气基竖炉直接还原工艺和煤基竖炉直接还原工艺的综合比较

气基竖炉直接还原工艺和煤基竖炉直接还原工艺的综合比较

一、直接还原工艺的概述

目前采用直接还原工艺生产的直接还原铁，能够作为电炉和转炉的原料的直接还原工艺有四种：气基竖炉、煤基竖炉、回转窑和隧道窑，这些工艺的主要优缺点说明如下：

气基竖炉工艺：气基竖炉直接还原工艺主要有两种：MIDREX工艺、HYL/ENERGIRON工艺，不管是采用天然气或是焦炉煤气或是煤制煤气作为气源，这些气基竖炉工艺的主要优点在于规模大（年产量最高可达到250万吨）、生产稳定可靠、产品质量好；主要缺点在于由于还原气的制备工艺非常复杂，使得整个气基竖炉工艺的总投资很高、生产成本也高；

回转窑工艺：主要优点在于业绩多、产品质量较好；主要缺点在于规模小（年产量最高可达到15-20万吨）、结圈问题是一个世界难题很难解决、能耗高、生产成本高、维护难度大、作业率低、包括锅炉和发电在内的总投资也高；

隧道窑工艺：主要优点在于产品质量较好；主要缺点在于规模太小（单条生产线年产量最高可达到3万吨）、能耗高、工作环境恶劣、劳动强度很大、生产成本很高；

煤基竖炉工艺：该工艺是近几年开发和推广的新工艺，主要优点在于规模大（目前年产量最高可达到120万吨）、环保好、生产稳定可靠、产品质量高、生产成本低、自动化程度高；主要缺点在于目前规模化生产的业绩少。

二、气基竖炉直接还原工艺的简介

目前气基竖炉直接还原工艺投入商业生产的工艺主要是MIDREX工艺和HYL/ENERGIRON工艺，这两种工艺主要以天然气作为还原气的气源。

2018年世界的DRI产量为1.0049亿吨，其中采用MIDREX工艺的产量占总产量的63.5%,HYL/ENERGIRON工艺占15.5%。

目前针对天然气匮乏然而煤资源又相对丰富的情况，很多研究机构和企业在开发和进行煤制煤气气基竖炉工艺及焦炉煤气气基竖炉工艺的工业试验和项目建设，但是到目前为止，采用煤制煤气和焦炉煤气作为还原气气源、且长期稳定生产的项目几乎还没有。

1、MIDREX工艺的基本情况

MIDREX工艺的基本工艺流程如下：

MIDREX工艺的基本特点有：

(1) 工艺成熟，生产规模大，产能约占全球DRI总产量的63.5%；

(2) 含CO2的炉顶煤气70%返回重整炉，煤气循环利用率高，CO2排放低；

(3) 竖炉低压（0.2-0.3MPa）运行，煤气加压电耗低；

(4) 竖炉内设置有疏松设备。

MIDREX工艺基本现状：全世界共有78套MIDREX竖炉在运行，2018年DRI产量达6381万。产量最高的2.5 Mt/a装置有两套，分别在2018年和2019年在阿尔及利亚投产。

2、HYL/ENERGIRON工艺的基本情况

HYL/ENERGIRON工艺的基本工艺流程如下：

 

HYL/ENERGIRON工艺的基本特点有：

(1) 工艺成熟，生产规模大，产能约占全球DRI总产量的15.5%；

(2) 炉内压力（0.5-0.9MPa）大，富氢煤气还原温度高，还原速度快；

(3) 煤气含氢高，炉料不发生结块，炉内没有活动部件；

(4) 竖炉外不设置重整炉。

HYL/ENERGIRON工艺的基本现状：全世界共有29套HYL/ENERGIRON竖炉在运行，世界上产量最高的2.5 Mt/a直接还原装置2013年在美国纽柯公司投产。

3、煤制气气基竖炉工艺的基本情况

印度京德勒钢和能源公司（JSPL）2013年8月建成了年产180万吨DRI的煤制气气基竖炉，采用鲁奇的煤气化炉通过高压蒸汽和氧气进行气化生产还原气，然后和MIDREX工艺的竖炉相结合，MISREX竖炉主体高128m，原料为球团，品位64.2%，煤耗850kg（固定碳仅为40%），生产中不使用天然气。据了解，该项目由于生产成本高和设备故障多，断断续续在进行生产。该套装置建成后，在世界各地再没有煤制气气基竖炉项目的建设和投产。

目前由东北大学牵头、多方参与的煤制气气基竖炉工艺正在进行积极的准备，并将开展2万吨的工业试验，建设该煤制气气基竖炉直接还原生产线，目的在于形成自主知识产权的气基竖炉直接还原集成关键技术，填补我国相关技术空白，

建设我国第一个气基竖炉直接还原-电炉短流程精品钢生产示范工程。

该工艺的基本流程如下：

 

4、焦炉煤气气基竖炉工艺的基本情况

山西中晋太行矿业有限公司引进了德国MME公司的气基还原铁PERED工艺包，采用中国石油大学（北京）的干重整技术，历经10年的国产化技术探求，解决了一系列制约气基还原铁技术工程转化的技术难题，完成了全部技术转化与工程设计工作。中国第一套30万吨/年焦炉煤气制直接还原铁工业化试验装置于2017年8月24日全面开工建设，预计2020年全面建成投产。

该工艺的基本流程图如下：

 

 

该项目年产DRI 30万吨，总投资7.85亿元；

该项目吨产品消耗焦炉煤气600m3，吨产品的还原气输入量为1600-1800m3；

铁精粉精选采用一磨三选工艺进行富选提铁降杂，将铁精粉矿品位提到69%以上，-200目占85%以上铁精粉作为制备氧化球团的原料；

球团造球选用链-回-环工艺，对选矿后的高品位铁精矿粉进行造球焙烧处理，确保入炉球团指标达到气基还原要求；

竖炉内关键的4套设备（均流器、松料器、上料溜管、配料器）采用德国MME专利产品，核心设备热压机、水淬槽、热振筛、垂直提升机也采用了进口设备。

5、气基竖炉的优势

目前已经投入商业化生产的MIDREX和HYL/ENERGIRON这两种气基竖炉工艺具有如下优势：

1）两种工艺的最大生产规模均达到了250万吨/年，不仅技术成熟，而且工程业绩均很多；

2）两种工艺生产的DRI质量均很好，与铁水和废钢的成分比较如下：

 

6、气基竖炉存在的问题

 气基竖炉直接还原工艺中，不管是已经投入商业化生产的MIDREX工艺和HYL/Energiron工艺，还是尚在进行工业试验的煤制气气基竖炉和焦炉煤气气基竖炉工艺均存在工程投资和生产成本均较高等问题。

6.1 气基竖炉的投资

投资很高是目前气基竖炉存在的主要问题之一：

1）2013年底在美国纽科钢铁公司建成了年产250万吨的HYL法竖炉车间，总投资7.5亿美元，折合吨产品投资2100元人民币；

2）2016年在美国休斯顿建成了年产200万吨的MIDREX法竖炉车间，总投资5.5亿欧元，折合吨产品投资2145元人民币；

3）正在山西建设的年产30万吨的焦炉煤气气基竖炉车间，总投资7.35亿元人民币，折合吨产品投资2450元人民币；

4）辽宁年产2万吨的煤制气气基竖炉车间，总投资约6000万元人民币，折合吨产品投资3000元人民币。

气基竖炉工艺的投资高，主要在于制备合格的还原气的要求高（CO+H2≥90%、H2/ CO≥1.5、温度950-1000℃、1800Nm3/tDRI），带来投资大幅度提高，另外处理炉顶排放煤气（脱水、降温、除尘、脱除二氧化碳等）的装备投资也较高。

6.2 气基竖炉的生产成本

尽管MIDREX工艺和HYL/ENERGIRON工艺利用天然气生产DRI的地区，天然气都很便宜，一般情况下其单价仅为我国的十分之一到三十分之一，还由于这些地区的电费通常只有我国的二分之一甚至更少，再加上烧结+焦化+高炉+转炉的长流程工艺在国外的建设投资、人工成本、备件费用等方面均很高等原因，造成国外的DRI+废钢+电炉的短流程工艺在生产成本和工程投资上均具有明显优势，使得国外的短流程炼钢比例逐年上升，美国电炉炼钢比已达70%。

但是尽管如此，气基竖炉工艺本身的生产成本与煤基竖炉工艺比较还是高的，特别是煤制气气基竖炉和焦炉煤气气基竖炉的制气成本更高一些，原因在于：

1）气基竖炉需要制备合格的还原气的要求高（CO+H2≥90%、H2/ CO≥1.5、温度950-1000℃、1800Nm3/tDRI），其还原气输入量高达1800Nm3/tDRI，其中1350Nm3的还原气是由消耗700kg煤或600Nm3的焦炉煤气制备而来，根据经验制备费用的单价高达0.8-0.9元 /Nm3，这样包括煤或焦炉煤气在内的该部分还原气的制备费用就将达到1080-1215元/tDRI；

2）还有450Nm3/tDRI的炉顶排放煤气需要经过脱水、降温、除尘、脱除二氧化碳等处理，其生产成本0.1-0.2元 /Nm3，这部分生产成本将达到45-90元/tDRI；

3）另外氧化球团的成本1000-1050元/tDRI、电水等能源介质的成本30-40元/tDRI，人工、福利、折旧及维护的成本160-170元/tDRI；

4）这样煤制气气基竖炉总的不含税生产成本达到2315-2565元/tDRI，含税生产成本高达2616-2898元/tDRI。

5）焦炉煤气气基竖炉采用了焦炉产生的焦炉煤气作为制备还原气，由于焦炉煤气是焦炉的副产品，其单价取值较低（消耗量600 Nm3/tDRI、单价0.6元/ Nm3），这样推算焦炉煤气气基竖炉工艺的含税生产成本为2450-2670元/tDRI.

MIDREX公司采用鲁奇的煤气化炉通过高压蒸汽和氧气进行气化生产还原气，然后和MIDREX工艺的竖炉相结合，在印度建设了年产180万吨的DRI工厂。2016年该公司为我国内蒙古一家公司完成了煤制气气基竖炉生产DRI的工程项目可研报告，根据该报告的原燃料和能源介质的消耗，结合现在的单价计算出了煤制气气基竖炉的生产成本，见下表。

煤制气气基竖炉各种消耗及生产成本汇总表
序号	项目	单位,/tP	不含税单价	气基竖炉
			2019.7	用量	总价
一、原料消耗
1	氧化球团（TFe，65%）	kg	0.95	1350	1283
2	煤	kg	0.80	700	560
二、动力消耗
3	氧气	Nm3	0.7	250	175
4	氮气	Nm3	0.25	150	37.5
5	电	kWh	0.56	160	89.6
6	新水	m3	2.6	4	10.4
7	天然气	m3	2.9	0.36	1.04
8	蒸汽	kg	0.2	700	140
9	压缩空气	Nm3	0.1	20	2.0
三、其它
10	工资及福利				25
11	维修费				20
12	折旧费				160
13	其他费用				10
四、回收费用
14	硫磺	kg	1.5	3	-4.5
		总计（不含税）			2509

 

6.3 气基竖炉的生产操作

气基竖炉工艺主要由造球系统、加料系统、还原气制备系统、竖炉系统、排料系统、煤气处理系统和公辅系统组成，其中在生产操作上最难操作和控制的是还原气制备系统，原因在于：

1）该工艺对还原气的成分和温度要求十分严格，还原气组分H2+CO≥90%、且H2/CO≥1.5，并且还原气的温度需要加热到950-1000℃，如果是煤制煤气或焦炉煤气，还需要设置脱苯、脱油、脱硫等装置，这使得还原气的制备装置非常复杂，装置越复杂，对生产操作的要求越高，这样对操作人员的要求也越高，同时检修维护的难度也越大；

2）该工艺在实际生产中采取有效措施避免析碳反应和金属尘化腐蚀，这也给装置上提出了更高的要求，同时在生产操作上需要严格加以有效的控制和管理。

三、COSRED煤基竖炉直接还原工艺的简介

武汉科思瑞迪科技有限公司是目前国内外唯一的一家长期从事煤基竖炉工艺的研发和推广、拥有工程业绩和工试基地的专业化科技公司，该公司在长期的研究开发、工业试验和实际生产中形成了拥有煤基竖炉工艺自主知识产权的COSRED直接还原工艺（以下简称COSRED工艺）。

COSRED工艺是武汉科思瑞迪科技有限公司基于多年的直接还原铁生产经验，于2005年发明的新型直接还原技术。经过科思瑞迪研发人员十多年的不懈努力和反复摸索、改进和迭代，先后经历了小型工业试验、中型工业试验和大型工业试验的开发实践，最终实现了装备的工业化运行。

COSRED工艺成功地解决了其它煤基直接还原工艺无法实现大型规模化生产的问题，并且能够确保产品质量的稳定性，能够持续为钢铁企业提供大量的、稳定的、合格的直接还原铁产品。

目前，国内外已有多条COSRED工艺生产线建成投产。我公司业已具备年产5万吨、10万吨、15万吨、20万吨、30万吨、50万吨及100万吨以上规模的完整生产线的设计、制造、安装、调试及生产能力。

目前武汉科思瑞迪科技有限公司针对COSRED工艺获得国家专利授权的发明专利和实用新型专利见下表：

序号	获得授权的专利名称	专利类型	专利号
1	直接以还原铁生产方法	发明专利	ZL 2006 1 0018495.6
2	一种子母扣型高温整体耐火材料反应罐	实用新型	ZL 2012 2 0588122.3
3	块状热物料可控排料装置	实用新型	ZL 2016 2 0317748.9
4	内外加热立式通道还原炉	实用新型	ZL 2006 2 0095509.X
5	一种煤基直接还原炉	实用新型	ZL 2016 2 0005977.7
6	一种导热耐磨耐火材料	发明专利	ZL 2016 1 1180947.0
7	一种高导热高耐磨耐火材料及其制备方法	发明专利	ZL 2016 1 1146860.1
8	一种煤基竖炉排料系统	实用新型	ZL 2017 2 1532784.8
9	一种煤基竖炉上料系统	实用新型	ZL 2017 2 1532794.1
10	一种煤基竖炉烟气余热回收系统	实用新型	ZL 2017 2 1534407.8

 

1、基本工艺流程

基本工艺流程示意图

COSRED工艺的基本工艺流程，如图所示：

1）采用铁精粉或块矿或含铁废料作为含铁原料、煤炭或兰炭作为还原剂、石灰石作为脱硫剂；

2）将粒度和水分含量均符合工艺条件的含铁原料按照工艺要求与粘结剂进行配料、混匀、并压制成冷固结球团，经干燥后制备成符合入炉条件的干球团（粒度和水分含量均符合工艺条件的块矿，可直接作为还原炉的入炉原料）；

3）按工艺要求将干球团（或块矿）、还原剂（煤炭或兰炭）和脱硫剂（石灰石或白云石）进行在线配比得到混合炉料，由供料装置将混合料送入炉顶布料系统，再由布料装置按工艺要求卸入竖炉的还原室内；

4）气体燃料通过燃烧器在竖炉燃烧室内燃烧，燃烧产生的热量通过导热材料对还原室的炉料进行间接隔焰加热；

5）竖炉内的混合炉料依靠自身重力作用，在竖炉还原室内从上而下运行，按照工艺要求完成物料的预热、还原反应和产品冷却，然后排出竖炉；

6）产品混合物在炉外进行筛分处理，既可以得到热态的直接还原铁，也可以得到冷态的直接还原铁，产品可以作为电炉和转炉冶炼的优质原料或对外销售；

7）分选出的大颗粒煤焦返回原料系统作为还原剂循环再利用，小颗粒煤焦细粉作为燃料供炼铁烧结厂自用或外销。

2、主要技术特点

COSRED工艺具有以下主要技术特点：

1）产能规模灵活：通过还原室的模块化设计和模块数量组合，实现不同的生产规模，单条生产线的年产量规模可以实现50-120万吨；

2）原燃料适应范围广：可以处理各类含铁原料，还原剂可以采用煤炭、兰炭、焦炭、石油焦或木炭中的任何一种或几种，燃气可以采用高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、天然气或液化气中的任何一种或混合气；

3）产品质量高：还原时间和还原温度灵活可控，还原产品金属化率高、熔分产品纯净度高、产品质量稳定；

4）产品形式多：产品可以采用冷排料或热排料工艺；也还可以采用冷压块或热压块工艺，以便于产品的储存和运输；

5）生产稳定顺行：炉内物料运行顺畅，作业率高，生产稳定顺行；

6）操作简单便捷：工艺控制简单、自动化程度高、生产操作简便可靠；

7）节能降耗：烟气余热充分回收利用（排烟温度≤200℃），节能降耗效果明显；

8）环境友好：氮氧化物、硫氧化物及粉尘排放量均达标排放，环境除尘灰作为原料返回配料系统再次利用，工艺过程无工业废水和二次固体废弃物产生；

9）综合优势明显：生产成本低、环保效果好、投资回收期短。

四、COSRED煤基竖炉工艺与各种气基竖炉工艺的综合比较

COSRED煤基竖炉工艺与各种气基竖炉工艺的综合比较表

序号	项目	COSRED煤基竖炉工艺	各种气基竖炉工艺
1	原料	铁精粉或块矿	铁精粉
2	还原剂来源	无烟煤、烟煤、褐煤、兰炭、生物质炭粒、焦粒、石油焦粒等	天然气、焦炉煤气或煤制气
3	燃料	焦炉煤气、转炉煤气、高炉煤气、天然气、煤制气、生物质气、液化气、页岩气等	天然气、焦炉煤气或煤制气
4	还原气氛	供热与还原相互独立，还原气氛好	还原气氛好
5	产品质量	还原温度和还原时间可控可调，产品质量好	产品质量好
6	生产稳定性	全自动连续稳定生产，生产操作简单可靠，生产稳定性好	对还原气的制备要求高,生产操作难度大
7	操作简便性	生产操作简单	还原气的制备工艺复杂、生产操作复杂
8	安全性	高	高
9	金属化率	≥92%	≥92%
10	总投资	100%	220-250%
11	生产成本	100%	125-150%
12	占地	100%	100-115%
13	人员	100%	120-130%
14	环保	环保好	环保好
15	业绩	该工艺有5万吨和10万吨的工程项目业绩，在宜昌还有万吨级的工业试验基地。 2017年至今该工艺在工试基地完成了钒钛磁铁矿、铁鳞、普通和高品位铁精粉、含锌粉尘等多种原料的工业试验，并为土耳其生产了数百吨直接还原铁的合格产品。	采用天然气的MIDREX工艺和HYL/ENERGIRON工艺的业绩在国外很多，但采用煤制煤气或焦炉煤气作为还原气气源的气基竖炉工艺、且已经实现长期稳定生产的项目，目前还没有。
16	生产规模	目前能够实现单条生产线最大120万吨的年产量	目前能够实现单条生产线最大250万吨的年产量

 

通过上述的说明和综合比较，形成了如下的基本意见：1）COSRED煤基竖炉工艺与各种气基竖炉工艺相比，COSRED煤基竖炉工艺在工程投资和生产成本两个方面具有很大的优势！2）各种气基竖炉在规模化和产品质量上均能很好的满足业主的需求，今后要在我国广泛推广应用，还需要在如何降低工程投资和生产成本上作出很多的改进和完善！