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煤基直接还原铁综述


低品位铁矿石煤基直接还原铁
摘要: 文章介绍介绍了直接还原铁的两种生产方法, 并联系国内实际着重介绍煤基直接 还原法,联系我国铁矿石的供需现状,通过分析近年来直接还原铁发展状况,提出低品位铁 矿石用褐煤半焦做还原剂生产直接还原铁的思路。 直接还原是指用气体或固体还原剂在低于铁矿石软化温度下, 在反应装置内将铁矿石还 原成金属铁的方法。其产品称直接还原铁,这种铁保留了失氧前的外形,因失氧形成了大量 微孔隙,显微镜下形似海绵结构,故又称海绵铁。[4]直接还原铁(DRI)因质地纯净、成分稳 定,是一种替代废钢、冶炼优质钢和特殊钢的理想原料。很多用废钢不能生产的特种钢都能 用海绵铁生产出来[3].

一、 直接还原铁的生产方法
直接还原工艺根据还原剂不同可分为气基直接还原和煤基直接还原。 气基直接还原工艺 以天然气为主要还原剂,包括竖炉、反应罐和流化床流程 。煤基直接还原以煤为主要能源, 主要是使用回转窑为主体设备的流程[1]。 目前运行中的气基直接还原设备有三种。 第一种是竖炉, 是成熟的主导工艺, MIDREX 以 流程为代表,具有容易控制、产品质量好、能耗低、环境污染轻、生产率高等特点,竖炉流 程占据了大部分直接还原生产能力[6]。第二种是反应罐,使用反应罐的流程只有 HYL 法。 反应罐采用落后的固定床非连续生产模式,证处于被逐渐淘汰的过程中。第三种是流化床, 目前唯一的代表是 FIOR 法[1]。 煤基直接还原法工艺主要包括回转窑法、转底炉法、隧道窑法。只有回转窑流程拥有可 观的生产能力,具有代表性的回转窑流程是 SL-RN 法。 推动直接还原工艺技术发展的客观原因主要有以下几点; 1) 世界多数国家严重缺少焦煤,但其中不少国家拥有优质丰富的铁矿以及天然气和非焦煤 资源,可以因地制宜地发展直接还原来解决生铁资源问题。委内瑞拉、墨西哥、伊朗等国具 有丰富的天然气及优质铁矿,主要发展竖炉气基直接还原工艺,而南非、印度、新西兰等国家 具有丰富的烟煤及优质铁矿,则主要发展回转窑煤基直接还原工艺。 2)随着电炉短流程生产线的兴起,对废钢的需求日益增长,而发展中国家由于废钢量不足,客 观需要发展直接还原铁来补充[12]。与使用废钢相比,电炉使用直接还原铁的好处有:①还原铁 有害元素(Cu、Ni、Cr、Mo、Sn、As、Pb、Bi)含量很低,能够稀释、降低钢中的有害元素; ②用直接还原铁可实现连续装料、成渣迅速、连续融化及熔池沸腾,促进脱气,降低钢中 N 含 量,利于快速形成泡沫渣,从而减少钢中夹杂物;③缩短电炉精炼周期,提高 Ni、 等有价元素 Mo 的收率。 3)直接还原低碳海绵铁可用于直接生产电工纯铁、铁氧体及工业铁料,有利于电炉钢厂发展 精品、提高产品附加值[7]。 4)直接还原—电炉—连铸—轧制的短流程生产规模小、建设周期短、投资省、生产灵活,便 于按市场调整产品种类和数量[11],可为资金和技术缺乏的发展中国家提供可以代替传统资 金和技术密集型的高炉—转炉长流程,因地制宜地发展本国的钢铁工业,不仅对发展中国家有 极大的吸引力,而且对为解决地区性钢材需求和品种调剂的发达国家也有吸引力。

二、我国铁矿石资源供需现状
2001 年我国铁矿石资源量 581.19 亿吨, 居世界第四位, 但是铁矿石品位比世界品位低 11%,而且难采难选。我国铁矿石资源的特点:一是贫矿多,贫矿储量占总储量的 80%;二 是多元素共生的复合矿石较多;三是磁铁矿多。此外矿体复杂,有些贫矿床上部为赤铁矿, 下部为磁铁矿。

我国铁矿石资源无法满足钢铁行业迅猛发展的需要,近几年我国铁矿进口呈高比率增 长,2005 年我国钢产量为 34936 万吨,生铁 33040 万吨,自产铁矿石 42050 万吨,进口铁 矿石 27256 万吨。进口矿来自 18 个国家,进口国家按数量依次为澳大利亚、巴西、印度、 南非、秘鲁等国。虽然海外供应商不断扩张其矿石开采能力,但其扩张速度依然满足不了中 国市场对铁矿石需求的急剧增长。从全球范围来考虑铁矿石资源供应,优化矿石资源配置, 建立长期、稳定的供应基地,锁定供应渠道,应该是中国钢铁工业重点思考解决的问题。 近年 来,铁矿石开 采供应出 现规模巨大的 并购活动 ,基本形成了 巴西淡水 河谷 (CVRD) 、英澳合资的必拓和必和力拓三分天下的局面。三大公司总生产规模 35540 万吨, 约占世界矿石总量的 35%,掌控了世界铁矿石海运量的 70%[2]。

三、国内外直接还原铁的发展现状
Ⅰ世界直接还原工艺发展状况 近年来,随着“电炉炼钢短流程”的兴起,作为废钢替代品和生产优质钢不可或缺原料 的直接还原铁发展迅速。从 1987 年到 2006 年,世界还原铁的产量如下图所示。

世界直接还原铁产量(资料来源:Midrex 公司) 直接还原工艺技术发展到现在,无论从产量还是产能看,气体直接还原工艺均占主导地位, 约 90%,煤基直接还原工艺占 10%左右,形成以 Midrexa 工艺和 HYL—Ⅲ工艺为主流的势态[9]。 综观直接还原工艺的历史发展过程及其不同直接还原工艺在世界各地的分布规律, 结合世 界资源特点、经济形势和环保要求,直接还原工艺发展趋势主要体现在以下几个方面: (1)气基流程日趋成熟 以 Midrex、HYL 一 l 流程为代表的气基流程,从 1970~2002 年,长达 30 多年占据世界 直接还原铁产量的 90%以上,在取得了极大的成功的同时,为降低成本,提高竞争力,人 们孜孜以求的开展了对气基更深入的研究: a)生产设备的大型化是降低生产成本的有效手段,Midrex 公司开发了直径 7.5m,年产量超 过 200 万 t 的 Midrex 气基竖炉。 b)Midrex 法的煤气重整设备是十分昂贵的,且易损坏,因而对矿石和煤气的含硫量提出了

严格的要求。 针对此难题, 委内瑞拉奥里偌科黑色冶金公司利用热海绵铁的催化性和脱硫能 力,开发了 Midrex 的改进型工艺,称为 Jex 工艺。Arex 工艺无重整炉,竖炉集气体重整与 矿石还原于一体。 c)HYL 一 111 可处理含硫量较高的铁矿石,在此基础上,仍在墨西哥进一步开发了改进型 HYL 一 ZR, 该工艺没有单独的重整装置, 利用新生热海绵铁自身的催化能力进行气体重整。 d)由于 Midrex、HYL 一 m 等气基竖炉工艺必须使用块矿或氧化球团,为扩大原料的来源, 以铁矿粉为原料的 Firunct 气基流化床脱颖而出。利用该工艺生产的直接还原铁 HBI 曾占到 世界直接还原铁产量的 5.2%。虽然采用 Flnmet 工艺、位于澳大利亚年产 250 万 t 由于爆炸 事故而永久关闭, 但人们致力于开发原料来源广、 生产成本低的气基流化床直接还原工艺的 热情并未消退。 (2)煤基流程日渐发展 从世界能源结构来看,天然气的总储量相当于 1200 亿 t 标煤,而世界煤总储量为 80000~90000 亿 t,为天然气的 70~80 倍,尽管天然气用于直接还原铁能耗最低,但天然气 价格和来源不稳定,即使天然气丰富的国家也严格限制天然气的使用。因此,从能源结构来 看,煤基工艺无疑具有更持久的生命力。近年世界直接还原铁的发展趋势也证明了这一点 [10]。 近年来, 天然其价格上涨导致煤基直接还原得到更多的关注。 印度近几年新增的直接还原生 产能力主要以煤基回转窑工艺为主。20 世纪,直接还原铁快速发展,但煤基工艺占世界直 接还原铁产量的比例长期低于 10%,2003 年达到了 10.2%,2006 年已达到了 19.7%。预计, 随着天然气资源的紧缺,煤基流程比例仍将上升。 Ⅱ中国直接还原工艺发展状况 由于我国天然气资源稀缺, 且大部分天然气资源集中在西部或西南部, 必须优先供城市居民 生活使用。国资委的最新统计资料表明,我国煤炭资源可开采量为天然气的 316 倍,且煤炭 资源分布相对广泛,资源特点决定我国发展直接还原工艺宜以煤基(包括煤制气)为主。我国 煤基工艺发展趋势包括:: (1)强化煤基回转窑工艺研究 煤基工艺中最成熟的工艺为氧化球团煤基回转窑直接还原工艺(俗称“二步法”),即以氧化 球团作为炉料进行直接还原,氧化球团以高品位铁精矿为原料,制备的生球先在高温 (1200 一 1300℃)氧化固结而成。其优点是在工艺上比较稳妥可靠,生产中影响因素较单一, 管理也比较方便。近年来,由中南大学研发的“一步法”直接还原工艺,减短了工艺流程, 省去了高温氧化过程,耐高温设备较少,投资少,工艺流程短,按此工艺设计建厂的北京密 云直接还原铁厂,设备运行稳定、效益较好。 (2)完善转底炉工艺 转底炉工艺采用精矿(或粉尘、杂料)加还原剂造块、干燥后进行还原,具有反应速度快,原 料适应性广的优点,其流程简单、投资低,如能解决产品含硫高和机械设备的稳定性问题, 其推广应用值得重视。 (3)积极开展非焦煤制气研究 以非焦煤为原料,实现低成本、经济制取还原气是我国发展气基流程的基础,国内已开展过 相关研究。如果能在以煤制气方面取得新的突破,将具有巨大的推广应用价值。 煤基直接还原工艺的特点主要有: ①有利于节能和降低对生态环境污染; ②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;其运行成 本也低; ③可以利用种类宽泛的原料与煤炭,选址限制少;

④煤基直接还原的产品具有高炉生铁同等的品质 自上世纪 50 年代开始,中国对直接还原工艺技术进行了大量研究,但主要集中在回转窑煤 基直接还原工艺上。1989 年,原冶金部组织东北工学院、钢铁研究总院、鞍山矿山院等 5 个 单位在福州特殊钢厂 2·9 m×40 m 回转窑上进行了工业试验,连续运行 30 天,取得容积利用 系数 0·413 t/ (m3·d),吨铁煤耗 850 kg, DRI 中 TFe92% ~ 95%,MFe82% ~85%, S<0·03%, 金属化率>91%的良好效果。 20 世纪 70~80 年代,在攀枝花钢铁公司 410 厂? 3· 4×30m 链篦机一回转窑(1 万 t/a)上进 行过多年的钒钛磁铁矿直接还原新流程试验,但最终未能转入工业生产, 1990 年曾采用过普 通铁矿生产 DRI,但也未能继续生产下去。 首钢 1986~1987 年建成? 4· 7×74 m 回转窑,1988 年曾连续生产三个月,容积利用系数达 到 0·30 t/ (m3·d),金属化率>90%。2000 年,这条直接还原铁生产线通过截窑改造,变成国仙 首条年产 120 万 t 氧化球团生产线。 中南工业大学 80 年代末研究开发出复合粘结剂冷固球团“一步法”煤基直接还原工艺。 1991 年 6 月~1993 年 2 月间,中南工业大学、长沙冶金设计研究院、辽宁喀左县三方合作,在 攀钢 410 厂? 3·4×30 m 链篦机一回转窑上进行 900℃预热球团直接入窑的“一步法”煤 基直接还原工业试验,并于 1994 年 11 月在喀左建成投产一座年产能力为 2·5 万 t、采用一 步法链篦机—回转窑的直接还原铁厂,产品 TFe>90%,金属化率 94%, S<0·03%。于 1997 年 在山东鲁中冶金矿山公司建设采用该工艺的年产 5 万 tDRI 的直接还原铁厂,但后来未能正常 生产。 河南登封利用旧耐火窑改造生产 DRI,采用块矿两步法,于 1995 年 12 月投产。 天津无缝钢管厂年产 30 万 t 的 2 条? 5 m×80m 回转窑,关键技术及设备由英国 DAVY 公司提供,引进费用为 1 800 万英镑,总投资约 10 亿人民币,采用进口块矿两步法工艺, 1996 年 10 月投入生产。 吉林桦甸直接还原厂一期工程氧化球团生产能力 15 万 t/a,还原铁生产能力 2· 万 t/a, 1997 0 年投产。二期工程计划再增加 8·0 万 t/a 还原铁生产能力。 1999 年,一座年产 3 万 tDRI、采用一步法的链篦机—回转窑直接还原铁生产线在北京密 云县投产。

总结
1、我国资源特点是多煤、少油、贫气。这也就注定了发展煤基直接还原比气基直接还原 更有现实意义。 2、我国煤炭资源丰富,但炼焦煤资源并不充足,一些低阶煤的利用率很低,褐煤作为一 种典型的低阶煤, 经过提质等处理手段得到的低温半焦可以作为一种生产直接还原铁的理想 还原剂。 3、由于我国铁矿石的品位普遍较低,研究低品位铁矿石的利用有巨大的现实意义。

参考文献
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] 方觉等著 非高炉炼铁工艺与理论 冶金工业出版社 2002 梁中渝主编 炼铁学 冶金工业出版社 2009 朱德庆 .细磨精矿冷固成型机理研究及在直接还原中的应用: 中南工业大学, 1994 全钮嘉. 钢铁冶金百科全书. : 冶金工业出版社, 2001 陶晋 直接还原铁面临的问题及建议 2003 年全国直接还原技术研讨会 李涛 八钢发展直接还原铁的可行性分析 新疆钢铁 朱德庆等 润磨强化磁铁矿球团一步法直接还原工艺及机理研究 钢铁 2007 年 10 期

杨婷 孙继青 世界直接还原铁市场现状及前景 冶金信息导刊 2006 年第 4 期 [9] 李健 铁精矿复合粘结剂球团直接还原法工艺及机理研究 博士学位论文 中南大学 2007 年 [10] 王伟丽 低品位高磷铁矿煤基直接还原基础研究 硕士学位论文 重庆大学 2007 年 [l l] 朱德庆.铁矿石直接还原工艺的新进展.矿冶工程.1996 增刊 [12] 王太炎 直接还原铁生产工艺的选择 鞍钢技术 2002 年 3 期 [8]


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