Midrex直接还原炼铁工艺

Midrex直接还原炼铁工艺

全荣

Midrex直接还原炼铁工艺是使用天然气还原铁矿石，由神户制钢公司的全资子公司Midrex技术有限公司(简称Midrex公司)的前身Midland—Ross公司开发其原型。1967年在美国俄亥俄州托莱多市建设中试厂后，1969年在俄勒冈州波特兰市建设了年产15万t的1号装备。

神户制钢公司在卡塔尔建设的年产40万t的Midrex工厂，于1978年投产，当时该工艺还不十分成熟，除了积累在高炉上使用的技术，并对设计进行了多次改进，为使运转状态稳定，在操作阶段也采取了各种改进措施。Midrex公司还对各国建设的工厂做了许多改进，综合这些技术，1980年初Midrex工艺基本成熟。

1984年Midrex直接还原铁装备的最大年产量是60万t。经过努力后，产量迅速增加。2007年，已有了与小型高炉产量相当的年产180万t规模的设备。

1969年Midrex工艺1号商业机诞生以来，现在已经在21个国家建设了72座Midrex工厂。

1直接还原铁的特点

Midrex工艺生产的产品称为直接还原铁(DRI)，是由天然气改质的气体还原铁矿石获得的。该DRI作为与废钢不同的清洁铁源主要作为电弧炉(EAF)原料使用。在DRI中，由于还原脱氧残留有大量的气孔，如果接触到水等，铁和空气中的氧气结合就会引起再氧化，产生发热和自燃问题。因为这种性质，所以不能在海上运输和长期在户外存放。为解决这一问题，开发了将表观密度3．4t／m³～3．6t／m³的DRI，在约700℃的热态下压缩成型为表观密度5．0 t／m³～5．5t／m³的热压块铁技术。

因为DRI的再氧化问题，直接还原铁厂必须与炼钢厂相邻，存在选址的限制。然而，由于开发了热压块铁技术就不再受此限制。在天然气、铁矿石和电力廉价的国家建设直接还原铁厂，然后将产品作为热压块铁经海上运输，出口到另一国家的炼钢／轧钢厂。于是，直接还原铁生产厂的选址范围扩大到世界各地。

表1是DRI和HBI化学性状和物理性状的比较。1970年世界的DRI年产量是79万t，到2008年猛增到6845万t，Midrex法生产的DRI占全世界直接还原铁的约60％。

2 Midrex工艺

2．1工艺流程

直接还原炼铁使用的原料是块矿或者直接还原炼铁用球团，原料从竖炉炉顶装入，在炉内还原后从最下部排出。还原气体从竖炉的中段吹入，还原原料后，从炉顶排出。在下部冷却气体循环，冷却DRI。原料装入部位和DRI排出部位由密封气体实施动密封，可以连续进行原料装入和DRI排出。竖炉内的反应是如下的铁还原反应。

Fe₂O₃ 3CO→2Fe 3CO₂

Fe₂O₃ 3H₂→2Fe 3H₂O

从竖炉炉顶排出的废气采用湿式集尘器除尘、冷却后再循环利用。含CO₂和H₂O的炉顶废气经过压缩机升压后，与天然气混合预热后，送往重整炉。在重整炉内设置了数百根填充镍催化剂的重整管，在通过这些管子的过程中，炉顶废气和天然气的混合气体被重整，获得一氧化碳和氢气的还原气体。重整炉内的化学反应如下：

CH₄ CO₂→2CO 2H₂

CH₄ H₂O→CO 3H₂

2CH₄ O₂→2CO 4H₂

CO H₂O→CO， 4H₂

CH₄→C(S) 2H₂

3 Midrex工艺的开发史

3．1 MEGAMOD竖炉的运转及原料涂敷

为了增加DRI的产量以适应市场需求的增长，竖炉大型化是当务之急。于是，神户制钢公司与Midrex公司着手进行：三维有限元法解析的研究；二维模型试验的验证；还原／粉化试验的原料性状改善等开发。首先，将MEGAMOD竖炉分阶段将直径扩大到5．5m、6．5m。通过这些措施，将停滞在年产40万t以下的产能增加到年产80万t，再增加到年产150万t。

为了使还原气体温度高温化，考察了将比DRI熔点高的熟石灰涂敷到原料上的技术。以此将还原气体温度提高至旷900℃高温，竖炉的生产率提高了10%。

3．2还原气体中吹氧

采用向高温还原气体中吹氧，可以将还原气体的温度提高到1000℃。在氧气燃烧中虽然损失了一部分还原气体中的氢气和一氧化碳，但还原气体的高温化，使竖炉生产率提高了10％～20％。

3．3喷吹氧气技术的改善

进一步改善喷吹氧气技术，采用部分燃烧技术，命名为OXY 。如图1所不OXY 是在重整炉生成的还原气体基础上，用燃烧器使氧气和天然气部分燃烧，进一步产生氢气和一氧化碳的过程。

3．4 SUPER MEGAMOD竖炉的开发以及强化工程技术

根据直径6．5m竖炉的操作实绩，2007年为沙特阿拉伯的HADEED Saudi Iron & Steel Company交付了直径7．15m的竖炉。将年产量扩大到180万t。现在，正在开发将竖炉进一步大型化的年产量达到200万t级的SUPER MEGAMOD。随着竖炉的大型化，设备整体也在变大，对应的设计管理、建设管理成为重要问题。因此，2004年开始全面采用了三维CAD的设计方法。另外，建设方也利用三维CAD的建设工程计划方案。

3．5工厂交付实绩

表2是Midrex工厂的交付业绩。下面介绍其主要工厂的概要。

3．5．1 LION厂

LION厂是面向马来西亚LION GROUP建设的年产量150万t的Midrex工厂，2007年投产，可以生产热DRI(HDRI)和HBI两种产品，HDRI采用热输送罐直接供给附近的电炉车间。另外，HBI除出口外，有时也供给附近的电炉车间使用。

3．5．2 HADEED Moudle—E厂

HADEED Moudle—E厂是面向沙特阿拉伯HADEED钢铁公司建设的世界最大的Midtex工厂，2007年投产，是首次采用直径7．5m的竖炉，年产量为180万t，相当于小型高炉的产量。产品可以是HDRI和DRI，HDRI通过热运输机热态直接供给相邻的电炉车间，DRI贮存在地下贮放场，根据需要随时供给相邻的电炉车间。

3．5．3 QASCO Moudle—Ⅱ厂

QASCO Moudle—Ⅱ厂是神户制钢公司为卡塔尔钢铁公司建设的年产量150万t的工厂，2007年投产。1975年为该公司建设了年产量40万t的Module—I。当时的Midrex工艺还不十分成熟，本公司在设计阶段和实际操作阶段进行了各种改进，然后又接受了Module—Ⅱ的订货。

Module—Ⅱ可以生产DRI和HBI两种产品，DRI直接供给相邻的炼钢车间，HBI出口。炼钢车间熔化的DRI提供给轧制设备，作为小方坯、异形钢筋或盘条出口。

3．5．4 SHADEED厂

SHADEED厂是神户制钢公司为阿曼SHADEED钢铁公司建设的年产量150万t的工厂，2008年完成。该厂可以生产DRI和HBI两种产品，现在正在进行投产准备。首次采用了通过重力将HDRI提供给相邻电炉车间的HOTLINK(热装)。

4最近的技术动向

4．1 DRI热态输送

将原来冷却后从竖炉排出的DRI，采用热态排出(HDRI)，从而改善了包括下游炼钢工序在内的总单位能耗和生产率，这是正在实施的技术改进措施。目的是保持生产计划的灵活性和改善工厂生产率，实现将两种产品配套的方案。如图2所示可以采用三种方法，将竖炉生产的HDRI运送到下游的炼钢工序。三种方法分别是：①用热输送罐运送到炼钢工序(图2中的①)；②用热运输机运送到炼钢工序(图2中的②)；③采用重力供给炼钢工序(HOTLINK，图2中的③)。表3是采用HDRI输送的工厂。

4．2 HDRI的单位能耗及生产率的改善

将高温HDRI供给炼钢工序，极大地改善了单位能耗和生产率。提高HDRI的供给温度，EAF的电力和电极消费量减少，可以降低运行费用。另外，由于装入HDRI，可以缩短EAF运转时间，增加产量10％~15％。

4．3减排CO₂

对目前的Midrex工艺实施了技术改造，降低了包括下游炼钢工序在内的单位能耗，提高了竖炉的生产率。由于能耗的降低，不仅降低了操作成本，而且也减少了以CO₂为主的排放量，减轻了环境负荷。因此，可以将Midrex厂生产的HBI装入高炉，降低钢铁厂总CO₂排放量。

4．4与煤炭燃料结合

Midrex工艺除了使用天然气改质生成的还原气体外，还可以用气化炉将焦炉煤气和小块焦，炼油厂排出的底油等气化，作为还原气体使用。因此，受制限于天然气的Midrex工艺不受选址的限制。例如，将使用焦炉煤气生产的HBI装入高炉，降低还原负荷，降低作为热源的还原剂比，同时也降低了CO₂的发生量。图3是气化工厂应用Midrex工艺时的工艺流程图。