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Finex,一種全球矚目的鐵水生產工藝

作者:1 發布時間:2010-02-20 文字大小:【大】【中】【小】
 

熔融還原煉鐵法的幾種工藝

熔融還原法是20世紀20年代開始提出的。50年代研究開發的熔融還原法大多設想在一個反應器內完成全部熔煉過程,稱一步法。但是由于還原反應產生的CO的燃燒熱不能迅速傳遞到吸熱的還原反應區,迫使熔煉中止而告失敗。70年代以來普遍采用了兩步法的原則:即將整個熔煉過程分成固態預還原和熔態終還原兩步,分別在兩個反應器內完成。其中最具重要意義的COREX法是由KORF和VOEST-ALPINE在奧地利和德國政府的財政支持下聯合開發的,目前已經進入工業化應用階段。還有其它熔融還原流程,比如:HISMELT、FINEX、DIOS、AISI、COIN等。下面將受到廣泛關注的幾種工藝進行簡要的介紹。

1、COREX

多年來,COREX流程是唯一工業化的熔融還原流程,目前有數套COREX設備在運行中,中國上海寶鋼引進了一套COREX-3000設備。COREX法工藝流程為,礦石的還原和熔融分別在兩個爐子中進行,采用預還原豎爐及熔融氣化爐分別對鐵礦石進行還原和熔化。COREX法預還原豎爐采用高架式結構,熔融氣化爐產生的高溫還原氣被送入預還原豎爐,逆流穿過下降的礦石層。從還原豎爐排除的預還原礦石的還原率約為95%,料溫為800~900℃。熔融氣化爐的任務是熔化預還原礦石及生產還原煤氣。

COREX法的優點是:以非焦煤為能源,擺脫了高爐煉鐵對優質冶金焦的依賴;對原、燃料適應性較強,生產的鐵水可用于氧氣轉爐煉鋼;生產靈活,必要時可生產高熱值煤氣以解決鋼鐵企業的煤氣平衡問題;直接使用煤和氧,不需要焦爐及熱風爐等設備,減少污染,降低基建投資,生產費用比高爐減少30%以上。

但是COREX也存在一些不足,對礦石的質量要求較為嚴格,必須使用球團礦、天然塊礦和燒結礦等中等均勻粒度的塊狀原料,不能使用磷含量高的礦石。另外COREX要求使用塊煤也是一個潛在問題。

由于當今采煤多已機械化,原煤中含粉率較高,且塊煤在儲運過程中,產生粉末是不可避免的。因此,COREX需要解決粉煤的利用問題。COREX煤的消耗量(噸鐵約1000kg)遠高于高爐流程,其最終能耗及操作成本很大程度上依賴于尾氣的綜合利用。

2、FINEX

因為COREX使用的礦石粒度為8~30mm的塊礦,大量廉價的粉礦不能直接利用,因此浦項鋼鐵公司和奧鋼聯共同開發了FINEX流程,用于粒度1~10mm的粉礦。FINEX的特點是采用多級流化床反應器代替COREX的豎爐對鐵礦進行還原。在流化床反應器中利用熔融氣化爐提供的熱還原氣體對配合添加劑的鐵粉礦進行還原。采用適當的氣流速度,使爐料在流態化狀態下進行還原。因此不存在爐料的透氣性問題,可全部使用鐵粉礦為原料。

FINEX工藝是兩種成熟工藝的組合,即流化床工藝和COREX的熔融氣化爐工藝。其特點是:①不需要煉焦廠和燒結廠,從而節省設備投資和減少環境污染;②可使用粉狀鐵礦石和普通煤作為煉鐵原料。從生產成本上看,粉礦的價格要比塊礦低20%左右,普通煤比煉焦煤價格低約25%,因此其原料成本比較低廉。同時FINEX工藝也存在一些不足。FINEX方案固定投資較高,比高爐方案總投資約高20%。其燃料及動力費用也高于高爐,若要降低FINEX的成本,必須進一步降低噸鐵的耗煤量。FINEX能夠處理的礦粉是有選擇性的,要求礦粉粒度1~10mm。由于FINEX采用了流化床工藝,將會出現粉料的粘結問題,致使其作業率<80%,從而影響操作的連續性和穩定性,流化床設備利用率較低(約0.5t/(m3•d));另外其設備磨損也較為嚴重。這些都是FINEX工藝進一步發展所面臨的問題。

3、HISMELT

HISMELT(HighIntensitySmelting)技術是德國Klockner和CRA公司聯合開發的。該流程可直接使用粉礦和煤粉冶煉。可向鐵浴爐熔池中噴入煤粉,在其頂部吹入1200℃富氧熱風,使爐內產生的煤氣進行二次燃燒,產生熱量滿足熔池反應需要,終還原爐產生的還原性氣體作為還原劑進入預還原系統。HISMELT流程可直接將鐵礦粉吹入熔融還原爐中,目前已完成中試,正向工業化邁進。

HISMLET工藝可直接使用粉礦和煤粉,其熔融還原爐中產生強烈的攪拌并且溫度很高,所以鐵礦粉的還原速度很快,HISMELT的另一個特點可處理廉價的高磷鐵礦粉。由于熔融還原爐中采用較高的二次燃燒率,致使高溫尾氣的利用價值很低,只能用于預熱粉礦。為了使尾氣得到綜合利用,HISMELT擬采取添加天然氣的方法,這樣可使尾氣用于發電,或用于預還原鐵礦粉(還原率30%以下)。由于熔融還原爐內采用二次燃燒方式,致使爐內呈現氧化性氣氛,嚴重侵蝕爐襯。爐子壓力小于1kg,使煤氣不能有效利用。另外,HISMELT采用虹吸式出鐵,不能保證鐵水的溫度。

Finex工藝的發展歷程

1992年12月,浦項制鐵與西門子奧鋼聯公司簽訂了CorexC-2000工廠的建設合同。隨后兩家公司還簽訂了合作開發Finex工藝的協議,項目開發的主要目標是發展流化床還原粉鐵礦原料的反應系統。1993~1996年間,雙方合作進行了實驗室規模的粉鐵礦還原實驗和冷態流化床動力學研究。緊接著,浦項建立了日產能15噸的熱模擬實驗設備,在一級流化床反應器內研究了在高溫、高壓、還原氣氛條件下,粉鐵礦的還原和流化床反應工序的動力學條件。1998年,浦項總部決定在現有Corex工廠附近新建一套日產能150噸的流化床還原粉礦的半工業實驗裝置。1999~2002年間的多次實驗結果表明:流化床還原粉鐵礦系統可以滿足工業化生產的要求,其工藝技術具有可行性。此外,浦項還成功進行了將流化床還原得到的粉狀DRI熱壓成HCI(熱壓塊鐵)的工藝實驗。

在此之后,浦項決定建立年產能60萬噸的FinexF-2000示范工廠,進一步驗證Finex技術整個工藝流程的可行性。該示范工廠于2001年1月開工建設,并于2003年5月開始投產運行。FinexF-2000示范工廠的工藝系統中第一次安置了流化床反應器系統和粉狀DRI熱壓塊設備。浦項還對原先的CorexC-2000工廠作出了相應的改造,將熔融氣化爐用作F-2000示范工廠的熔融團塊和煤氣發生裝置,同時將豎爐用作儲料倉和加料倉。逐級放大的流化床反應器在Finex工藝的開發中起著決定性的作用。

全球鐵水生產工藝現狀

高爐煉鐵是當前生產鐵水的主體工藝,但高爐冶煉鐵水需要有配套的煉焦和燒結工藝。為了滿足日趨嚴格的經濟和環境要求,在過去40年里,熔融還原煉鐵工藝(SmeltingReduction)得到了一定程度的發展,這些工藝均直接使用煤冶煉鐵水,從而避免了煉焦工藝所帶來的環境污染。已經開發出的熔融還原煉鐵工藝共有30余種,但到目前為止,只有3種熔融還原煉鐵工藝發展到了工業化的規模,即Corex、HIsmelt和Finex工藝。

首先實現工業化的熔融還原煉鐵工藝是由西門子奧鋼聯公司開發的Corex工藝,該工藝采用塊礦或球團礦作原料。1989年,第一座年產能40萬噸的CorexC-1000工廠在南非伊思科爾廠(Iscor)實現工業化運行。1995年至1999年間,先后建成了四座年產能為60萬噸~80萬噸的Corex

C-2000工廠:一座建在韓國的浦項制鐵,一座建在南非的撒丹那(Saldanha),另外兩座建在印度的京德勒西南鋼鐵公司(JSW)。正在建設的還有中國寶鋼年產能150萬噸的CorexC-3000工程,該工程計劃于今年下半年開始工業化生產。此外,目前印度埃薩鋼鐵公司(Essar)Hazira公司正在奧里薩邦(Orissa)建設的鋼鐵廠也將重新安裝兩臺從韓國韓寶(Hanbo)鋼鐵廠搬遷而來的CorexC-2000設備,并計劃于今年投產。

世界上60%的鐵礦資源是粉礦,且粉礦的價格比塊礦的價格低。Finex工藝和HIsmelt工藝可以直接使用粉鐵礦,省去了粉礦造球或燒結的造塊工藝過程,具有明顯的成本和環境優勢。2005年,第一座年產能60萬噸的HIsmelt工廠在澳大利亞的奎納納(Kwinana)投產。Finex是較為先進的直接使用粉礦的熔融還原煉鐵工藝。2003年,浦項制鐵所年產能60萬噸的F-2000示范工廠開始試運行,年產150萬噸的Finex工廠也在今年5月30日結束調試,投產運行。

非高爐煉鐵方法介紹

(一)直接還原法生產生鐵

直接還原法是指在低于熔化溫度之下將鐵礦石還原成海綿鐵的煉鐵生產過程,其產品為直接還原鐵(即DRI),也稱海綿鐵。

該產品未經熔化,仍保持礦石外形,由于還原失氧形成大量氣孔,在顯微鏡下觀察團形似海綿而得名。海綿鐵的特點是含碳低(<1%),并保存了礦石中的脈石。這些特性使其不宜大規模用于轉爐煉鋼,只適于代替廢鋼作為電爐煉鋼的原料。

直接還原法分氣基法和煤基法兩大類。前者是用天然氣經裂化產出H2和CO氣體,作為還原劑,在豎爐、罐式爐或流化床內將鐵礦石中的氧化鐵還原成海綿鐵。主要有Midrex法、HYLⅢ法、FIOR法等。后者是用煤作還原劑,在回轉窯、隧道窯等設備內將鐵礦石中的氧化鐵還原。主要有FASMET法等。

直接還原法的優點有:(1)流程短,直接還原鐵加電爐煉鋼;(2)不用焦炭,不受煉焦煤短缺的影響;(3)污染少,取消了焦爐、燒結等工序;(4)海綿鐵中硫、磷等有害雜質與有色金屬含量低,有利于電爐冶煉優質鋼種。

直接還原法的缺點有:(1)對原料要求較高:氣基要有天然氣;煤基要用灰熔點高、反應性好的煤;(2)海綿鐵的價格一般比廢鋼要高。

直接還原法已有上百年的發展歷史,但直到20世紀60年代才獲得較大突破。進入20世紀90年代,其生產工藝日臻成熟并獲得長足發展。其主要原因是:(1)天然氣的大量開發利用,特別是高效率天然氣轉化法的采用,提供了適用的還原煤氣,使直接還原法獲得了來源豐富、價格相對便宜的新能源。(2)電爐煉鋼迅速發展以及冶煉多種優質鋼的需要,大大擴展了對海綿鐵的需求。(3)選礦技術提高,可提供大量高品位精礦,礦石中的脈石量降低到還原冶煉過程中不需加以脫除的程度,從而簡化了直接還原技術。

當前世界上直接還原鐵量的90%以上是采用氣基法生產的。直接還原鐵是指用直接還原法在低溫固態下還原的金屬鐵。按生產方法可分為煤基直接還原鐵和氣基直接還原鐵;按用途可分為煉鋼用直接還原鐵和其它用直接還原鐵;按產品形式可分為海綿鐵(DRI)和熱壓塊鐵(HBI)。

(二)熔融還原法生產生鐵

熔融還原法是指不用高爐而在高溫熔融狀態下還原鐵礦石的方法,其產品是成分與高爐鐵水相近的液態鐵水。開發熔融還原法的目的是取代或補充高爐法煉鐵。與高爐法煉鐵流程相比,熔融法煉鐵有以下特點:(1)燃料用煤而不用焦炭,可不建焦爐,減少污染。(2)可用與高爐一樣的塊狀含鐵原料或直接用礦粉作原料。如用礦粉作原料,可不建燒結廠或球團廠。(3)全用氧氣而不用空氣,氧氣消耗量大。(4)可生產出與高爐鐵水成分、溫度基本相同的鐵水,供轉爐煉鋼。(5)除生產鐵水外,還產生大量的高熱值煤氣。

FINEX煉鐵工藝對世界鋼鐵業的影響

世界第一座FINEX式煉鐵爐5月30日在韓國浦項竣工并正式進行鐵水生產。與傳統高爐煉鐵工藝所不同的是,FINEX工藝采用廉價普通煤和粉礦作為原材料,省去了煉焦和燒結工藝。該設備是世界第一套進行大規模生產的Finex煉鐵設備,每天可生產4,300噸鐵水,年產量可達到150萬噸鐵水。

該項工藝對于鋼鐵行業降低原材料采購成本、擴大原料來源渠道等方面具有重大意義。同時,該項工藝有助于浦項提高在世界鋼鐵行業的競爭能力,為其在印度發展鋼鐵產業掃清了焦煤資源缺乏的顧慮。中國在煉焦煙煤、鋼坯等原料及半成品的出口方面受此影響較大,但新的工藝將有助于中國淘汰鋼鐵落后產能。

FINEX項目具有很好的成本效益,不需要煉焦廠和燒結廠等鐵礦石及原料煤預處理工廠,從而不僅節省了設備投資,而且還減少了環境污染。另外,該煉鐵工藝可以使用資源豐富的、廉價的粉狀鐵礦石和普通煤作為煉鐵原料。

韓國既無鐵礦石,也沒有焦煤,與日本一樣,完全依賴國際上低成本的煤炭和鐵礦石資源在港口組建現代化鋼廠。浦項制鐵是目前世界五大鋼鐵企業之一,02年該公司鋼產量占到韓國鋼產量的70%左右,該廠煉鐵所用的鐵礦石、焦炭等原材料主要依靠進口來滿足生產的需求。因此,FINEX新技術的研發成功,對浦項提高在世界鋼鐵行業的競爭能力非常有利。

韓國浦項制鐵研發的FINEX新技術對所使用的粉狀礦石成分和粒度沒有嚴格要求,粉礦直接入爐既拓寬了鐵礦石的資源范圍,同時還節約了加工費用。韓國嚴重缺乏鐵礦石資源,該國鋼鐵工業對進口礦的依存度高達99%,該國鐵礦石主要來源于巴西、澳大利亞、印度等國。FINEX工藝的出現,意味著浦項在鐵礦石原料的供應方面可供選擇的余地將會更大,同時有利于打破世界三大供應商對于鐵礦石供應的高度壟斷。

新的FINEX工藝可以100%使用非煉焦煤,而且對煤種和成分沒有嚴格限制,這是該項工藝的另一大優勢所在。用儲量豐富的普通煤種代替焦煤,不僅有助于緩解世界煉焦煤資源緊張的局面,同時,由于普通煤要比煉焦煤在價格上面低24%,因此,該項工藝對于降低原材料采購成本方面將具有重大的意義。

另外,這項工藝還對浦項在印度投資鋼廠提供了強大的技術支持。印度煤炭工業發展迅速,現已成為世界上繼美國、中國之后第三大煤炭生產國,但是,印度每年仍然要進口3000多萬噸的煤炭,尤其是煉焦煤更是主要依靠進口來滿足。在傳統的煉鐵工藝之下,印度發展鋼鐵產業所面臨的主要瓶頸制約就是煉焦煤資源缺乏的問題。在新的FINEX煉鐵工藝之下,用儲量豐富的普通煤種代替焦煤,可以解除浦項在印度發展鋼鐵產業的焦煤資源制約問題。

目前,韓國是中國最大的煉焦煙煤出口國,同時也是中國最大的鋼坯出口國家。浦項制鐵占據韓國鋼鐵總產量的大部分份額,因此,FINEX煉鐵爐的建成投產,必然會對中國的煉焦煙煤出口市場產生巨大的沖擊。另外,新的煉鐵工藝由于解決了韓國在原料來源方面存在的制約,預計該國在生鐵和鋼坯的生產自己率方面將會有所提高,對中國出口的鋼坯依賴程度也將有所降低。

結合中國目前淘汰鋼鐵落后產能的現狀,新的FINEX工藝適時出現,有助于中國大型鋼鐵企業改進煉鐵生產工藝,淘汰落后的小高爐設備。隨著該項工藝的進一步成熟和完善,韓國將有可能向中國、俄羅斯等國家出口該工藝的操作技術和設備。

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