張奔，趙志龍，郭豪，全強，薛慶斌

( 中冶京誠工程技術有限公司，北京100176)

摘 要: 在分析國內外直接還原鐵市場的基礎上，探討了氣基豎爐直接還原煉鐵技術發展的市場空間。在中國鋼鐵行業結構調整過程中，氣基豎爐技術由于具有節能環保和產品優質的優勢，將會成為我國非高爐煉鐵發展最重要的方向。從原料、產品、工藝特性、機械設備等方面對MIDＲEX和Energiron 2種氣基豎爐工藝進行了綜合比較，探討了其各自的優缺點。隨著技術進步以及全球經濟、資源、能源條件的變化，氣基豎爐技術正朝著設備大型化、氣源多樣化、礦源擴大化的方向發展。

關 鍵 詞: 直接還原鐵；氣基豎爐；煤制氣； 釩鈦磁鐵礦

目前，全球煉鐵工藝的主體流程是高爐煉鐵工藝。雖然高爐煉鐵技術成熟、生產能力大、生產效率高，但在粗鋼產能嚴重過剩以及鋼鐵企業節能環保的壓力下，傳統長流程工藝面臨空前的壓力。

氣基豎爐直接還原煉鐵是非高爐煉鐵領域技術相對成熟、環境友好的生產工藝，其產品是廢鋼的替代物，是廢鋼殘留元素的稀釋劑。生產直接還原鐵不需要焦炭，省去了煤焦轉化環節的能源消耗及廢氣排放，節能環保，能滿足現代化鋼鐵生產企業日益增長的環境保護需要^［1-3］。

典型的氣基豎爐直接還原煉鐵技術依賴于高品位鐵精礦和豐富廉價的天然氣資源。對于中國來說，“貧礦多、組分雜”的鐵礦資源特點和“多煤少氣”的能源結構，并不適合發展該技術。但是，煤制氣直接還原技術的發展，為氣基豎爐技術在中國的推廣應用提供了成熟條件，并且對目前中國鋼鐵行業的產品結構升級和節能減排具有重要的戰略意義。

1  直接還原鐵市場分析

根據MIDＲEX直接還原鐵全球產量統計，如圖1所示，直接還原鐵產量在近十幾年內快速增長，由4000萬t增加到了7500萬t。國際鐵金屬協會(IIMA)日前稱，隨著未來采用電爐煉鋼工藝的持續增加，到2025年全球直接還原鐵產量預計將接近實現翻番，預計將會達到1． 4 億t。

2014 年全球直接還原鐵的產量為7445萬t，比2013年減產297．7萬t。由于受到全球經濟的影響，以及天然氣資源的限制，全球產量有所下降，但部分國家的產量仍然持續增長，例如印度增產117．4萬t、加拿大增產30萬t、阿根廷增產19．9萬t、卡塔爾增產12．9萬t、伊朗增產9．4萬t^［4］。

表1為全球直接還原鐵產量按區域統計結果。其主要產區在中東、北非和拉丁美洲，而亞洲主要是印度( 1806萬t) ，可見直接還原鐵依然產自天然氣豐富的區域。直接還原鐵產量近3年一直增加的區域為中東、北非和北美，而拉丁美洲的產量一直在減少，主要是受該區域經濟下滑及天然氣資源供應的影響。在亞洲和大洋洲區域，印度以外國家的直接還原鐵產量僅為70萬t，因為該區域大部分國家的鋼鐵企業采用長流程工藝。

中國的粗鋼產量全球第一，2014年為8．23億t，占世界產量的49．5 %，但其中電爐鋼產量僅有10 %，而發達國家的電爐鋼達50 %以上^［5］，可見電爐鋼發展空間巨大。中國電弧爐煉鋼的主要原料為生鐵塊和熱鐵水，而隨著鋼鐵行業“去產能”的結構調整，小高爐的產能會大幅下降，生鐵塊的供給會嚴重緊縮; 并且電爐兌熱鐵水只是應對廢鋼不足的臨時措施，其在能耗、排放和氧氣消耗方面均有弊端。相對于生鐵塊和熱鐵水，以廢鋼和直接還原鐵為原料，才應是電爐煉鋼的主要發展模式^［6］，并且國際電爐煉鋼的爐料要求配加20%～30%的直接還原鐵，用以稀釋廢鋼中的殘留元素。但目前我國直接還原鐵產量幾乎為空白，隨著電爐煉鋼的發展，未來中國將會產生約2000萬t的直接還原鐵產能缺口。由于氣基豎爐單臺設備產能大，自動化程度高，是彌補直接還原鐵巨大產能缺口最合適的工藝技術，因此氣基豎爐直接還原工藝將會成為我國非高爐煉鐵發展的最重要的方向。

2  種氣基豎爐直接還原工藝的比較

MIDＲEX氣基豎爐的產量占63．2 %，HYL /Energiron氣基豎爐產量占15．4 %。此2種工藝不僅是氣基豎爐直接還原技術的主體流程，而且是直接還原鐵領域的重要流程。

2． 1  原料和產品

表2為2種工藝對球團礦和天然氣的要求，以及其產品HBI的特性。由表2可知，2種工藝對原料的要求相差無幾，均需要高品位的球團礦和低硫的天然氣。而產品性能只是在碳含量方面有所差別，Energiron工藝產品的碳含量范圍相對更大一些。

2． 2  工藝特性

在工藝特性方面，2種工藝的差別比較大。其中MIDＲEX工藝的天然氣重整采用干重整的方式，氧化劑使用爐頂氣中的CO₂，因此爐頂氣處理流程中沒有脫碳裝置。重整爐產生的還原氣體中φ( H₂) /φ( CO) 為1．6左右。而Energiron工藝的天然氣重整采用濕重整的方式，氧化劑為水蒸氣，因此爐頂氣處理流程中有脫碳裝置，并且在氣體進入加熱爐前有氣體加濕器。該工藝產生的還原氣體中φ( H₂) /φ( CO) 為3．5左右。

MIDＲEX工藝中有1 座天然氣重整爐，而采用自重整方式的Energiron工藝只有1座氣體加熱爐，天然氣重整在豎爐內進行。由于重整裝置獨立，還原氣體質量的控制相對簡單些，但采用非天然氣時，需要重新設計建造重整裝置；而Energiron工藝采用自重整，還原氣體的質量控制相對困難點，但采用非天然氣時，不需要重新設計建造重整裝置，只要調整操作參數即可。

在豎爐操作方面，MIDＲEX工藝爐內壓力為0．1 ～ 0．2MPa，而Energiron工藝豎爐內壓力為0．5～0．55MPa。由于MIDＲEX工藝的還原氣體中CO含量較高，而CO的還原反應為放熱反應，為防止球團的粘結，豎爐內溫度為850～900℃；而Energiron工藝的還原氣體中CO含量較低，主要還原性氣體為H₂，H₂的還原反應為吸熱反應，因此豎爐內溫度為900～950℃。

2． 3  機械設備

表3為MIDＲEX和EnergironⅢ工藝主要設備的數量。由于EnergironⅢ工藝豎爐內高壓操作，其機械設備數量較多。其中用于加熱和熱交換的裝置就有天然氣重整爐、還原氣加熱爐、爐頂氣余熱鍋爐、鍋爐水加熱器和氣體加濕器。而MIDＲEX工藝的加熱和換熱設備相對就少了些，只有天然氣重整爐和煙氣換熱器。Energiron工藝大量的熱量利用裝置導致其工藝操作復雜、維護成本較高，但該工藝對整個系統的能量利用更加充分。

由于豎爐內是高濃度的還原性氣體，不可泄露出爐外，以免發生危險，因此爐內本體進出料均有密封裝置。MIDＲEX工藝采用氣體密封，可以實現連續進出料，操作方便，但密封氣會進入工藝氣中，導致工藝氣其中惰性成分增加； 而Energiron工藝采用機械密封，利用均壓罐進出料，操作復雜，但保證了工藝氣成分穩定。

通過2種工藝的原料、產品、工藝和設備比較，可見各有其優勢和不足，在確定工藝路線時，應根據自己的資源和能源條件、當地水電價格以及后續工藝生產要求等作出最合適的選擇。

3  氣基豎爐工藝的發展方向

3． 1  設備大型化

表4為2011年以來建成的產能大于100萬t/a氣基豎爐直接還原煉鐵裝置^［7］。可見，無論是MIDＲEX工藝還是Energiron工藝，目前主要致力于建設大型豎爐裝置，尤其是美國紐柯鋼鐵公司于2013年投產的250萬t/a的大型裝置，其產能相當于3200m³高爐。據報道，MIDＲEX公司也籌劃在阿爾及利亞建設250萬t/a的大型氣基豎爐裝置。如此規模的大型裝置不僅可彌補大型鋼鐵企業的生鐵產能缺口，且生產效率提高，單位投資成本降低，再加上低排放、清潔生產的優勢，具備了與傳統高爐煉鐵流程競爭的能力。

3． 2  氣源多樣化

氣基豎爐直接還原技術依賴天然氣重整制備還原氣體，成為多年來限制該技術全球推廣的主要瓶頸。而近幾年隨著煤制氣或焦爐煤氣制備氣基豎爐還原氣體技術的實現，使氣基豎爐的氣源有了多樣性的選擇，其適應性更加廣泛^［8-10］。

1999年，MIDＲEX公司在南非撒旦那基于COＲEX工藝產生的煤氣建設了1座氣基豎爐直接還原裝置。該工廠采用了年產80萬t的氣基豎爐直接還原工藝和年產65萬t的COＲEX熔融還原工藝，其中COＲEX工藝產生的煤氣94%作為氣基豎爐的還原氣^［11］。通過該項目驗證了氣基豎爐可以擺脫對天然氣的依賴，使用φ( CO)高于70%的煤制氣進行生產。此外，印度ESSAＲ的5號、6號氣基豎爐也使用35%～50% 的COＲEX煤氣混合天然氣進行氣體重整。

MIDＲEX公司采用天沃綜能的流化床煤制氣技術，開發了煤制氣直接還原技術MXCOL工藝。此外，MIDＲEX公司還采用魯奇煤氣化技術，于2014年在印度JSPL建立了年產200萬t的示范工廠^［12］。目前中國山西也正在建造1套年產30萬t的氣基豎爐直接還原裝置，該裝置使用焦爐煤氣通過重整制取還原氣體。

3． 3  礦源擴大化

氣基豎爐直接還原技術對鐵礦石要求較高，如表2所示，球團的全鐵質量分數大于65%，并且對球團的粒徑、抗壓能力、耐磨性以及冶金性能都有具體規定。但是隨著高質量鐵礦資源的短缺以及豎爐技術的發展，一些低品位復雜伴生鐵礦也逐漸成為其原料。

圖2為利用氣基豎爐技術的釩鈦磁鐵礦綜合利用工藝路線。釩鈦磁鐵礦球團在豎爐內進行鐵氧化物的還原反應，制得的DＲI在電爐內進行熔分深還原，對釩氧化物進行還原，并且實現渣鐵分離。釩基本全部進入鐵水，得到含釩鐵水； 鈦全部富集于渣中，得到高品位的鈦渣。含釩鐵水經轉爐吹煉，得到釩渣和半鋼。該工藝可達到鈦回收率95%以上，鐵回收率90%以上，釩回收率75%以上，并且以潔凈的還原氣進行還原，形成的鈦渣中添加的雜質成分少，可制得具有經濟效益的高品位鈦渣。

由于氣基豎爐內還原溫度和還原氣氛的可控性，除了利用釩鈦磁鐵礦，還可以實現高磷礦或其他復雜伴生礦的高效利用^［13-15］。

4  結語

1)在全球鋼鐵“寒冬”的背景下，尤其是中國鋼鐵企業面臨產品轉型升級時，氣基豎爐由于其節能環保和產品優質的優勢，未來將有廣闊的市場發展空間。

2)兩大氣基豎爐工藝MIDＲEX和Energiron各有其優勢和不足，應該根據資源和能源條件、當地水電價格、以及后續工藝生產要求等，因地制宜地選擇最具有經濟效益的技術方案。

3)隨著技術進步，以及全球經濟、資源和能源條件的變化，氣基豎爐技術正向著設備大型化、氣源多樣化、礦源擴大化的方向發展。

參 考 文 獻

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