流態(tài)化直接還原煉鐵

氣固流態(tài)化床工作原里是德國溫克勒于20世紀(jì)0年代初發(fā)現(xiàn)的，并在德國褐煤氣化工藝中首先實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用并取得專利。40年代末期流態(tài)化技術(shù)被引人煉鐵工業(yè)，50年代初出現(xiàn)了產(chǎn)海綿鐵的大型試驗(yàn)裝置。較早開發(fā)的流程法和氫-鐵還原以氫為還原劑。1960年一座50t/d級(jí)H-Iron法生產(chǎn)裝置在阿蘭伍德公司投入運(yùn)行，1961年又一座H-Iron法生產(chǎn)裝置在美國加利福尼亞一家鋼鐵公司投產(chǎn)，生產(chǎn)能力為120t/d。與此同時(shí)，一座日產(chǎn)5t海綿鐵的菲奧爾法試驗(yàn)裝置投入運(yùn)行。該裝置是以裂化天然氣作還原氣。

1965年加拿大新斯科舍又投產(chǎn)了一座300t/d的菲奧爾法半工業(yè)示范裝置4年一座日產(chǎn)60t海綿鐵的諾瓦爾發(fā)法生產(chǎn)裝置實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。此后，由于用氫氣作還原氣的各流程因經(jīng)濟(jì)性差而逐步被淘汰，采用裂化天然氣的菲奧爾法和HIB法得到發(fā)展。1978年一座設(shè)計(jì)能力為40萬t/a的菲奧爾法工業(yè)裝置在委內(nèi)瑞拉興建，1979年委內(nèi)瑞拉又投產(chǎn)了年產(chǎn)100萬t海綿鐵的HIB法生產(chǎn)廠 。

可歸納為11項(xiàng)：

(1)可免除造塊工序。使用粉礦及氣體還原劑是流態(tài)化床直接還原的特點(diǎn)之一?？墒∪Y(jié)及燒結(jié)工序，節(jié)省能耗、消除環(huán)境污染，降低生產(chǎn)成本。

(2)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。床內(nèi)顆粒流動(dòng)平穩(wěn)，反應(yīng)器內(nèi)溫度均勻，操作簡(jiǎn)便可靠，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的有利條件。

(3)氣、固相傳輸效率高。顆粒比表面積與粒度倒數(shù)成正比。因此粉礦與氣體的接觸面遠(yuǎn)高于等重的塊礦，從而強(qiáng)化了傳熱、傳質(zhì)及反應(yīng)過程，促進(jìn)生產(chǎn)效率的提高。

(4)不用冶金焦炭。世界范圃煉焦煤資源日益貧乏，冶金焦供求矛盾越來越尖銳。采用氣體還原劑可拓寬煉鐵生產(chǎn)能源結(jié)構(gòu)。

(5)對(duì)天然氣的依賴性強(qiáng)。天然氣資源分布較為集中，世界上多數(shù)地區(qū)沒有廉價(jià)天然氣。因此天然氣價(jià)格在很大程度上決定了海綿鐵成本。這一因素是流態(tài)化直接還原工藝推廣的限制性環(huán)節(jié)。

(6)顆粒料短路間題。爐料在流態(tài)化床內(nèi)近似全混合狀態(tài)。不同顆粒在床內(nèi)停留時(shí)間不均勻，還原程度高低不等，有些顆粒剛?cè)舜布幢慌懦觯纬啥搪番F(xiàn)象，不利于生產(chǎn)高金屬化率的海綿鐵粉。

(7)對(duì)鐵礦要求較高。流化床工藝除對(duì)礦粉粒度均勻性要求較高外，對(duì)礦石成分也有嚴(yán)格要求。原則上，鐵礦石應(yīng)具有高品位，低SiO₂等酸性脈石含量，P、S等有害雜質(zhì)少，鐵料可為天然富粉礦，也可用精礦粉。

(8)夾帶問題。無論整粒工作多嚴(yán)格，總會(huì)有一定比例的過細(xì)粉料進(jìn)入流化床，大顆粒礦石也會(huì)因還原過程中破損，形成過細(xì)粉粒。這部分粉粒會(huì)在氣流的夾裹下帶出爐外，氣流速度越高，夾帶現(xiàn)象越嚴(yán)重。

(9)粘結(jié)失流問題。鐵礦石在流態(tài)化還原過程易于發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象。特別是顆粒與顆粒粘結(jié)成團(tuán)或顆粒粘附在流化床器壁和分布板上，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)導(dǎo)致失流，床內(nèi)礦粉形成固定床(或稱死床)，不再流化，氣流則通過固定床的管道形成短路，正常運(yùn)行的流態(tài)化床受到破壞。

(10)還原速率。礦石的還原速率與粘結(jié)失流問題聯(lián)系在一起。粘結(jié)失流的危險(xiǎn)使得還原必須在較低溫度下進(jìn)行，因此流化床中鐵礦石的還原速率較低。為解決這一問題，低溫流化床采取高壓操作以提高還原速率，但由此也提高了作業(yè)難度和生產(chǎn)成本。

(11)氣體利用率低。為避免粘結(jié)失流必須采取較低還原溫度和較大氣體流速，這都會(huì)使氣體利用率降低。因此還原溫度和氣體流速的選擇應(yīng)考慮失流間題和氣體利用率。為提高氣體利用率通常采取多個(gè)流化床串聯(lián)使用，增加礦石與還原氣的接觸時(shí)間，同時(shí)也使接觸方式趨于合里。低溫流態(tài)化還原工藝還采用還原氣循環(huán)利用方案，但它在提高氣體利用率的同時(shí)也會(huì)增加生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用 。2100433B

流態(tài)化立接還原煉鐵是指應(yīng)用流態(tài)化床進(jìn)行生產(chǎn)的直接還原煉鐵方法口工藝要點(diǎn)是具有一定流速和溫度的還原氣通入粉狀鐵礦石料層，使礦石層形成流化狀態(tài)并得到加熱和還原，產(chǎn)品為直接還原鐵，又稱海綿鐵 。

中國在流態(tài)化直接還原方面進(jìn)行了許多研究工作，曾先后在河北滄州、山東棗莊、廣西滕縣建設(shè)了半工業(yè)性試驗(yàn)裝置。滄州的試驗(yàn)裝置為三段式流態(tài)化床，采用化工廠高氫過程氣作還原氣，日產(chǎn)量5t海綿鐵。1973年投入試生產(chǎn)獲得了金屬化率90%的海綿鐵粉。由于中國缺乏廉價(jià)天然氣能源和合適的鐵礦原料，流態(tài)化直接還原工藝未能工業(yè)化 。

直接還原煉鐵法含鐵原料

品位的高低是最重要的品質(zhì)，這是因?yàn)橹苯舆€原鐵大多用于電爐煉鋼，它的殘留脈石會(huì)使電爐煉鋼電耗升高，生產(chǎn)率降低，爐襯壽命縮短，危害較大。所以直接還原煉鐵法使用的礦石要求

直接還原煉鐵法對(duì)含鐵料的物理性能有著不同的要求。例如豎爐法對(duì)粒度有較嚴(yán)格的要求，因?yàn)樨Q爐生產(chǎn)要求料柱有良好的透氣性，希望粒度適中而且均勻；而回轉(zhuǎn)窯無透氣性問題，對(duì)粒度的均勻性無特殊要求。礦石具有良好強(qiáng)度是豎爐和回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的重要條件。球團(tuán)礦的熱膨脹對(duì)豎爐直接還原煉鐵至關(guān)重要，因?yàn)樗軐?dǎo)致豎爐下料不順而嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

直接還原煉鐵法對(duì)還原性和軟化溫度也有嚴(yán)格要求。因?yàn)檫€原性是影響直接還原煉鐵法生產(chǎn)率的最重要因素，因此這種方法只使用還原性好的球團(tuán)礦或塊礦。軟化溫度決定著直接還原煉鐵法的操作溫度，因?yàn)槿魏沃苯舆€原法都不允許發(fā)生爐料之間和爐料與爐墻之間的粘連，生產(chǎn)中一般把操作溫度控制在低于礦石熔化溫度100℃的水平。

直接還原煉鐵法燃料

如同高爐煉鐵法那樣，直接還原煉鐵法的燃料也起著還原劑和熱源兩個(gè)作用。根據(jù)使用的燃料不同，直接還原煉鐵法分為兩大類：用煤氣作氣體還原劑和載熱體的氣基法；以固體煤作為還原劑和熱源的煤基法。

氣基法中的煤氣常用天然氣、焦?fàn)t煤氣、液化石油氣、重油等轉(zhuǎn)化制造。天然氣和液化石油氣主要使用蒸汽轉(zhuǎn)化，將天然氣中的CHh和液化石油氣中的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為CO和H2；重油使用氧氣部分氧化法將碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為CO和H2。固體燃料煤在理論上也可以用高壓蒸汽或氧轉(zhuǎn)化成煤氣，但由于一些技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題還沒有得到很好解決，目前還沒有在生產(chǎn)中應(yīng)用。

煤基法應(yīng)用的煤以煙煤為宜，這種煤應(yīng)能夠與

這種鐵保留了失氧時(shí)形成的大量微氣孔，在顯微鏡下觀察形似海綿，所以也稱為海綿鐵；用球團(tuán)礦制成的海綿鐵也稱為金屬化球團(tuán)。直接還原鐵的特點(diǎn)是碳、硅含量低，成分類似鋼，實(shí)際上也代替廢鋼使用于煉鋼。習(xí)慣上把鐵礦石在高爐中先還原冶煉成含碳高的生鐵。而后在煉鋼爐內(nèi)氧化，降低含碳量并精煉成鋼，這項(xiàng)傳統(tǒng)工藝，稱作間接煉鋼方法；而把煉制海綿鐵的工藝稱作直接還原法，或稱直接煉鐵（鋼）法。

直接還原原理與早期的煉鐵法（見塊煉鐵）基本相同。高爐法取代原始煉鐵法后,生產(chǎn)效率大幅度提高,是鋼鐵冶金技術(shù)的重大進(jìn)步。但隨著鋼鐵工業(yè)大規(guī)模發(fā)展，適合高爐使用的冶金焦的供應(yīng)日趨緊張。為了擺脫冶金焦的羈絆，18世紀(jì)末提出了直接還原法的設(shè)想。20世紀(jì)60年代，直接還原法得到發(fā)展，其原因是：①50～70年代，石油及天然氣大量開發(fā)，為發(fā)展直接還原法提供了方便的能源。②電爐煉鋼迅速發(fā)展，海綿鐵能代替供應(yīng)緊缺的優(yōu)質(zhì)廢鋼,用作電爐原料,開辟了海綿鐵的廣闊市場(chǎng)。③選礦技術(shù)提高,能提供高品位精礦,使脈石含量可以降得很低，簡(jiǎn)化了直接還原工藝。1980年全世界直接還原煉鐵生產(chǎn)量為713萬噸，占全世界生鐵產(chǎn)量的1.4%。最大的直接還原工廠規(guī)模達(dá)到年產(chǎn)百萬噸，在鋼鐵工業(yè)中已占有一定的位置。

海綿鐵中能氧化發(fā)熱的元素如硅、碳、錳的含量很少，不能用于轉(zhuǎn)爐煉鋼，但適用于電弧爐煉鋼。這樣就形成一個(gè)直接還原爐－電爐的鋼鐵生產(chǎn)新流程。經(jīng)過電爐內(nèi)的簡(jiǎn)單熔化過程，從海綿鐵中分離出少量脈石，就煉成了鋼，免除了氧化、精煉及脫氧操作，使新流程具有作業(yè)程序少和能耗低的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：①成熟的直接還原法需用天然氣作能源，而用煤炭作能源的直接還原法尚不完善，70年代后期，石油供應(yīng)不足，天然氣短缺，都限制了直接還原法的發(fā)展。②直接還原爐－電爐煉鋼流程，生產(chǎn)一噸鋼的電耗不少于600千瓦·時(shí),不適于電力短缺地區(qū)使用。③海綿鐵的活性大、易氧化，長(zhǎng)途運(yùn)輸和長(zhǎng)期保存困難。目前，只有一些中小型鋼鐵廠采用此法。

現(xiàn)在達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)水平或仍在繼續(xù)試驗(yàn)的直接還原方法約有二十余種，主要分為兩類：

直接還原煉鐵法使用氣體還原劑的直接還原法

按工藝設(shè)備來分，有三種類型，包括豎爐法、反應(yīng)罐法和流態(tài)化法。作為還原劑的煤氣先加熱到一定溫度（約900℃）,并同時(shí)作為熱載體，供還原反應(yīng)所需的熱量。要求煤氣中H2、CO含量高,CO2、H2O含量低；CH4在還原過程中分解離析的碳要影響操作,含量不得超過3%。用天然氣轉(zhuǎn)化制造這樣的煤氣最方便；也可用石油（原油或重油）制造，但價(jià)格較高。用煤炭氣化制造還原氣，是正在研究的課題。

直接還原煉鐵法豎爐法

在豎爐中爐料與煤氣逆向運(yùn)動(dòng)，下降的爐料逐步被煤氣加熱和還原，傳熱、傳質(zhì)效率較高。豎爐法以Midrex法為代表，是當(dāng)前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的直接還原煉鐵法，其改進(jìn)的生產(chǎn)流程示意見圖1。作為原料的氧化球團(tuán)礦自爐頂加入豎爐后，依次經(jīng)過預(yù)熱、還原及冷卻三個(gè)階段。還原所得的海綿鐵，冷卻到50℃后排出爐外，以防再氧化。還原煤氣用天然氣及豎爐本身的一部分煤氣制造，先加熱到760～900℃，在豎爐還原段下部通入。爐頂煤氣回收后分別用于煤氣再生、轉(zhuǎn)化爐加熱和豎爐冷卻。此法的生產(chǎn)率很高，每噸產(chǎn)品能耗可低達(dá)2.56×106千卡,產(chǎn)品質(zhì)量好，金屬化率達(dá)92%。1980年全世界建有800萬噸/年設(shè)備能力，總年產(chǎn)量約396萬噸 (占直接還原鐵的50%)。

其他豎爐法有 Purofer法，為聯(lián)邦德國提出。特點(diǎn)是用蓄熱式天然氣轉(zhuǎn)化爐制造還原氣，可以獲得較高的煤氣溫度。另外，豎爐不設(shè)冷卻段，海綿鐵在隔絕空氣條件下熱排料，然后進(jìn)行鈍化處理或送電爐熱裝。此法缺點(diǎn)是設(shè)備及操作較復(fù)雜?，F(xiàn)在只在伊朗建有一個(gè)生產(chǎn)工廠。Wiberg法是30年代瑞典開創(chuàng)的一種豎爐法，使用電弧供熱的煤炭氣化爐制造還原煤氣。世界各地曾建立若干小型工廠，目前都已停產(chǎn)。但瑞典又在研究用等離子體加熱的煤粉氣化爐代替電弧供熱的煤炭氣化爐，對(duì)Wiberg法進(jìn)行改造，1981年已投產(chǎn)。

中國廣東省曾進(jìn)行水煤氣豎爐的試驗(yàn)，并取得了成功，但未投入生產(chǎn)。

直接還原煉鐵法反應(yīng)罐法

墨西哥的HyL法 (指其第一代和第二代)是唯一的工業(yè)化反應(yīng)罐法,在反應(yīng)罐中爐料固定不動(dòng),通入熱還原煤氣依次進(jìn)行預(yù)熱、還原和冷卻，最后定期停氣，把爐料排出罐外。工藝流程見圖2。為了克服固定床還原煤氣利用不良的缺點(diǎn),HyL法采用了4個(gè)反應(yīng)罐串聯(lián)操作，還原煤氣用天然氣制造,先在換熱式轉(zhuǎn)化爐中不充分轉(zhuǎn)化。經(jīng)過每一個(gè)罐反應(yīng)后都進(jìn)行脫水、二次轉(zhuǎn)化和提溫，煤氣在1100℃的高溫下進(jìn)行還原。 　HyL法使用排料桿,在停止通氣下,強(qiáng)迫排料,因此不怕爐料粘結(jié)，操作溫度較高，雖系間斷作業(yè)，生產(chǎn)率并不低。缺點(diǎn)是煤氣利用差,熱耗大(達(dá)3.4×106千卡/噸)，產(chǎn)品質(zhì)量不均。HyL海綿鐵含碳高 (1.2～2.0%)，不易再氧化。墨西哥建有用此法正式生產(chǎn)的工廠。其產(chǎn)量?jī)H次于Midrex法，1980年產(chǎn)量為236萬噸。第三代的HyL法已放棄四個(gè)反應(yīng)罐，改用一個(gè)，接近Midrex法，于1980年投產(chǎn)。 　流態(tài)化法 在流化床中用煤氣還原鐵礦粉的方法。在流態(tài)化法還原中，煤氣除用作還原劑及熱載體外，還用作散料層的流化介質(zhì)。圖3示出流態(tài)化還原的一般原理。細(xì)粒礦石料層被穿過的氣流流態(tài)化并依次被加熱、還原和冷卻。還原產(chǎn)品冷卻后壓塊保存。

直接還原煉鐵法流態(tài)化

流態(tài)化還原有直接使用礦粉省去造塊的優(yōu)點(diǎn)，并且由于礦石粒度小而能加速還原。缺點(diǎn)是：因細(xì)粒礦粉甚易粘結(jié)，一般在600～700℃不高的溫度下操作，不僅還原速度不大，而且極易促成CO的析碳反應(yīng)。碳素沉析過多，則妨礙正常操作。為了克服這一困難，流態(tài)化還原多采用價(jià)格高的高氫煤氣。此外，流態(tài)化海綿鐵活性很大,極易氧化自燃,需加處理，才便于保存和運(yùn)輸。1981年中國在山東棗莊進(jìn)行半工業(yè)試驗(yàn)，后投產(chǎn)。

直接還原煉鐵法使用固體還原劑的直接還原法

回轉(zhuǎn)窯是最重要的使用固體還原劑（煤炭）進(jìn)行直接還原的設(shè)備。

由還原劑（0～3毫米粒度的煤炭）、小塊礦石和細(xì)粒石灰石（白云石）等組成的爐料由窯尾投入，窯體稍有傾斜，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)爐料逐漸向窯頭運(yùn)動(dòng)。窯頭設(shè)有燒嘴，使用能產(chǎn)生火焰的燃料（煤氣、燃油或煙煤粉）。產(chǎn)生的高溫窯氣抽向窯尾，氣流與固體爐料逆向運(yùn)動(dòng)，逐步把固體料加熱，料溫達(dá)到 800℃左右，開始固體碳還原 析出的CO在料層上部空間燃燒；放出熱量補(bǔ)充加熱。為了保持料層中還原氣氛，爐料配加的煤炭量必須超過還原反應(yīng)的需要量。

按照出料溫度，回轉(zhuǎn)窯可以生產(chǎn)海綿鐵、粒鐵或液鐵。但以回轉(zhuǎn)窯海綿鐵法最重要?；剞D(zhuǎn)窯煉鐵的主要優(yōu)點(diǎn)是可以直接使用資源豐富的煤炭。其缺點(diǎn)是生產(chǎn)率低。最有代表性的回轉(zhuǎn)窯海綿鐵法是SL/RN和Krupp法，二者工藝流程基本相同。為了提高產(chǎn)量，減輕窯內(nèi)預(yù)熱段工作負(fù)擔(dān)，在窯前配置鏈篦機(jī)，能把入窯料加熱到 800℃。在窯內(nèi)配置隨窯體轉(zhuǎn)動(dòng)的二次風(fēng)機(jī)，以強(qiáng)化還原析出CO供燃燒(70年代以來改用氧化球團(tuán)或塊礦入爐,取消了鏈篦機(jī))。還原出的海綿鐵經(jīng)過回轉(zhuǎn)冷卻筒冷卻到150℃排料。把混合的剩余碳和吸硫的石灰清除后,得到產(chǎn)品(圖5）?；剞D(zhuǎn)窯海綿鐵產(chǎn)量在1980年占直接還原鐵的15%。中國曾于40年代初在四川綦江進(jìn)行了日產(chǎn)10噸規(guī)模的海綿鐵生產(chǎn)試驗(yàn)，金屬化率可達(dá)90%以上，但因鐵礦脈石無法分離，未能正常生產(chǎn)。

把回轉(zhuǎn)窯的出料溫度提高到1250℃左右，固體料呈半熔化狀態(tài),已還原的鐵滴在滾動(dòng)中聚合成小的鐵粒,出窯后水淬冷卻可與脈石雜質(zhì)磁選分離，得到粒鐵。此法稱為回轉(zhuǎn)窯粒鐵法(Krupp-Renn法)，它能處理選礦困難的貧鐵礦，20世紀(jì)30年代曾在一些地區(qū)廣泛發(fā)展，但該法生產(chǎn)率很低，事故頻繁，60年代后已全部停產(chǎn)。