竖炉直接还原法

直接还原炼铁方法

在竖炉中用高温还原气或固体还原剂还原铁矿石的直接还原炼铁方法。该法是1932年由马丁·韦伯（Wiberg）发明的在瑞典建成了第一座生产装置，称维伯尔法（Wiberg Soderfors process）。此法开始是用木炭制造还原气。后因经济上的原因，改用焦炭制气。60年代，随着石油、天然气工业的发展，以天然气为能源的竖炉直接还原法蓬勃兴起。30多年来，先后有阿姆科（Armco）法、普罗费尔（Purofer）法、米德莱克斯（Midrex）法、NSC和希尔（HYL）法等竖炉直接还原法问世。70年代初，用煤做还原剂的外热式竖炉直接还原法（KM法）投入生产。

介绍

直接还原工艺化开始于20世纪50年代，当时工艺方法很多，但成功的极少。运用于工业生产中且研究得最早、至今也是最成熟的工艺，应首推采用天然气作还原剂的竖炉法。世界上第一座初具规模的海绵铁竖炉于1952年在瑞典桑德维克（Sandvik）投人工业生产，当时的产量仅为2.4万吨/年。到1990年已发展到在委内瑞拉建造的直径为6.5m的竖炉，产量已达120万吨/年。到20世纪60年代以后，天然气大量开采，1957年出现HYL法、1968年MIDREX法成功，直接还原才得到快速发展。1975年全世界直接还原铁仅为260万吨，到1985年达到1116万吨，而到2004年，世界DRI的产量已达到5460万吨，比2003年增加500万吨，增长率为10%。竖炉法目前占DRI产量的90%以上，MIDREX直接还原厂的DRI产量最高，占世界的DRI产量的64.6%（3500万吨），占所有气基直接还原铁的73%。HYL以占世界21%的产量，居于其次，其他各种煤基DRI产量占12%。其余3%为其他气基直接还原方法。

竖炉的反应条件与高炉上部间接还原区相似，不出现熔化现象的还原冶炼过程，使用单一矿石料，没有造渣过程。以前竖炉的燃烧和还原剂是天然气，近年出现了煤制气以及使用焦炉煤气竖炉直接还原工艺，这样扩大了竖炉工艺的使用范围。但目前煤基竖炉工艺还不成熟、生产成本偏高，工艺还需进一步完善。国外对于DRI的生产，大部分为气基的竖炉直接还原工艺，具有生产规模大、成本低、操作方便灵活、环境影响小等优点。无疑，竖炉直接还原工艺已是一项十分成熟的先进生产技术。

工艺过程

用于生产的竖炉直接还原法中，仅KM法用煤做还原剂，采用外热式间接加热铁矿石的方法生产直接还原铁。其他竖炉法都用天然气先在制气炉中制成以CO和H2为主的高温还原气，热还原气进入竖炉加热和还原铁矿石。热还原气从竖炉的还原区下部进入竖炉，与从上向下的铁矿石逆流运行。还原气和铁矿石能很好地进行热交换和还原反应。还原好的直接还原铁在竖炉下部的冷却区，用冷却气进行直接还原铁的冷却。冷的直接还原铁通过排料机构出炉。若想用热直接还原铁炼钢，竖炉可不设冷却区，热直接还原铁可用密封罐装运到炼钢车间去冶炼；直接还原铁若出售给很远的用户，则采用热直接还原铁压块技术或直接还原铁钝化技术以降低直接还原铁再氧化的能力。

工艺特征

不同的竖炉直接还原法的工艺各具特色。维伯乐法是由3个竖炉组成一套生产装置。其中1座竖炉用作焦炭电热制气；另1座竖炉用作还原气脱硫；还有1座竖炉用作铁矿石还原。KM法竖炉由燃烧室和还原室组合而成。燃烧室烧气体或液体燃料，还原室内装铁矿石和固体还原剂煤。以天然气做能源的气体还原竖炉，有相同的工艺特征，主要有以下4点：

（1）还原气制备。即是把天然气转变成高温的CO+H2的还原气。一般要求还原气的氧化度<5%，

氧化度 =

（2）还原竖炉。竖炉分几区，上部为还原区，铁矿石在此区被热还原气加热和还原成直接还原铁；中间部分是过渡区，用以分隔还原区和冷却区，避免冷却气和还原气相混；下部称冷却区，用冷却气将热的直接还原铁冷却到较低温度，以免热的直接还原铁在空气中发生再氧化。

（3）炉顶气和冷却气的净化。从炉顶出来的气体，要经过洗涤除尘，对于蒸汽转化法，竖炉还要脱除CO2，而顶气转化法的竖炉可不脱除CO2。净化后的炉顶气返回到制气部分，与新添加的天然气一起再重新进行还原气的制备。冷却气从冷却区下部进炉，从冷却区上部抽出，同样也要经过洗涤、净化然后返回使用。

（4）直接还原铁的处理。出炉的直接还原铁，经筛分后，<3mm的直接还原铁粉可以加黏结剂压块后供炼钢用。也可用喷吹的办法喷入炼钢熔池使用。对于热出料的竖炉，若用户离竖炉近，产品可用保温罐装运；若用户远，则热直接还原铁需进行热压块以减小表面积，增加致密度，防止再氧化。

展望

以天然气为能源的竖炉法生产率高，能耗低，产品质量高，已成为世界直接还原铁主要生产方法。1992年米德莱克斯法加希尔（Ⅲ）法产量约为世界直接还原铁产量的73.4%，加上固定床的希尔（Ⅰ）法的产量约为总产量的90%。因天然气资源日益减少，正在研究用煤或用煤制气的竖炉法，已研制出少数用煤或煤制气的方法，它们技术上虽然可行，经济上仍缺乏竞争力。

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