[发明专利]一种煤制气直接还原一步法制取纯净钢的方法

说明书

技术领域

本发明属于熔融还原炼铁技术领域，涉及一种基于低煤阶煤的煤制气直接还原冶炼金属铁工艺方法。

背景技术

“高炉-转炉”流程是目前全世界最主要的钢铁冶金工艺。该工艺先以焦炭作为还原反应所需能源和还原剂，对氧化铁矿进行还原炼铁，在得到铁的同时，氧化铁矿中的Si、P、Mn等元素被过度还原，同时C又在铁液中饱和溶解。接着将得到的高炉铁水加入到转炉中吹氧炼钢，由于之前的过度还原，需要耗掉吨钢30～50Nm³左右的氧气和50Kg左右的石灰，虽然前面过度还原进入铁水的Si、P、Mn等元素多数被氧化进入炼钢炉渣，饱和溶解的C也多数被氧化成CO进入气相，但钢水又被过度氧化，使得钢液中溶解氧达到0.04～0.1%左右，如不脱除依然不是合格的钢材。因此，不得不继续耗用一定量的Al、Si等金属对钢液进行脱氧，而由此产生的脱氧产物（细小氧化物夹杂）的去除又必须耗费大量的惰性气体，以及LF精炼中为维持钢液温度必须的吨钢100KWH左右的电能和1小时左右的时间。尽管如此繁杂的耗能、耗时的精炼过程，由于化学平衡原理的限制，最后还是有相当一部分的氧化物作为钢中的夹杂物在凝固末端边生成边凝固，永远留在了钢中，极大地影响了钢材的质量。

由此可以看出，“高炉-转炉”流程的最大弊端是氧的反复进入、脱除过程不仅消耗了大量本不该消耗的能量，也使得流程繁杂、投资过大，更使得大量耗能的同时，加大了环境污染的负担。因此，需要提出一种新的环境友好、成本低廉的钢铁冶金流程，以取代目前的“高炉-转炉”流程。

最近50余年，冶金工作者在漫长的研究开发过程中，一直在寻求更加节能、流程更加简单的钢铁冶炼流程，逐渐形成两条工艺路线。

1）以原煤作为还原剂及还原过程所需的能源，特别是使用价格更低的劣质原煤，形成以完全液态高温下熔融还原和固液共存状态下的含碳球团还原的工艺思路。

2）以(CO+H₂)还原性气体作为还原剂，形成以天然气裂解或煤制气得到的还原气，在700～900℃温度下还原得到固态海绵铁的气基直接还原工艺，然后在电炉进行熔分同时炼钢的方法。

然而，以Midrex和HyLIII为代表的，采用天然气裂解制取还原气的气基直接还原工艺，其还原气的形成必须依赖于天然气裂解，对多数没有天然气或天然气昂贵的地区是不适应的；同时其对还原过程也没有进行相应的控制，依然有过度还原的迹象，其中的掺碳量有时超过2%；虽然也有报道可以使用煤制气作为还原气，但至今为止，世界上还没有见到一例工业化实施。

煤基直接还原发展的情况更是不容乐观，其主要流程以回转窑为主，占煤基直接还原炼铁总产量的95%以上。也有企业不断尝试隧道窑直接还原炼铁工艺，但都没有取得较好的结果。近年来，还在尝试使用处理钢铁厂废物的转底炉直接还原炼铁的工艺。

1）回转窑工艺主要有SL-RN和CODIR法。SL-RN工艺以煤为还原剂，能够得到金属化率93%左右的海绵体，但结圈问题一直困扰着该工艺的发展，另外效率低、还原速度慢、能耗较高等也限制了该工艺的进一步发展。CODIR工艺比较好地抑制了再氧化和结圈现象，间接和直接水冷结合的方式提高了设备的作业率，在多种回转窑工艺中具有较突出的优势。

2）隧道窑生产工艺的特点是原料和燃料容易解决、生产过程易控制、设备运行稳定以及产品质量均匀，主要用于生产高纯铁粉，但隧道窑工艺煤耗高、罐材寿命短、劳动强度大、冶炼周期长及规模效益差等，限制了该工艺终究不会是新的炼铁工艺的传承。

3）转底炉工艺目前主要是Fastmet流程，该方法可用于以下几个方面：用精矿粉生产DRI或HBI，回收电炉除尘灰与轧钢铁鳞，回收传统钢铁厂废弃物。该工艺在日本和中国的发展实践证实，能耗高、产品质量不稳定等原因，决定了其也不可能取代“高炉-转炉”流程走得太远。