豎爐直接還原法(shaft furnace direct reduction process)

在豎爐中用高溫還原氣或固體還原劑還原鐵礦石的直接還原煉鐵方法。該法是1932年由馬丁•韋伯(Wiberg)發(fā)明的在瑞典建成了第一座生產(chǎn)裝置，稱維伯爾法(Wiberg Soderfors process)。此法開始是用木炭制造還原氣。后因經(jīng)濟(jì)上的原因，改用焦炭制氣。60年代，隨著石油、天然氣工業(yè)的發(fā)展，以天然氣為能源的豎爐直接還原法蓬勃興起。30多年來，先后有阿姆科(Armco)法、普羅費爾(Purofer)法、米德萊克斯(Midrex)法、NSC和希爾(HYL)法等豎爐直接還原法問世。70年代初，用煤做還原劑的外熱式豎爐直接還原法(KM法)投入生產(chǎn)。

工藝過程 用于生產(chǎn)的豎爐直接還原法中，僅KM法用煤做還原劑，采用外熱式間接加熱鐵礦石的方法生產(chǎn)直接還原鐵。其他豎爐法都用天然氣先在制氣爐中制成以CO和H₂為主的高溫還原氣，熱還原氣進(jìn)入豎爐加熱和還原鐵礦石。熱還原氣從豎爐的還原區(qū)下部進(jìn)入豎爐．與從上向下的鐵礦石逆流運行。還原氣和鐵礦石能很好地進(jìn)行熱交換和還原反應(yīng)。還原好的直接還原鐵在豎爐下部的冷卻區(qū)，用冷卻氣進(jìn)行直接還原鐵的冷卻。冷的直接還原鐵通過排料機(jī)構(gòu)出爐。若想用熱直接還原鐵煉鋼，豎爐可不設(shè)冷卻區(qū)，熱直接還原鐵可用密封罐裝運到煉鋼車間去冶煉；直接還原鐵若出售給很遠(yuǎn)的用戶，則采用熱直接還原鐵壓塊技術(shù)或直接還原鐵鈍化技術(shù)以降低直接還原鐵再氧化的能力。

工藝特征 不同的豎爐直接還原法的工藝各具特色。維伯樂法是由3個豎爐組成一套生產(chǎn)裝置。其中1座豎爐用作焦炭電熱制氣；另1座豎爐用作還原氣脫硫；還有1座豎爐用作鐵礦石還原。KM法豎爐由燃燒室和還原室組合而成。燃燒室燒氣體或液體燃料，還原室內(nèi)裝鐵礦石和固體還原劑煤。以天然氣做能源的氣體還原豎爐，有相同的工藝特征，主要有以下4點：

(1)還原氣制備。即是把天然氣轉(zhuǎn)變成高溫的CO+H₂的還原氣。一般要求還原氣的氧化度<5％，

氧化度=(H₂O+CO₂)/(H₂O+CO₂+H₂+CO) ×100％。

(2)還原豎爐。豎爐分幾區(qū)，上部為還原區(qū)，鐵礦石在此區(qū)被熱還原氣加熱和還原成直接還原鐵；中間部分是過渡區(qū)，用以分隔還原區(qū)和冷卻區(qū)，避免冷卻氣和還原氣相混；下部稱冷卻區(qū)，用冷卻氣將熱的直接還原鐵冷卻到較低溫度，以免熱的直接還原鐵在空氣中發(fā)生再氧化。

(3)爐頂氣和冷卻氣的凈化。從爐頂出來的氣體，要經(jīng)過洗滌除塵，對于蒸汽轉(zhuǎn)化法，豎爐還要脫除CO₂，而頂氣轉(zhuǎn)化法的豎爐可不脫除CO₂。凈化后的爐頂氣返回到制氣部分，與新添加的天然氣一起再重新進(jìn)行還原氣的制備。冷卻氣從冷卻區(qū)下部進(jìn)爐，從冷卻區(qū)上部抽出，同樣也要經(jīng)過洗滌、凈化然后返回使用。

(4)直接還原鐵的處理。出爐的直接還原鐵，經(jīng)篩分后，<3mm的直接還原鐵粉可以加黏結(jié)劑壓塊后供煉鋼用。也可用噴吹的辦法噴入煉鋼熔池使用。對于熱出料的豎爐，若用戶離豎爐近，產(chǎn)品可用保溫罐裝運；若用戶遠(yuǎn)．則熱直接還原鐵需進(jìn)行熱壓塊以減小表面積，增加致密度，防止再氧化。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 同一種生產(chǎn)方法，由于原材料條件和生產(chǎn)條件不同，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也會有較大差別。表中取的是各種方法中較好的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

豎爐法工藝特征和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

展望 以天然氣為能源的豎爐法生產(chǎn)率高，能耗低，產(chǎn)品質(zhì)量高，已成為世界直接還原鐵主要生產(chǎn)方法。1992年米德萊克斯法加希爾(Ⅲ)法產(chǎn)量約為世界直接還原鐵產(chǎn)量的73．4％，加上固定床的希爾(I)法的產(chǎn)量約為總產(chǎn)量的90％。因天然氣資源日益減少，正在研究用煤或用煤制氣的豎爐法，已研制出少數(shù)用煤或煤制氣的方法，它們技術(shù)上雖然可行，經(jīng)濟(jì)上仍缺乏競爭力。