摘要：针对目前已实现工业化生产的煤基直接还原工艺技术，从工艺技术难点方面进行综合分析。回转窑反应温度低，导致动力学条件变差，停留时间长，散热大，吨铁煤耗达到1000kg左右；从能量利用角度，过多的煤气还需换热加以利用。隧道窑通过罐装矿粉，可省去造球工艺，但是罐子传热只能通过对流与传导换热方式，因此，停留时间长，热量损失大，同时罐子、海绵铁的余热、废气热量尚未得到利用，导致煤耗高达1500kg／t海绵铁。转底炉由于温度高，反应速度快，但是热能利用率差，吨铁实际煤耗居高不下。可见，目前的煤基直接还原炼铁工艺，最大的问题是固态条件下的还原反应效率过低，提高铁矿的低温反应性能是煤基直接还原炼铁走向成功、高效、环保的关键所在。

煤基直接还原是用煤作还原剂，在回转窑、转底炉、循环流化床内将铁矿石中的铁氧化物在固态温度下还原成海绵铁。对我国而言，天然气资源不足，非焦煤资源丰富，是研究开发煤基直接还原工艺的根本动力。煤基直接还原工艺按照主体还原设备可划分为转底炉工艺、隧道窑工艺、回转窑工艺等。

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一、回转窑工艺存在的问题

（1）设备负荷大，制造与运行成本高。窑体整体持续转动，窑壳、耐火衬料与物料同步运转，设备自重与传动负荷大幅增加，传动功率消耗高。同时回转窑支承结构体量庞大，设计、加工与安装难度较大。行业通常将非高温类工序移出窑外，以此缓解设备短板。

（2）窑的容积利用系数低。受窑体转动、物料动态运行的工况限制，窑内物料充填率无法提升，相较于竖炉等设备，回转窑的容积利用系数处于较低水平，制约产能发挥。

（3）窑内结圈问题突出。对于用煤的回转窑，其结圈的主要原因有三个方面：

•煤的灰分组成为低熔点化合物，在操作温度下将产生液相，并粘结粉末，不断长大而产生结圈。

•窑内物料产生的粉末是助长结圈和使结圈不断长大的重要因素。

•窑壁产生局部高温，一旦达到产生液相的温度，则将进一步诱发并加重结圈现象。

（4）传热速度慢。回转窑以窑壁导热为主要传热方式，热量先加热窑壁，再由窑壁传递至物料，传热路径长、速度慢。对比竖炉、固定床的对流传热模式，整体传热效果差，直接影响还原反应效率。

二、转底炉工艺存在的问题

(1) 海绵铁质量差，应用困难
含碳球团制海绵铁易受煤灰分干扰，成品品质参差不齐，金属化率偏低的转底炉 DRI 无法直接入常规炼钢电炉。
对于钢厂含铁粉尘，含铁量只有50％左右，此类矿粉在转底炉中还原，脉石、FeO含量太高，球团密度低(远小于炉渣密度)，更加无法在普通炼钢电炉中使用，必须研制专门熔化它的电炉。

(2) 能耗高
转底炉内热效率仅约50％左右，高温废气温度高达1400～1500℃，必须通过大量氮气兑成1000～1100℃，废气才有可能完成后序除尘、换热等功能。国内多依靠煤气发生炉制取低热值煤气，要预热助燃空气或富氧空气才能补足供热，而煤制气能量效率不高，在加上后序的换热器能量转换效率不高，因此，转底炉工序的能耗是高的。

(3) 稳定性差、故障点多

•布料稳定控制难度大。由于转底炉特殊的传热方式，正常铺2层球，给布料带来困难，会出现1层或多层情况，直接给转底炉还原、炉内气氛、海绵铁质量产生影响。

•气氛控制困难，海绵铁成分波动。由于布料方式、煤气成分等波动，直接影响海绵铁质量。转底炉上层球，直接受到上部高温火焰的热量，温度高，反应快，但是，也直接暴露在氧化气氛下，容易造成二次氧化。转底炉下层球，热量要靠热传导，热效率变低，温度较低，金属化率也较低。炉内的气氛、温度变化，直接影响还原、二次氧化、热能传递。因此，海绵铁的金属化率也会产生波动。

•高温含尘废气换热容易堵塞。转底炉出来的煤气，含有一定粉尘，在处理含锌粉尘时，有专门的收集粉尘设施，而对于普通矿粉，除尘较为简单，当遇到球团粉化等气体粉尘量增加时，换热器就容易堵塞。

•出料也易出现故障。炉内温度、气氛的波动，会影响球团的性能、粉化与粘结都有出现的可能，给正常的出料产生影响。

•转底炉传动机构存在问题。在我国早期的转底炉工业试验过程中，转底炉的传动机构经常出现问题，导致生产中断。随着转底炉的大型化，机械传动机构压力加大。

•耐材寿命要求较高。上部为燃气燃烧的热量，平均温度1450℃以上，比大型转底炉的气体平均温度还要高。因此，上部耐材受到强烈的热辐射，同时受氧化性高速气流的冲刷，炉衬要经受不均匀热应力，装料、还原、冷却，受热情况是变化的，冷却、加热、再冷却，热应力大，对耐火材料要求高，炉衬损坏不可避免。转底炉下部炉衬，还要与球团等发生反应，产生粘结等现象，造成工艺不顺与底部炉衬受损。

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(4) 转底炉很难接纳矿的多样性
虽然转底炉能够处理多种矿种，但是矿种不同，相应工艺参数也会发生变化。高品位铁矿与低品位矿的球在高温性能差距很大，不同矿种还原性能差距较大，不同煤种还原性能差距较大。因此，一座转底炉很难处理多种矿。

(5) 投资大
在转底炉研究初期，认为转底炉不需烧结、焦化工艺，投资是不高的。但是随着研究的深入，特别要考虑节能、环保等因素，投资明显加大，目前一座30万t海绵铁的转底炉+熔分电炉，固定投资即大于6亿元，比相同的高炉、熔融还原投资都要高。

三、隧道窑法工艺在我国异常发展

隧道窑法是最古老的炼铁方法之一，通常仅用于粉末冶金还原铁粉生产的一次还原工序。其技术含量低，适合于小规模生产，投资小，符合小型企业投资需要。隧道窑法热效率低，能耗高(还原煤450-650kg/DRI，加热用煤450-550kg/DRI)；生产周期长(48-76小时)；污染严重(还原煤灰、废还原罐等固体废弃物多，粉尘多)；产品质量不稳定；单机生产能力难以扩大等问题，不可能成为直接还原铁发展的方向。

四、煤基直接还原炼铁的综合分析

4.1 煤基直接还原炼铁工艺的现状

主要结果如下：
（1）现有各种煤基直接还原炼铁工艺都存在反应速度慢、能耗高的问题，目前只作为气基海绵铁生产的补充。
（2）目前煤基直接还原炼铁最大的问题是固态条件下的还原反应效率过低，提高铁矿低温反应性能是煤基直接还原炼铁走向成功、高效、环保的关键所在。
（3）现有的煤基直接还原炼铁工艺，距低能耗、低污染的炼铁目标相差甚远，发展节能减排型煤基直接还原炼铁任重而道远。

双碳背景下，钢铁固废资源化需求大增，煤基直接还原炼铁凭借适配我国煤炭资源禀赋的优势，仍是国内低碳炼铁领域重点发展方向。但回转窑结圈、转底炉球团粉化、能耗高、产品品质波动等一系列技术难题，长期制约着工艺的规模化、高效化推广，行业急需新技术、新材料破局。
为加快技术迭代与产业化落地，助力煤基直接还原炼铁行业突破发展瓶颈，建杰面向全国广纳冶金工艺、材料研发等领域的高精尖人才，搭建了专业的技术研发部门与研发体系，配备专业实验室与试验平台，诚邀行业有志之士携手同行，依托冷压成型与专用粘合剂技术，共同攻克行业技术难题，赋能我国煤基直接还原炼铁产业高质量、绿色化发展。

Q&A问答一：煤基直接还原炼铁在国情适配下的不可替代的存在价值有哪些？

四大不可替代的存在价值（支撑持续发展的核心理由）

1. 适配我国“富煤贫气”基础能源禀赋，保障钢铁原料自主安全
全球气基DRI集中在中东、俄罗斯等产气大国；我国天然气对外依存度高、长周期价格波动剧烈，全面铺开天然气竖炉不具备全国普及条件。
煤炭是国内唯一储量大、供应链自主可控的大宗化石能源；煤制合成气、煤富氢还原可以就地取材，西北、华北煤炭基地天然适配布局；
现阶段绿氢产能极小、造价极高，完全靠氢基撑起千万吨级DRI缺口至少要到2035年后；煤基是填补电炉优质铁源缺口最现实抓手。目前国内DRI总产能里煤基仍占65%左右，是电炉短流程扩产的基本盘原料保障。

2. 独有固废消纳能力，是冶金危废资源化的刚需工艺
煤基转底炉、回转窑对原料宽容度远高于气基竖炉：可直接处理含锌除尘灰、钢渣、赤泥、铬矿粉、各类冶金含铁粉尘，一边产出金属化球团供给炼钢，一边回收锌、铅等有价金属。气基竖炉只能吃高品位纯净氧化球团，几乎无法处置工业固废。全国每年数千万吨冶金固废要资源化，煤基还原是无可替代的处置载体，兼具环保治废+产铁双重价值。

3. 成本分层优势，部分区域场景经济性优于气基

•煤炭主产区（晋陕蒙宁）原煤、煤制气成本低廉，配套焦化厂副产煤气协同耦合后，煤制气竖炉综合生产成本可低于外购LNG气基路线；

•小型、分散、特种钢厂不需要动辄几十亿投资的大型气基竖炉，中小型煤基装置投资门槛低、启停灵活，适配小众特种钢、区域小电炉配套；

•对比传统高炉长流程：即便煤基DRI碳排放更高，但煤基DRI+电炉全流程碳排放依然比高炉-转炉低20%–35%，本身就是优于传统长流程的低碳替代路径。

4. 产品品质支撑高端钢制造，产业链不可缺少
煤基DRI杂质（硫、磷、有害微量元素）远低于高炉铁水，搭配废钢冶炼电工钢、轴承钢、不锈钢、军工特钢时，成分更容易精准控制、成材品质更高。国内高端装备、新能源电机、汽车高强钢持续扩产，稳定的纯净DRI供给必须依靠煤基+气基双线并行，单一气基产能完全不够匹配高端用钢增量需求。

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