郭會良 玄振法 紀召毅 李翠 周光燕
（山東泰山鋼鐵集團有限公司 山東濟南 271100）
摘要：文章主要介紹了高爐煉鐵與非高爐煉鐵的主要區(qū)別，同時對非高爐煉鐵的主要工藝，進行了說明，包括直接還原法和熔融還原法，重點對回轉(zhuǎn)窯工藝、豎爐工藝、COREX工藝、FINEX工藝進行了詳細的介紹，指出，非高爐煉鐵技術(shù)資源利用效率、環(huán)境友好性、產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ确矫婢哂袕V闊的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：非高爐煉鐵；現(xiàn)狀；工藝；直接還原
1 前言
鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，是國家生存和發(fā)展的物質(zhì)保障，是衡量國家經(jīng)濟水平和綜合國力的重要標志。中國的鋼鐵工業(yè)在世界上一直扮演著重要的角色，產(chǎn)量突破10億噸，占世界產(chǎn)能的50%以上。鋼鐵工業(yè)是制造業(yè)31個門類中碳排放大戶，是落實“碳達峰”和“碳中和”目標的重要責任主體。目前，鋼鐵行業(yè)所需的能源有70%以上來自煤炭釋放的能量，而如此巨大的能源所產(chǎn)生的碳排放量占全球的7%左右。中國鋼鐵行業(yè)全年碳排放量已達18億噸，占全國碳排放總量的15%，占全國工業(yè)碳排放量的20%，可見綠色制造是鋼鐵工業(yè)生存和發(fā)展的必選之路。
近幾年，國家和行業(yè)出臺了一系列的文件和政策，在碳排放方面制定了嚴格的標準，如在2025年之前，鋼鐵行業(yè)必須有30%的產(chǎn)能在工序能耗達到標桿水平，取締所有能效基準水平以下的企業(yè)。
2 非高爐煉鐵的定義
煉鐵工藝主要分為兩個方面，一種是高爐冶煉，另一種是非高爐冶煉[1]。高爐冶煉是現(xiàn)階段最常用的冶煉方法，即在高爐內(nèi)完成還原過程，原材料為焦炭、燒結(jié)礦、球團礦、塊礦等，最終生成合格的鐵水。非高爐冶煉是除高爐冶煉之外的其他冶煉方法，根據(jù)工藝特征可分為直接還原法和熔融還原法[2,3]。
直接還原法是在較低的溫度下將原材料還原成海綿鐵的過程，此溫度一般低于原材料的熔化溫度，其特點是溫度低，滲碳效果差，因此碳含量較低。熔融還原法是指不借助高爐而生產(chǎn)液態(tài)鐵水的生產(chǎn)方法，也是目前煉鐵的主要發(fā)展方向之一。
圖1 主要煉鐵工藝
圖1為現(xiàn)階段煉鐵的主要工藝，高爐煉鐵是從原材料A點經(jīng)過高爐后到達B，產(chǎn)生鐵水，經(jīng)過滲碳和鐵水包（魚雷罐車）的運輸達到C，經(jīng)過轉(zhuǎn)爐生成鋼液D，脫氧后為成品鋼液E。直接還原是將含鐵原料在還原氣氛下生成海綿鐵，也有直接經(jīng)過電爐生產(chǎn)鋼液的短流程，熔融還原是在高溫下變成鐵水或鋼液，再經(jīng)過脫氧生成合格的鋼液。
現(xiàn)階段，非高爐煉鐵之所以發(fā)展迅速，主要有以下三方面的原因，其一能源的限制，非高爐煉鐵獨特的還原方式使其擺脫了對焦炭的依賴，可以用天然氣、石油、電能等方式代替，而煉焦煤在世界范圍內(nèi)儲量較少，限制了高爐煉鐵的發(fā)展。其二是隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，氧氣轉(zhuǎn)爐和電爐煉鋼完全取代平爐，廢鋼消耗量迅速增加，廢鋼供應量日感緊張，非高爐生產(chǎn)的海綿鐵、粒鐵等是廢鋼的極好代用品。其三是省去煉焦設(shè)備，總的基建費用比高爐煉鐵法少，雖然非高爐煉鐵法的生產(chǎn)效率遠趕不上高爐，但對缺乏焦煤資源的國家和地區(qū)，用于中小型企業(yè)生產(chǎn)，前途是光明的。
3 直接還原法
3.1 回轉(zhuǎn)窯工藝
回轉(zhuǎn)窯工藝又稱煤基回轉(zhuǎn)窯工藝，是直接還原煉鐵工藝，也是最重要的固體還原劑直接還原工藝，是指還原煤、脫硫劑、球團或塊礦組成的混合爐料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)運動，并被燃燒的燃料加熱且產(chǎn)生還原反應，最終得到還原產(chǎn)物的過程，其流程見圖2。
目前，全球采用煤為還原劑的工藝絕大部分為煤基回轉(zhuǎn)窯工藝，極少數(shù)為煤基豎爐工藝，根據(jù)流程可分為一步法和兩步法。一步法流程較為緊湊，但是有鏈篦機，需要將混合后的爐料在鏈篦機上干燥和預熱，然后熱球直接進入回轉(zhuǎn)窯，在1050℃左右完成還原過程。二步法則在將上述兩個連續(xù)的工藝分割開來，造球后焙燒成氧化球團，與后續(xù)的還愿流程有一個間隔時間，然后冷球再進入回轉(zhuǎn)窯還原，氧化球團制備工藝和氧化球團直接還原分別在兩臺設(shè)備內(nèi)獨立進行，是兩步高溫過程，故稱為二步法。
圖2 煤基回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝
3.2 豎爐工藝
豎爐工藝是以豎爐作為反應場所，用還原性物質(zhì)，如氫氣、一氧化碳、煤等作為還原劑，使含鐵原料發(fā)生還原反應，生成還原鐵的過程，根據(jù)還原性物質(zhì)的不同可分為氣基豎爐工藝和煤基豎爐工藝。
圖3 Minrex工藝流程
氣基豎爐工藝是以天然氣、焦爐煤氣等作為還原劑，根據(jù)工藝不同可分為Midrex、HYL、Pered等工藝，其中Midrex工藝流程如圖3。天然氣以一定壓力進入重整爐換熱至350℃，一部分與爐頂氣混合進入對流段原料氣換熱器,對流段高溫煙氣將原料氣預熱提高溫度至580~600℃，然后送入重整爐在催化劑作用下進行甲烷轉(zhuǎn)化反應，生成合格還原氣(CO+H2≥90%，H2/CO=1.5~1.8)，溫度為850~950℃，進入豎爐。另一部分預熱后的天然氣作為燃料進入燒嘴進行燃燒，為重整反應提供熱源。空氣通過鼓風機加壓，經(jīng)空氣預熱器與對流段煙氣換熱，將空氣預熱至 600℃，送入燒嘴。重整爐燃燒后高溫煙氣經(jīng)對流段換熱，依次對助燃空氣、混合原料氣、爐頂氣進行加熱，然后通過引風機送入煙囪排出。氧化球團/塊礦通過垂直皮帶機上料至爐頂料倉，經(jīng)爐料分布器進入豎爐。來自重整系統(tǒng)的還原氣溫度850~950℃，壓力0.15MPa，一部分進入豎爐還原區(qū)，與爐內(nèi)的球團進行氣固相反應生成熱態(tài)DRI，另一部分作為再熱氣對下部爐料進行加熱。
煤基豎爐以煤炭為燃料，工藝與氣基豎爐類似，此外，主要優(yōu)點是煤基豎爐能夠很好的處理鋼鐵廠的各種固廢，在脫除和回收固廢中的氧化鋅的同時，得到的直接還原鐵可以作為電爐轉(zhuǎn)爐或熔分爐的原料，該工藝的鋅回收率和金屬化率均達到>90%，這將會為鐵廠的固廢處理提供一個很有競爭力的新工藝，另外，由于鋼鐵廠的固廢處理量大，現(xiàn)有工藝均存在一些不足，因此，采用該工藝用來處理鋼鐵廠的各種固廢具有廣闊的應用和發(fā)展前景。
3.3 轉(zhuǎn)底爐工藝
轉(zhuǎn)底爐直接還原技術(shù)是鐵礦粉（或紅土鎳礦、釩鈦磁鐵礦、硫酸渣或冶金粉塵、除塵灰、煉鋼污泥等）經(jīng)預處理后進入轉(zhuǎn)底爐內(nèi)，在爐內(nèi)完成還原反應的過程。其中預處理工藝包括破碎、配礦、混合攪拌、造球、干燥和預熱。根據(jù)工藝流程的不同可分為Inmetco法、DRYIRON 法、FASTMET法和ITMK3等。其中，ITMK3工藝見圖4。
轉(zhuǎn)底爐是該工藝的主要設(shè)備，主要部件是固定的環(huán)形外殼和可轉(zhuǎn)動的料床或爐底，原材料平鋪在爐底上，爐底可繞軌道在環(huán)形外殼內(nèi)做圓周運動，內(nèi)部安裝加熱裝置，實現(xiàn)內(nèi)部氣氛的調(diào)節(jié)。
圖4 ITMK3工藝流程圖
現(xiàn)階段，轉(zhuǎn)底爐工藝多數(shù)用來處理鋼鐵固廢，如含鐵塵泥等，可實現(xiàn)固廢的高效利用，提取出的含鐵部分可返回高爐、電爐等，鋅粉則是鋅冶煉廠的理想原料，副產(chǎn)蒸汽在廠內(nèi)循環(huán)使用或發(fā)電。
3.4 隧道窯工藝
隧道窯工藝經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)成為極為重要的直接還原方法，該方法是在具有一定長度的窯體內(nèi)完成，形如隧道，內(nèi)部有還原罐體，罐體擺放于窯車上，窯體內(nèi)部有軌道，窯車從一段進入，另一端排出，窯內(nèi)半密閉，有加熱系統(tǒng)，可控制窯內(nèi)氣氛，進而完成還原過程。
隧道窯工藝的主要特點是投資較少，產(chǎn)品的穩(wěn)定性較高，主要備品配件易得，在前期受到很多企業(yè)的青睞，但是其缺點是機械化程度較低，大多數(shù)需要人力的完成，生產(chǎn)效率較低，但在近幾年的產(chǎn)業(yè)化中得到了改善，機械化程度大大提升。隧道窯工藝最常用的行業(yè)是粉末冶金的還原鐵粉，技術(shù)含量較低，投資較少，多用于小規(guī)模生產(chǎn)。
4 熔融還原法
4.1 COREX工藝
COREX工藝簡稱KR法，主要原料是燒結(jié)礦和球團礦，與高爐類似，配加少量塊礦，燃料主要為低品質(zhì)煤粉，熔劑主要是石灰石、自云石和硅石。還原過程分兩部分，預還原和終還原，分別在豎爐和熔融氣化爐中完成，見圖5。
圖5 COREX工藝流程圖
含鐵原料從預還原豎爐頂部加入，在其下降的過程中與還原氣體接觸，完成加熱和預還原過程，金屬化率可達到70%以上，然后通過熱裝熱送進入二次還原爐，即熔融氣化爐，高溫還原下生成鐵水和煤氣，煤氣可作為流程的還原氣體、熱源等，也可用于發(fā)電、供熱等。
4.2 FINEX工藝
FINEX工藝是基于 COREX工藝進行的技術(shù)創(chuàng)新，主要的工藝優(yōu)化是 FINEX工藝采用多級流化床反應器代替了COREX工藝的預還原豎爐。FINEX工藝的流程不斷進行迭代完善，工藝流程見圖6。
原材料依次經(jīng)過R3、R2和R1反應器，反應器的溫度依次升高，最高可達750℃，在反應器內(nèi)初步完成還原反應，金屬化率達到70%以上，然后經(jīng)壓塊工藝生成熱壓塊，與燃料、還原劑一同進入熔融氣化爐，生成合格的鐵水。
該過程可實現(xiàn)煙氣的綜合利用，熔融氣化爐的高溫煙氣依次通過R1、R2和R3反應器，與物料的運動方向相反，最后經(jīng)煙氣處理裝置除去大部分的CO2，然后再次回到流化床反應器內(nèi)繼續(xù)反應。
圖6 FINEX工藝流程圖
4.3 HIsmelt工藝
HIsmelt [4]是一步法熔融還原的冶金工藝，流程圖見圖7。該工藝直接利用經(jīng)預熱處理的粉狀含鐵原料和粒煤，通過固體噴槍把礦粉和粒煤噴入熔池，富氧熱風從頂噴槍噴入還原爐（SRV），熔池中還原反應產(chǎn)生的 CO 氣體在熔池上部燃燒，為熔池提供熱量。SRV 爐內(nèi)生產(chǎn)的鐵水經(jīng)前置爐流出，通過鐵溝、擺動溜嘴進入鐵水罐。產(chǎn)生的液態(tài)渣從排渣口流出，然后進入渣處理工藝。SRV副產(chǎn)1500℃左右的高溫煤氣，可用于返回爐內(nèi)或用于發(fā)電。
產(chǎn)生的凈煤氣作為燃料供煤粉制備煙氣爐、礦粉預熱系統(tǒng)、熱風爐及燃氣鍋爐系統(tǒng)使用。相對傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝，HIsmelt 熔融還原煉鐵工藝省去了燒結(jié)及焦化兩個環(huán)節(jié)，在同樣產(chǎn)能下節(jié)省了大量的投資運行成本及能源物料消耗，且這種工藝在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量蒸汽及富余煤氣均可以用于發(fā)電、化工等，使其生產(chǎn)系統(tǒng)的能源利用效率很高。
圖7 HIsmelt工藝流程圖
HIsmett 熔融還原工廠于 2017 年在中國成功實現(xiàn)了連續(xù)商業(yè)化運行。作為短流程冶金工藝，該技術(shù)完全擺脫對優(yōu)質(zhì)礦石和焦煤資源的依賴，直接使用粉狀的普通含鐵物料和非焦煤粉進行冶煉并極大地降低了 SO2、NOx等污染物的排放,其主要產(chǎn)品高純生鐵廣泛用于風電核電、高鐵、高端裝備制造等行業(yè)領(lǐng)域，并在開發(fā)我國儲量豐富的高磷礦和釩鈦!礦資源、冶金固廢綜合利用及節(jié)能減排等方面具有廣闊的發(fā)展前景。
4.4 COSRED工藝
COSRED工藝研究的較早，主要流程是含鐵原料和粘結(jié)劑經(jīng)過配料、混勻、壓塊和烘干后，與還原劑和混合形成混合料，混合料通過運輸裝置運至還原爐的頂部，通過布料裝置將混合料裝入還原爐中，混合料在下行過程中，經(jīng)過預還原和冷卻后排出。溫合料的排出溫度為650~700℃，經(jīng)過篩分、磁選后得到金屬化率達到75%以上的金屬化球團。溫度為600~650℃的金屬化球團在熱裝進入熔分爐，得到合格的鐵水。鐵水運往轉(zhuǎn)爐或鑄鐵機，同時爐渣從熔分爐中排出，經(jīng)過處理后作為水泥廠的原料。
該工藝雖然在理論上能簡化煉鐵步驟，降低鐵水成本，具有較好的環(huán)保優(yōu)勢，但是目前沒有完整的生產(chǎn)實例，雖然還原爐和熔分爐這兩大關(guān)鍵設(shè)備各自都有較好的生產(chǎn)指標，但是組合式的COSRED工藝還在研究中。
5 發(fā)展前景
非高爐煉鐵在我國具有良好的發(fā)展前景，主要由于其有眾多優(yōu)勢，具體有以下幾點。
（1）資源利用效率提升
非高爐煉鐵技術(shù)能夠利用低品位的鐵礦石和廢棄物資源進行冶煉，有效提高了鐵礦的利用效率[5]，減少了資源的浪費。
（2）環(huán)境友好性
非高爐煉鐵技術(shù)相較于傳統(tǒng)高爐煉鐵技術(shù)，具有更低的能耗和排放量，能夠降低大氣污染物的排放，減少環(huán)境污染的程度，符合環(huán)保要求。
（3）促進鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)展
非高爐煉鐵技術(shù)的應用可以降低我國鋼鐵行業(yè)對進口鐵礦石的依賴，減少對外部資源的依賴性，從而提高我國鋼鐵行業(yè)的競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力。
（4）推動煤炭清潔利用
非高爐煉鐵技術(shù)能夠煤炭轉(zhuǎn)化為煤氣或煤焦油等副產(chǎn)品，提高煤炭利用效率，促進煤炭的清潔利用，減少煤炭資源的浪和環(huán)境影響。
（5）產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?/p>
盡管非高爐煉鐵技術(shù)在我國仍處于發(fā)展階段，但隨著技術(shù)的不斷進步和成本的降低，這一領(lǐng)域具有巨大的產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿?，將為相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來新的機遇和市場空間。
然而，實現(xiàn)非高爐煉鐵技術(shù)的大規(guī)模應用還面臨些挑戰(zhàn)，如技術(shù)成熟度、經(jīng)濟可行性和市場接受度等。加強技術(shù)研發(fā)、降低投資本、改善政策環(huán)境等是實現(xiàn)非高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。只有在政府、企業(yè)和科研機構(gòu)的共同努力下，推動非高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展與應用，才能實現(xiàn)其潛力和價值的最大化。
綜上所述，我國非高爐煉鐵技術(shù)資源利用效率、環(huán)境友好性、產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ确矫婢哂袕V闊的發(fā)展前景。推動我國非高爐煉鐵技術(shù)突破和應用，將為我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和資源利用效率提升做出積極貢獻。
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