宝钢非高炉炼铁交流

H2-C绿色高效铁矿熔态还原技术研究项目建议上海大学钢铁冶金重点实验室2005年10月目前高炉流程存在的问题（１）环境负担重高的废气排放2003年黑色冶金废气排放量达到了32302亿立方米SO2排放量为832359吨CO2占总排放的10%，在有钢铁企业的大城市里占到了35~40%焦化厂的有机废水污染问题烧结厂除了SO2，CO2排放外还有二恶英污染问题B.F.RouteFINEXB.F.RouteFINEXB.F.RouteFINEXSOxNOxDust8%4%21%20406080(%)SinterPlantCokeOvenB.F焦煤资源短缺和焦炉炉役到期目前高炉流程存在的问题（2）目前高炉流程存在的问题（3）5.04.03.02.01.001.51.000.5矿石铁钢BFPTHMBOFLFCCCRFe2O3Fe3O4FeOFe[C][O][C]%[O]mol在高炉中存在大量的焦炭熔融铁液必然为碳所饱和，焦炭和熔剂中的硫、磷、锰、硅等元素等亦部分或全部被还原而进入铁水。炼钢过程必需要用氧化剂来去除过高的碳和其他有害元素硅、磷、硫等。造成铁液还原顺序中的超平衡或称超位能的工艺环节。这就导致生产全过程的物耗和能耗的增减，处理工序增多，与系统外的环境进行无效交换增多。钢铁生产工序的不合理我国炼铁流程发展方向社会对钢铁企业的影响钢铁企业对策清洁冶炼（开征污染税）节能、H2还原投资增加和劳动力成本提高设备大型化和提高生产效率资源问题直接使用粉矿和非焦粉煤冶炼炼铁工艺必须要满足：境友好、省能、高效、低成本新的炼铁工艺是什么？目前直接还原炼铁工艺的评述竖炉工艺、装备、技术成熟还原气体来源使用较高质量的球团或块矿—价格比较高流化床“工业化----高难度”最诱人之处是可以直接使用粉矿。但粉矿还原后表面有高的能态，颗粒之间容易团聚、烧结，从而造成失流。为了防止粘结不得不降低反应温度，降低了生产效率，气体循环量比较大。HYL-I是流化床，HYL-III变成了竖炉值得深思即使开发流化床POSCO起步比我们早，能否获得自有知识产权很难说转低炉传热效率低，能耗高产量低，质量差，适合于钢铁企业固废处理回转窑规模小传热效率低，能耗高使用球团或块矿目前直接还原炼铁工艺，采用固相还原，还原温度低，导致还原速度低，生产效率难以和高炉比拟，不可能替代高炉只能作为电炉生产高等级钢的部分原料对直接还原的总体看法目前熔融还原炼铁工艺的评述（1）熔融还原的两种反应器Eketorp熔融还原的理论碳耗还原：Fe2O3+3C=2Fe+3CO供热：CO+1/2O2=CO2如果在工艺上能够实现的话每吨铁的理论碳耗仅为：320kg/t然而迄今还没有实现该理想的目标传统的高炉工艺煤+焦~500kg/t化学能和物理热利用最好的炼铁工艺（炉顶煤气温度200oC,CO2/CO~1:1）COREX熔融还原工艺煤+焦~1100kg/t原因是目前所有的熔融反应器中不能实现还原和供热同时进行FeO+CO=Fe+CO2(1400oC时CO2/CO15:85)必须对煤气的物理热和化学能进行利用Romeltflowsheet一步法熔融还原存在的问题使用C直接还原需要吸收大量的热量1/2Fe2O3+3/2C=Fe+3/2COH=246.940KJ/molFe虽然可以通过增加二燃率来供给热量，但是传热是一个限制性环节抗FeO侵蚀的耐火材料是一难题一步法至今还没有实现工业化产品是铁水，没有解决工艺过程中的碳位反复的问题COREX工艺流程COREX工艺输出的煤气质量煤气利用成为COREX工艺成败的关键SALDANHASTEELCOREX工艺存在的问题需要块矿和块煤，粉矿利用问题没解决煤气的综合利用问题，大型化受预还原炉的限制，能耗还是比较高，CO2排放量下将有限金属质量逊于高炉铁水LITemperature1500°CCarbon5.1%Si0.5%P0.16%S0.04%不同生产流程生产一吨钢液产生的CO2排放[3]生产流程CO2排放(kg/t)电力(kWh/t)CO2总排放*（kg/t）高炉+转炉（153kgPCI）高炉+转炉（250kgPCI）电炉（160kg铁水）Corex+电炉电炉（100%废钢）21112084396163968187184478632458219821706191934282*电力生产50%依靠化石燃料为能源。HotDRICompactionFluidizedBedOperationFineOreReactorsHCICoalBriquetteFineCoalMelter-GasifierCoalBriquettingProcessOptimization韩国POSCO发展了COREX直接用粉矿和粉煤冶炼的FINEX技术两步法熔融还原存在的问题在终还原中为了使产出的煤气有足够的还原势必须将二燃率控制在较低的水平，势必增加了能原消耗碳燃烧成CO的放热仅为燃烧成CO2的30%如果有填充床对煤的爆裂和热强度有较高的要求为了增加预还原炉中的还原速度，需要使用高挥发份的煤，以增加煤气中的H2含量H2-C熔融还原工艺由来从资源战略的角度来看，贫矿资源的利用技术关系到我国经济运行的安全因此，粉矿熔融还原技术必须开发用H2作为还原剂，降低还原反应所需的热量1/2F2O3+3/2H2=Fe+3/2H2OH=50.013KJ/molFe仅为C还原的五分之一用较高燃烧率的氧-煤燃烧作为热源，大大降低了烟气量。通过烟气中H2O+CO=H2+CO2产生还原用的H2，从而达到工艺中H2的循环平衡采用了部分H2还原，金属不被C饱和，因此，解决了工艺中碳位反复的问题100806040200400600800100012001/4Fe3O4+CO=3/4Fe+CO2ABFeO+H2=Fe+H2O1/4Fe3O4+H2=3/4Fe+H2OFeO+CO=Fe+CO2Fe3O4+CO=3Fe+CO2Fe3O4+H2=3Fe+H2OTemperatureC0COorH2(%)从热力学来讲，高温下H2的能力比CO强理论依据从动力学来看H2的还原速度比CO快2个数量级，比碳快1~2个数量级理论依据工艺依据在现有的熔融还原工艺都使用了高挥发份煤，因此炉气中含有～20%H2在上世纪70年代中科院化研所曾经在电炉上用矿石和纯氢生产工业纯铁，获得成功因此熔融状态下用H2还原铁矿是可行的，安全是有保障的H2-C熔融还原反应器设想反应器必须满足以下的工艺要求：直接使用粉矿不用焦炭，使用低等级煤煤气中的CO转化为H2并循环使用减少排放量熔态下用H2快速还原,通过氧煤燃烧供热（调节CO2/CO比例）减少碳耗产品为低碳（[C]0.5%）低[p]的半钢反应器设计思想反应器整合了Hismelt和Romelt工艺的优点采用间歇出渣出铁铁矿和熔剂从炉顶加入H2从炉底透气砖吹入炉内渣型采用CaO-FeO-SiO2系通过氧煤燃烧获得热量水冷炉壁＋CaO-MgO质耐火材料，通过溅渣护炉技术提高炉衬的寿命煤气处理及氢的来源和循环系统反应器出口锅炉发电机除尘CO+H2O=CO2+H2吸H2装置H2进反应器水蒸汽进反应器燃烧发电化工产品利用CO在低温下能与H2O反应的特点实现工艺中H2的循环供风制氧方案真空解吸变压吸附（VPSA）制氧流程图单列装置产量可达5000Nm3/h，产品氧气纯度可达90~95%。生产每立方氧气的电耗≤0.40kwh。投资省，为深冷法的60%。运行成本低为深冷法的80%，预计制氧成本为0.2~0.3元/Nm3。工艺碳耗初步估算碳熔融还原碳耗估算目前的熔融还原二燃率20~30%取30%以1吨为基准铁水物理热耗碳81kg炉渣(300kg)物理热耗碳31kg还原碳耗321kg还原热碳耗127kg煤气物理热碳耗（1200oC,1400Nm3）191kg合计751kgH2-C熔融还原碳耗估算氢碳还原比例为50%:50%煤气中CO/CO2=1:1以1吨为基准铁水物理热耗碳63kg炉渣(300kg)物理热耗碳25kg还原碳耗161kg还原热碳耗36kg煤气物理热碳耗（1200oC,800Nm3）95kg合计380kg对比两种工艺技术可以发现H2-C熔融还原技术的碳耗明显低于碳熔融还原的碳耗原因是将煤气中的化学能充分利用技术的创新之处基于H2与熔融态的FeOx有非常快的反应速度和较低的热量消耗，并结合C有较强的还原势和较高的燃烧热值提出的H2-C绿色高效铁矿熔态还原技术在以下几个方面有独到之处：为钢铁企业提供纯净的铁源该技术采用了部分H2还原，为非C饱和的产品，因此该产品中C、P、Si、Mn等杂质元素含量远远低于目前任何工艺生产的铁水，解放了后续生产工艺，解决了当前钢铁生产过程中由于碳位反复所造成的资源和能源的浪费。H2循环采用将炉气中的CO与H2O反应转化为H2，通过变压吸附或膜技术从炉气中将大部分H2分离出来，使H2在工艺中循环，实现H2的零消耗。低排放以前的熔融还原技术为了获得较高的还原速度和要求炉气具有较高的还原势就必须采取低的二燃率，增加了碳耗，从而造成排放量增加。该技术采用H2还原，可使碳氧燃烧时增加CO2比例，减少了碳耗，从而减少了排放量长寿命采用CaO-FeOx-SiO2渣系，搭配CaO-MgO耐火材料，并移植转炉溅渣护炉技术，可克服目前熔融还原技术耐火材料寿命低的缺点关键技术问题反应器内化学反应的控制技术反应器内氧煤燃烧控制技术传热与还原反应匹配技术炉气中氢高效分离技术渣型和耐火材料搭配技术煤粉在熔渣中运动控制技术金属液滴在炉渣中运动控制技术氢安全储运技术主要研究内容主要研究内容分两大部分，一是应用基础研究和工业化技术研究应用基础研究冶炼过程物理模拟和数值仿真氢在熔态渣中还原FeOx动力学研究煤粉颗粒在炉渣中的行为研究还原出金属颗粒在炉渣中的运动规律渣型对还原过程的影响研究渣型对耐火材料侵蚀研究技术工业化研究煤气转化制氢技术氢分离技术氧-煤渣层中燃烧技术氢安全储运技术反应器的设计和制造操作控制技术结语可持续发展是我国经济运行必须遵守的原则在21世纪由于钢材的不可替代性，钢铁工业必须彻底改变现有的生产模式，开创环境友好新型生产方式。宝钢作为我国最大的钢铁企业要想成为世界最强的钢铁企业就必须研究和开发成套的、有自主知识产权的钢铁生产新流程。随着浦钢的搬迁，宝钢引进了COREX3000熔融还原技术。为宝钢研究和开发熔融还原新技术提供了契机。从国内外资源来看，粉矿将是未来的主要铁矿资源，利用粉矿势在必行。但COREX工艺没有解决粉矿的利用问题，因此，需要对目前熔融还原技术进行消化和创新。H2-C绿色高效铁矿熔态还原技术研发为宝钢的腾飞和引领世界钢铁业提供了机遇谢谢莅临MIDREX直接还原工艺流程目前炼铁工艺类型和状态南非Saldanha厂印度Jindal