直接还原技术.docx

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直接还原技术

直接还原铁技术

直按还原铁和熔融还原铁的生产。

直接还原铁和熔融还原铁的冶炼统称为非高炉法炼铁。

（一）直接还原法生产生铁

直接还原法是指在低于熔化温度之下将铁矿石还原成海绵铁的炼铁生产过程，其产品为直接还原铁（即DRI），也称海绵铁。

该产品未经熔化，仍保持矿石外形，由于还原失氧形成大量气孔，在显微镜下观察团形似海绵而得名。

海绵铁的特点是含碳低（＜1％），并保存了矿石中的脉石。

这些特性使其不宜大规模用于转炉炼钢，只适于代替废钢作为电炉炼钢的原料。

直接还原法分气基法和煤基法两大类。

前者是用天然气经裂化产出H2和CO气体，作为还原剂，在竖炉、罐式炉或流化床内将铁矿石中的氧化铁还原成海绵铁。

主要有Midrex法、HYLⅢ法、FIOR法等。

后者是用煤作还原剂，在回转窑、隧道窑等设备内将铁矿石中的氧化铁还原。

主要有FASMET法等。

直接还原法的优点有：

（1）流程短，直接还原铁加电炉炼钢；

（2）不用焦炭，不受炼焦煤短缺的影响；

（3）污染少，取消了焦炉、烧结等工序；

（4）海绵铁中硫、磷等有害杂质与有色金属含量低，有利于电炉冶炼优质钢种。

直接还原法的缺点有：

（1）对原料要求较高：

气基要有天然气；煤基要用灰熔点高、反应性好的煤；

（2）海绵铁的价格一般比废钢要高。

直接还原法已有上百年的发展历史，但直到20世纪60年代才获得较大突破。

进入20世纪90年代，其生产工艺日臻成熟并获得长足发展。

其主要原因是：

（1）天然气的大量开发利用，特别是高效率天然气转化法的采用，提供了适用的还原煤气，使直接还原法获得了来源丰富、价格相对便宜的新能源。

（2）电炉炼钢迅速发展以及冶炼多种优质钢的需要，大大扩展了对海绵铁的需求。

（3）选矿技术提高，可提供大量高品位精矿，矿石中的脉石量降低到还原冶炼过程中不需加以脱除的程度，从而简化了直接还原技术。

当前世界上直接还原铁量的90％以上是采用气基法生产的。

我国天然气主要供应化工和民用，不可能大量用于钢铁工业。

由于我国煤炭储量相对丰富，20世纪90年代以来煤基直接还原法已在天津、辽宁、吉林、山东等地形成了一定的生产规模。

直接还原铁是指用直接还原法在低温固态下还原的金属铁。

按生产方法可分为煤基直接还原铁和气基直接还原铁；按用途可分为炼钢用直接还原铁和其它用直接还原铁；按产品形式可分为海绵铁（DRI）和热压块铁（HBI）。

目前国内直接还原铁没有国家统一标准生产规格，只有行业内的不成文的标准，最终元素含量仍是根据客户需求。

规格如下：

一类化学成分为：

TFe≥95%，SO2≤0.65%，S≤0.03%，P≤0.03%。

二类化学成分为：

TFe≥92%，SO2≤5.0%，S≤0.03%，P≤0.03%。

三类化学成分为：

TFe≥90%，SO2≤7.0%，S≤0.03%，P≤0.03%。

四类化学成分为：

TFe≥88%，SO2≤10.0%，S≤0.03%，P≤0.03%。

另外，含铁量超过97％以上也属于海绵铁，但应用于粉末冶金领域，其形状分块状和粉状（一次还原铁粉），如深加工还可做二次还原铁粉，其含铁量将达到99％以上，价格也相应较高。

（二）熔融还原法生产生铁

熔融还原法是指不用高炉而在高温熔融状态下还原铁矿石的方法，其产品是成分与高炉铁水相近的液态铁水。

开发熔融还原法的目的是取代或补充高炉法炼铁。

与高炉法炼铁流程相比，熔融法炼铁有以下特点：

（1）燃料用煤而不用焦炭，可不建焦炉，减少污染。

（2）可用与高炉一样的块状含铁原料或直接用矿粉作原料。

如用矿粉作原料，可不建烧结厂或球团厂。

（3）全用氧气而不用空气，氧气消耗量大。

（4）可生产出与高炉铁水成分、温度基本相同的铁水，供转炉炼钢。

（5）除生产铁水外，还产生大量的高热值煤气。

目前世界上熔融还原法很多，其中只有Corex法技术比较成熟并已形成工业生产规模，其它诸法仍在发展和工业化过程中。

熔融还原法在我国尚未得到很大发展，目前处于实验室试验和半工业试验阶段。

直接还原铁是铁矿在固态条件下直接还原为铁，可以用来作为冶炼优质钢、特殊钢的纯净原料，也可作为铸造、铁合金、粉末冶金等工艺的含铁原料。

这种工艺是不用焦碳炼铁，原料也是使用冷压球团不用烧结矿，所以是一种优质、低耗、低污染的炼铁新工艺，也是全世界钢铁冶金的前沿技术之一。

直接还原炼铁工艺有气基法和煤基法两种，按主体设备可分为竖炉法、回转窑法、转底炉法、反应罐法、罐式炉法和流化床法等。

目前，世界上90%以上的直接还原铁产量是用气基法生产出来的。

但是天然气资源有限、价高，使生产量增长不快。

用煤作还原剂在技术上也已过关，可以用块矿，球团矿或粉矿作铁原料（如竖炉、流化床、转底炉和回转窑等）。

但是，因为要求原燃料条件高（矿石品位要大于66%，含SiO2+Al2O3杂质要小于3%，煤中灰分要低等），规模小，设备寿命低，生产成本高和某些技术问题等原因，致使直接还原铁生产在全世界没有得到迅速发展。

因此，高炉炼铁生产工艺将在较长时间内仍将占有主导地位。

1．直接还原铁的质量要求

直接还原铁是电炉冶炼优质钢种的好原料，所以要求的质量要高（包括化学成份和物理性能），且希望其产品质量要均匀、稳定。

1．1化学成份

直接还原铁的含铁量应大于90%，金属化率要＞90%。

含SiO2每升高1%，要多加2%的石灰，渣量增加30Kg/t，电炉多耗电18.5kwh。

所以，要求直接还原铁所用原料含铁品位要高：

赤铁矿应＞66.5%，磁铁矿＞67.5%，脉石（SiO2+Al2O3）量＜3%～5%。

直接还原铁的金属化率每提高1%，可以节约能耗8～10度电/t。

直接还原铁含C＜0.3%，P＜0.03%，S＜0.03%，Pb、Sn、As、Sb、Bi等有害元素是微量。

1．2物理性能

回转窑、竖炉、旋转床等工艺生产的直接还原铁是以球团矿为原料，要求粒度在5～30mm。

隧道窑工艺生产的还原铁大多数是瓦片状或棒状，长度为250～380mm，堆密度在1.7～2.0t/m³。

生产过程中产生的3～5mm磁性粉料，必须进行压块，才能用于炼钢。

强度：

取决于生产工艺方法、原料性能和还原温度。

改进原料性能和提高温度有利于提高产品强度。

产品强度一般＞500N/cm²。

2．直接还原铁产生工艺技术介绍

2．1竖炉法

气基竖炉法MIDREX、HYL法直接还原铁产生中占有绝对优势，该工艺技术成熟、设备可靠，单位投资少，生产率高（容积利用系数可达8～12t/m³·d），单炉产量大（最高达180万t/年）等优点。

经过不断改进，其生产技术不断完善，实现规模化生产。

（1）MIDREX技术

Midrex法标准流程由还原气制备和还原竖炉两部分组成。

还原气制备：

将净化后含CO与H2约70%的炉顶气加压送入混合室，与当量天然气混合送入换热器预热，后进入1100℃左右有镍基催化剂的反应管进行催化裂化反应，转化成CO24%～36%、H260%～70%、CH43%～6%和870℃的还原气。

后从风口区吹入竖炉。

竖炉断面呈圆形，分为预热段、还原段和冷却段。

选用块矿和球团矿原料，从炉顶加料管装入，被上升的热还原气干燥、预热、还原。

随着温度升高，还原反映加速，炉料在800℃以上的还原段停留4～6小时。

新海绵铁进入冷却段完成终还原和渗碳反应，同时被自下而上通入的冷却气冷却至＜100℃。

还原铁的排出速度用出铁器调节。

产品典型成分如下：

产品化学成分（%）

工艺/成分TfeηFeSiO2Al2O3CaOMgOCPS

Midrex91-9392-952.0-5.50.5-1.50.2-1.60.3-1.10.7-2.50.070.01-0.03

工艺多用球团和块矿混合炉料。

球团粒度9-16mm占95%，球团冷压强度＞2450N/球，块矿粒度10～35mm占85%；要有高软化温度和中等还原性；化学成分铁量要高，酸性脉石低（≯3%-5%），CaO＜2.5%，MgO＜1.0%，TiO＜0.15%，S＜0.008%。

为放宽对矿石含硫要求，Midrex法改用净化炉顶气作冷却气。

在冷却海绵铁的同时被热海绵铁脱硫，从冷却段排出后再作为裂化剂，可容许用含硫0.02%矿石。

现今Midrex法作业指标为：

产品金属化率86%～96%，有效容积利用系数10t/m³·d，能耗10.47GJ/t，电114kWh/t，水1.64m³/t。

Arex法是Midrex法的新改进，天然气被氧气（或空气）部分氧化后送入竖炉，利用新生热海绵铁催化裂化，省去了还原气重整炉。

改进后吨铁电耗可降低50Kwh。

（2）HYL（罐式）法与HYL-Ⅲ（竖炉）法。

HYL法由4座罐式反应炉和1座还原气重整炉构成。

该工艺作业稳定、设备可靠。

产品含碳2%左右，不易再氧化，不发生炉料粘结；只因还原气要反复冷却、加热，系统热效率低，能耗偏高，气体消耗为20.93GJ/t；1975年后再没建新厂。

对HYL罐式法作出改革，保留原还原制备工艺，但将还原气重整转化与气体加热合一；4个罐式反应炉改为连续式竖炉，称HYL-Ⅲ竖炉法。

该工艺采用高氢还原气，高还原温度（900-960℃）和0.4-0.6MPa高压作业。

改善还原动力学，加速还原发应；含硫气不通过重整炉，延长了催化剂和催化管使用寿命；还原和冷却作业分别控制，能对产品金属化率和含碳量进行大范围调节，产品平均金属化率90.9%、控制碳量1.5%-3.0%，质量稳定；配置CO2吸收塔，选择性地脱除还原气中H2O和CO2，提高还原气利用率；重整炉产生高压蒸汽发电。

最低生产能耗为10.43-11.2GJ/t，电耗90kWh/t。

HYL（罐式）法已逐渐被HYL-Ⅲ（竖炉）法取代，合计产量占世界总产量的25%左右。

该法的新改进是天然气进入反应器直接裂解，生产高碳（3.8%）DRI产品。

最近又推出HYL-Hytemp生产系统。

将热还原铁（650℃）气力输送到电炉车间，喷入电炉。

冶炼时间缩短，电极和耐火材料消耗降低，金属收率提高。

吨钢电耗降低112kW·h，电极消耗降低0.55kg，冶炼时间缩短16min，产率提高16%，吨钢成本可降低4.6美元。

2．2气基流化工艺

（1）F1NMEF工艺

该工艺使用<12mm粒度矿粉（脉石<3%，低硅高铁），在流化床上干燥，被加热到100℃，送入反应器结构顶端的闭锁料斗系统中，加压1.1MPa后，通过4个串联液化床反应器，铁粉在重力作用下从上方反应器向下流动，与作为还原剂的重整天然气逆向而行。

产品含铁92%，金属化率92%~95%，含碳0.5%~3.0%，以FeC形式存在。

现世界上已有三套这种装置，1999年奥钢联建第一套，第二套在西澳BNP公司，能力250万吨/年，埃及建的第三套，年能力115万吨。

该工艺的优点成本低、质量好。

（1）Circored和Circofer工艺

两种工艺核心设备都包括一座循环液化床和一座普通流休床。

Circored是用天然气为能源，Circofer以煤为能源。

铁精矿粉是经过预热后（约900℃）进入循环流化床参加反应，使动力学条件得到改善，在4个大气压条件下，铁矿与氢在630℃时可被还原（在气体环路中加入部分氢）。

2．3转底炉法

将铁矿粉、钢铁厂含铁粉尘、煤粉和粘结剂按一定比例混合，压制成含碳球团矿，送入烘干机内进行烘干，脱除水份。

将干燥的含碳球团均匀地铺在转底炉上（只铺一层），在高温1200～1400℃下球团矿内氧化铁与碳反应，放出CO，在炉膛内燃烧成CO2，并形成高温废气（在1000℃以上）。

一般反应只要20分钟左右。

将废气收引出预热煤气（400℃）和助燃空气（900℃），低温废气从蓄热室和换热器引出，再去烘干生球团。

这时废气温度在100℃左右。

从节能角度看，能源利用效率较高。

转底炉的高温气体由燃烧器来提供（使用煤气加热）。

转底炉可以处理含Zn、Pb高粉尘，可以避免配入烧结矿中后，在高炉冶炼过程中Zn、Pb的富集造成的负面影响。

目前的山西翼城，河南巩义已有外径为16.3米的转底炉，年产量在7万吨，金属化率达85%，每吨铁投资为182元。

2．4开发利用焦炉煤气，对含碳球团在竖炉内进行直接还原。

焦炉煤气含55%左右的氢。

在化学反应中，氢对氧化铁的还原率是最高的。

目前，首钢准备开展这方面的工作。

焦炉煤气要进行裂解，提高H2的含量，并要预热到930～950℃，在参与还原反应，反应后气体要脱除CO2，再循环利用。

用氢作还原剂存在的主要技术问题：

▪H2还原铁的其它氧化物都是吸热反应，需要充足的热。

在满足还原和供热的煤气的最佳H2含量为32.05%。

▪富氢预还原会导致物料的粉结。

采取分段供应富氢和非富氢供气制度。

3．直接还原铁发展现状

3．1全世界直接还原铁发展比较快，2003年产量为4960万吨，2004年为5460万吨，2005年约为6000万吨。

年增长率在10%以上。

在直接还原铁生产工艺中，气基直接还原占92%。

表1各种直接还原铁生产所占比例单位：

%

年MIDREXHYLⅢHYLⅠFinmet其他煤基其他气基

200364.6018.401.305.2010.200.40

200464.1018.901.902.9012.100.10

2004年委内瑞拉产量783万吨，印度937万吨，墨西哥654万吨，伊朗641万吨，俄罗斯314万吨，沙特341万吨，特立尼达和多哥236万吨，中国为43万吨。

3．2中国情况

2005年中国生产直接还原铁为约50吨，而生产能为比产量要高出20%。

主要是技术、原料、成本等因素影响。

全国现有30多个直接还原铁企业，其总生产能力约60万吨。

总体上讲，规模小，生产成本高，缺少高品质的原料。

多数企业用隧道窑反应罐法，生产工艺落后，能耗高，环境污染严重。

（1）天津直按还原铁厂生产实践

2004年产直接还原铁33.2万吨，2005年约产34万吨，设备作业率在98%以上。

该厂是采用DRC法煤基直接还原生产工艺：

两条φ5X80ｍ回转窑----冷却筒----产品分选----成品。

使用巴西球团矿（含铁品位68%，SiO2+Al2O3约为2%）适宜配入煤和石灰石，进行混均，从回转窑给料端加入。

窑体是倾斜安装，慢速旋转，使炉料朝卸料端运动，同时，矿石被加热和还原（注意温度控制在不要使脉石熔融，以免结圈）。

煤作为热源和还原剂，一部分随铁矿石同时加入，另一部分从窑的卸料端喷入窑内。

供煤所燃烧的空气，通过沿窑长度方向安装在窑壳上不同位置的风机由轴向吹入窑内。

热的还原产品经过冷却筒冷却，然后筛分、磁选及风选，分离出非磁性物，得到成品。

来自窑内的烟气经余热锅炉回收余热（产生蒸汽），废气经布袋除尘，用废气风机送入烟囱。

操作的技术关键：

▪保证窑内还原气氛，控制好风量

▪控制好窑体内各部分的适宜温度，不让脉石熔融

▪窑的卸料端保持微正压，20~30Ｐａ

控制直接还原铁金属化率在91.1%～94.6%，质量合格率在94%，是最经济的指标。

金属化率高和低，均会造成回转窑和电炉炼钢指标的恶化。

（炼钢过程加入直接还原铁比例最好控制在15%～35%，并要控制好料流加入速度32～34Kg/兆瓦▪分，以免出现钢水的沸腾现象以及喷溅）。

影响产品金属化率的因素是：

频繁停窑、非正常条件下生产（难以调控），窑和冷却筒密封性不良、煤的成份波动和质量控制点选择不当。

（2）首钢密云冶金矿山公司煤基链篦机─回转窑─一步法

该公司直按还原铁年生产能力6.20万吨，

▪生产工艺：

配料─造球─干燥（链篦机）─回转窑（还原）─冷却─成品。

▪铁精矿水份严格控制在5.5%～6.5%。

▪造球配皂土（粘结剂）0.8%～1.0%，台时产量20±2吨。

▪链篦机带速为0.5m/min，布料厚度100～120ｍｍ。

　　生球抗压强度≧1.2Kg/个，落下强度≧5次/0.5ｍ，水份控制在7.5%左右，粒度6～16mm占85%以上。

▪回转窑及热工系统操作

窑头喷煤总量在7.0±0.5吨/小时，精煤枪压力控制在60KPa，细煤枪压力控制10～14KPa。

窑尾加煤控制在800±50Kg/h，严禁窑尾煤量过值。

窑温控制：

窑头箱<980℃，

1、2、3号电偶控制在1000～1040℃，短时温度不得超过1060℃；

4、5、6号电偶控制在1000±20℃；

7、8、9号电偶控制在950～1000℃；

冷烟室温度控制在700℃以下。

链篦机预热段温度控制在850～920℃

过渡段温度控制在550～650℃

干燥段温度控制在250～350℃

1、2号风箱温度不得低于600℃

回转窑电机转速控制在400～440转/分，主风机的回热风阀门开度45%～50%，转速800～850转/分，回热风机入口负压780±20KPa，温度310～350℃。

干燥风机阀门开度65%～70%，转速800～850转/分。

产品质量标准的厂标是：

铁品位≧88%，S≦0.04%，金属化率>90%。

（3）山东莱芜鲁中冶金矿山公司直接还原铁厂用冷固球团----回转窑工艺生产直接还原铁，年生产能力5万吨。

后改为块矿回转窑法。

▪福建大田海绵铁公司用sic反应罐----隧道窑法生产直能力5万吨/年。

▪喀左海绵铁厂、哈尔滨市海绵铁厂、吉林复森海绵铁公司、吉林桦甸海绵铁厂等也具备了年生产能力2.5万吨。

附：

1、直接还原铁的生产工艺及装置专利1

申请（专利）号：

96100218

申请日：

19960503

名称：

直接还原铁的生产工艺及装置

公开（公告）号：

1147018

公开（公告）日：

19970409

国际分类号：

C21B13/00

范畴分类号：

申请（专利权）人：

云南特钢集团公司

地址：

（650051）云南省昆明市人民东路四十九号

发明（设计）人：

李继白,吴孟丙,卫修阳,程鄂,李明云

国家/省市：

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摘要

本发明公开了一种将含铁原料在固态下直接还原为金属铁的工艺及装置。

其特征是以铁的氧化物料为原料，以烟煤等为还原剂，以石灰等为固硫剂，以煤为燃料，以果壳为添加剂，将分料器Ｃ置于反应罐Ｂ中，分别将散状的铁矿料加入扇形的孔中，而将混合料加入反应罐的余下部分，在罐内分别形成混合料柱Ｃ１和铁矿料柱Ｃ２，由顶推车将反应罐Ｂ推入外加热室式隧道窑内进行还原反应，温度为９５０±２０℃，还原时间３０－３８小时。

权利要求

一种直接还原铁的生产方法，采用铁的氧化物作为主要原料，其特征在于采用以下工艺步骤：

Ａ、选料加工①以铁原矿或铁精矿或有色选矿的含铁尾矿或轧钢氧化铁皮等铁的氧化物料或上述物料的两种以上混合物为原料，原料粒度≤４０目，含水量＜５％；②以烟煤或无烟煤或次烟煤或褐煤为还原剂，其固定碳≥５０％，挥发成分２０－３０％，灰份＜１５％，颗粒直径≤４毫米；③以石灰或石灰石或白云石为固硫剂，其粒度≤２０目；④以煤为燃料，其发热值≥５０００大卡；⑤以果壳为添加剂，并将其加工成直径≤４毫米的颗粒；Ｂ、配料装罐①原料、还原剂、固硫剂按化学反应当量确定配料比，其中还原剂过量３０巾

附2：

申请专利号

97182473.8　

专利申请日

1997.10.10　

名称

控制直接还原铁渗碳的方法和设备

公开（公告）号

1276018

公开（公告）日

2000.12.06　

颁证日

优先权

申请（专利权）

伊尔萨有限公司　

地址

墨西哥新莱昂州　

发明（设计）人

J·塞拉达贡扎莱兹三世;R·G·奎恩特洛弗洛雷斯;R·维拉蒙特斯布朗;　

国际申请

PCT.IB97/014571997.10.10

国际公布

WO99.19520英1999.4.22

专利代理机构

中国专利代理（香港）有限公司　

代理人

杨九昌　

专利摘要

本发明涉及在炼铁厂中生产预还原铁矿石、直接还原铁（ＤＲＩ）（６２）等的方法和设备，其中通过用氧化剂，如水和氧在还原反应器（１０）内重整烃类，在还原反应系统（５）中由天然气产生用于将铁的氧化物化学还原的还原气体，反应器（１０）在稳定状态下含有起着重整催化剂的作用的金属铁。

ＤＲＩ（６２）中的碳量通过改变供入还原反应器（１０）中的还原气体中的水、二氧化碳及氧的相对量而得以控制。

ＤＲＩ（６２）中的碳量用供入还原反应器（１０）中的水量控制，同时加氧以提供ＤＲＩ渗碳所需的能量。

专利主权

权利要求书1．一种在无天然气重整器的还原系统内生产含有受控碳量的直接还原铁的方法，其中通过用水和氧在该还原系统内重整还原气体中的烃产生还原气体，该方法在具有还原区的移动床还原反应器中实施，其中含铁的氧化物的粒状材料被含有作为还原剂的氢和一氧化碳的高温还原气体至少部分地化学还原成金属铁，该方法包括：

将含铁的氧化物的粒状材料引入该反应器的还原区的上部；将温度为约900℃—约1150℃的第一股还原气体流供入还原区，再使该热的还原气体向上流过此还原区，以将铁的氧化物至少部分地还原成金属铁；用来自被供入该反应器中的还原气体的碳使金属铁渗碳，以得到含有预定量的化学结合碳的直接还原铁；从该还原区抽出用过的温度为约250℃—约450℃的还原气体的第二股气流；从部分第二股气流中去除二氧化碳，从而形成含二氧化碳不大于约11％的第三股气流；将此第三股气流与天然气混合，以形成还原气体的第四股气流；将第四股气流中的水含量调到约5％—约12％（重量）；将第四股气流与含氧气体混合；将第四股气流的温度升至约950℃—约1150℃，从而形成第一股气流；从反应器中排出含有预定碳量的直接还原铁。