摘要：針對(duì)目前已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的煤基直接還原工藝技術(shù)，從工藝技術(shù)難點(diǎn)方面進(jìn)行綜合分析。回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)溫度低，導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)條件變差，停留時(shí)間長(zhǎng)，散熱大，噸鐵煤耗達(dá)到1000kg左右；從能量利用角度，過(guò)多的煤氣還需換熱加以利用。隧道窯通過(guò)罐裝礦粉，可省去造球工藝，但是罐子傳熱只能通過(guò)對(duì)流與傳導(dǎo)換熱方式，因此，停留時(shí)間長(zhǎng)，熱量損失大，同時(shí)罐子、海綿鐵的余熱、廢氣熱量尚未得到利用，導(dǎo)致煤耗高達(dá)1500kg／t海綿鐵。轉(zhuǎn)底爐由于溫度高，反應(yīng)速度快，但是熱能利用率差，噸鐵實(shí)際煤耗居高不下。可見(jiàn)，目前的煤基直接還原煉鐵工藝，最大的問(wèn)題是固態(tài)條件下的還原反應(yīng)效率過(guò)低，提高鐵礦的低溫反應(yīng)性能是煤基直接還原煉鐵走向成功、高效、環(huán)保的關(guān)鍵所在。

煤基直接還原是用煤作還原劑，在回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)底爐、循環(huán)流化床內(nèi)將鐵礦石中的鐵氧化物在固態(tài)溫度下還原成海綿鐵。對(duì)我國(guó)而言，天然氣資源不足，非焦煤資源豐富，是研究開(kāi)發(fā)煤基直接還原工藝的根本動(dòng)力。煤基直接還原工藝按照主體還原設(shè)備可劃分為轉(zhuǎn)底爐工藝、隧道窯工藝、回轉(zhuǎn)窯工藝等。

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一、回轉(zhuǎn)窯工藝存在的問(wèn)題

（1）設(shè)備負(fù)荷大，制造與運(yùn)行成本高。窯體整體持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，窯殼、耐火襯料與物料同步運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備自重與傳動(dòng)負(fù)荷大幅增加，傳動(dòng)功率消耗高。同時(shí)回轉(zhuǎn)窯支承結(jié)構(gòu)體量龐大，設(shè)計(jì)、加工與安裝難度較大。行業(yè)通常將非高溫類工序移出窯外，以此緩解設(shè)備短板。

（2）窯的容積利用系數(shù)低。受窯體轉(zhuǎn)動(dòng)、物料動(dòng)態(tài)運(yùn)行的工況限制，窯內(nèi)物料充填率無(wú)法提升，相較于豎爐等設(shè)備，回轉(zhuǎn)窯的容積利用系數(shù)處于較低水平，制約產(chǎn)能發(fā)揮。

（3）窯內(nèi)結(jié)圈問(wèn)題突出。對(duì)于用煤的回轉(zhuǎn)窯，其結(jié)圈的主要原因有三個(gè)方面：

?煤的灰分組成為低熔點(diǎn)化合物，在操作溫度下將產(chǎn)生液相，并粘結(jié)粉末，不斷長(zhǎng)大而產(chǎn)生結(jié)圈。

?窯內(nèi)物料產(chǎn)生的粉末是助長(zhǎng)結(jié)圈和使結(jié)圈不斷長(zhǎng)大的重要因素。

?窯壁產(chǎn)生局部高溫，一旦達(dá)到產(chǎn)生液相的溫度，則將進(jìn)一步誘發(fā)并加重結(jié)圈現(xiàn)象。

（4）傳熱速度慢?；剞D(zhuǎn)窯以窯壁導(dǎo)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(zhǎng)、速度慢。對(duì)比豎爐、固定床的對(duì)流傳熱模式，整體傳熱效果差，直接影響還原反應(yīng)效率。

二、轉(zhuǎn)底爐工藝存在的問(wèn)題

(1) 海綿鐵質(zhì)量差，應(yīng)用困難
含碳球團(tuán)制海綿鐵易受煤灰分干擾，成品品質(zhì)參差不齊，金屬化率偏低的轉(zhuǎn)底爐 DRI 無(wú)法直接入常規(guī)煉鋼電爐。
對(duì)于鋼廠含鐵粉塵，含鐵量只有50％左右，此類礦粉在轉(zhuǎn)底爐中還原，脈石、FeO含量太高，球團(tuán)密度低(遠(yuǎn)小于爐渣密度)，更加無(wú)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(zhuǎn)底爐內(nèi)熱效率僅約50％左右，高溫廢氣溫度高達(dá)1400～1500℃，必須通過(guò)大量氮?dú)鈨冻?000～1100℃，廢氣才有可能完成后序除塵、換熱等功能。國(guó)內(nèi)多依靠煤氣發(fā)生爐制取低熱值煤氣，要預(yù)熱助燃空氣或富氧空氣才能補(bǔ)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(zhuǎn)換效率不高，因此，轉(zhuǎn)底爐工序的能耗是高的。

(3) 穩(wěn)定性差、故障點(diǎn)多

?布料穩(wěn)定控制難度大。由于轉(zhuǎn)底爐特殊的傳熱方式，正常鋪2層球，給布料帶來(lái)困難，會(huì)出現(xiàn)1層或多層情況，直接給轉(zhuǎn)底爐還原、爐內(nèi)氣氛、海綿鐵質(zhì)量產(chǎn)生影響。

?氣氛控制困難，海綿鐵成分波動(dòng)。由于布料方式、煤氣成分等波動(dòng)，直接影響海綿鐵質(zhì)量。轉(zhuǎn)底爐上層球，直接受到上部高溫火焰的熱量，溫度高，反應(yīng)快，但是，也直接暴露在氧化氣氛下，容易造成二次氧化。轉(zhuǎn)底爐下層球，熱量要靠熱傳導(dǎo)，熱效率變低，溫度較低，金屬化率也較低。爐內(nèi)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(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。

?高溫含塵廢氣換熱容易堵塞。轉(zhuǎn)底爐出來(lái)的煤氣，含有一定粉塵，在處理含鋅粉塵時(shí)，有專門的收集粉塵設(shè)施，而對(duì)于普通礦粉，除塵較為簡(jiǎn)單，當(dāng)遇到球團(tuán)粉化等氣體粉塵量增加時(shí)，換熱器就容易堵塞。

?出料也易出現(xiàn)故障。爐內(nèi)溫度、氣氛的波動(dòng)，會(huì)影響球團(tuán)的性能、粉化與粘結(jié)都有出現(xiàn)的可能，給正常的出料產(chǎn)生影響。

?轉(zhuǎn)底爐傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在問(wèn)題。在我國(guó)早期的轉(zhuǎn)底爐工業(yè)試驗(yàn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)底爐的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。隨著轉(zhuǎn)底爐的大型化，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)壓力加大。

?耐材壽命要求較高。上部為燃?xì)馊紵臒崃浚骄鶞囟?450℃以上，比大型轉(zhuǎn)底爐的氣體平均溫度還要高。因此，上部耐材受到強(qiáng)烈的熱輻射，同時(shí)受氧化性高速氣流的沖刷，爐襯要經(jīng)受不均勻熱應(yīng)力，裝料、還原、冷卻，受熱情況是變化的，冷卻、加熱、再冷卻，熱應(yīng)力大，對(duì)耐火材料要求高，爐襯損壞不可避免。轉(zhuǎn)底爐下部爐襯，還要與球團(tuán)等發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生粘結(jié)等現(xiàn)象，造成工藝不順與底部爐襯受損。

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(4) 轉(zhuǎn)底爐很難接納礦的多樣性
雖然轉(zhuǎn)底爐能夠處理多種礦種，但是礦種不同，相應(yīng)工藝參數(shù)也會(huì)發(fā)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(zhuǎn)底爐很難處理多種礦。

(5) 投資大
在轉(zhuǎn)底爐研究初期，認(rèn)為轉(zhuǎn)底爐不需燒結(jié)、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(jié)能、環(huán)保等因素，投資明顯加大，目前一座30萬(wàn)t海綿鐵的轉(zhuǎn)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(guó)異常發(fā)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(chǎn)的一次還原工序。其技術(shù)含量低，適合于小規(guī)模生產(chǎn)，投資小，符合小型企業(yè)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(chǎn)周期長(zhǎng)(48-76小時(shí))；污染嚴(yán)重(還原煤灰、廢還原罐等固體廢棄物多，粉塵多)；產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定；單機(jī)生產(chǎn)能力難以擴(kuò)大等問(wèn)題，不可能成為直接還原鐵發(fā)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(xiàn)狀

主要結(jié)果如下：
（1）現(xiàn)有各種煤基直接還原煉鐵工藝都存在反應(yīng)速度慢、能耗高的問(wèn)題，目前只作為氣基海綿鐵生產(chǎn)的補(bǔ)充。
（2）目前煤基直接還原煉鐵最大的問(wèn)題是固態(tài)條件下的還原反應(yīng)效率過(guò)低，提高鐵礦低溫反應(yīng)性能是煤基直接還原煉鐵走向成功、高效、環(huán)保的關(guān)鍵所在。
（3）現(xiàn)有的煤基直接還原煉鐵工藝，距低能耗、低污染的煉鐵目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)，發(fā)展節(jié)能減排型煤基直接還原煉鐵任重而道遠(yuǎn)。

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(guó)煤炭資源稟賦的優(yōu)勢(shì)，仍是國(guó)內(nèi)低碳煉鐵領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展方向。但回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈、轉(zhuǎn)底爐球團(tuán)粉化、能耗高、產(chǎn)品品質(zhì)波動(dòng)等一系列技術(shù)難題，長(zhǎng)期制約著工藝的規(guī)?；⒏咝Щ茝V，行業(yè)急需新技術(shù)、新材料破局。
為加快技術(shù)迭代與產(chǎn)業(yè)化落地，助力煤基直接還原煉鐵行業(yè)突破發(fā)展瓶頸，建杰面向全國(guó)廣納冶金工藝、材料研發(fā)等領(lǐng)域的高精尖人才，搭建了專業(yè)的技術(shù)研發(fā)部門與研發(fā)體系，配備專業(yè)實(shí)驗(yàn)室與試驗(yàn)平臺(tái)，誠(chéng)邀行業(yè)有志之士攜手同行，依托冷壓成型與專用粘合劑技術(shù)，共同攻克行業(yè)技術(shù)難題，賦能我國(guó)煤基直接還原煉鐵產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量、綠色化發(fā)展。

Q&A問(wèn)答一：煤基直接還原煉鐵在國(guó)情適配下的不可替代的存在價(jià)值有哪些？

四大不可替代的存在價(jià)值（支撐持續(xù)發(fā)展的核心理由）

1. 適配我國(guó)“富煤貧氣”基礎(chǔ)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(chǎn)氣大國(guó)；我國(guó)天然氣對(duì)外依存度高、長(zhǎng)周期價(jià)格波動(dòng)劇烈，全面鋪開(kāi)天然氣豎爐不具備全國(guó)普及條件。
煤炭是國(guó)內(nèi)唯一儲(chǔ)量大、供應(yīng)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(xiàn)階段綠氫產(chǎn)能極小、造價(jià)極高，完全靠氫基撐起千萬(wàn)噸級(jí)DRI缺口至少要到2035年后；煤基是填補(bǔ)電爐優(yōu)質(zhì)鐵源缺口最現(xiàn)實(shí)抓手。目前國(guó)內(nèi)DRI總產(chǎn)能里煤基仍占65%左右，是電爐短流程擴(kuò)產(chǎn)的基本盤原料保障。

2. 獨(dú)有固廢消納能力，是冶金危廢資源化的剛需工藝
煤基轉(zhuǎn)底爐、回轉(zhuǎn)窯對(duì)原料寬容度遠(yuǎn)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(chǎn)出金屬化球團(tuán)供給煉鋼，一邊回收鋅、鉛等有價(jià)金屬。氣基豎爐只能吃高品位純凈氧化球團(tuán)，幾乎無(wú)法處置工業(yè)固廢。全國(guó)每年數(shù)千萬(wàn)噸冶金固廢要資源化，煤基還原是無(wú)可替代的處置載體，兼具環(huán)保治廢+產(chǎn)鐵雙重價(jià)值。

3. 成本分層優(yōu)勢(shì)，部分區(qū)域場(chǎng)景經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于氣基

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

?小型、分散、特種鋼廠不需要?jiǎng)虞m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(qū)域小電爐配套；

?對(duì)比傳統(tǒng)高爐長(zhǎng)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(zhuǎn)爐低20%–35%，本身就是優(yōu)于傳統(tǒng)長(zhǎng)流程的低碳替代路徑。

4. 產(chǎn)品品質(zhì)支撐高端鋼制造，產(chǎn)業(yè)鏈不可缺少
煤基DRI雜質(zhì)（硫、磷、有害微量元素）遠(yuǎn)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(shí)，成分更容易精準(zhǔn)控制、成材品質(zhì)更高。國(guó)內(nèi)高端裝備、新能源電機(jī)、汽車高強(qiáng)鋼持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)，穩(wěn)定的純凈DRI供給必須依靠煤基+氣基雙線并行，單一氣基產(chǎn)能完全不夠匹配高端用鋼增量需求。

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