1、煤基直接还原炼铁法的能耗与环境负荷（表）据中国钢铁新闻网 2007 年 2 月 13 日报道：近年，世界粗钢产量随着亚洲的经济成长而持续增加。现代炼铁法的主流是高炉法，但高炉法为了提高其效率而必须大型化，并且需要环境负荷大的烧结设备和炼焦炉。作为替代高炉法的炼铁法，有 MIDREX 法所代表的气基还原铁冶炼法，但气基还原铁冶炼法需要大量的天然气，所以地区选定受到限制。在上述背景下，对于今后的炼铁法而言，如下的期待正在日益高涨：1)降低能耗与环境负荷；2)减少投资费用与运行成本；3)适应宽泛的原料与能源。为了回应这样的期待，神户制钢与 Midrex 技术公司共同开发了 3 种煤基直接还原炼铁法F
2、ASTMET、FASTMELT 和 ITmk3。这些方法可以用世界各地富存的铁矿粉和煤炭生产高质量的铁源，例如 DRI(直接还原铁)、铁水和粒铁。它们的能耗与环境负荷与当今普遍使用的大容量高炉法不相上下。 煤基还原冶炼法1 煤基还原铁冶炼法的定位作为煤基还原铁冶炼法的 FASTMET、FASTMELT、ITmk3 是使用世界上较为大量存在的粉矿石和煤炭的方法。2 工艺流程铁矿石和作为还原剂的煤炭预先混合，并被成型为球团或压块状的团块化混合物。这种团块化混合物供给 RHF(转底炉)，在 RHF 内被还原。团块化混合物在 RHF 的炉床上铺一层或两层予以加热。在 FASTMET、FASTMELT
3、法中，炉内加热到 12501350，以直接还原铁的形式排至炉外，而在ITmk3 法中则加热到 1450，在炉内还原、熔融而以粒珠的形式排至炉外。对 FASTMET 法来讲，可以做成高温还原铁和经冷却做成低温还原铁，或者以 HBI(热压团块铁)的形式来利用制品还原铁。FASTMELT 法是将还原铁熔炼炉组合到 FASTMET 法中的方法，把 RHF 排出的高温的铁装入还原铁熔炼炉，边利用其显热边冶炼生产生铁。ITmk3 法则在 RHF 内生产与炉渣分离的粒铁，与炉渣一起排出的粒铁，用磁选机等分选机选出粒铁。3 煤基还原铁冶炼法首先对 FASTMET 法中 RHF 内部的反应行为加以说明，含有煤料
4、的球团和压块的团块化混合物被炉内的辐射热急激加热，氧化铁被碳还原而成为金属铁。团块化混合物发生的 CO 在 RHF 内燃烧，被用作主要热源。还辅助性地供给燃料，燃料是大约相应于 RHF 内需要的总热量的 1520。可以使用液态天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、焦炉煤气(COG)、重油等种类广泛的燃料。另外，FASTMET 法中由团块化混合物产生的 CO 可在 RHF 内基本完全燃烧，所以碳的利用率高，能够减少能耗和 CO2 发生量。RHF 内的还原过程时间很短，仅仅 612min，设备的起动与停止、产量的调整都可比较简单地进行。FASTMELT 法则是把由 RHF 生产的还原铁照原样装入
5、熔炼炉的方法。与熔融还原炼铁法不同，它是将固体还原进行到最大限度的还原铁装入熔炼炉，可把熔融下的工程负荷控制到最小限度。在 ITmk3 法中，团块化混合物在 RHF 内被加热到 1450。与 FASTMET 一样，被还原的团块在RHF 内进一步熔融与内聚，渣与铁分离。在将球团装入炉内 3min 后，球团处于还原过程，在中心部还残留有未还原部分；到 5min 后，一部分开始熔融；到 6min 后，大部分熔融；9min 后，熔融了的铁完全从渣中分离。原料和制品表 1 和表 2 列出了确认可以用于 FASTMET、FASTMELT、ITmk3 中的矿石与煤炭的品质。表 1 FASTMET 法和 FA
6、STMELT 法可以使用的矿石与煤炭的品质矿石 TFe 60煤炭 挥发分 42固定碳 50灰分 16表 2 ITmk3 法可以使用的矿石和煤炭矿石 TFe 65煤炭 挥发分 30固定碳 55灰分 15 确认了种类如此宽泛的矿石和煤炭都可以使用。这些煤基还原铁冶炼法有以下特征：1)可以把普通煤作为还原剂使用；2)不需要烧结和球团设备，可以直接使用粉矿；3)可以把炼铁粉尘和炼钢粉尘作为原料，并把焦炭粉等作为还原剂使用。表 3 和表 4 列出了 FASTMELT 生铁和 ITmk3 粒铁的品质。ITmk3 生产的粒铁几乎不含渣分而含有适当的碳，所以作为铁源具有足够高的品质。表 3 FASTMELT
7、法冶炼的铁水有代表性的品质 Fe C Si S 96.0 4.0 0.10.6 0.05 表 4 ITmk3 法冶炼的粒铁的有代表性的品质 Fe C Si S 97.0 3.0 0.03 0.050.07 煤炭与辅用物消耗量FASTMET 法中煤炭与辅用物消耗量之一例列于表 5。煤炭用作还原剂，RHF 排出的废气显热也可以转换成发电用蒸汽而得到回收。表 5 年产 50 万 t FASTMET 法煤炭与辅助物料消耗量 生产 1t DRI 的消耗 煤炭，kg 377 燃气，GJ 2.43电能，kWh 110 生产 1t DRI 的副产品 蒸汽发电，kWh 221 列于表 6 的 FASTMELT
8、法的消耗量之一例是 FASTMET 与 EIF(炼铁电炉)组合的情况。EAF 是为了用电能和高温 DRI 的显热熔化 DRI 而生产生铁的熔炼炉。表 6 年产 50 万 t FASTMELT 法煤炭与辅助物料消耗量 生产 1t 铁水的消耗 煤炭，kg 456 燃气，GJ 2.47白云石和石灰，kg 15 电能，kWh 750 生产 1t 铁水的副产品 蒸汽发电，kWh 210 表 7 中列出了 ITmk3 的消耗量之一例。表 7 年产 50 万 t Imk3 法煤炭与辅助物料的消耗量 生产 1t 粒铁的消耗 煤炭，kg 450 燃气，GJ 4.10电能，kWh 150 生产 1t 粒铁的副产品
9、 蒸汽发电，kWh 234 能耗与环境负荷关于煤基还原铁冶炼法的能耗与 CO2 发生量，为了与传统的高炉法相比较，进行了下述两种情况的调查研究：调研 A：对年产生铁 50 万 t 的情况，将高炉法、FASTMELT 法、ITmk3 法做了比较。调研 B：设定把年产生铁 350 万 t 的高炉炼铁厂的能力增强到年产生铁 400 万 t，就下述两种情况进行了比较：1)通过增大高炉的容积，使能力达到年产 400 万 t 生铁；2)毗邻已建高炉，设置年产 50 万 t 生铁的 FASTMELT 装置。1 调研 A就炼焦炉和高炉发生的可燃性气体而言，虽然可以供给系统外而在外部有效利用，但对这样小规模的高
10、炉来讲，能量利用率降低。EIF 发生的可燃性气体可以作为燃料为 RHF 所使用。另外，从该系统中不会发生可燃性气体副产物。表 8 列有调研 A 的结果。年产生铁 50 万 t 的 FASTMELT 和 ITmk3 所需要的能量比同规模高炉的少。在高炉中，虽然发生可燃性气体等的剩余能量，但它被供列本系统之外利用。拿扣除了该剩余能量的实际能耗来比较，则 FASTMELT 的能耗比高炉法稍高，但大略可予同等评价。再就实际 CO2 发生量而言，引入 FASTMELT 法和 ITmk3 法可以将其减少。表 8 调研 A 汇总 50 万 t 高炉 50 万 t FASTMELT 50 万 t ITmk3
11、消耗 煤炭 25.75GJ/2403kgCO2 14.26GJ/1330kgCO2 14.09GJ/1314kgCO2燃气 0.00GJ/0kgCO2 2.47GJ/141kgCO2 4.10GJ/234kgCO2电力 1.72GJ/154kgCO2 5.94GJ/531kgCO2 0.00GJ/0kgCO2其它 0.00GJ/74kgCO2 0.00GJ/12kgCO2 0.00GJ/0kgCO2总计 27.47GJ/2630kgCO2 22.74GJ/2015kgCO2 18.19GJ/1548kgCO2剩余能量 煤气 5.49GJ/313kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 0.00G
12、J/0kgCO2电力 0.00GJ/0kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 0.30GJ/83kgCO2其它 1.17GJ/109kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 0.00GJ/0kgCO2总计 6.66GJ/422kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 0.30GJ/83kgCO2总消耗 能耗 20.81GJ 22.74GJ 17.89GJ CO2 排放 2208kgCO2 2015kgCO2 1465kgCO2 这是因为在 FASTMELT 法和 ITmk3 法中，不需要炼焦炉和烧结装置这样的预处理设备，加之不向系统外放出 CO 等可燃性气体，煤炭中的碳作为还原剂和热源而得到有效利
13、用的缘故。另外，这里必须特别指出，ITmk3 法生产的粒铁并不是高温的铁水，而是粒状的固体铁。这种粒铁适宜于输送，所以，ITmk3 装置不是引入消费地，而是放在矿山附近，这可以认为是更为高效的利用方法。在矿山附近生产粒铁再输送到消费地，与输送矿石和煤炭相比较，需要输送的重量大约减少一半，可以降低消耗在运输上的能量与成本。2 调研 B大规模的高炉较之小规模高炉，可以有效地利用大规模生产的优越性而高效地消费能量。系统内发生的可燃性气体可以供给外部有效利用。年产 350 万 t 生铁的高炉组合年产 50 万 t 生铁的 FASTMELT 装置时的能量平衡。可以把高炉内产生的过剩可燃性气体高效地用于
14、FASTMELT 装置。调研 B 的结果列于表 9。原有的高炉组合 FASTMELT 法与大规模高炉相比较，尽管扣除掉剩余能量的能耗和 CO2 发生量有些增加，但按系统内比较，则可以减少。这是由于在 FASTMELT 中可以有效利用高炉系统产生的剩余煤气，并且可以把煤炭中的碳作为还原剂和热源而高效利用的结果。表 9 调研 B 汇总 400 万 t 高炉 400 万 t（高炉FASTMELT） 消耗 煤炭 22.75GJ/2122kgCO2 11.69GJ/2023kgCO2 燃气 0.00GJ/0kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 电力 1.23GJ/110kgCO2 1.82GJ/163
15、kgCO2 其它 0.00GJ/74kgCO2 0.00GJ/66kgCO2 总计 23.98GJ/2307kgCO2 23.52GJ/2253kgCO2 剩余能量 煤气 4.40GJ/251kgCO2 3.54GJ/202kgCO2 电力 0.00GJ/0kgCO2 0.00GJ/0kgCO2 其它 1.17GJ/109kgCO2 1.02GJ/96kgCO2 总计 5.57GJ/360kgCO2 4.57GJ/298kgCO2 总消耗 能耗 18.42GJ 18.95GJ CO2 排放 1946kgCO2 1955kgCO2 装置实绩表 10 列出了迄今已经建设的验证装置和商业装置的实绩。
16、三套 FASTMET 商业装置已在运行。这些装置将炼铁炼钢炉尘还原、再循环利用。炉尘含有的 Zn 和 Pb 之类的重金属在 RHF 内挥发，进入废气系统中，与还原铁分别回收。FASTMELT 法正在用 EAF(电弧炉)的熔炼实验和 Midrex 公司的模拟装置进行验证。表 10 工厂生产实绩 工艺 工厂 用途 产能 FASTMET 神户加古川厂 论证试验 1800t/yDRI FASTMET 新日铁广畑厂 工业设备，处理转炉灰 190000t/y 粉尘FASTMET 神户加古川厂 工业设备，处理高炉灰 14000t/y 粉尘 FASTMET 新日铁广畑厂 工业设备，处理转炉灰 190000t/
17、y 粉尘ITmk3 神户加古川厂 试验设备 400kg/h 粒铁 ITmk3 MessabiNugget 论证试验 2500t/y 粒铁 ITmk3 法已通过美国的梅萨比粒铁中间试验厂的装置连续运转试验，于 2004 年 7 月完成了开发工作。结语煤基还原铁冶炼法(FASTMET、FASTMELT 和 ITmk3)具有下列特点，作为适应于将来的铁源需要的炼铁法而为业界所期待。1)不需要炼焦炉和烧结设备，工艺流程简单，故可遏制初期投资；2)还原时间短，在 12min 之内完成，因而设备的起动、停止、产量调整等容易实现；3)可以利用种类宽泛的原料与煤炭，选址限制少；4)FASTMELT 和 ITmk3 生产的生铁或粒铁具有高炉生铁同等的品质；5)与同等规模的高炉相比较，能耗大致相当，而 CO2 排放量则可以减少。另外，通过高炉法与煤基还原铁冶炼法相组合，可以有效地利用高炉法产生的剩余能量。
