利用预还原粉矿的高炉炼铁生产

 即使日本钢铁工业已经取得较高的生产效率，但每年仍要消耗大量的能源，排放的CO2量仍占日本全国总排放量的15％。从全球环保的观点看，钢铁工业必须迅速采措施降低能源消耗，而这些措施包括利用替代能源。在日本，高炉每年约生产8000万t铁水，用于还原和加热的能源主要来自于煤和焦炭。在炼铁过程中消耗的能源占钢铁联合企业总能耗的70％。在另一方面，来自炼铁工艺的副产品煤气（高炉煤气和焦炉煤气）可以提供给相关工艺使用和供应给发电站发电。因此，为了改进钢铁工业的能源结构，首先必须对高炉的生产原料和还原剂进行回顾。此外，钢铁工业也应该对目前铁矿石来源的状态———低级块矿和难以烧结的粉矿，做出有效迅速的反应，开发新技术加以利用。

　　制造预还原铁矿石并将其用于高炉生产，被认为是将要开发的、可用以改进现有炼铁工艺的、有发展前途的技术之一。利用预还原铁矿石作为高炉生产的原料，在提高高炉生产率和降低还原剂使用量方面是非常有效的。粉矿是烧结生产的原料，而烧结矿是高炉生产的主要矿物原料。然而，粉矿中含有相当大量的结合水和氧化铝，因此难以烧结，如果对难以烧结的粉矿进行预还原处理，从而取消通过烧结机处理的需求，这些粉矿可以较容易地用于高炉工艺。因此，有必要研究和开发通过高炉风口向高炉中喷吹预还原粉矿的技术。

　　通过在高炉中使用预还原粉矿，可以降低现有高炉生产过程的还原剂比率和由此节约能源。然而，在这种情况下，研究应当从整体上考虑炼铁工艺，包括预还原粉矿生产工艺是否可以大量节能是非常重要的。也就是说，为了确定炼铁综合节能的可能性，不仅必须要探讨高炉工艺中还原剂比率的变化，而且也必须考虑生产预还原粉矿所需的能源、海运铁矿石的运输成本、生产烧结矿和焦炭的成本。可以这样认为，利用天然气生产预还原粉矿将有助于降低来自高炉工艺的CO2排放，因为替代用于工艺中的部分煤的天然气对降低CO2排放有着积极的影响，尽管目前还未对这种积极影响进行定量评估。因此，必须关注预还原粉矿在高炉中的使用，并对下列方面进行充分的研究：生产预还原粉矿的生产率，预还原粉矿的组成，还原剂比率的变化和当预还原粉矿用于高炉时高炉的生产率，由于从高炉风口喷入预还原粉矿对炉膛状态变化的影响，喷吹预还原粉矿所受到的限制，生产铁水所需能源总量以及单位碳消耗量的变化。

　　两阶段预还原系统的构造和目标

　　利用预还原粉矿的高炉炼铁系统是一个两阶段铁矿石还原系统，它包括利用天然气或其它含有相当少量碳的替代能源预还原铁矿石的工艺和进一步还原和冶炼预还原粉矿的高炉工艺。该系统的目标是在铁水生产过程中节约能源和使用替代能源，并改善高炉运转的生产率和灵活性。

　　预还原工艺利用重整天然气还原铁矿粉来生产预还原粉矿。为了达到较高生产率，铁矿粉的还原程度保持在80％以内的水平。当直接还原粉矿时使用流化床，而当还原块矿或球团时使用竖炉。当预还原粉矿用于现有高炉时，可以通过高炉的风口将预还原粉矿喷入高炉中。当预还原矿是以块矿的形式使用时，从高炉炉顶送入高炉中。

　　两阶段还原系统的优点包括：(1)在预还原工艺中，为了有较高的反应速率，在接近反应终点时，铁矿石的还原度降低，这有助于提高工艺的生产率和减少能源损失；(2)由于仅有部分铁矿石被还原，在预还原生产过程中的炉料粘结和偏聚很难出现，这会改进操作性能；(3)现有高炉可以直接用于最终还原和冶炼过程，从而有助于降低设备投资和工艺开发风险；(4)由于铁矿石被预还原，可以降低高炉煤基能源的单位消耗，也可以降低二氧化碳的产生，且由于还原负荷降低，高炉的生产率提高；(5)通过在预还原过程中使用不适于烧结的低品质铁矿石，从而使更多的低品质铁矿石用于高炉生产，这也可以保持用于烧结生产的铁矿石的质量和改进烧结矿的性能。(6)在日本以外的国家，向高炉中直接喷吹天然气是非常普遍的，但日本的天然气相当昂贵，高炉喷吹天然气是非常不经济的，如果在国外可以较低成本获得天然气，从而对铁矿石进行预还原，则作为替代能源来源可能更加经济。

　　此外，如果预还原铁矿石的使用更加广泛，则用新的使用预还原铁矿石作为铁水生产原料的还原和冶炼炉替代传统的高炉就变得可能。因此，今后铁水的生产将很可能由新工艺，即与高炉相比规模较小而灵活性较高的工艺所主导。

　　预还原工艺组成技术的研究

　　高炉使用预还原矿可以节约炼铁过程所需的能源，然而，需要从整体上考虑到底可以节约多少能源。为此，首先必须了解根据预还原程度的不同，预还原铁矿石生产工艺的生产率如何变化，以及当在高炉中使用预还原铁矿石时焦比和生产率等有何改变。

　　1 预还原铁矿石的生产

　　普通直接还原铁的金属化率在90％～95％。当用于电炉的直接还原铁金属化率较低时，需要用大量的热熔化残存的氧化铁，使电炉单位电耗增加。正是因为这一原因，在电炉中使用直接还原铁时要求它有相当高的金属化率。在另一方面，使用可以还原氧化铁的高炉时，不存在残存氧化铁的问题。总体来讲，反应程度越高（金属化率），反应速度下降的越强烈。因此，当需要较高金属化率时，正如直接还原铁用于电炉时，生产速度必须比低金属化率时降得更高。除此之外，对还原率和生产率之间的关系进行了研究。通过循环流化床中试设备，获得了利用流化床进行粉矿还原的工艺特性。内部直径550mm的中试设备反应区有10m高，整个设备高度为25m。

　　当铁矿石喂料速度从0．5提高到1．0t／h时，铁矿石的还原率从90％降至60％。因此，铁矿石的还原率随着铁矿石喂料速度的增加而降低。根据研究结果，在880℃还原，要使还原率达到90％所需的还原时间约为120min，而在相同温度还原，且换还原率为60％时，则还原时间为20min，也就是说还原率为60％的生产率约是还原率达到90％的生产率的6倍。

　　假定相同的还原率，则连续加料还原工艺与批量加料还原工艺相比，前者会导致有较小量的Fe2＋和稍多一些的金属铁(M．Fe)。在竖炉的情况下，生产率也是随着金属化率的改变而有较大变化。

　　基于从商业竖炉生产中所获得的数据，铁矿石的金属化率是由还原温度和生产速度决定的。在给定温度的条件下，当金属化率下降时，生产速度显著增加。例如，还原温度为1040K，当生产速度提高36％，从1400t／d增加到1900t／d，则金属化率仅下降3个百分点，从87％降至84％。因此，降低铁矿石的金属化率有助于大大提高还原铁矿石的生产率。

　　当铁矿石通过流化床或竖炉进行彻底还原时，在反应区可能出现炉料的粘结或偏聚。相比之下，在两阶段的还原系统中，由于铁矿石仅是部分还原，因此很难形成炉料粘结和偏聚，从而便于铁矿石的还原。

　　2 预还原矿石在高炉中的使用

　　研究人员分别研究了以100和200kg／t－p的比率向高炉喂入预还原铁矿石的影响。虽然在里斯特图中W点和炉顶O／Fe比是根据铁矿石中金属铁的量来改变。当预还原铁矿石的还原度高于30％时，此时金属铁开始产生，焦比随着还原度的增加而直线下降。虽然在高炉内焦比和铁矿石还原度存在着线性关系，但在还原铁矿石生产工艺中还原铁矿石的生产速度随着还原度的下降而急剧提高。因此，在预还原铁矿石和高炉运转间一定存在着一个最佳的结合。此外，当使用预还原铁矿石时，可以提高高炉的生产率而无需改变高炉，就像使用直接还原铁一样。

　　研究人员用高炉模拟器研究了通过高炉风口喷入预还原矿时高炉下部状态的变化。当预还原铁矿石喷入高炉时，死料温度几乎仍然相同。然而，当还原率达到91％的粉矿以142g／Nm3速度喷入时，死料温度明显下降。在这种情况下，还原剂比率和其他条件已经被确定以便实现总的热平衡，以及风口前端火焰温度仍然相同。同样地，铁矿石喷吹比率取决于其他一些因素。因此，可以考虑铁矿石的喷吹比率应在140g／Nm3或更低。因而，当通过高炉风口向高炉中喷吹预还原铁矿石时，在热工条件和喷吹率方面一定有限制。然而，据了解，实际上预还原铁矿石的使用和非原还原铁矿石相比，几乎没有限制。

　　能源消耗评估

　　研究人员研究了下列情况的单位能耗和单位碳消耗变化。采用了西澳大利亚的粉矿（可用于烧结生产，含有相当大量结合水和氧化铝），利用重整天然气和循环流化床预还原到60％，然后以130kg／t比率喷入高炉。将用昂贵的能源在海外生产的预还原铁矿石运送到日本，然后将预还原铁矿石用于日本的高炉生产，因而将可以降低高炉生产的焦比和减少焦炉生产所需的能源。此外，烧结生产所需的能源也将由于烧结矿的比例的下降而减少。当铁矿石被预还原时，其含有的部分结合水和氧也会被部分除去，从而也可以节约将预还原铁矿石运送到日本所需的能源。此外，焦比的下降也有助于减少运输焦煤所需的能源。

　　铁矿石预还原工艺采用了预加热流化床和还原流化床的两阶段流化床工艺。还原气体采用的是未完全燃烧的天然气和除去了二氧化碳、水的废气的混合气体。据计算，生产一吨还原率为60％的预还原铁矿石需要7．26GJ能源和118kg碳。

　　        表1  使用预还原铁矿石时炼铁过程消耗的估计值       
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　　                                     未采用预还原矿    采用预还原矿
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　　 高炉    焦比          kg／t-pig            370              352
　　         喷煤比        kg／t-pig            145              145
　　         预还原铁矿石  kg／t-pig              0              130
　　         烧结矿        kg／t-pig           2111             1042
　　         其它矿物      kg／t-pig            404              404
　　         高炉鼓风量    Nm3／t-pig           982              936
　　         氧量          Nm3／t-pig            37               38
　　         电能          kWh／t-pig            32               32
　　 焦炉    煤            kg／t-pig            585              556
　　         燃料          Mcal／t-pig          332              310
　　         电能          kWh／t-pig            20               19
　　         蒸汽          kg／t-pig             20               19
　　 烧结机  铁矿石        kg／t-pig           1258             1082
　　         碎焦          kg／t-pig             39               31
　　         无烟煤        kg／t-pig             21               18
　　         电能          kWh／t-pig            42               36
　　         焦炉煤气      Nm3／t-pig             2                2 
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　　表1所示利用预还原铁矿石时有关炼铁工艺的计算结果。当在高炉生产过程中使用的预还原铁矿石的还原率为60％，并以130kg／t－p的比率喷吹时，焦比从370kg／t－p降至352kg／t－p，单位烧结矿消耗量从1211kg／t－p降至1042kg／t－p，喷煤比保持不变。由于焦比和单位烧结矿消耗下降，使用于焦炭生产的煤和燃料的消耗下降，以及焦炭、无烟煤和烧结机的电耗降低，因此，现有炼铁工艺的单位能耗降低0．97GJ／t－p或降低6％，从17．02GJ／t－p降至16．05GJ／t－p。考虑到预还原铁矿石生产所需的能源和通过海上运输预还原铁矿石所需能耗的下降（0．02GJ／k－p），总单位能耗下降0．05GJ／t－p或降幅为0．3％。同样，在现有炼铁过程中，单位碳消耗降低28kg－C／t－p，或降幅为5％，从604kg－C／t－p降至576kg－C／t－p。考虑到生产预还原铁矿石的碳消耗(15．3kg－C／t－p)和通过海运方式运输铁矿石单位碳消耗量的下降(0．5kg－C／t－p)，总单位碳消耗量达到12．8kg－C／t－p，或降幅为2％。

　　结论

　　采用两阶段铁矿石预还原系统，其目的是用可以替代的能源用于铁水生产，改进高炉的生产率和灵活性，因此，得出下列结论：

　　(1) 通过避免铁矿石还原生产中获得较高的还原率，也就是部分还原铁矿石以确保有较高的预还原铁矿石生产速度，从而提高预还原铁矿石生产率和降低单位金属铁的生产成本，即使是采用单阶段流化床生产工艺。

　　(2) 对于在高炉中使用预还原铁矿石，通过以较高比率向高炉中喷吹预还原铁矿石使死料温度下降。然而，只要喷吹比率保持在一定范围内，则可以降低还原剂比率，提高高炉生产率和改进高炉下部的透气性。

　　(3) 可以认为，两阶段铁矿石预还原系统不仅可以节约传统高炉生产过程的能源，而且可以降低总能耗和降低铁水生产过程，包括预还原铁矿石生产过程的二氧化碳总排放量。

　　为了实现工业化可行的两阶段还原系统，以降低矿石还原对煤基能源的依赖，不仅开发生产和利用预还原铁矿石是非常重要的，而且确信预还原系统允许在商业规模基础上制造和使用相当大量预还原铁矿石也是非常重要的。对于上述目标的实现，未来仍有许多问题有待解决，包括预还原铁矿石的评估、储存和应用技术，对铁水生产所需能源的评定，工艺设计，以及总系统的可行性研究。