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关闭窗口 日本直接还原铁生产工艺的节能高效措施
作为发达国家生产优质特殊钢用废钢的代用品DRI，近年来受到特殊钢厂的欢迎，经过热成型HBI的生产后可通过海上远途运输，更加便于使用，特别是近年钢铁需求增长较快，2005年起兴起了全球建设的高潮。据统计目前已有26处共52套MIDREX设备在生产，其中，盛产天然气的中东就有6处共17套、南美共有7处12套等，即占全球的1/2以上。
生产效率和能耗发展史
由于还原铁用竖炉的生产效率不断提高，对对MIDREX法生产直接还原铁的发展起重大作用。特别是对炉内用CO和H2量作为重点做了大力改进，不仅使生产效率上升，能耗也比30年前降低了25%，这和改善了原料性能、通过竖炉内气流均匀化以改善与固体的接触以及提高了还原温度有关。如80年代的还原温度由70年代的780℃提高到850℃，使竖炉的生产效率提高了13%，进入90年代后通过在原料球上涂上特殊涂剂，使还原温度提高到900℃，使竖炉的生产效率再提高11%，由此使MIDREX的设备组成更加完善。
最近的工艺发展
竖炉技术改进的重点为通过吹氧进一步提高还原气的温度，从90年代后期每吨DRI吹氧12-20mm3后，还原其的温度提高到1000℃，使竖炉温度达到900℃，生产效率又提高12%，进入2005年后又实施了称为OXY+的技术，即把OXY+加入重整后的高温还原气中，使天然气产生部分氧化，并在特殊的燃烧器中使氧气和天然气部分燃烧，这种特殊还原气（CO+H2）并非由重整而产生，于是成为不依靠重整而提高竖炉生产效率的技术。
部分燃烧反应为氧气和煤气燃烧时使燃料完全燃烧的反应，即CH4+H2O=CO+3H2，CH4+CO2=2CO+2H2，2CH4+O2=2CO+4H2，CH4=C+2H2，CO+H2O=CO2+H2。
MIDREX法的基本工艺为铁块矿从竖炉顶部加入炉腹，经吹入的天燃气燃烧加热并还原为DRI后，经下部吹入的天然气初步冷却，出炉后再经过冷却为DRI冷成品或趁热经压力加工为大块的HBI成品，以便海上运输时不会因氧化而燃烧。主供还原和加热用的天然气经利用烟气余热的预热器预热以后，在入炉前少量掺入氧气，以利提高其燃烧和还原温度从而提高竖炉的生产效率。
最近通过实施从底部加氧使天然气部分氧化的新工艺后，还原层温度和竖炉生产效率明显改善，具体进步情况如表1。
表1 MIDREX工艺各项指标提高情况对比
|
阶段 |
DRI产量（t/h） |
DRI产量比（以1#阶段为100） |
还原气温度（℃0 |
还原层温度（℃） |
氧耗（Nm3/t） |
天然气耗(Nm3/t) |
电耗(kwh/t) |
|
1# |
88.6 |
100.0 |
780 |
789 |
0 |
268.6 |
135 |
|
2# |
100.3 |
113.0 |
850 |
814 |
0 |
262.3 |
120 |
|
3# |
110.2 |
124.1 |
918 |
834 |
0 |
257.9 |
109 |
|
4# |
121.5 |
136.8 |
1050 |
860 |
17.5 |
260.3 |
99 |
|
5# |
129.2 |
145.5 |
961 |
857 |
30.2 |
265.8 |
93 |
|
6# |
133.6 |
150.4 |
1050 |
898 |
41.2 |
261.6 |
90 |
注：阶段1#指1970年代，阶段2#指1980年代，阶段3#指1990年代，阶段4#指1990年代后期的吹氧方式，阶段5#指采取OXY+方式（2000年代），阶段6#指近年燃烧时采取的吹氧和OXY+方式并用。
由以上可以看出，随着工艺的不断改进，竖炉的生产效率不断提高，近年已达到70年代的1.5倍，电耗也明显下降。
还原铁的热排出（HOTLINK）
以上所述的为MIDREX工艺中单体设备的进步，最近提出的方案为通过和下游的炼钢工艺合理结合以提高总体的生产效率和降低能耗。即对从竖炉中排出的高温DIR通过以下3种方式送入电炉：（1）用输运车送入电炉；（2）用传送带送入电炉；（3）用重力方式送入电炉。也有建议用气体送入电炉的方案，但考虑管内高速输送时将造成DRI粉化，一般认为不太合适。
各方对3种方式进行比较后认为将从竖炉排除的700℃的DRI通过重力送入电炉的方式（HOTLINK）较为合适，有利于降低成本和确保质量。部分已实用的其它方式，主要从原有的现场条件出发被迫对还原铁的成分、块度和温度等做出了部分牺牲，但新建时还应采取应用重力输送的HOTLINK方式较佳。它可把竖炉建在电炉附近的上方，由竖炉排出的DRI可存入高温储料仓内，由此直接靠重力送入下部的电炉内。
关于HOTLINK的设计
HOTLINK设计中，由于电炉炼钢属间歇性装料和出钢，其运行周期和上游的竖炉也不同，因此最重要的条件在于和电炉运行时间的紧密配合。对于基本上连续生产的竖炉如何与间歇装料的电炉密切配合成为应重视的问题。
为提高上下游总体系统的生产效率，在配合电炉钢的间歇操作中，首先应设高温储料仓，从竖炉排出的高温DRI先存入下边的高温的储料仓内，以便根据电炉的需求及时供应。其次，在电炉检修停工时，若能安排登炉同时检修最好。否则可采取临时生产冷DRI和热压成型为HBI的方式，所产产品可考虑外供其它电炉使用。几种应用方式的相关指标对比见表2，即按以下4种方式：（1）以高温DRI100%供应电炉的HOTLINK方式；（2）由竖炉以100%的冷DRI供应邻近电炉的方式；（3）由竖炉以100%冷却后的DRI供远处电炉的方式；（4）竖炉出炉后趁热加压成型为HBI后100%供远处的方式。
表2 电炉利用登炉产直接还原铁的四种方式对比 项目
1#
2#
3#
4#
综合工艺吨铁的各种消耗对比
铁利用率
0.96
0.94
0.89
0.91
天然气耗
12.9
12.5
13.2
13.5
电耗
565
695
701
742
氧耗
15-20
15-20
15-20
15-20
由上可以看出，采用直接热装DRI的HOTLINK方式较其它3种方式可产生以下的效果：（1）电炉的电耗可降低120-140kwh/t；（2）电炉的电极耗亦可因此缩短熔化时间而降低0.5-0.6kg/t；（3）由于电炉产量的提高，所需配套的电器系统容量亦可减少；（4）由于输送过程中直接还原铁的氧化、粉化损失使总体的铁利用率降低，使HOTLINK方法的铁利用率亦明显优于其它方式。还应指出的是采取HBI方式由于在运输中不发生氧化燃烧等损失，致使其铁的利用率比运输DRI高，并有利于扩大市场和应用范围，但在还原铁生产阶段，因不便于如生产DRI般在原料上涂助剂，使其还原层的温度比DRI低，天然气耗和电耗（含压块耗电）均较高。
冷DRI、热DRI和HBI的成品规格如下：（1）全Fe为90-94%；（2）金属Fe为83-89%；(3)全金属成分为92-95%；（4）含C量为1-3.5%；（5）含P量为0.005-0.009%（6）含S量为0.001-0.03%，（7）密度为1.6-1.9t/m3；（8）成品温度分别为40℃、700℃和80℃。
神户制钢和其子公司Midrex依靠在MIDREX法方面的优势，从2004年起加快了在全球的推广，目前设计和建设的共有马来、卡塔尔、俄罗斯、阿曼、特立尼达多巴哥和巴基斯坦共7个项目。
由MIDREX法生产的直接还原铁现已占全世界产量的64%，占有绝对优势，但为了防止地球变暖而减少排放CO2，在大力开发新技术以进一步降低能耗的同时，加速向具有天然气资源的钢铁生产国推广，以对全球减少排放CO2做出更大的贡献。
另外，为适应全球钢铁快速发展的需求，并考虑天然气资源分布的不够普遍，已先后开发出的煤代替天然气作还原剂生产直接还原铁的煤基还原铁生产法FASTMET、FASTMELT、ITmk3法等新工艺，并已得到较快的推广和应用，具体另外介绍。
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