氢气竖炉直接还原技术探讨范文

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《现代冶金杂志》2015年第一期

1氢气竖炉直接还原工艺处理钒钛矿

1.1传统钒钛矿处理工艺存在的不足目前钒钛矿传统处理工艺分为高炉法和非高炉法。（1）高炉冶炼钒钛矿资源存在以下不足：流程长、系统庞大、工艺复杂、必须使用焦炭；工序能耗高，生产成本昂贵，大气污染物排放量大、环境污染严重；在高炉冶炼条件下，炉渣、铁液粘稠度大，流动性差，冶炼难度加大；钒钛矿冷态强度和低温还原粉化性能差，无法满足冶炼要求；钛资源无法进行回收，导致大量丢弃或填埋，对周边环境造成严重污染（特别是地下水系统）。（2）非高炉冶炼钒钛矿资源存在以下不足：单机生产规模小，单台设备最大能力25万吨/年；还原剂中的灰分进入钛渣中导致钛渣品位降低；钛资源仍未得到有效利用。

1.2氢气竖炉直接还原工艺特点氢气竖炉直接还原工艺处理钒钛矿资源的工艺流程为：原料处理→氧化球团→氢气竖炉直接还原→熔分提钛→转炉提钒。氢气竖炉直接还原工艺处理钒钛矿的产品为高品质铁水、富钛产品以及富钒产品。（1）高品质铁水可以作为铸造或炼钢的生产原料。（2）富钛产品是目前世界上主要的富钛料之一，主要用于生产钛白粉、海绵钛等，而钛白粉、海绵钛等产品被用于油漆、涂料、钛合金等产品的生产，最终用于航空航天、化工冶金、能源电力、船舶和海洋工程、汽车、建筑、体育用品等行业。富钛原料的生产、供应与国民经济的方方面面紧密相连，在国民经济发展中处于非常重要的地位。（3）富钒产品可作为五氧化二钒、钒铁等产品的生产原料。钒具有众多优异的物理性能和化学性能，用途十分广泛，有金属“维生素”之称。随着科学技术水平的飞跃发展，人类对新材料的要求日益提高。钒的应用越来越广泛，涵盖了钢铁工业、航空航天、化学、电池、颜料、玻璃、光学、医药等众多领域。氢气竖炉直接还原工艺能够100%使用钒钛矿作为原料；产品为富钛产品、富钒产品以及优质铁水，其中钛渣品位＞55%，钒渣品位＞20%，均可作为后续钒钛深加工原料使用，实现了钒钛矿中钒、钛、铁资源的综合回收利用；与传统钒钛矿处理工艺相比工艺流程短，能耗低、环境污染小，无固体废弃物排放；整个工艺过程CO2减排25%以上，也可以实现零排放，NOx、SO2、粉尘减排90%以上，能耗降低15%以上，提高了资源利用效率，节能环保效益显著。

2氢气竖炉配套还原气制备

目前，国际上气基竖炉所用还原气多为天然气，大部分的气基竖炉项目都建设在南美、中东和印度等天然气资源丰富且价格低廉的地区。但中国的资源特点为“缺油、少气、富煤”。天然气在中国的储量极为有限，且当前主要用于满足民用和化工产业使用，价格较贵。在中国用天然气作为气基竖炉还原气生产直接还原铁不仅气源不足，成本也高。这也是长时间以来制约气基竖炉直接还原技术在中国大规模推广的限制因素。中国煤炭资源储量十分丰富。据统计，截止至2013年，中国已探明煤炭资源储量达14.8万亿吨。煤炭资源中优质的焦煤资源多用于焦化厂的炼焦生产。在炼焦过程中，会产生大量的焦炉煤气。据统计，2013年中国焦炭产量为4.76亿吨，产生焦炉煤气量1900亿m3。按照45%自用，则可对外提供焦炉煤气1000亿m3。中国焦化厂分为两类：一类是设于钢铁厂内的焦化厂；另一类是独立焦化厂。前一类焦化厂的焦炉煤气大部分用于厂内工业炉窑加热炉使用，剩余部分用于厂内锅炉或发电。后一类独立焦化厂产生的焦炉煤气大多被放散，造成了严重的资源浪费及环境污染。煤炭资源中的低阶劣质煤目前多通过配煤技术或净化分离技术之后作为燃料使用，在燃烧过程中会产生大量SO2、CO2、粉尘等污染物，对环境造成不利影响。冶金设计院针对中国资源特点，研发出了适用于氢气竖炉直接还原工艺的焦炉煤气制备还原气技术以及低阶煤制备还原气技术。还原气供应稳定、成本低，打破了国际上采用天然气制备原料气的常规，解决了中国天然气资源短缺的问题，使气基竖炉直接还原技术在中国大规模的建设成为可能。目前，由冶金设计院总承包，以焦炉煤气为还原气制备原料的“中晋太行矿业有限公司30万t/a焦炉煤气制还原铁项目”已在山西中晋太行开工建设。这是全球第一条使用焦炉煤气为还原气制备原料的气基竖炉直接还原生产线。由冶金设计院设计的以低阶煤为还原气制备原料的“钒钛海砂矿资源综合利用项目”拟于青岛、连云港等地投入建设。

3氢气竖炉直接还原技术推广前景

20世纪中期以来，随着世界能源结构的调整和钢铁生产技术的不断发展和完善，发达国家都把非高炉炼铁工艺作为钢铁工业的一次革命，放在较高的战略位置去考虑。中国的钢铁工业也应在新技术开发上进行改革性、超前性的研究。气基竖炉直接还原铁技术作为新兴的、开拓性的技术之一，可有效地克服高炉炼铁投资大、能耗高、流程长等缺点，能更好地适应现代钢铁企业不断向紧凑化、高效化、连续化、高洁净化及对环境友好方向发展的趋势，必将成为钢铁生产技术的重要发展方向。

3.1氢气竖炉直接还原工艺处理传统铁矿石前景氢气竖炉直接还原工艺处理传统铁矿石的产品直接还原铁是解决废钢不足的重要途径，是废钢残留元素的稀释剂，是电炉冶炼高品质纯净钢、优质钢不可或缺的控制残留元素的原材料；是装备制造业生产石油、合成化工、核设施等装备不可缺少的原材料；是转炉炼钢最好的冷却剂。以直接还原铁为冷料用于转炉生产可提高转炉冷料的使用量，有利于提高转炉作业率和产量，有效提高转炉生产的热利用率。中国是钢铁生产大国，根据全球钢铁生产统计数据。2013年，中国以7.79亿t的粗钢产量位居世界第一，占全球粗钢产量的48.5%，比2012年增长了7.5%。按世界直接还原铁产量占粗钢产量的5．5％计算，中国直接还原铁的年产量应超过4000万t。同时，中国废钢资源短缺，特别是对优质废钢的需求，更是供不应求，进口废钢铁价格及进口海绵铁价格居高不下，都为中国直接还原铁产业的发展提供了一个广阔的应用市场和新的机遇。国外发展经验表明，气基竖炉直接还原法是迅速扩大直接还原铁生产的有效途径。气基竖炉还原具有还原速度快、产品质量稳定、自动化程度高、单机产能大等优势。

3.2氢气竖炉直接还原工艺处理钒钛矿前景近年来，随着中国钢产量的逐年递增，国内铁矿石原料供应的缺口也在不断增大，导致国内外铁矿石价格暴涨。在亚太地区，如日本、菲律宾、印度尼西亚、澳大利亚、新西兰存在一种储量大、易于采选且价格低廉的钒钛海砂矿，成为近年来国内钢铁企业开发和进口的廉价铁矿资源之一。2013年，中国钒钛资源年处理量约3000万t，钒资源回收率47%、钛资源回收率约14%。发改产业[2012]2346号文《钒钛资源综合利用和产业发展“十二五”规划》—中指出，“规划”发展的目标是钒钛资源利用水平显著提高，明确钒钛矿、钛铁矿、含钒石煤中钒资源综合利用率和钛资源回收率；自主创新实现新的突破，在高端产品研发、生产和应用上有重大进展，高档产品比例大幅提升；节能减排取得明显进展，减少废物产生量和排放量，提高废物回收利用率。氢气竖炉直接还原工艺处理钒钛矿能够100%使用钒钛矿作为原料；采用清洁的还原气作为还原剂，产品纯度高（钛渣品位＞55%，钒渣品位＞20%），可作为后续钒钛深加工原料使用，实现了钒钛矿中钒、钛、铁资源的综合回收利用；采用熔分提钛转炉提钒工艺，有利于渣铁分离，提高了金属收得率（钛、钒、铁回收率分别达到95%、75%和90%以上）；与传统钒钛矿处理工艺相比工艺流程短，能耗低、环境污染小，无固体废弃物排放；整个工艺过程CO2减排25%以上，也可以实现零排放，NOx、SO2、粉尘减排90%以上，能耗降低15%以上，提高了资源利用效率，节能环保效益显著。

4结束语

江苏省冶金设计院研发的氢气竖炉直接还原铁技术不但可以处理传统铁矿石资源，还可处理钒钛矿资源，实现钒钛资源的综合利用。该技术在中国乃至全世界均具有广阔的推广前景，其工业化应用必将开启中国气基竖炉直接还原技术的新纪元。

作者：雷华单位：江苏省冶金设计院有限公司