炼铁新工艺前景及最低碳耗潜能

序言
　　无焦低污染是炼铁新工艺的目标。炼铁新工艺有两种类型，即炉床法和铁浴法。对于炉床法，间接还原是主要的还原反应，难度较小，碳消耗量较高。Corex是典型的炉床工艺。至于铁浴法，正好相反，直接还原是主要的还原反应，难度较大，碳消耗低。Romeh、DIOS和Hismeh等是典型的铁浴法。
　　未来的新工艺能够先行利用CO煤气将Fe203还原成维氏体，利用CO气体的二次燃烧预热矿石。几乎所有的维氏体在熔融还原阶段被还原成Fe。熔融还原逐步发展，利用CO气来预热、还原氧化铁原料。将工艺的直接还原度向54％调整可降低碳比。如果一种工艺倾向于先将炉料熔化然后再进行还原，那么它比先还原再熔化的传统方法更困难。熔融还原之所以具备更大的潜能优势，其原因就是它最终将能够解决熔融还原的最大困难，降低碳比，避免透气性的麻烦，获得熔融还原的益处。
　　传统高炉设计成焦炭先行在风口前燃烧。高炉上是不允许提高熔融还原度，因为这会导致炉内状况恶化。从冶金还原原理角度看，这是高炉明显的缺点。未来优秀的炼铁新工艺应该是熔融还原比接近54％；无需焦炭和烧结，低污染，低成本。这种工艺符合还原原理，没有透气性问题和污染问题，能够最大限度的利用熔融还原的优势，最终与高炉展开竞争。

还原原理
　　现今，还原矿石的主成分是碳，其次是氢。碳、氢是还原矿石最经济、最有效的成分，且碳比氢更有效，更经济。
　　1、炉内反应
　　碳氢原子捕获氧原子总共只有两个几率，对于碳原子捕获氧原子的每个阶段也有两种类型的反应。其一是碳与热风或者富氧气流结合的燃烧反应，剩下的是碳还原铁矿石和捕获矿石中氧的还原反应。对于硅、锰等夹杂物的还原，因数量极少，可忽略不计。
　　2、仅供还原所需的理论最低碳消耗
　　与一步法工艺相反，对于维氏体在两步法工艺中100％间接还原时，CO首先与维氏体接触，所需要的CO数量为1370Nm3／1000kg．Fe。这个数量的CO需要760kg碳在风口前燃烧。三种氧化物反应生成的C0₂的数量是602Nm³，得出CO利用系数44％，即56％的CO没有被利用。CO的使用是非常低效的。如果全部430kg氧直接用碳去处(100％直接还原)，则需要约322kg碳，生成产物全部是CO。仅从还原的观点看，碳的直接还原比间接还原更经济。最佳的直接还原度为232x100／430＝54％，碳需求量为232kg．O＝175kg．C。
　　如果不考虑热量需求，利用直接还原生成的CO，通过间接还原的方式还原矿石是最节约碳的。理论上，获得1000kg铁仅需要175kg碳。　　纯铁的熔化点是1539℃，通过溶解碳来降低熔点是必需的。基于三个假设条件：回收率98.5％、铁水含铁93.5％、铁水含碳4.7％。综合得出的新结论是，“获得铁水就需要从矿石种排除407kg氧。100％直接还原需要353kg碳，100％间接还原需要768kg碳。不考虑热量需求，最低碳消耗出现在直接还原度54％的位置点，即间接还原度46％。包括溶解在铁水中的碳，碳的最低消耗量为213kg／THM。”
　　3、炼铁新工艺
　　传统高炉过分地依赖间接还原，间接还原度约67％。矿石中约2／3的氧靠间接还原去处。这完全依赖气固反应，因此关心煤气能否平稳地在固体料柱中流动。然而，这会产生透气性伺题，故更需要焦炭。粉矿不适合在高炉上使用。高炉工艺需要焦化、烧结或者球团等设备。如果新工艺使直接还原最大化，大部分矿石在第一阶段还原(C+FeO=>Fe+CO)，则不必关心有多少反应发生在第二阶段(CO+FeO_x>FeO_x-1十C0₂)。
　　新工艺与高炉的冶金学比较
　　1、与高炉的比较
Hismeh是炼铁新工艺中的一种，是由CRA、Midrex公司联合开发。第一座年铁水产能10万t的Hismeh装置建在了澳大利亚，1993年10月开始出铁。它与传统高炉冶金还原反应原理的比较见下表1。

　　2、各种新工艺的直接还原度
　　各种新工艺直接还原度与间接还原度的比较见下表2。

　　碳的一次还原反应速度(新工艺的主还原反应)比二次还原反应(高炉工艺的主还原反应)快得多，而碳的二次燃烧反应速度(新工艺的主燃烧反应)要比一次燃烧反应(高炉工艺的主燃烧反应)快的多。上述解释归纳如下结论：不考虑热量需求，最低碳消耗出现在直接还原度54％，即间接还原度46％的点上，包括铁水中的溶解碳，最低碳消耗量为213kg／THM。
　　3、Corex工艺优缺点与前景
　　Corex工艺不需要焦炭和烧结矿，值得称道为炼铁新工艺。在该工艺中，焦化和烧结被省略，节约了场地和建设投资。相对于高炉流程，没有焦化和烧结造成的污染，硫氧化物和氮氧化物的排放量也较低。但是，Corex工艺间接还原度高，致使碳消耗大。同时，它也无法避免透气性问题，不能使用粉煤和粉矿。
　　Corex是典型的炉床法炼铁新工艺，间接还原度越高，工艺进行得就越容易。Corex工艺的间接还原度大约是90％。事实上，与高炉相比，Corex更多的依靠间接还原。这或许是它能够成为第一个成功实现工业化炼铁新工艺的原因。因为它比高炉更多得依赖间接还原，故此没有摆脱透气性问题的困扰。虽然Corex有了一些改进，但它仍然必须使用块矿和粒煤，粉矿和粉煤是不能装入Corex的。在各种炼铁新工艺中，Corex将会失去竞争力。2000年4月，印度京德勒厂Corex一2000实现月度最低燃料比993kg／THM。印度京德勒2000型设备的平均燃料比为1050kg／THM。
　　炼焦时，1000kg煤可生产760kg焦炭。350kg焦炭需要461kg煤炭。在高炉上，如果煤比150kg，焦比350kg，则生产1吨铁水所需煤炭611Ls。很明显，高炉流程比Corex更能节约煤炭。虽然Corex可以省略焦化和烧结，且污染小，值得称颂为炼铁新工艺，但它却不是熔融还原炉，熔融还原的优点没有在Corex上充分反映出来。在一个相当长的时期内，Corex的发展潜力是极其有限的，故此，其前景不容乐观。

各种新工艺虽低碳比潜力
　　1、新工艺的前景与最低碳比潜力。
　　某些新工艺在设计上使得碳原子有更高的几率与氧原子反应。例如，在煤粉喷枪附近安装氧气管。这种做法不可避免地增加了碳原子初次氧化反应阶段的燃烧比重，还原比重自然而然地降低。剩余的氧在初次氧化阶段不能完全清除，必须依赖碳的二次氧化实现，这将会遇到二次氧化引发的透气性问题。这种工艺不能使用粉矿，在新工艺中必将失去竞争力。虽然Hismeh工艺目前仍然有许多难点，但它确实抓住了正确的方向。
　　统计分析表明，铁浴法工艺(Romeh、Hismelt、Dios、CCF)的碳比明显比炉床法工艺(COreX、Finex、Technord—ed)低。如果Corex工艺的总直接还原度保持10％，则意味着可能的碳比只能降低到665kg／THM。如果高炉工艺的直接还原度保持在33％，则最低碳比是420kg／THM。今天，某些高炉的碳比甚至降到了420 kg／THM以下，原因是在计算中包括了氢还原。如果我们考虑氢还原，则所要求的最低碳比将能够降到420kg／THM以下。
　　如果高炉打算更大幅度的降低碳消耗，则需将直接还原度提高到33％以上。近似的，如果直接还原度增加1％，碳比有潜力降低10．5 kg／THM。如果直接还原度提高到37％，碳比降低到378kg／THM是可能的。但此时，高炉状况会恶化，出现无法接受的热量水平和透气状态。这是高炉工艺的缺陷。
　　虽然Romelt工艺属于铁浴法，能实现较低的碳比，但它应该增加间接还原度以降低碳比。如果Romelt工艺不尽量利用熔融还原过程产生的CO，就不能有效地降低碳比。这类位于最低消耗点左侧的工艺，当间接还原度每增加一个百分点，其碳比约下降3kb/THM,这与最低消耗点右侧的工艺截然不同。

2、新熔融还原工艺发展应遵循的方向
　　新工艺具有潜在优势的原因在于这些工艺能克服熔融还原的难点，充分发挥、利用熔融还原的优点。熔融还原的难点是液态铁氧化物与碳反应是一个吸热反应，要保持铁氧化物的液态状态，需要非常高的温度。为了加速熔融还原的速度，保证铁浴的良好混合与搅拌对促进还原的进行是有益的。由熔融还原所生成金属的熔化温度要比液态铁氧化物高出约200—400℃。正是由于这个原因和熔融还原的吸热反应特征，生成的金属和炉渣容易凝固。这个问题给工艺带来了麻烦。这就需要将液态铁氧化物加热到1500℃以上，防止在熔融还原后凝固。
当将注意力集中在降低碳的消耗上时，用于加热铁氧化物到1500℃的热量完全来自CO的二次燃烧，碳的一次燃烧反应应该降低。但能够增大直接还原度，减小间接还原度来实现最低碳比，避免透气性问题。
　　这种工艺在设计上优先溶化氧化铁，而不是还原氧化铁，当然相对要困难。如何调整能源类型的组合是非常重要的。可能的最佳能源组合方式是利用熔融还原释放的CO煤气将氧化铁还原成维氏体，同时利用CO煤气二次燃烧释放的热量熔化维氏体。所有用来将维氏体加热到1500℃以上的热能都应尽可能的来源于CO的二次燃烧。补足的能量可来自碳的燃烧，或者电能，或者其它。适当的将工艺的直接还原度向54％方向调整可降低碳的消耗。

结论 
　　理想的新工艺因该能优先利用CO的间接还原将Fe20，基本还原成FeO，同时将FeO预热到近乎熔化状态。用来还原、预热炉料的CO煤气由下游的熔融还原产生。如果CO二次燃烧产生的热量不够，不足部分因该由碳的一次燃烧反应或者其它热源补充。
新工艺的目标是无焦低污染炼铁，大体上可分为两种类型，即炉床型和铁浴型。炉床型的主还原反应是间接还原，困难容易克服，但碳耗高，其代表性的工艺是Corex。铁浴型工艺的主还原反应是熔融还原，困难不易克服，但碳耗低，有代表性的工艺是Hismeh和Dios。
未来碳消耗最低工艺的直接还原度应该在54％左右，高于传统高炉的33％。一般而言，炉床型工艺的直接还原度比传统高炉要低。大部分炉床型工艺的熔融还原度要比传统高炉低。对于炉床型工艺，称之为熔融还原不太恰当。虽然炉床型工艺污染较小，但它不具备令人满意的碳比。

　　未来优秀的炼铁新工艺应使第一阶段的还原反应达到最大化，充分利用第二阶段的反应。无焦炭、无烧结、低污染和低成本是其主要特征。假如熔化热不会过多的来自第二阶段燃烧反应以外，那么，第二阶段的燃烧反应和第一阶段的还原反应将是令人满意的组合。

　　很明显，第一阶段还原反应（新工艺的主还原反应）要比第二阶段的还原反应（高炉的主还原反应）快得多。第二阶段的燃烧反应（新主燃烧反应）同样比第一阶段的燃烧反应（高炉的主燃烧反应）快得多。其原因在于新工艺有克服熔融还原困难的潜在优势，从而获得熔融还原的优点。如果这样，他将能有效的降低碳的需求量，改善污染问题，与高炉工艺展开竞争。