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煤基直接还原炼铁展望来源：廖建国1 前言使用天然气的直接还原炼铁法（Midrex法和HYL法等）的设备投资规模比高炉炼铁法小，且无需焦炭，因此，以盛产天然气的发展中国家为主，把使用天然气的直接还原炼铁法作为生产铁水的设备进行了建设。
最近，在发达国家出现了电炉短流程钢厂使用直接还原铁作为替代废钢的清洁铁源，因此对直接还原铁（以下简称DRI）的需求越来越高。
以天然气为基础的DRI生产厂一般建在盛产天然气的地区，但是最近利用分布范围广、储量大、且输送方便的煤生产DRI的量不断增加。
煤基直接还原炼铁法大部分使用以SL/RN 为主的回转窑进行生产。
使用回转窑生产DRI时，必须将窑温抑制在不会发生明显的回转窑结圈的温度（1000℃～1100℃）内，因此还原需要12h，每座回转窑的年产量仅为15万t～25万t，作为钢铁生产设备来说产量低，人们希望有一种替代的生产方法。
在这种情况下，神户制钢公司与Midrex在美国的子公司共同开发了使用转底炉（Rotary Hearth Furnace，以下简称RHF）的煤基炼铁法。
其工艺是在RHF炉底上全部铺上碳复合球团矿（球团矿或块矿），在静态下进行加热和还原处理，因此炉温（1300℃～1400℃）可以比回转窑的高，还原速度快、生产率高。
尤其是原料的适应性高，可以使用粉矿、粉尘和一般用烟煤等。
本文就神户制钢公司使用RHF对碳复合球团矿进行还原的煤基直接还原法的特征和开发情况进行介绍，同时根据钢铁行业面临的确保原料供应和环保的问题，对煤基直接还原法所能发挥的作用进行了展望。
2 碳复合球团矿还原法特征与受外部还原气体控制的普通球团矿和烧结矿的还原不同，碳复合球团矿的还原法是将粉矿和磨细的煤混合制成球团矿或块矿，利用高温加热后球团矿或块矿中生成的CO气体，从内部对氧化铁进行还原。
因此，还原速度比从外部进行还原的方法快。
此时发生了如下的反应。
FexOy＋yC→xFe＋yCO（吸热反应）（1）CO2＋C→2CO（吸热反应）（2）FexOy＋yCO→xFe＋yCO2（放热反应）（3）即在铁矿石没有发生熔融的温度范围内，煤和焦粉等固体碳与铁矿石的直接还原反应少（反应式1），但在1000℃以上的高温下，碳复合球团矿内部会因碳素溶解损失反应而生成CO气体（反应式2）和生成的CO气体使氧化铁发生间接还原反应（反应式3）的连锁反应。
煤基直接还原铁工艺在中国的市场前景摘要：当前世界范围内直接还原铁技术得到蓬勃发展，我国目前在直接还原铁技术的研究、成套技术、商业化生产等方面大大落后于世界水平，煤基直接还原铁技术是我国发展直接还原铁的首选工艺，所以本文就此展开探讨。
关键词：第三代煤基直接还原铁；转底炉技术；含碳球团还原熔分；1．我国直接还原铁发展趋势直接还原铁（Direct Reduced Iron）是铁矿在固态条件下直接还原为铁，可以用来作为冶炼优质钢、特殊钢的纯净原料，也可作为铸造、铁合金、粉末冶金等工艺的含铁原料。
这种工艺是不用焦碳炼铁，原料也是使用冷压球团不用烧结矿，所以是一种优质、低耗、低污染的炼铁新工艺，也是全世界钢铁冶金的前沿技术之一。
直接还原法的主要优点有：（1）流程短，直接还原铁加电炉炼钢；（2）不用焦炭，不受炼焦煤短缺的影响；（3）污染少，取消了焦炉、烧结等工序；（4）海绵铁中硫、磷等有害杂质与有色金属含量低，有利于电炉冶炼优质钢种。
直接还原炼铁工艺有气基法和煤基法两种，按主体设备可分为竖炉法、回转窑法、转底炉法、反应罐法、罐式炉法和流化床法等。
2009年，世界上70%以上的直接还原铁产量是用气基法生产出来的。
但是天然气资源有限、价高，使生产量增长不快。
而用煤作还原剂在技术上也已过关，可以用块矿，球团矿或粉矿作铁原料（如竖炉、流化床、转底炉和回转窑等）。
我国是个天然气匮乏，但煤炭储量丰富的国家，因此煤基直接还原铁技术是我国发展直接还原铁的首选工艺。
我国钢铁工业为了摆脱焦煤资源短缺对发展的羁绊，适应日益提高的环境保护要求，降低钢铁生产能耗，改善钢铁产品结构，提高质量和品质，寻求解决废钢短缺的途径，实现资源的综合利用，使得非高炉炼铁工艺越来越得到重视。
尽管迄今为止还没有任何一种非高炉炼铁工艺能够超越高炉的高功率、大容量的绝对优势，但作为传统工艺的有益补充，非传统工艺仍然占据了一席之地。
我国DRI的生产还处于起步阶段，产量依旧很低，一直不足百万吨，只占我国铁产量的约0.15%，而且主要是用非主流的回转窑法生产的，在直接还原炼铁领域里与世界的差距特别大。
目录1.概述 (1)2.国际熔融还原技术发展 (3)2.1.工业化的COREX工艺 (5)2.2.进入示范性工厂试验的Hismelt技术 (7)2.3.FINEX技术 (8)2.4.第三代炼铁法--ITmk3 (9)3.国内熔融还原（非高炉炼铁）技术发展现状 (11)3.1.概述 (11)3.2.2T/h的半工业联动热态试验装置-COSRI (11)3.3.宝钢Corex 3000 (14)3.4.20万吨纯氧非高炉炼铁工业试验装置 (14)3.5.8m3一步法熔融还原试验装置 (18)3.6.基于氢冶金的熔融还原炼铁新工艺 (20)3.6.1.万吨级两级循环流化床示范装置-营口中板厂 (21)3.6.2.宝钢万吨级两级冷态循环流化床装置建设 (24)3.7.直接还原在国内的发展 (24)3.8.几种非高炉炼铁的综合分析 (26)4.炼铁技术的发展方向 (28)4.1.欧盟——ULCOS超低CO2排放钢铁技术研究 (28)4.2.日本——COURSE50技术研究 (30)4.3.中国——新一代可循环钢铁流程工艺技术技 (30)5.具有自主知识产权的熔融还原炼铁技术发展建议 (31)5.1.建立长期开发组织机构与募集资金 (31)5.2.加强合作、充分利用现有成果深入研究 (31)5.3.新一代具有自主知识产权的熔融还原流程建议 (32)熔融还原炼铁技术综述全强1.概述改革开放30年来，中国钢铁冶炼技术取得了巨大的进步。
在炼铁领域，技术进步的主要表现是装备的大型化、操作的自动化信息化、生产的高效与清洁化，高风温技术、富氧技术、喷煤技术、煤气干式除尘技术、煤气余压发电、煤气燃气技术、高炉长寿技术、与高炉废弃物的综合利用等方面的应用取得明显的进步。
据2010年的统计，国内炼铁产量已超过5.9亿吨，约占世界产量的40%。
其中大于1000m3以上高炉的产量约为60%，也就是说，按照国家产业政策的要求，有40%的产能需要进行技术改造。
煤基直接还原炼铁技术及非高炉炼铁能耗分析摘要：非高炉炼铁技术或称非焦炼铁技术是当今钢铁生产工艺中最受关注的技术之一。
依产品的形态不同,非高炉炼铁技术可分为熔融还原与直接还原两种工艺方法。
直接还原是以非焦煤为能源,在不熔化不造渣的条件下,原料保持原有物理形态,铁的氧化物经还原获得以金属铁为主要成分的固态产品的技术方法。
直接还原炼铁工艺分为气基直接还原和煤基直接还原,气基直接还原炼铁工艺是最主要的直接还原炼铁技术，其产量占到直接还原炼铁的90％左右，煤基直接还原炼铁，目前以回转窑为主，也是最主要的煤基直接还原炼铁工艺。
关键词：非高炉炼铁；直接还原；熔融还原；煤基；气基近代高炉已有数百年历史，其工艺已达到相当完善的地步。
高炉反应器的优点是热效率高、技术完善,设备已大型化、长寿化,单座高炉年产铁最高可达400 万t左右,一代炉役的产铁量可达5000万t以上,可以说,没有现代化的大型高炉就没有现代化的钢铁工业大生产。
但是在它日益完善和大型化的同时，也带来了流程长、投资大以及污染环境等问题。
高炉工艺流程存在以下问题:一是高炉必须要用较多焦炭,而炼焦煤越来越少,焦炭越来越贵;二是环境污染严重,特别是焦炉的水污染物粉尘排放烧结的SO2粉尘排放,高炉的CO2排放很高；三是传统炼铁流程长,投资大；四是从铁、烧、焦全系统看重复加热、降温,增碳、脱碳,资源、能源循环使用率低,热能利用不合理。
高炉法虽然仍是当今炼铁生产的主体流程,但非高炉炼铁法已成为炼铁技术发展的方向。
非高炉炼铁技术或称非焦炼铁技术是当今钢铁生产工艺中最受关注的技术之一。
依产品的形态不同,非高炉炼铁技术可分为熔融还原与直接还原两种工艺方法。
随着世界上废钢铁积累日益减少，电炉流程迅速发展，这就要求采用直接还原新工艺，生产出的海绵铁供电炉炼钢。
此外，由于炼焦煤资源日渐短缺，焦炉逐渐老化以及人们对焦炉污染日益关注，八十年代以来，各发达国家纷纷谋求开发另外的无焦炼铁工艺——熔融还原，其中Corex流程已实现工业化生产。
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，以MIDREX 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、Mo等有价元素的收率。
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。
