流化床工艺
——Corex 、Finex 和Hismelt 技术的发展近况
一．COREX
1．1前言
COREX 在印度、南非和韩国的成功运行，已经充分证明了COREX 工艺是传统高炉技术的一项成熟的、经济的而且环保的替代方案。而中国宝钢签订的年产能力为150万吨铁水的COREX C一3000厂合同，更是COREX 技术发展的一座新的里程碑。
由于冶金煤越来越少，而且发展中国家，如中国和印度等的钢材消费量越来越大，冶金用煤的价格相比于“COREX 用煤”上涨明显。随着全球“可低成本开采的冶金用煤”储量日益接近枯竭，预计未来这种煤的价格将会持续走高。另外一个相当重要的因素是能源价格持续上涨，特别是天然气的价格。由于COREX 厂产生大量可以用作天然气替代品的清洁煤气，该技术对于那些天然气价格保持高位的地区尤其具有吸引力。
1.2 流程概述
与传统高炉工艺不同，COREX 流程中铁的还原和熔炼过程是在两个不同的容器中完成的。这两个容器分别是上部的竖炉和下部的熔炼造气炉，组成所谓的COREX 塔。COREX 已形成不同规模的系列设计。常见的C2000，设计能力是年产70万t 铁水。第一座商业化的COREX 装置时C1000，设计能力是年产30万t 铁水。而中国宝钢签订的年产能力为150万吨铁水的COREX C一3000厂合同，更是COREX 技术发展的一座新的里程碑。
COREX流程可以使用天然矿、球团矿和烧结矿等块状含铁料。燃料为非焦煤。熔剂主要是石灰石和白云石。原燃料经备料系统处理后，分别装入矿仓、煤仓和辅助原料仓，等待上料。
矿石和部分熔剂按预定的料批装入还原竖炉，在下降运动中完成预热和还原过程。降至竖炉底部的矿石已被还原成金属化率大于90%的海绵铁。海绵铁和熔剂通过海绵铁螺旋加入下部的煤炭流化床。
COREX的熔炼造气炉石一个煤炭流化床。它有两个作用，将海绵铁熔炼成生铁及产生还原竖炉需要的还原气。煤炭流化床的燃料是非焦煤，通过煤炭螺旋自密封加煤料斗加入炉内。助燃剂使用工业纯氧。煤与氧燃烧放出熔炼和造气所需的热量。熔炼过程形成的渣铁积存于缸底部，等待排放。燃烧和气化过程形成的煤气自炉顶连续排出，进入煤气处理系统。
COREX的煤气处理系统较复杂，它主要和煤炭流化床炉顶煤气热除尘、清洗冷却和还原竖炉炉顶煤气清洗三部分组成。
在煤炭流化床中形成的煤气自炉顶排出时温度在1100℃以上，兑入冷却煤气降温后通入一个热旋风除尘器进行粗除尘。粗除尘收得得粉尘用高压氮气重新吹入煤炭流化床回收利用。为了调节炉顶温度，可使用少量氧气烧掉粉尘中的可燃物。半净煤气分为两路。一路作为还原气送往还原竖炉。还原气入炉温度在850℃左右，温度可通过兑入的冷却煤气量进行调节。另一路经进一步清洗形成
冷却煤气。冷却煤气的一部分经加压后返回炉顶煤气管道，降低煤气温度。冷却煤气的过剩部分则向下输送给煤气用户。还原气进入竖炉后向上流动，对矿石进行还原，然后自炉顶排出。经过清洗的竖炉炉顶煤气与过剩冷却煤气一起作为外输煤气输送给用户。
COREX 的渣铁处理与高炉类似。熔炼造气炉不设渣口，渣铁分离后铁水装入铁水罐，由罐车运走。炉渣则流入渣坑。
COREX 的冷却系统主要针对煤炭流化床。冷却形式分为三种。风口采用冷却套水冷。煤炭流化床中部采用冷却壁。下部采用喷水冷却。
COREX 在煤的干燥、煤的运输、矿仓和煤仓四个多尘点设有专门的除尘系统，以净化空气和回收粉尘。
1.3原料
COREX 还原竖炉原则上一个直接还原设备，与其他直接还原竖炉或高炉上部
类似。对矿石的质量要求与高炉相仿，可使用球团矿、天然块矿和烧结矿等块状含铁料。冶炼效果以使用球团矿较佳。
COREX 对入炉矿石有一定的粒度要求。粉末大量入炉或粒度不均匀会造成竖炉料柱透气性恶化及煤炭流化床粉尘量过高等问题。粒度太大则影响还原和加热速度。因此，入炉矿以中等的均匀粒度为佳。为了保证矿石质量，矿石在如炉前要经过再一次的筛选，主要目的是筛除小于8mm 的粉末。
COREX 流程使用矿石粒度（mm ）
矿石种类 可用粒度 最佳粒度
球团矿 6—30 8—16
天然块矿 6—30 8—20
烧结矿 6—45 10—30
除粒度均匀适中外，矿石还应具有较高的强度和热稳定性，特别是还原强度。否则粒度合适的矿石在输送和还原过程中将重新产生大量的粉末。
对矿石化学成分的要求主要是铁品位、自然碱度和有害元素含量。矿石应具有较高的品位。使用高品位矿石获得较低的能耗和较高的利用系数。COREX 要求团矿品位不低于58%，天然矿品位不低于55%，烧结矿品位不低于45%。一般天然矿的脉石都呈酸性，矿石的自然碱度越高越好。即要求矿石中的酸性化合物，贴别是Si 和含量要低。矿石中的有害成分主要指P 、S 、F 、Pb 、Zn 、As 、K 、Na 等。这些杂质含量会在冶炼生产中带来危害，因此要严格控制。
1.4 COREX 用煤（部分数值采用国内外知名钢厂）
COREX 可以使用绝大部分煤种作为熔炼造气炉。其中包括了无烟煤、烟煤和褐煤。可见COREX 熔炼造气煤的选择范围是相当宽的。
因为可使用煤的范围很广, 所以可以用低成本煤以降低生产成本。当前, 这一点是非常重要的, 因为资源性问题, 使市场上的冶金煤价格居高不下, 而COREX 所用的煤价格可保持相对稳定。
使用于COREX 的煤种虽然很多，但工业实施时应择优选用。一般灰煤成分不应高于25%，挥发成分在15%—36%之间。最佳熔炼煤灰分在12%以下，挥发分介于20%—30%之间。
熔炼煤对灰分的限制较宽，低挥发分煤种的灰分可高达30%以上。而理论上可用的最高灰分则直至50%。
1.5 COREX用焦炭
与高炉操作相比,COREX 操作只需要质量比较低的焦炭, 相当于高炉中用的焦丁, 大大降低了其单位价格。
1.6 COREX 焦耗与燃耗分析
2004 年印度金达尔两个COREX 模块平均燃耗为1 050kg/ t ,焦炭占所用燃料约8 %～14 %计, 焦耗约为84～147kg/ t 。南非撒尔旦哈COREX 燃料比为1 050～1 100g/ t ,其中焦炭占所用燃料约13 % ,其焦耗约为136. 5～143kg/ t 。 使用炭具有以下益处:1) 提高渣铁排出能力和透气性;2) 提高生产效率和过程稳性;3) 可以使用范围更广的原料;4) 比较容易对铁水质量进行短期调节, 可以快速关停和启动COREX 设备。所以COREX 正常操作需要使用一些焦炭。为了降低消耗, 近年来不断优化工艺, 尤其在降低消耗方面做了特殊努力。POSCO 经验表明, 通过保持还原竖炉内较高的直接还原度、熔融气化炉内炭床均匀的煤气流分布、炭床高度和氧喷吹速率等最佳控制, 可以达到COREX 无焦操作要求。但是, 通过对工艺和设备的进一步开发可以使焦炭约为所用煤量的5 %～10 %。虽然目前情况下, 已投产的几座COREX 模块生产操作都离不开焦炭, 但与高炉相比, 焦耗少得多。
1.7 COREX 能耗分析（以部分钢厂为例）
南非撒尔旦哈厂的COREX - MIDREX 联合工艺中,COREX C2000 每吨铁输出热值为7. 35MJ / m3 的煤气约2 000m3 ,供直接还原MIDREX 竖炉生产DRI 。由于煤气梯级循环利用, 其每吨热轧产品仅耗煤570kg , 耗液化气12kg/ t , 耗焦炭86kg/ t 。能耗情况与先进钢铁联合企业的传统钢铁流程相当。
COREX 生产能耗是可以与高炉流程相比的。南非撒尔旦哈COREX 与MIDREX 联合流程中,MIDREX 完全用COREX 产生的煤气来生产直接还原铁, 也就是说使用COREX 的单位煤耗生产2t 铁(1t 铁水,1tDRI) , 所以吨铁消耗就降了下来。印度金达尔则用COREX 产生的煤气来发电, 所发的电一半供球团厂、制氧厂和钢厂等全厂使用, 另一半直接获得了收益。
1.8 COREX 的长寿问题
像高炉一样,COREX 冶炼炉的使用寿命很关键, 其内衬寿命是决定投资、生产成本和确定炉龄的关键问题。COREX 技术中, 炉子寿命主要取决于炉缸使用寿命和炭床下部区的冷却系统设计、炭床上部区、拱顶区的耐火材料。
尾气利用研究
尾气的利用主要有以下几方面：
（1）用于直接还原铁的生产，生产直接还原铁。当前比较成功的是在韩国浦项钢厂采用的COREX 还
原尾气后接MIDREX 工艺炉，相当于一个熔融气化炉供应上部竖炉和一个后接直接还原炉。除此之外还在
COREX 的技术基础上，开发了FINEX 工艺，该工艺能更好的利用粉矿，将COREX 装置的竖炉改为多级流
化床装置，终还原仍然沿用气化炉装置。
（2）用于发电。
（3）用作高炉燃料。
（4）生产清洁能源甲醚。
1.9世界第一套Corex C3000
世界上第一座C3000正在宝钢的罗泾地区兴建，预计2007年投产。该装置年产能力为150万t ，高33 m ，炉缸内径为9 m ，设有28个氧气风口，2个铁口，采用新因巴炉渣粒化装置。还原竖炉高29 m ，下部水平沿圆周方向布置8台DRI 螺旋排料机。在熔融气化炉输出煤气管路系统中设有4个热旋风除尘器，该除尘器收集的粉末经4套粉尘喷吹系统由熔融气化炉上部拱顶的4个燃烧口返送回熔融气化炉。其主要设计指标见表。
与COREX2000比较
COREX 的优缺点分析
COREX 工艺较高炉炼铁工艺的优点是：
（1）环境友好，污染小，属“绿色工艺” 。所用原料为非焦煤，块煤，减去了高炉炼铁炼焦，烧结等，
减少环境的污染。
（2）流程短，布置紧凑，生产周期短，占地面积仅为高炉流程的40％。
（3）用原料范围广，原材料的多样化，除了炼焦煤，还可以用各种非焦煤和粉煤。也可以进行适当的
配煤。生产调节灵活，开停炉需要的时间也较高炉小。
（4）COREX 工艺脱硫能力强。原因之一是预还原炉中煅烧的熔剂可吸收气化的硫；二是熔融气化炉
吹氧口上方由于缺少软熔带而形成高碱度初渣，使COREX 装置所用原料中含硫量比高炉燃料高，COREX
铁水含硫量与高炉铁水相近。
COREX 工艺缺陷：
（1）规模较小；（2）作业率比高炉低；（3）炉龄较短；（4）检修周期短；（5）用氧量大；（6）只能使用块煤。