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《現代冶金雜志》2015年第一期

1氫氣豎爐直接還原工藝處理釩鈦礦

1.1傳統釩鈦礦處理工藝存在的不足目前釩鈦礦傳統處理工藝分為高爐法和非高爐法。（1）高爐冶煉釩鈦礦資源存在以下不足：流程長、系統龐大、工藝復雜、必須使用焦炭；工序能耗高，生產成本昂貴，大氣污染物排放量大、環境污染嚴重；在高爐冶煉條件下，爐渣、鐵液粘稠度大，流動性差，冶煉難度加大；釩鈦礦冷態強度和低溫還原粉化性能差，無法滿足冶煉要求；鈦資源無法進行回收，導致大量丟棄或填埋，對周邊環境造成嚴重污染（特別是地下水系統）。（2）非高爐冶煉釩鈦礦資源存在以下不足：單機生產規模小，單臺設備最大能力25萬噸/年；還原劑中的灰分進入鈦渣中導致鈦渣品位降低；鈦資源仍未得到有效利用。

1.2氫氣豎爐直接還原工藝特點氫氣豎爐直接還原工藝處理釩鈦礦資源的工藝流程為：原料處理→氧化球團→氫氣豎爐直接還原→熔分提鈦→轉爐提釩。氫氣豎爐直接還原工藝處理釩鈦礦的產品為高品質鐵水、富鈦產品以及富釩產品。（1）高品質鐵水可以作為鑄造或煉鋼的生產原料。（2）富鈦產品是目前世界上主要的富鈦料之一，主要用于生產鈦白粉、海綿鈦等，而鈦白粉、海綿鈦等產品被用于油漆、涂料、鈦合金等產品的生產，最終用于航空航天、化工冶金、能源電力、船舶和海洋工程、汽車、建筑、體育用品等行業。富鈦原料的生產、供應與國民經濟的方方面面緊密相連，在國民經濟發展中處于非常重要的地位。（3）富釩產品可作為五氧化二釩、釩鐵等產品的生產原料。釩具有眾多優異的物理性能和化學性能，用途十分廣泛，有金屬“維生素”之稱。隨著科學技術水平的飛躍發展，人類對新材料的要求日益提高。釩的應用越來越廣泛，涵蓋了鋼鐵工業、航空航天、化學、電池、顏料、玻璃、光學、醫藥等眾多領域。氫氣豎爐直接還原工藝能夠100%使用釩鈦礦作為原料；產品為富鈦產品、富釩產品以及優質鐵水，其中鈦渣品位＞55%，釩渣品位＞20%，均可作為后續釩鈦深加工原料使用，實現了釩鈦礦中釩、鈦、鐵資源的綜合回收利用；與傳統釩鈦礦處理工藝相比工藝流程短，能耗低、環境污染小，無固體廢棄物排放；整個工藝過程CO2減排25%以上，也可以實現零排放，NOx、SO2、粉塵減排90%以上，能耗降低15%以上，提高了資源利用效率，節能環保效益顯著。

2氫氣豎爐配套還原氣制備

目前，國際上氣基豎爐所用還原氣多為天然氣，大部分的氣基豎爐項目都建設在南美、中東和印度等天然氣資源豐富且價格低廉的地區。但中國的資源特點為“缺油、少氣、富煤”。天然氣在中國的儲量極為有限，且當前主要用于滿足民用和化工產業使用，價格較貴。在中國用天然氣作為氣基豎爐還原氣生產直接還原鐵不僅氣源不足，成本也高。這也是長時間以來制約氣基豎爐直接還原技術在中國大規模推廣的限制因素。中國煤炭資源儲量十分豐富。據統計，截止至2013年，中國已探明煤炭資源儲量達14.8萬億噸。煤炭資源中優質的焦煤資源多用于焦化廠的煉焦生產。在煉焦過程中，會產生大量的焦爐煤氣。據統計，2013年中國焦炭產量為4.76億噸，產生焦爐煤氣量1900億m3。按照45%自用，則可對外提供焦爐煤氣1000億m3。中國焦化廠分為兩類：一類是設于鋼鐵廠內的焦化廠；另一類是獨立焦化廠。前一類焦化廠的焦爐煤氣大部分用于廠內工業爐窯加熱爐使用，剩余部分用于廠內鍋爐或發電。后一類獨立焦化廠產生的焦爐煤氣大多被放散，造成了嚴重的資源浪費及環境污染。煤炭資源中的低階劣質煤目前多通過配煤技術或凈化分離技術之后作為燃料使用，在燃燒過程中會產生大量SO2、CO2、粉塵等污染物，對環境造成不利影響。冶金設計院針對中國資源特點，研發出了適用于氫氣豎爐直接還原工藝的焦爐煤氣制備還原氣技術以及低階煤制備還原氣技術。還原氣供應穩定、成本低，打破了國際上采用天然氣制備原料氣的常規，解決了中國天然氣資源短缺的問題，使氣基豎爐直接還原技術在中國大規模的建設成為可能。目前，由冶金設計院總承包，以焦爐煤氣為還原氣制備原料的“中晉太行礦業有限公司30萬t/a焦爐煤氣制還原鐵項目”已在山西中晉太行開工建設。這是全球第一條使用焦爐煤氣為還原氣制備原料的氣基豎爐直接還原生產線。由冶金設計院設計的以低階煤為還原氣制備原料的“釩鈦海砂礦資源綜合利用項目”擬于青島、連云港等地投入建設。

3氫氣豎爐直接還原技術推廣前景

20世紀中期以來，隨著世界能源結構的調整和鋼鐵生產技術的不斷發展和完善，發達國家都把非高爐煉鐵工藝作為鋼鐵工業的一次革命，放在較高的戰略位置去考慮。中國的鋼鐵工業也應在新技術開發上進行改革性、超前性的研究。氣基豎爐直接還原鐵技術作為新興的、開拓性的技術之一，可有效地克服高爐煉鐵投資大、能耗高、流程長等缺點，能更好地適應現代鋼鐵企業不斷向緊湊化、高效化、連續化、高潔凈化及對環境友好方向發展的趨勢，必將成為鋼鐵生產技術的重要發展方向。

3.1氫氣豎爐直接還原工藝處理傳統鐵礦石前景氫氣豎爐直接還原工藝處理傳統鐵礦石的產品直接還原鐵是解決廢鋼不足的重要途徑，是廢鋼殘留元素的稀釋劑，是電爐冶煉高品質純凈鋼、優質鋼不可或缺的控制殘留元素的原材料；是裝備制造業生產石油、合成化工、核設施等裝備不可缺少的原材料；是轉爐煉鋼最好的冷卻劑。以直接還原鐵為冷料用于轉爐生產可提高轉爐冷料的使用量，有利于提高轉爐作業率和產量，有效提高轉爐生產的熱利用率。中國是鋼鐵生產大國，根據全球鋼鐵生產統計數據。2013年，中國以7.79億t的粗鋼產量位居世界第一，占全球粗鋼產量的48.5%，比2012年增長了7.5%。按世界直接還原鐵產量占粗鋼產量的5．5％計算，中國直接還原鐵的年產量應超過4000萬t。同時，中國廢鋼資源短缺，特別是對優質廢鋼的需求，更是供不應求，進口廢鋼鐵價格及進口海綿鐵價格居高不下，都為中國直接還原鐵產業的發展提供了一個廣闊的應用市場和新的機遇。國外發展經驗表明，氣基豎爐直接還原法是迅速擴大直接還原鐵生產的有效途徑。氣基豎爐還原具有還原速度快、產品質量穩定、自動化程度高、單機產能大等優勢。

3.2氫氣豎爐直接還原工藝處理釩鈦礦前景近年來，隨著中國鋼產量的逐年遞增，國內鐵礦石原料供應的缺口也在不斷增大，導致國內外鐵礦石價格暴漲。在亞太地區，如日本、菲律賓、印度尼西亞、澳大利亞、新西蘭存在一種儲量大、易于采選且價格低廉的釩鈦海砂礦，成為近年來國內鋼鐵企業開發和進口的廉價鐵礦資源之一。2013年，中國釩鈦資源年處理量約3000萬t，釩資源回收率47%、鈦資源回收率約14%。發改產業[2012]2346號文《釩鈦資源綜合利用和產業發展“十二五”規劃》—中指出，“規劃”發展的目標是釩鈦資源利用水平顯著提高，明確釩鈦礦、鈦鐵礦、含釩石煤中釩資源綜合利用率和鈦資源回收率；自主創新實現新的突破，在高端產品研發、生產和應用上有重大進展，高檔產品比例大幅提升；節能減排取得明顯進展，減少廢物產生量和排放量，提高廢物回收利用率。氫氣豎爐直接還原工藝處理釩鈦礦能夠100%使用釩鈦礦作為原料；采用清潔的還原氣作為還原劑，產品純度高（鈦渣品位＞55%，釩渣品位＞20%），可作為后續釩鈦深加工原料使用，實現了釩鈦礦中釩、鈦、鐵資源的綜合回收利用；采用熔分提鈦轉爐提釩工藝，有利于渣鐵分離，提高了金屬收得率（鈦、釩、鐵回收率分別達到95%、75%和90%以上）；與傳統釩鈦礦處理工藝相比工藝流程短，能耗低、環境污染小，無固體廢棄物排放；整個工藝過程CO2減排25%以上，也可以實現零排放，NOx、SO2、粉塵減排90%以上，能耗降低15%以上，提高了資源利用效率，節能環保效益顯著。

4結束語

江蘇省冶金設計院研發的氫氣豎爐直接還原鐵技術不但可以處理傳統鐵礦石資源，還可處理釩鈦礦資源，實現釩鈦資源的綜合利用。該技術在中國乃至全世界均具有廣闊的推廣前景，其工業化應用必將開啟中國氣基豎爐直接還原技術的新紀元。

作者：雷華單位：江蘇省冶金設計院有限公司