低焦比高炉炼铁新工艺

1前言

高炉主要以焦炭和人造块铁矿为主要原料，在其内部通过燃料燃烧、气化、传热、还原、熔化、分离等物理化学过程冶炼铁水，是效率非常高的反应器。现代大型高炉生产技术装备不断完善，通过采取精料、富氧鼓风、粉煤喷吹等手段，使高炉实现了高产、低耗和优质的炼铁生产指标。但高炉的高效率和大型化对矿石和焦炭质量（尤其是焦炭的强度）提出了更严格的要求，全世界大多数高炉的入炉焦比仍然高于400kg/tHM。

为解决上述问题，世界上开展了大量炼铁新工艺的研究，并取得了一定的进展。在熔融还原技术方面，COREX工艺已实现产业化，该工艺不但大大减少了焦炭的用量，在资源和环保等方面也具有竞争优势。另一种熔融还原工艺HISMELT也已达到中试规模，其它一些熔融还原工艺也在开发之中。在直接还原方面，气基竖炉法（Midrex，HYL）占据绝对优势，但是它们均需采用重整天然气作为还原气，因此只能在天然气资源丰富并廉价地区发展。目前世界上占优势的煤基直接还原方法是转底炉法和回转窑法，其主要优点是可以直接用煤作燃料和还原剂，缺点是单位投资高、生产率低、生产成本高，因此发展缓慢，到目前，全世界煤基直接还原铁年产量仅300万t，而直接还原铁的年产量约为6000万t。

从目前的炼铁原料资源状况和技术发展来看，虽然非高炉炼铁技术在如火如荼地开展，但由于高炉炼铁技术具有经济指标良好、工艺简单、生产量大、劳动生产效率高、能耗低等优点，在可预见的将来，以焦炭为主要燃料的高炉仍是炼铁的主要流程，进一步提高高炉的生产效率和节约焦炭以及清洁生产仍是我们努力的主要方向。

2炼铁技术对冶金焦炭的依赖

传统高炉炼铁流程必须使用冶金焦炭，随着高炉的大型化，对焦炭质量提出了更高的要求。虽然熔融还原技术的开发是以无焦炼铁为目标，但目前唯一实现工业化的COREX熔融还原炼铁工艺仍没有完全摆脱冶金焦的使用，并且随着产能的增加，其对焦炭的依赖程度增加。

为强化高炉的冶炼强度，提高铁水产量，大型高炉通常都采用精料、高风温、富氧喷吹等手段，并配合以布料为核心的上部调节和与鼓风喷吹为主的下部调剂，使高炉达到顺行、高产、高效、优质的效果，从而降低铁水成本。就高炉目前的操作条件来讲，富氧必须同喷煤的效果密切配合，才能使高炉生产增加效益。

高炉富氧鼓风，相应减少风量，使鼓风中N2浓度降低，使风口前燃烧单位碳素所需风量减少，从而减少了炉腹煤气量，一方面提高了理论燃烧温度，同时也减少了煤气对炉料的阻力，有利于高炉顺行，提高冶炼强度。在一定富氧范围内，随富氧率的增加，理论燃烧温度升高，使热量集中于高炉下部，使炉料熔化速率加快，当煤气量减少到不能满足快速熔化对铁矿间接还原度的要求时，将会增加炉缸内的直接还原度，从而使焦比增加，这是高炉炼铁所不希望的。因此，高炉富氧有一定的限度，目前操作优越的高炉富氧率也只有6％～8%。

在高炉富氧鼓风的同时采用喷吹，炉缸煤气中CO和H2的浓度都增加，有利于间接还原的发展，同时，高炉下部热量必须与铁矿的间接还原度相匹配，不仅要保证有足够的间接还原区，同时必须保证有足够的温度。富氧大喷吹是当前炼铁生产所追求的先进技术之一，高炉大型化的发展，不仅对原料和焦炭质量的要求越来越严格，而且高炉喷煤率也受到严格的限制，目前大多数高炉的喷煤率都低于40%。

高炉使用金属化炉料也是减少焦比的重要措施。实践表明，炉料金属化率每提高10%（在0～50%范围内），不同条件下的生产率增长4％～7%，焦比降低5％～7%。也正是由于上述原因，目前国内正在规划建设的用于处理钢铁企业含铁粉尘的转底炉，其金属化球团产品都是作为高炉炼铁原料使用的。但由于受到金属化炉料生产技术的限制，高炉大规模使用金属化炉料的措施并没有被普遍推广应用。

因此，在目前高炉炼铁原燃料条件下，采用高风温和富氧喷吹等强化冶炼手段，大型高炉可将焦比降低到300kg/tHM左右，要进一步降低焦比，还存在许多难以克服的困难。

3低焦比高炉炼铁新工艺方案

实践证明，在高炉冶炼条件下，采用富氧喷吹有一定的限度，传统高炉更不能采用全氧冶炼。COREX工艺虽然采用全氧冶炼，但其生产率并不高，根本原因在于，虽然全氧熔炼速率很快，但受到上部竖炉铁矿还原速率的限制，对于一定产能的COREX熔融还原工艺，要求下部熔融气化炉的操作必须与上部的竖炉铁矿还原状况相匹配才能达到较好的综合技术经济指标。因此，结合现代各种炼铁技术的优点，笔者提出了一种低焦比高炉炼铁新工艺。

一般认为，COREX工艺的基本原理同传统炼铁高炉一样，只是将高炉从软熔带以上分为上下两个部分，上部为还原竖炉，下部为熔融气化炉，两者之间通过海绵铁下料管和煤气管道连接。COREX工艺的这种创新使其能够直接利用块矿和非焦煤来炼铁，但从能量利用和生产率等方面却并不优越于传统高炉。

结合传统高炉炼铁的优点和目前COREX工艺的实践，我们提出一种新的炼铁工艺，将COREX炉的上下两部分合并，取消中间的排料布料装置和拱顶，即相当于将COREX工艺的竖炉直接坐在熔融气化炉上，其设备内外形状类似于传统炼铁高炉，也就是在高炉风口吹纯氧，但在软熔带上部喷入800～900℃高温煤气，加强间接还原，这样既提高了高炉下部的熔炼效率，同时上部铁矿的间接还原并不依赖于下部产生的煤气，从而可以通过调节喷入煤气量和煤气温度，使上部炉料间接还原度满足下部快速熔炼的需要。这种创新工艺结合了传统高炉的优点，同时借鉴的COREX工艺的全氧冶炼，是传统高炉炼铁工艺的巨大技术进步。

本工艺可利用厂内部的焦炉煤气，或将干煤粉气化技术用于高炉炼铁，并相应改变高炉炼铁工艺的燃料结构，是一种高效环保型炼铁新技术，粉煤气化炉产生的高温煤气经与高炉输出的净化后的冷煤气混兑，使煤气温度达到800～900℃，经热旋风除尘后，将这种高温煤气从高炉炉身下部软熔带上部喷入高炉。使炉料到达软熔带时的金属化率达到80％～90%，高于普通高炉，从而可大大减轻高炉下部煤焦气化及直接还原的负担，这是实现低入炉焦比的重要条件。在使用焦炉煤气情况下，煤气要与净化炉顶煤气加热到750℃，接着通入10%的氧气使其部分燃烧，使温度迅速升到900℃，然后再喷入高炉炉身下部。

在喷入干煤粉加压气化炉制取的合成气工艺中，煤粉气化炉以纯氧为气化剂，与粉煤充分混合并进行燃烧与气化反应，煤粉可采用CO2作为输送介质，由于其本身是气化剂，可进一步提高有效气成分。也可采用N2作为输送介质，有效气成分中将增加少量N2成分。

4结论

尽管有些熔融还原炼铁工艺已实现工业化，但由于高炉炼铁技术的一系列优点，在可预见的将来，以焦炭为主要燃料的高炉仍是炼铁的主要流程，进一步优化高炉炼铁工艺仍是我们努力的主要方向。在目前高炉炼铁原燃料条件下，采用高风温和富氧喷吹等强化冶炼手段，已使高炉炼铁焦比降到较低的水平，进一步降低焦比存在许多困难。而采用全氧炼铁的COREX熔融还原工艺仍需要部分焦炭，对铁矿原料和煤的要求还比较严格，在生产率和能耗等方面仍有待于进一步提高。