COG制备工艺气及气基竖炉直接还原炼铁实验台建设方案.docx

COG制备工艺气实验台及

气基竖炉直接还原冶金实验台

建设方案

一、开发气基直接还原冶金的必要性

钢铁工业是最重要的原材料工业之一，在冶金行业处于举足轻重的地位。自新中国成立以来，我国粗钢产量年年增加。1949年全国粗钢产量仅为45万吨，到1996年粗钢产量首次突破1亿吨大关，成为世界第一钢铁生产大国。2006年中国钢铁产量超过了4亿吨。预计今后50～100年内，只要还有焦炭供应，高炉仍将是主要的炼铁设备。但是，高炉必须使用资源较少的焦煤(用于炼制焦炭)、能耗高，且经选矿得到的铁矿粉也需先进行造块才能使用。因此，传统冶金面临能源、资源、环境、社会多重压力。

传统的高炉炼铁工艺流程如图1所示。

深加工

深加工棒、板、带、管

焦化炉

铁水

钢水

连轧连铸

焦煤铁矿石

转炉、电炉

烧结炉

高炉

图1传统高炉炼铁工艺流程

与非焦煤炼铁工艺相比，传统高炉炼铁工艺主要存在以下弊端：

①传统工艺依赖于焦煤。从已查明的世界煤炭储量来看，焦煤仅占煤总储量的5%～10%,而以现行技术可以经济开发的只占其中的30%～40%。由于冶金长期巨大的消耗以及焦炭资源在地理上分布的不均匀，传统冶炼工艺的生存和发展将面临因焦煤资源匮乏而无法生产的尴尬局面。

②传统冶金工艺存在冶金反应重复进行的过程(图2)。例如，在高炉炼铁的还原过程中，当把铁矿石中铁和氧分离的同时，还会使相当数量的Si、Mn、C等元素

进入铁水，因此铁水必须进行氧化精炼，去除多余的元素和杂质元素。精炼后的钢水还要进行脱氧，使得冶炼工艺复杂化，造成不必要的能源和原料消耗。

含

含碳量)%(含氧量)%(

温度

图2不同工艺钢铁生产过程中含氧量、含碳量的变化示意图

从图2可以看出，传统钢铁生产流程是先将铁矿石过度还原(渗碳)生成铁水，然后再将铁水中的碳通过氧化方法脱除精炼成钢，因此是二步法流程(高炉还原+转炉氧化)。从氧化-还原基本冶金原理来分析，直接还原法具有直接将铁矿石炼成钢的一步法特征，故称“直接还原”。

③自然界中有用矿物并不都是单独存在的，常有多种金属元素共生的情况。传统冶炼工艺对复杂的多金属矿处理显得无能为力，从而造成极大的资源浪费。此外，冶炼厂含有铁、钒、钛、镍等重要资源的粉尘和渣滓，低品位铁矿石，选矿场的残渣等，传统工艺都无法处理。根据资源特点来选择冶炼方法已势在必行。

④社会发展和科学技术进步对钢材质量要求越来越高。电炉炼钢技术的迅速发展为优质钢生产提供了有效手段，然而日益增加的合金钢生产和应用，使得多次重复回收的废钢中杂质元素得以富集，严重影响了废钢的质量。例如，美国在25年内，

碳素钢废钢的Cu含量增加了20%,Ni含量增加了1.2倍，Sn含量增加了2倍。由此可见，用洁净的海绵铁代替被污染的废钢，稀释和改善冶金钢水的化学成分，生产优质钢材已是大势所趋。

⑤传统冶金工厂生产规模大，工艺环节多，需要巨额投资。建设一座年产200万吨钢的钢铁厂，需要165～250亿人民币的投资，而且必须有足够的原料供应。而非焦煤冶金厂可小型化，投资相对少，建设周期短，可因地制宜地利用当地的复杂原料和多种能源来确定机动的产品方向，工艺灵活性大、适应性强。

⑥传统工艺中焦化、烧结、高炉等铁前系统产生的大量烟气、粉尘及水污染。

⑦焦化、烧结、高炉等铁前系统的流程长、工艺复杂，导致热效率低，能源浪费严重。

我国能源资源分布格局具有富煤、缺油、少气的特点。单以丰富的煤炭资源而论，尽管目前已经探明的煤炭储量已超过10000亿吨，但能用于炼制焦炭的焦煤资源还是相对较少。近年来，随着我国钢铁产量逐年攀升，每年焦煤开采量至少为47425万吨。按煤炭详查资源总量估计，2070年以后我国的焦煤资源将面临枯竭，传统的焦煤冶金工艺将无法进行正常生产。与此相反，大量的非焦煤资源在炼铁工艺中却无法得到充分利用，因此开发和采用非焦煤炼铁工艺已迫在眉睫。

非焦煤炼铁工艺是指不使用焦炭进行炼铁生产的各种工艺方法。按工艺特征、

产品类型及用途，可分为直接还原法和熔融还原法两大类别。直接还原法(DirectReduction)是指“以气体燃料、液体燃料或非焦煤为能源和还原剂，在天然矿石(粉)或人造团快呈固态的软化温度以下进行还原获得金属的方法”。熔融还原(SmeltingReduction)则“以非焦煤为能源和还原剂，在高温熔融状态下进行金属氧化物的还原，得到含碳的液态金属”。与直接还原的不同之处是，熔融还原的发展目标只是探索和推广用煤炭代替焦