midrex 不同。另,温度和压力比 Mi drex 高。可以处 理含硫量较高的铁矿。这也与 Midrex 不同。含碳球团或者块矿 HyL- ZR 是 HyL Ⅲ的进一步改进,没有重整装置。该工艺目前只在墨西哥 Monterrey 得以实 施。 Arex(委内瑞拉奥里诺科黑色冶金公司开发)竖炉是 Midrex 的改进型,无重整装 置 ,竖炉集气体重整与矿石还原于一体球团矿或者块矿 Megamod-Midrex 直径为 7.5 m 的竖炉、较大的重整炉年产量超过 200 万 t 的 Midrex 工艺 1.1.1 使用球团 矿或块矿 的气基直接还原工艺使用球团矿或者块矿的有竖炉法 Midrex、 HyLⅢ、 Arex 和罐式炉 HyLⅠ。目前,Midrex 和 HyLⅢ是成熟的工艺,在委内瑞拉、印度、 加拿大、美国、伊 朗、沙特阿拉伯等已获得了广泛应用。Midrex 主要生产厂有 33 座。1994 年以来投产的 生产厂逐步大型化,每套年产能大都在 100 万 t 左右。 如表 2 所示。HyLⅢ是希尔萨公司在 H yLⅠ基础上开发出的高压逆流式移动床 工艺,20 世纪 80 年代开始在工业上应用。世界上主要生产厂有 12 座。近年新投 产的设备年产能都约为 100 万 t。如表 3 所示。表 21994 年以来投产的 Midrex 生 产厂生产厂年生产能力/万 t 产品投产年印度 Ispat 工业 公司 100DRI1994 埃及 ANSDK Ⅱ 80DRI1997 墨 西 哥 委 IMEXSA120DRI1997 内 瑞 美 国 拉

AmericanIronReduction120DRI1997

COMSIGVA100HBI1998rinidad&Tobago,Ispat DR3136DRI1999 南 非 撒 旦 哈 (Saldanha)80.4DRI1999 埃及 ANSDKⅢ80DRI2000 HyL-ZR 是新开发的无重整装 置的直接还原工艺,目前为止该工艺只在墨西哥蒙特雷(Mont errey)得以实施。其 天然气在竖炉内发生部分燃烧,通过控制而产生合乎要求的还原气体,从而对铁矿 石进行还原;而传统 HyLⅢ工艺一般在添加蒸汽条件下使天然气在催化重整器中

裂表 31999 年以来投产的 HyLⅢ生产厂生产厂年生产能力/万 t 产品投产年墨西 哥 蒙 特 雷 Hylsa 4M67.5DRI1998 沙 特 阿 拉 伯 Hadeed Ⅲ 110DRI1999 俄 罗 斯 LebedinskyGOK90HBI1999 委内瑞拉 DOSVEN150(两套设备)HBI2000 解。为了 获得 w(H2)达 80%的还原气体,通过洗涤去除 CO2。Megamod 厂的 Midrex 设备 是 大型的 Midrex 设备,如今直接还原铁年产量超过 170 万 t,生产率超过 220t/h。 直 径为 8m 的竖炉年产直接还原铁能力 270 万 t。 1.1.2 气基粉矿直接还原工艺在 直接还原生 产中,采用细矿粉的直接入炉与块矿和球团矿相比其原料成本具有 明显优势。气基粉矿直接还原一 般都采用化床工艺。很长时间以来,获得商业应 用的粉矿直接还原铁工艺只有 Fior 工艺(如表 1 所示)。Finmet 工艺是 Fior 工艺 的进一步发展<1>,是基于粒度小于 12mm 的粉 矿的气体直接还原工艺。已经有 两个工业厂投产,年设计产能都超过 200 万 t 热压块铁。两个厂 2003 年共产 163 万 tHBI。1.1.3 气基直接还原工艺工业生产结果表 4 中汇总了气基直接还原的一 些工业生产数据 <2>。Midrext 和 HyLⅢ工艺的天然气消耗为 9.7~10.7GJ/t,而 Finm et 为 13.3GJ/t。对这些工艺来说重要的是天然气的价格。而 Finmet 工艺使 用更便 宜的粉矿,补偿了较高的天然气消耗。表 4 气基直接还原工艺的操作结果 矿石或球团矿/(kg·t-1)块矿/(kg· t-1)粉矿/(kg· t-1)天然气/(GJ· t-1)电功率/(kW· t-1) 氧/(m3·t-1)产品 Midrex1200 300-9.7 93.0 30DRI/HBIHyLⅢ1 181 295-10.7 98 34DRI/HBIFinmet--1 500 13.3 165-HBI1.2 煤基直接还原在煤基直接还原工艺中, 已获得工业应用的有回转窑和转底炉工 艺。表 5 表示主要煤基直接还原工艺的 发展现状<3~6>。转底炉由于反应速度快、原料适应性 强等特点,近年来得到了 快速发展。转底炉工艺有许多种,包括 Inmeto、Fastmet、Comet、Sidcomet、 IDI(IronDynamics Inc)I、TMK3、DRyIron 等。表 5 主要煤基直接还原工艺的发 展现状工艺装备工艺特 点所用原料目前状况研究发展 Primus(卢森堡 PaulWurth) 多层转底炉、熔融炉两 段式工艺,除了转底炉外,还有熔融炉,能直接生产出铁水 煤粉与矿粉在炉内混合,该工艺能把 Z n、Pb、碱金属等与铁分开铁矿粉、煤粉铁 屑、 钢铁厂粉尘已完成工业试验目前卢森堡 Diff erdange 已投产 8.2 万 t/a 的装置, 处理含铁废料。直径 8.3m,8 层 RedSme lt(德国和意大利)造球装置、转底炉装置 和埋弧炉熔融还原装置这是三段工艺的直接还原,造 球和转底炉装置相当于转 底炉技术,埋弧炉可把热态 DRI 熔融成铁水和渣,产能大于 30 万 t 铁 精矿粉,或者 含铁废料制成的球团,专门为处理金属废料开发 Ellwood 厂于 1978 年投产年处理 废料 2.5 万 t 的工厂。SMSDemag 目前正在开发 RedSmeltNST 工艺,即用氧/煤基

熔融装置代替埋弧炉,降低成 本。DRyIron 转底炉、干压块机、DRI 冷却机无粘 结剂的矿煤干压块、转底炉单层装料和温度控制在 1288℃的高温辐射加热。常 规铁矿粉或者含铁废料、焦粉第一个 DRyIron 设备是新日铁在光 厂建设以处理 残渣的 Fastmet(美国和神户合作开发)转底炉、 球团装置使用冷固结球团, 取消了 高温氧化球团环节。反应速度快,生产效率高。产品质量差,全铁含量低,脉石含量 高,脱 硫能力较差,所以产品硫含量过高。粒度为 8~12mm 的自还原球团 2000 年 新日铁在广畑厂 投产了一条年产能达 19 万 t 的 Fastmet 工艺来处理残渣。2000 年以来,又在君津厂投 产了两座转底炉,一座处理低锌灰尘,另一座处理高炉瓦斯 灰和转炉尘。其年处理循环料的能力均 为 18 万 t。2001 年又在神户的和歌山厂 投产一年产能 14 万 t 的转底炉设备来处理富锌冶金炉尘。Inmetco(美国开发)转 底炉、造

HYL 工艺注重钢铁生产的环保 (3-13)
上世纪 50 年代中期兴建的第一个工业规模直接还原铁厂为电炉提供优质的纯铁原料, 并导致全世界直接还原铁工业迅速发展。目前,由于此项技术减少了钢铁生产的排放量,从 而获得“绿色”证书。

在希尔萨直接还原厂投入运行时, 对环境问题并未给予过多的考虑。 经过长期的不断改 进,HYL 工艺已可以称作绿色的、现代化的工艺。不仅该工艺本身最符合环境友好要求, 而且其新的附带工艺,如 HYLHytemp 系统也使炼钢生产更高效。该工艺通过全封闭气动系 统给现代化电炉热装直接还原铁。这些工艺可使钢铁生产的效率和成本效率得到空前的提 高。 1、还原气体

还原气体的生产有两种方法:一是外部蒸汽重整器;二是通过“原地重整”反应直接在 竖炉反应器内进行。

重整和原地重整的比例可以改变,以平衡生产与投资成本的要求。HYL 系统可以完全 基于外部重整或原地重整(ZR),或者结合其他方式(小重整器加吹氧)。这即是 HYL 工艺的 灵活性的主要特点。最适合的方案将取决于当地的能源及原料的成本结构。同时,最佳方案 的选择还必须考虑炼钢的生产成本。 2、潜在的污染源

直接还原是将氧化铁转化为金属铁和碳化铁。与此同时,生产中使用还原剂/渗碳剂, 如天然气、煤、燃油以及焦炉煤气等,必然会产生一些废物和副产品。

直接还原厂潜在的污染源来自不同的区域,对这些区域必须进行认真的监控。近年来, 为了遵守严格的环保法规, 许多公司在选择工艺时都将减少排放物作为重要标准。 直接还原 厂的污染物主要是粉尘、SOx、NOx 和废水中的悬浮颗粒。 (1)粉尘的来源是铁矿石的处理及运输、直接还原铁、固体还原剂和灰。后两者只是还 原气体的替代源,不同于天然气。HYL 厂的材料处理有两套系统:铁矿石处理系统和产品 处理系统,包括料仓、筛分装置、涂覆装置、输送机和转运站。为了减少对空气的污染,在 产生粉尘的地方要安装合适的除尘器,尤其是在转运站和筛分装置上。 (2)还原气体发生器的燃烧系统、气体加热器和回转窑产生的烟气中会有的污染物是 SOx 和 NOx。对作为工艺气体(还原气体)和燃气的气流进行脱碳,控制燃烧,就可以降低 SOx 和 NOx 的排放量。采用 HYL 工艺可选用二氧化碳吸收装置去除 SOx,采用符合最严 格的标准的低 NOx 式燃烧器可控制 NOx。 (3)废水中的悬浮颗料主要是氧化铁和直接还原铁颗粒,这些颗粒可经烘干、浓缩后销 售或重新用作还原装置的原料。 3、环境影响 HYL 厂的排放物符合最严格的环保法规,在很大程度上可归因于该工艺本身的设计。 其他工艺需要热回收设备,会导致 NOx 排放量的增加。由于工艺结构和热回收系统的设计 合理,因此,HYL 工艺是高效的。 HYL 厂的重整器的燃气无需充分的预热,加热器也无需高温,从而消除了高 NOx 的产 生。而其他的直接还原法则会面临要么降低热效率,要么安装昂贵的脱 NOx 装置的选择。 HYL 厂对环境的影响包括固体废物、排放物、废水和噪声,有关数据业已通过一些国家新 实施的严格的标准,诸如美国、沙特阿拉伯、马来西亚和其他已实行最新环境标准的国家。

希尔公司和达涅利公司共同参与了美国明尼苏达钢铁工业公司的项目, 将兴建一座年产 能为 170 万 t 的 HYL 厂,采用 Hytemp 系统为达涅利电炉装料。鉴于当地的生态系统,新 建厂所在地区的环境法规是最严格的。 另一座年产能为 160 万 t 的工厂正在阿联酋阿布扎比的 GHC 公司兴建,这里的环境控 制也是最严格的。

主要的噪声源是压缩机、 工艺气体加热燃烧器以及在减压阶段反应器的装料和出料系统 的料仓。压缩机可建在一座建筑物内以降低噪声。 4、去除二氧化碳

二氧化碳的去除是广泛用于化工厂和石油化工厂的分离工艺,常用碳酸盐溶液或用 MDEA 为吸收溶液进行处理,HYL 厂也能采用这种方法。除二氧化碳以外,这些方法还能 从还原气流中脱硫。

硫来自铁矿石, 在反应器还原区转化为硫化氢, 并在还原冷却/洗涤装置内被部分去除, 但在去除二氧化碳的装置中仍存在大量的硫化氢。采用 HYL 工艺生产的直接还原铁的硫含 量极低。

去除二氧化碳的工艺会有废物排放, 采用胺的工艺所产生的废气主要是二氧化碳和含量 为 60~400ppmV 的硫化氢。

二氧化碳可以回收并用于其他用途,因此,不必排入大气,对环境的影响逐步降低。墨 西哥 TerniumHylsa 厂回收二氧化碳的途径包括二氧化碳的集气和清洁,然后卖给用户,诸 如饮料行业。因此,既去除了生产中产生的二氧化碳,又为直接还原厂提高了收益。 5、HYLHYTEMP 热装 钢铁联合型短流程钢厂增加了绿色的因素,即 Hytemp 系统。该系统于 1998 年投入运 行, 从反应器卸料区采用气动传送将热直接还原铁运至电炉车间, 这是一个完全封闭的系统, 既经济又环保。 采用 Hytemp 工艺, 就能维持完全的直接还原过程———从铁矿石进入还原塔的顶部起, 就不会再见日光,直到转化为铁水。就生态学而言,钢铁厂将直接还原铁的热能直接送入电 炉,大大地减少了炼钢的电耗。加入碳含量高(3%~4%)的直接还原铁,可使炼钢的电耗平 均降低 40kWh/t 钢,同时降低了碳的需求量和电极的消耗量。

就环境而言, 封闭的系统消除了直接还原铁粉尘的排放, 并将其连同球团或块状直接还 原铁送入电炉,从而提高了总产量。采用连续冶炼工艺,电炉炉顶不再是开放式的,节约了 热能,提高了产量,并避免了在装料或吹扫时的粉矿损耗。 Hytemp 系统可将还原粉矿从直接反应器送入电炉,厂内有排烟设备,炼钢车间有集尘 系统。

集尘室、 布袋收尘室处于监控之中, 每两个月对粉尘进行称重检测一次。 检测结果表明, 粉尘收集点的粉尘量与直接还原铁的装料及用量之间并无明显的关系, 证明炉子废气中的铁 损并非源于 Hytemp 系统。

当前,无论何种工业技术,都要求在实现高生产率的同时,又能保护环境,采用替代燃 料和还原剂、更有效的工艺设计和新技术,是对钢铁工业的严格要求。在此方面,HYL 工 艺已处于前沿。


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