不靠天然氣也能煉鐵！聊聊國內主流的煤基還原工藝

摘要：針對目前已實現工業化生產的煤基直接還原工藝技術，從工藝技術難點方面進行綜合分析。回轉窯反應溫度低，導致動力學條件變差，停留時間長，散熱大，噸鐵煤耗達到1000kg左右；從能量利用角度，過多的煤氣還需換熱加以利用。隧道窯通過罐裝礦粉，可省去造球工藝，但是罐子傳熱只能通過對流與傳導換熱方式，因此，停留時間長，熱量損失大，同時罐子、海綿鐵的余熱、廢氣熱量尚未得到利用，導致煤耗高達1500kg／t海綿鐵。轉底爐由于溫度高，反應速度快，但是熱能利用率差，噸鐵實際煤耗居高不下。可見，目前的煤基直接還原煉鐵工藝，最大的問題是固態條件下的還原反應效率過低，提高鐵礦的低溫反應性能是煤基直接還原煉鐵走向成功、高效、環保的關鍵所在。

煤基直接還原是用煤作還原劑，在回轉窯、轉底爐、循環流化床內將鐵礦石中的鐵氧化物在固態溫度下還原成海綿鐵。對我國而言，天然氣資源不足，非焦煤資源豐富，是研究開發煤基直接還原工藝的根本動力。煤基直接還原工藝按照主體還原設備可劃分為轉底爐工藝、隧道窯工藝、回轉窯工藝等。

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一、回轉窯工藝存在的問題

（1）設備負荷大，制造與運行成本高。窯體整體持續轉動，窯殼、耐火襯料與物料同步運轉，設備自重與傳動負荷大幅增加，傳動功率消耗高。同時回轉窯支承結構體量龐大，設計、加工與安裝難度較大。行業通常將非高溫類工序移出窯外，以此緩解設備短板。

（2）窯的容積利用系數低。受窯體轉動、物料動態運行的工況限制，窯內物料充填率無法提升，相較于豎爐等設備，回轉窯的容積利用系數處于較低水平，制約產能發揮。

（3）窯內結圈問題突出。對于用煤的回轉窯，其結圈的主要原因有三個方面：

?煤的灰分組成為低熔點化合物，在操作溫度下將產生液相，并粘結粉末，不斷長大而產生結圈。

?窯內物料產生的粉末是助長結圈和使結圈不斷長大的重要因素。

?窯壁產生局部高溫，一旦達到產生液相的溫度，則將進一步誘發并加重結圈現象。

（4）傳熱速度慢。回轉窯以窯壁導熱為主要傳熱方式，熱量先加熱窯壁，再由窯壁傳遞至物料，傳熱路徑長、速度慢。對比豎爐、固定床的對流傳熱模式，整體傳熱效果差，直接影響還原反應效率。

二、轉底爐工藝存在的問題

(1) 海綿鐵質量差，應用困難
含碳球團制海綿鐵易受煤灰分干擾，成品品質參差不齊，金屬化率偏低的轉底爐 DRI 無法直接入常規煉鋼電爐。
對于鋼廠含鐵粉塵，含鐵量只有50％左右，此類礦粉在轉底爐中還原，脈石、FeO含量太高，球團密度低(遠小于爐渣密度)，更加無法在普通煉鋼電爐中使用，必須研制專門熔化它的電爐。

(2) 能耗高
轉底爐內熱效率僅約50％左右，高溫廢氣溫度高達1400～1500℃，必須通過大量氮氣兌成1000～1100℃，廢氣才有可能完成后序除塵、換熱等功能。國內多依靠煤氣發生爐制取低熱值煤氣，要預熱助燃空氣或富氧空氣才能補足供熱，而煤制氣能量效率不高，在加上后序的換熱器能量轉換效率不高，因此，轉底爐工序的能耗是高的。

(3) 穩定性差、故障點多

?布料穩定控制難度大。由于轉底爐特殊的傳熱方式，正常鋪2層球，給布料帶來困難，會出現1層或多層情況，直接給轉底爐還原、爐內氣氛、海綿鐵質量產生影響。

?氣氛控制困難，海綿鐵成分波動。由于布料方式、煤氣成分等波動，直接影響海綿鐵質量。轉底爐上層球，直接受到上部高溫火焰的熱量，溫度高，反應快，但是，也直接暴露在氧化氣氛下，容易造成二次氧化。轉底爐下層球，熱量要靠熱傳導，熱效率變低，溫度較低，金屬化率也較低。爐內的氣氛、溫度變化，直接影響還原、二次氧化、熱能傳遞。因此，海綿鐵的金屬化率也會產生波動。

?高溫含塵廢氣換熱容易堵塞。轉底爐出來的煤氣，含有一定粉塵，在處理含鋅粉塵時，有專門的收集粉塵設施，而對于普通礦粉，除塵較為簡單，當遇到球團粉化等氣體粉塵量增加時，換熱器就容易堵塞。

?出料也易出現故障。爐內溫度、氣氛的波動，會影響球團的性能、粉化與粘結都有出現的可能，給正常的出料產生影響。

?轉底爐傳動機構存在問題。在我國早期的轉底爐工業試驗過程中，轉底爐的傳動機構經常出現問題，導致生產中斷。隨著轉底爐的大型化，機械傳動機構壓力加大。

?耐材壽命要求較高。上部為燃氣燃燒的熱量，平均溫度1450℃以上，比大型轉底爐的氣體平均溫度還要高。因此，上部耐材受到強烈的熱輻射，同時受氧化性高速氣流的沖刷，爐襯要經受不均勻熱應力，裝料、還原、冷卻，受熱情況是變化的，冷卻、加熱、再冷卻，熱應力大，對耐火材料要求高，爐襯損壞不可避免。轉底爐下部爐襯，還要與球團等發生反應，產生粘結等現象，造成工藝不順與底部爐襯受損。

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(4) 轉底爐很難接納礦的多樣性
雖然轉底爐能夠處理多種礦種，但是礦種不同，相應工藝參數也會發生變化。高品位鐵礦與低品位礦的球在高溫性能差距很大，不同礦種還原性能差距較大，不同煤種還原性能差距較大。因此，一座轉底爐很難處理多種礦。

(5) 投資大
在轉底爐研究初期，認為轉底爐不需燒結、焦化工藝，投資是不高的。但是隨著研究的深入，特別要考慮節能、環保等因素，投資明顯加大，目前一座30萬t海綿鐵的轉底爐+熔分電爐，固定投資即大于6億元，比相同的高爐、熔融還原投資都要高。

三、隧道窯法工藝在我國異常發展

隧道窯法是最古老的煉鐵方法之一，通常僅用于粉末冶金還原鐵粉生產的一次還原工序。其技術含量低，適合于小規模生產，投資小，符合小型企業投資需要。隧道窯法熱效率低，能耗高(還原煤450-650kg/DRI，加熱用煤450-550kg/DRI)；生產周期長(48-76小時)；污染嚴重(還原煤灰、廢還原罐等固體廢棄物多，粉塵多)；產品質量不穩定；單機生產能力難以擴大等問題，不可能成為直接還原鐵發展的方向。

四、煤基直接還原煉鐵的綜合分析

4.1 煤基直接還原煉鐵工藝的現狀

主要結果如下：
（1）現有各種煤基直接還原煉鐵工藝都存在反應速度慢、能耗高的問題，目前只作為氣基海綿鐵生產的補充。
（2）目前煤基直接還原煉鐵最大的問題是固態條件下的還原反應效率過低，提高鐵礦低溫反應性能是煤基直接還原煉鐵走向成功、高效、環保的關鍵所在。
（3）現有的煤基直接還原煉鐵工藝，距低能耗、低污染的煉鐵目標相差甚遠，發展節能減排型煤基直接還原煉鐵任重而道遠。

雙碳背景下，鋼鐵固廢資源化需求大增，煤基直接還原煉鐵憑借適配我國煤炭資源稟賦的優勢，仍是國內低碳煉鐵領域重點發展方向。但回轉窯結圈、轉底爐球團粉化、能耗高、產品品質波動等一系列技術難題，長期制約著工藝的規模化、高效化推廣，行業急需新技術、新材料破局。
為加快技術迭代與產業化落地，助力煤基直接還原煉鐵行業突破發展瓶頸，建杰面向全國廣納冶金工藝、材料研發等領域的高精尖人才，搭建了專業的技術研發部門與研發體系，配備專業實驗室與試驗平臺，誠邀行業有志之士攜手同行，依托冷壓成型與專用粘合劑技術，共同攻克行業技術難題，賦能我國煤基直接還原煉鐵產業高質量、綠色化發展。

Q&A問答一：煤基直接還原煉鐵在國情適配下的不可替代的存在價值有哪些？

四大不可替代的存在價值（支撐持續發展的核心理由）

1. 適配我國“富煤貧氣”基礎能源稟賦，保障鋼鐵原料自主安全
全球氣基DRI集中在中東、俄羅斯等產氣大國；我國天然氣對外依存度高、長周期價格波動劇烈，全面鋪開天然氣豎爐不具備全國普及條件。
煤炭是國內唯一儲量大、供應鏈自主可控的大宗化石能源；煤制合成氣、煤富氫還原可以就地取材，西北、華北煤炭基地天然適配布局；
現階段綠氫產能極小、造價極高，完全靠氫基撐起千萬噸級DRI缺口至少要到2035年后；煤基是填補電爐優質鐵源缺口最現實抓手。目前國內DRI總產能里煤基仍占65%左右，是電爐短流程擴產的基本盤原料保障。

2. 獨有固廢消納能力，是冶金危廢資源化的剛需工藝
煤基轉底爐、回轉窯對原料寬容度遠高于氣基豎爐：可直接處理含鋅除塵灰、鋼渣、赤泥、鉻礦粉、各類冶金含鐵粉塵，一邊產出金屬化球團供給煉鋼，一邊回收鋅、鉛等有價金屬。氣基豎爐只能吃高品位純凈氧化球團，幾乎無法處置工業固廢。全國每年數千萬噸冶金固廢要資源化，煤基還原是無可替代的處置載體，兼具環保治廢+產鐵雙重價值。

3. 成本分層優勢，部分區域場景經濟性優于氣基

?煤炭主產區（晉陜蒙寧）原煤、煤制氣成本低廉，配套焦化廠副產煤氣協同耦合后，煤制氣豎爐綜合生產成本可低于外購LNG氣基路線；

?小型、分散、特種鋼廠不需要動輒幾十億投資的大型氣基豎爐，中小型煤基裝置投資門檻低、啟停靈活，適配小眾特種鋼、區域小電爐配套；

?對比傳統高爐長流程：即便煤基DRI碳排放更高，但煤基DRI+電爐全流程碳排放依然比高爐-轉爐低20%–35%，本身就是優于傳統長流程的低碳替代路徑。

4. 產品品質支撐高端鋼制造，產業鏈不可缺少
煤基DRI雜質（硫、磷、有害微量元素）遠低于高爐鐵水，搭配廢鋼冶煉電工鋼、軸承鋼、不銹鋼、軍工特鋼時，成分更容易精準控制、成材品質更高。國內高端裝備、新能源電機、汽車高強鋼持續擴產，穩定的純凈DRI供給必須依靠煤基+氣基雙線并行，單一氣基產能完全不夠匹配高端用鋼增量需求。

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