全球直接還原鐵生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀與展望

全球直接還原鐵生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀與展望直接還原鐵（DRI）是鐵礦石在固態(tài)條件下直接還原為鐵，可以作為冶煉優(yōu)質(zhì)鋼、特殊鋼的純凈原料，也可作為鑄造、鐵合金、粉末冶金等工藝的含鐵原料。直接還原技術(shù)是氫冶金在煉鐵過(guò)程的應(yīng)用，經(jīng)研究，氫的還原潛能是CO的11倍，在礦石中的滲透速度是CO的5倍。因此，氫冶金的還原效率和速率大大高于碳冶金。該工藝不使用焦炭煉鐵，原料使用冷壓球團(tuán)，不用燒結(jié)礦，因此是一種優(yōu)質(zhì)、低耗、低污染的煉鐵新工藝，也是世界鋼鐵冶金的前沿技術(shù)之一。然而，因?yàn)橐蟮脑剂蠗l件高（礦石品位要大于66%,含SiO2+AI2O3雜質(zhì)要小于3%，煤中灰分要低等）、規(guī)模小、設(shè)備壽命短、生產(chǎn)成本高和某些技術(shù)問(wèn)題等原因，直接還原鐵生產(chǎn)在全世界的發(fā)展受到一定限制。但是，直接還原鐵技術(shù)的不斷發(fā)展使該技術(shù)的前景更為廣闊。全球DRI生產(chǎn)和市場(chǎng)大揭秘墨西哥。墨西哥HYL-SA公司從事直接還原鐵的生產(chǎn)、科研、開(kāi)發(fā)已有60多年的歷史，其在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中了積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)專(zhuān)利，并在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。HYL-SA公司在大工業(yè)生產(chǎn)中創(chuàng)造出HYL-ZR直接還原工藝，節(jié)省大量的純鎳和能源。HYL-ZR技術(shù)的出現(xiàn)，在世界上形成了兩大派系，即Midrex法和HYL-ZR法。兩種生產(chǎn)技術(shù)相互競(jìng)爭(zhēng)融合推進(jìn)了直接還原工業(yè)的發(fā)展。目前，采用HYL-ZR技術(shù)生產(chǎn)直接還原鐵的廠家有超過(guò)Midrex法的趨勢(shì)。特別值得一提的是，為了擴(kuò)大氣基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵的氣體資源，減少對(duì)天然氣的依賴(lài)，HYL-SA公司利用工業(yè)性、半工業(yè)性裝置，采用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)一年的試驗(yàn)，該法取得完全成功，為焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵提供了翔實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果和技術(shù)保證。美國(guó)。美國(guó)的直接還原鐵工業(yè)發(fā)展較為成熟，其近一半的鋼鐵產(chǎn)量是用直接還原鐵電爐煉鋼生產(chǎn)方式進(jìn)行生產(chǎn)的。其中，紐柯鋼鐵公司是世界上直接還原電爐煉鋼最先進(jìn)的生產(chǎn)廠家。美國(guó)鋼鐵公司的鋼產(chǎn)量占美國(guó)鋼材總產(chǎn)量的一半，紐柯和AK鋼鐵公司各占1/4。但是，紐柯和AK鋼鐵的粗鋼生產(chǎn)成本是美國(guó)鋼鐵公司的一半，其重要原因是兩廠采用直接還原電爐煉鋼短流程帶來(lái)了能源和資源的節(jié)約。美國(guó)鋼鐵公司的負(fù)責(zé)人表示，美國(guó)鋼鐵公司沒(méi)有充分利用本公司的氣體資源（天然氣、焦?fàn)t煤氣等），日后計(jì)劃用天然氣、頁(yè)巖氣生產(chǎn)直接還原鐵，改變目前被動(dòng)的局面。由于天然氣價(jià)格上漲，美國(guó)極力開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣，用頁(yè)巖氣生產(chǎn)直接還原鐵的工作正在大力開(kāi)發(fā)和推進(jìn)中。如果頁(yè)巖氣革命擴(kuò)展到全球，則直接還原鐵的產(chǎn)量將占全球鐵產(chǎn)量的16%，屆時(shí)年產(chǎn)量將達(dá)到2億噸，預(yù)計(jì)未來(lái)10年內(nèi)可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。另外，由于美國(guó)積極推進(jìn)直接還原電爐煉鋼工藝，大大改善了美國(guó)城市的生態(tài)環(huán)境。紐柯投資2.8億美元在路易斯安那州建設(shè)了一個(gè)年產(chǎn)能為250萬(wàn)噸的直接還原鐵廠，其直接還原鐵裝置已經(jīng)于2013年12月24日投產(chǎn)。印度。目前，印度的鋼鐵總產(chǎn)能為7500萬(wàn)噸/年，其中直接還原鐵產(chǎn)量為3500萬(wàn)噸/年，占世界直接還原鐵產(chǎn)量的1/3。印度的直接還原鐵生產(chǎn)工藝主要以煤基回轉(zhuǎn)窯工藝為主，但由于該工藝的設(shè)備能力小、設(shè)備龐大、環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題使其發(fā)展受阻。今后氣基豎爐工藝將得到長(zhǎng)足的發(fā)展。印度氣基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵同樣有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)歷史。印度京德勒西南鋼鐵公司（JSW）—套年產(chǎn)180萬(wàn)噸的還原鐵裝置至今已運(yùn)行13年，現(xiàn)在依然正常運(yùn)轉(zhuǎn)。印度的天然氣資源同樣短缺且價(jià)格昂貴，為了擴(kuò)大氣基豎爐的氣體資源，印度京德勒集團(tuán)鋼和能源公司（JSP）正在建設(shè)一套250萬(wàn)噸/年的Energiron直接還原鐵工藝裝置。該裝置采用焦?fàn)t煤氣作為還原氣源，從而減少了對(duì)天然氣的依賴(lài)，不久將投產(chǎn)。印度未來(lái)鋼鐵的發(fā)展方式可以概括為直接還原鐵+電爐煉鋼，而DRI主要以氣基豎爐的方式生產(chǎn)，氣基豎爐的還原氣源主要以焦?fàn)t煤氣、煤制氣、頁(yè)巖氣為主，以最大限度減輕對(duì)天然氣的依賴(lài)。印度未來(lái)的鋼鐵業(yè)將適度建設(shè)高爐流程的鋼鐵廠，增加焦?fàn)t煤氣產(chǎn)量，以滿(mǎn)足氣基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵的需要。一位印度氣基生產(chǎn)廠負(fù)責(zé)人認(rèn)為，用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵的能耗是用天然氣生產(chǎn)直接還原鐵能耗的1/10。阿聯(lián)酋。由達(dá)涅利總承包在阿聯(lián)酋鋼鐵公司（ESI）建設(shè)的兩套160萬(wàn)噸/年Energiron直接還原鐵裝置實(shí)現(xiàn)了與電爐煉鋼的整合，成為世界上規(guī)模最大、技術(shù)先進(jìn)的短流程鋼鐵廠。Energiron氣基豎爐直接還原裝置由單模塊20萬(wàn)噸/年發(fā)展到了160萬(wàn)噸/年，大大推動(dòng)了傳統(tǒng)鋼鐵廠生產(chǎn)DRI的進(jìn)程，保證了鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。ESI鋼鐵公司一期工程的DRI設(shè)計(jì)規(guī)模為160萬(wàn)噸/年，電爐設(shè)計(jì)能力為140噸/年。該裝置2009年11月投產(chǎn)到今生產(chǎn)穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。其二期工程完全復(fù)制一期工程的工藝，并于2011年5月26日通過(guò)設(shè)備性能考核試驗(yàn)。2011年底，ESI鋼鐵公司兩期工程全部形成生產(chǎn)能力。從2006年開(kāi)始，全球在建和已建的Energiron裝置總產(chǎn)能達(dá)到1255萬(wàn)噸，占全球氣基裝置總產(chǎn)能的48.5%，成為發(fā)展直接還原鐵工藝的驅(qū)動(dòng)力。馬來(lái)西亞。馬來(lái)西亞全國(guó)年粗鋼產(chǎn)量為300萬(wàn)噸~350萬(wàn)噸，由于東馬來(lái)西亞砂拉越州和西馬來(lái)西亞?wèn)|海岸盛產(chǎn)天然氣，因此選擇了氣基豎爐直接還原電爐煉鋼短流程鋼鐵生產(chǎn)工藝，其全國(guó)DRI年產(chǎn)量為200萬(wàn)噸左右，并取得了節(jié)能減排和生態(tài)環(huán)保的效果。馬來(lái)西亞丁加努州POWAJA型鋼廠原設(shè)計(jì)為60萬(wàn)噸/年的直接還原鐵裝置由日本某公司總承包，建成后由于技術(shù)問(wèn)題長(zhǎng)期不能投產(chǎn)，后經(jīng)過(guò)墨西哥HYL-SA公司4次改造升級(jí)，該裝置順利投產(chǎn)，并將產(chǎn)能由60萬(wàn)噸/年擴(kuò)大到90萬(wàn)噸/年。由此可見(jiàn)HYL—SA公司HYL—III技術(shù)的優(yōu)越性。設(shè)在沙巴的SABAGAS直接還原鐵廠采用Midrex工藝，年生產(chǎn)能力為60萬(wàn)噸，其DRI的質(zhì)量很好。1998年，鞍鋼向其購(gòu)買(mǎi)的5萬(wàn)噸熱壓鐵塊（HBI）在鞍鋼的180噸轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行代替廢鋼的試驗(yàn)，取得成功。中東國(guó)家。中東國(guó)家擁有豐富的天然氣資源，但缺乏煉焦煤，當(dāng)?shù)劁撹F工業(yè)主要采用電爐煉鋼工藝。然而，中東地區(qū)的廢鋼供應(yīng)有限，需要大量DRI作為電爐煉鋼的原料，所以中東地區(qū)的直接還原鐵工業(yè)得到快速的發(fā)展，整個(gè)中東地區(qū)DRI的年增長(zhǎng)率達(dá)到9.1%。其中沙特阿拉伯DRI的年增長(zhǎng)率高達(dá)10.2%，其2011年的產(chǎn)量達(dá)到580萬(wàn)噸，滿(mǎn)足了當(dāng)?shù)囟塘鞒屉姞t煉鋼原料的需求。2006年~2011年，伊朗DRI產(chǎn)量的年均增長(zhǎng)率為8.6%,2011年DRI產(chǎn)量增長(zhǎng)到1040萬(wàn)噸，新建直接還原鐵裝置的單模塊規(guī)模均為80萬(wàn)噸/年~160萬(wàn)噸/年。中東地區(qū)DRI生產(chǎn)均以天然氣為氣源，由于天然氣價(jià)格爆長(zhǎng)，廢鋼供應(yīng)短缺，中東國(guó)家都在尋求價(jià)格低、化學(xué)能高的氣體資源，各生產(chǎn)廠家和科研部門(mén)普遍鎖定在焦?fàn)t煤氣、煤制氣和頁(yè)巖氣上。構(gòu)建DRI技術(shù)發(fā)展路線圖通過(guò)以上全球鋼鐵工業(yè)發(fā)展方式的剖析不難看出，世界鋼鐵工業(yè)正沿著直接還原鐵工藝的方向前行。中國(guó)鋼鐵工業(yè)也應(yīng)該在這方面多加努力，應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。直接還原電爐煉鋼短流程將成為未來(lái)鋼鐵業(yè)的主流技術(shù)，傳統(tǒng)的鋼鐵流程將逐步被短流程代替，高爐煉鐵將被直接還原煉鐵取代。未來(lái)鋼鐵廠典型短工藝流程圖見(jiàn)附圖。未來(lái)煉鐵技術(shù)的發(fā)展方式可以概括為球團(tuán)+DRI，即鐵精礦100%生產(chǎn)球團(tuán)礦，用100%的球團(tuán)生產(chǎn)DRI，可以減少高爐煉鐵對(duì)焦炭的依賴(lài)，并化解高爐煉鐵高能耗、高成本、高污染的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)非燒結(jié)、非高爐、非焦煉鐵。未來(lái)煉鋼的發(fā)展方式可以概括為DRI（50%~100%）+電爐煉鋼，即用100%的直接還原鐵或50%的熱高爐鐵在電爐中煉鋼。印度的鋼鐵工業(yè)由于缺乏煉焦煤資源，優(yōu)先發(fā)展直接還原煉鐵，其DRI年產(chǎn)量達(dá)到3500萬(wàn)噸，高爐鐵為3500萬(wàn)噸~4000萬(wàn)噸。印度鋼鐵協(xié)會(huì)謀劃其發(fā)展方式為50%熱高爐鐵+50%DRI+電爐煉鋼短流程生產(chǎn)工藝，將鋼鐵長(zhǎng)流程與短流程緊密整合應(yīng)對(duì)鋼鐵技術(shù)的新挑戰(zhàn)。氣基豎爐直接還原裝置單模塊規(guī)模的不斷擴(kuò)大（由年產(chǎn)20萬(wàn)噸發(fā)展到160萬(wàn)噸、250萬(wàn)噸，挑戰(zhàn)300萬(wàn)噸）意味著直接還原技術(shù)具有挺進(jìn)大型傳統(tǒng)鋼鐵企業(yè)的可能性。目前，高爐煉鐵的長(zhǎng)流程仍占主導(dǎo)地位，但直接還原煉鐵短流程在天然氣資源充足的國(guó)家和地區(qū)發(fā)展迅速。但受天然氣價(jià)格上漲的制約，尋找大量的高化學(xué)能氣體資源代替天然氣成為DRI生產(chǎn)的重要課題之一。其中的一個(gè)方法是，在天然氣短缺的地區(qū)，高爐煉鐵煉焦過(guò)程中產(chǎn)生的大量高化學(xué)能焦?fàn)t煤氣可為DRI生產(chǎn)提供還原氣資源。我國(guó)鋼鐵業(yè)發(fā)展方式不平衡，高爐煉鐵和轉(zhuǎn)爐煉鋼的產(chǎn)能占99.9%。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)焦?fàn)t煤氣的年發(fā)生量可達(dá)到1500億立方米，而焦?fàn)t煤氣中含氫62%，是高化學(xué)能的還原劑，可作為煉鐵過(guò)程的原料（氫冶金的原料）。我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)中的焦?fàn)t煤氣全部用作燃料或發(fā)電等用途，如果將焦?fàn)t煤氣全部或部分用于生產(chǎn)DRI，將大大推動(dòng)我國(guó)直接還原電爐煉鋼短流程的進(jìn)步和發(fā)展。因此，我國(guó)未來(lái)鋼鐵業(yè)發(fā)展方式可以是高爐煉鐵長(zhǎng)流程+焦?fàn)t煤氣直接還原電爐煉鋼短流程相結(jié)合的整合流程。此外，用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵將提高煉鐵裝備的效率，減少煉鐵過(guò)程