最新 |直接还原技术与国内现状
直接还原技术
直接还原铁(DRI)是铁矿在固态条件下还原为金属铁,可用作冶炼优、特钢的纯净原料,也可作为铸造､铁合金､粉末冶金等工艺的含铁原料｡直接还原工艺不用焦炭，原料可使用冷压球团、球团块或块矿，不用烧结矿，是一种优质､低耗､低污染的炼铁新工艺，也是全世界钢铁冶金的前沿技术之一｡其产品主要有：CDRI（冷却到环境温度的球团状直接还原铁）；HBI（还原铁压块，钝化后易于运输和储存）；HOT DRI在550~750 ℃产出并直接装入电炉炼钢。
直接还原主要分为煤基直接还原与气基直接还原两大类。具体工艺流程如图1所示。
图1 直接还原工艺流程
根据主体设备以及气源制备方式的不同，又可以分为数十种，具体工艺及市场占有情况分别如图2、3所示。
图2 直接还原工艺分类
图3 不同工艺的DRI产量分布
鉴于气基直接还原占DRI总产量75.8%(Midrex占60.5%，HYL/Energiron占13.2%，PERED占2.1%)；煤基回转窑法约占总产量24%；其他方法仅占0.2%。下面主要对气基直接还原的几种主要工艺进行阐述。
Midrex技术
Midrex法是竖炉法的典型代表，由美国Midrex公司创立和发展，其工艺反应流程如图4所示。铁矿石从竖炉顶部装料，矿石在炉内还原，还原后的铁从炉底排出。还原性气体从炉体中部的喷嘴吹入，反应后从炉顶逸出。在炉子下部有循环冷却气体来冷却还原铁。炉体进出口均有动态密封装置，可连续装料和出料。产生的金属铁和脉石的混合物统称为海绵铁（DRI）。
该流程主要包括还原气制备、还原竖炉和余热回收3部分｡①还原气制备：净化后CO+H2约70%的炉顶气加压送入混合室,与当量天然气混合送入换热器预热,后进入1100℃左右有镍基催化剂的反应管进行催化裂化反应,转化成4%~36%CO､60%~70%H₂､3%~6% CH₄和870℃的还原气；②还原竖炉：断面呈圆形,分为预热段､还原段和冷却段｡炉料在800℃以上的还原段停留4~6h（总时间10h左右），竖炉操作压力0.2~0.3MPa；③余热回收：可以直接回收炉顶气的余热，降低能耗，到达节能减排的目的。同时余热回收系统可以提高整个炉体的效率。炉顶气经过净化加压进入余热回收装置，回收后的余热通过换热器可以加热助燃空气和还原性气体。
图4 MIDREX 工艺反应流程
此外，根据还原气输送方式的不同，又逐渐衍生出Arex法、MXCOL法与 MIDREX H₂法等。①Arex法: 是Midrex法的新改进,天然气被氧气(或空气)部分氧化后送入竖炉,利用新生热海绵铁催化裂化，省去了还原气重整炉，改进后吨铁电耗可降低50kWh；②MXCOL ：则可以应用任何来源的合成气，包括煤气化炉及焦炉煤气非催化部份氧化重整技术的改进，典型工艺见图5；③MIDREX H₂：全氢竖炉还原技术。目前安赛乐米塔尔位于德国汉堡的分公司计划建设10万吨/年的全氢竖炉还原工厂；欧洲ULCOS Hydrogen-based steelmaking工艺中，氢气竖炉直接还原的 碳排放几乎为零，若考虑电力产生 的碳排放，全流程CO₂排放量仅有 300 kg/吨钢，与传统高炉-转炉流程1850 kg/吨钢的CO₂排放相比减少84%，见图6。
图5 MXCOL技术典型应用案例：
印度JSW钢厂使用焦炉煤气重整技术；Jindal钢厂煤制气
图6 欧洲ULCOS Hydrogen-based steelmaking工艺流程
目前全世界有将近100座 Midrex气基竖炉在运行，单座最大产能可达2.5Mt/年，位于阿尔及利亚Oran和Bellara地区，分别于2018年和2021年建成投产，均采用天然气重整技术。
HYL-III(竖炉)技术
HYL-III最早由Hylsa公司在墨西哥蒙特利尔开发成功。1979年，新研制成功的HYL-III法已由一座竖炉取代了四座反应罐，能够连续生产，不仅产量高，而且可以使用天然气，煤和油的气化或焦炉煤气，可以使用球团或块矿，产品海绵铁质量稳定，可直接加入电炉，不需要再筛分或压块。典型工艺流程见图7。
图7 HYL-III工艺流程
该工艺的特点：由1座连续式竖炉和1座还原气重整炉构成，将还原气重整转化与气体加热合一；采用高氢还原气，高还原温度(900~960℃)和0.4~0.6 MPa高压作业，还原时间通常大于10h；含硫气不通过重整炉，延长了催化剂和催化管使用寿命；还原和冷却作业分别控制，能对产品金属化率和含碳量进行大范围调节，产品平均金属化率90.9%､控制碳量1.5%~3.0%，质量稳定；配置CO₂吸收塔，选择性地脱除还原气中H₂O和CO₂，提高还原气利用率；重整炉产生高压蒸汽发电，最低生产能耗为10.43~11.2GJ/t, 电耗90kWh/t｡
ENERGIRON ZR (零重整)技术
ENERGIRON是特诺恩希尔公司、得兴公司和达涅利公司联合组建的品牌，以打通直接还原、电炉炼钢、连铸连轧工艺。ENERGIRON ZR技术是在HYL-ZR基础上建立的气基直接还原工艺，典型工艺流程见图8。
该工艺的特点是还原气的选择具有高度灵活性，可以使用天然气、煤制气或焦炉煤气等；原料适应性好，对S含量要求不严；在加热器和竖炉之间注入氧气以提高还原气体可用化学能，提高还原效率；能效高，气耗较低，约为9.5GJ/t；不需要煤气重整炉，还原气可在还原反应炉内依靠金属铁的催化作用进行自重整；竖炉内的操作压力高，约为0.6~0.8MPa；增加了CO₂分离系统，显著降低了CO₂排放量，有数据显示，采用Energiron 工艺的DR-EAF 流程比传统的BF-BOF 流程CO₂ 减排40%~60%。
图8 ENERGIRON ZR工艺流程
我国直接还原发展现状
目前，中国国内山西、内蒙、山东等地有多家公司已建或在建直接还原项目主要有：
山东墨龙熔融还原项目
山东墨龙集团于2012年将澳大利亚力拓HIsmelt工艺（澳大利亚CRA和Midrex公司合资开发Hismelt）装置从奎那厂搬迁至山东墨龙，60万吨规模，经改造后于2016年年底投产运行。采用回转窑预热预还原+熔融还原炉（SRV）工艺，工艺流程见图9。改造后的矿粉预热系统采用两级回转窑预热工艺，烘干回转窑的出料温度为80~100℃；预还原回转窑采用50%煤+50%熔融还原炉（SRV）煤气加热铁矿粉，温度达到750℃以上，物料的还原度达到15%以上。
图9 Hismelt熔融还原炼铁工艺流程
河钢120吨直接还原项目
2019年11月22日，河钢集团与意大利特诺恩集团（tenova）签署谅解备忘录（MOU），商定双方在氢冶金技术方面开展深入合作,利用世界最先进的制氢和氢还原技术，并联手中冶京诚共同研发、建设全球首例120万吨规模的氢冶金示范工程。
该工程采用意大利特诺恩集团(tenova)的Energiron-ZR（零重整）技术（图8）。一期60万吨采用焦炉煤气做还原气，计划2021年底投产；二期60万吨将采用风能、太阳能等可再生能源进行电解水制氢做还原气。未来，河钢规划在宣化、唐山、邯郸等地建设总计年产300万吨的氢冶金项目。
京华日照钢铁50万吨直接还原项目
2020年5月8日，京华日钢控股集团与中国钢研签订了《年产50万吨氢冶金及高端钢材制造项目合作协议》，启动氢冶金项目，该项目计划利用氢气作还原气年产50万吨直接还原铁，氢气从以天然气为原料生产醋酸乙烯的共生产品中提取出来的。
山西中晋太行30万吨直接还原项目
中晋太行矿业有限公司年产30万吨氢基还原铁项目于2017年8月24日开工，历时30个月的有效施工期，在2020年12月20日，山西中晋太行通过引进创新、整合集成，采用具有自主知识产权的CSDRI（气基竖炉直接还原）技术，建成了30万吨的全球首套焦炉煤气干重整制合成气生产直接还原铁的氢冶金项目开始热试，加热炉由国内燕山大学研究。CSDRI工艺流程如图10所示。
图9 中晋CSDRI工艺流程
干重整技术是将焦炉煤气中CH₄与CO₂进行重整反应，制取CO+H₂还原气，不需要消耗蒸汽/氧气的最新重整技术。从焦化工区来的焦炉煤气经加压到0.8MPa后送入重整工区净化工段，依次脱除萘、焦油、无机硫、有机硫等杂质；进入重整工区的转化系统，进行重整反应，制成合格的还原气(CO＋H₂)≧90%，H₂与CO比值不小于1.8；在850~950℃、0.2MPa工况下进入气基竖炉，与炉内的氧化球团进行气固相反应，生成直接还原铁(DRI)经冷却后从竖炉底部排出，送入成品库。竖炉顶部出来的炉顶气经洗涤冷却后返回到重整工区，循环利用。
建龙集团内蒙古赛思普公司30万吨直接还原项目
建龙集团内蒙古赛思普科技有限公司（简称赛思普）氢基熔融还原法高纯铸造生铁项目启动建设年产30万吨的氢、煤混合熔融还原法（Hismelt，首钢国际与山东墨龙）生产高纯铸造生铁项目，氢将通过焦炉煤气分离获得，赛思普工艺是建龙集团联合北京科技大学等科研单位在借鉴国内外众多非高炉炼铁技术的基础上，开发出的第一代氢基熔融还原赛思普新工艺。
湛江钢铁100万吨直接还原项目
2021年7月，中国宝武宣布2021年三季度将在湛江钢铁开工建设（一期）1座百万吨级、具备全氢工艺试验条件的氢基竖炉直接还原示范工程，可按不同比例灵活使用焦炉煤气、天然气和氢气。湛江二期计划再建设1套百万吨级氢基竖炉工程，未来逐步采用可再生能源发电-高效水电解生产的绿色氢气，目标是氢气比例达到80%~90%。该直接还原技术采用HLY希尔工艺，建设周期2年，预计2023年投产。
据统计，（高炉-转炉）BF-BOF长流程、全废钢电炉冶炼、气基DR+废钢-EAF短流程、煤基DR +废钢-EAF短流程的CO₂排放分别为1.815t/t钢、0.4t/t钢、1.45t/t钢、2.56t/t钢。可见，高炉使用直接还原铁后可大幅提高生产效率，减少CO₂温室气体排放，未来将可能有更多的钢厂考虑在高炉中使用热压块并作为常态。中国高炉—转炉长流程占主导地位，高炉炼铁面临碳排放、能耗、成本压力巨大，加快研究高效低成本适合中国国情的直接还原铁技术迫在眉睫。中国直接还原铁的发展首要问题是能源，气基竖炉直接还原工艺作为非高炉炼铁技术发展的主要方向，大型煤制气工艺的经济性是当前决定中国直接还原新工艺成功的关键。
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