現(xiàn)在達到工業(yè)生產(chǎn)水平或仍在繼續(xù)試驗的直接還原方法約有二十余種,主要分為兩類:
按工藝設(shè)備來分,有三種類型,包括豎爐法、反應(yīng)罐法和流態(tài)化法。作為還原劑的煤氣先加熱到一定溫度(約900℃),并同時作為熱載體,供還原反應(yīng)所需的熱量。要求煤氣中H2、CO含量高,CO2、H2O含量低;CH4在還原過程中分解離析的碳要影響操作,含量不得超過3%。用天然氣轉(zhuǎn)化制造這樣的煤氣最方便;也可用石油(原油或重油)制造,但價格較高。用煤炭氣化制造還原氣,是正在研究的課題。 豎爐法 在豎爐中爐料與煤氣逆向運動,下降的爐料逐步被煤氣加熱和還原,傳熱、傳質(zhì)效率較高。豎爐法以Midrex法為代表,是當前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的直接還原煉鐵法,其改進的生產(chǎn)流程示意見圖1。作為原料的氧化球團礦自爐頂加入豎爐后,依次經(jīng)過預(yù)熱、還原及冷卻三個階段。還原所得的海綿鐵,冷卻到50℃后排出爐外,以防再氧化。還原煤氣用天然氣及豎爐本身的一部分煤氣制造,先加熱到760~900℃,在豎爐還原段下部通入。爐頂煤氣回收后分別用于煤氣再生、轉(zhuǎn)化爐加熱和豎爐冷卻。此法的生產(chǎn)率很高,每噸產(chǎn)品能耗可低達2.56×106千卡,產(chǎn)品質(zhì)量好,金屬化率達92%。1980年全世界建有800萬噸/年設(shè)備能力,總年產(chǎn)量約396萬噸 (占直接還原鐵的50%)。直接還原煉鐵 其他豎爐法有 Purofer法,為聯(lián)邦德國提出。特點是用蓄熱式天然氣轉(zhuǎn)化爐制造還原氣,可以獲得較高的煤氣溫度。另外,豎爐不設(shè)冷卻段,海綿鐵在隔絕空氣條件下熱排料,然后進行鈍化處理或送電爐熱裝。此法缺點是設(shè)備及操作較復雜。現(xiàn)在只在伊朗建有一個生產(chǎn)工廠。Wiberg法是30年代瑞典開創(chuàng)的一種豎爐法,使用電弧供熱的煤炭氣化爐制造還原煤氣。世界各地曾建立若干小型工廠,目前都已停產(chǎn)。但瑞典又在研究用等離子體加熱的煤粉氣化爐代替電弧供熱的煤炭氣化爐,對Wiberg法進行改造,1981年已投產(chǎn)。
中國廣東省曾進行水煤氣豎爐的試驗,并取得了成功,但未投入生產(chǎn)。
反應(yīng)罐法 墨西哥的HyL法 (指其第一代和第二代)是唯一的工業(yè)化反應(yīng)罐法,在反應(yīng)罐中爐料固定不動,通入熱還原煤氣依次進行預(yù)熱、還原和冷卻,最后定期停氣,把爐料排出罐外。工藝流程見圖2。為了克服固定床還原煤氣利用不良的缺點,HyL法采用了4個反應(yīng)罐串聯(lián)操作,還原煤氣用天然氣制造,先在換熱式轉(zhuǎn)化爐中不充分轉(zhuǎn)化。經(jīng)過每一個罐反應(yīng)后都進行脫水、二次轉(zhuǎn)化和提溫,煤氣在1100℃的高溫下進行還原。 HyL法使用排料桿,在停止通氣下,強迫排料,因此不怕爐料粘結(jié),操作溫度較高,雖系間斷作業(yè),生產(chǎn)率并不低。缺點是煤氣利用差,熱耗大(達3.4×106千卡/噸),產(chǎn)品質(zhì)量不均。HyL海綿鐵含碳高 (1.2~2.0%),不易再氧化。墨西哥建有用此法正式生產(chǎn)的工廠。其產(chǎn)量僅次于Midrex法,1980年產(chǎn)量為236萬噸。第三代的HyL法已放棄四個反應(yīng)罐,改用一個,接近Midrex法,于1980年投產(chǎn)。流態(tài)化法 在流化床中用煤氣還原鐵礦粉的方法。在流態(tài)化法還原中,煤氣除用作還原劑及熱載體外,還用作散料層的流化介質(zhì)。圖3示出流態(tài)化還原的一般原理。細粒礦石料層被穿過的氣流流態(tài)化并依次被加熱、還原和冷卻。還原產(chǎn)品冷卻后壓塊保存。 流態(tài)化還原有直接使用礦粉省去造塊的優(yōu)點,并且由于礦石粒度小而能加速還原。缺點是:因細粒礦粉甚易粘結(jié),一般在600~700℃不高的溫度下操作,不僅還原速度不大,而且極易促成CO的析碳反應(yīng)。碳素沉析過多,則妨礙正常操作。為了克服這一困難,流態(tài)化還原多采用價格高的高氫煤氣。此外,流態(tài)化海綿鐵活性很大,極易氧化自燃,需加處理,才便于保存和運輸。1981年中國在山東棗莊進行半工業(yè)試驗,后投產(chǎn)。 使用固體還原劑的直接還原法
回轉(zhuǎn)窯是最重要的使用固體還原劑(煤炭)進行直接還原的設(shè)備。圖4示出回轉(zhuǎn)窯煉鐵的工作原理。
直接還原煉鐵
由還原劑(0~3毫米粒度的煤炭)、小塊礦石和細粒石灰石(白云石)等組成的爐料由窯尾投入,窯體稍有傾斜,在轉(zhuǎn)動時爐料逐漸向窯頭運動。窯頭設(shè)有燒嘴,使用能產(chǎn)生火焰的燃料(煤氣、燃油或煙煤粉)。產(chǎn)生的高溫窯氣抽向窯尾,氣流與固體爐料逆向運動,逐步把固體料加熱,料溫達到 800℃左右,開始固體碳還原析出的CO在料層上部空間燃燒;放出熱量補充加熱。為了保持料層中還原氣氛,爐料配加的煤炭量必須超過還原反應(yīng)的需要量。 按照出料溫度,回轉(zhuǎn)窯可以生產(chǎn)海綿鐵、粒鐵或液鐵。但以回轉(zhuǎn)窯海綿鐵法最重要?;剞D(zhuǎn)窯煉鐵的主要優(yōu)點是可以直接使用資源豐富的煤炭。其缺點是生產(chǎn)率低。最有代表性的回轉(zhuǎn)窯海綿鐵法是SL/RN和Krupp法,二者工藝流程基本相同。為了提高產(chǎn)量,減輕窯內(nèi)預(yù)熱段工作負擔,在窯前配置鏈篦機,能把入窯料加熱到 800℃。在窯內(nèi)配置隨窯體轉(zhuǎn)動的二次風機,以強化還原析出CO供燃燒(70年代以來改用氧化球團或塊礦入爐,取消了鏈篦機)。還原出的海綿鐵經(jīng)過回轉(zhuǎn)冷卻筒冷卻到150℃排料。把混合的剩余碳和吸硫的石灰清除后,得到產(chǎn)品(圖5)?;剞D(zhuǎn)窯海綿鐵產(chǎn)量在1980年占直接還原鐵的15%。中國曾于40年代初在四川綦江進行了日產(chǎn)10噸規(guī)模的海綿鐵生產(chǎn)試驗,金屬化率可達90%以上,但因鐵礦脈石無法分離,未能正常生產(chǎn)。 直接還原煉鐵
把回轉(zhuǎn)窯的出料溫度提高到1250℃左右,固體料呈半熔化狀態(tài),已還原的鐵滴在滾動中聚合成小的鐵粒,出窯后水淬冷卻可與脈石雜質(zhì)磁選分離,得到粒鐵。此法稱為回轉(zhuǎn)窯粒鐵法(Krupp-Renn法),它能處理選礦困難的貧鐵礦,20世紀30年代曾在一些地區(qū)廣泛發(fā)展,但該法生產(chǎn)率很低,事故頻繁,60年代后已全部停產(chǎn)。