我国大陆粗钢产量连年持续上升。它比日本的产量多，比欧盟的产量多废钢铁的合理损耗，比独联体的产量多，比美国的产量多，比印度的产量多，比韩国的产量多，其产量总和大于这些国家的产量总和。只有进行转型升级，实现节能增效，才能够持续发展，从而为国民经济和人民生活的提高作出更大的贡献。

钢铁工业转型升级的两个核心分别是绿色转型和产品升级，这两个核心都与废钢存在关联。在钢铁生产过程中，铁前系统的能耗和污染是最大的。而如果以废钢作为原料来炼钢，那么能耗和 CO2 排放量将会大幅度降低。同时，电炉钢具有质量好、品种多以及附加值高的特点。无论是提高电炉钢比，还是实现钢铁产业的节能减排，都需要大量性价比适宜的废钢。废钢是电炉钢的主要原料，同时也是转炉炼钢、铸钢、铁合金等工艺所需要的优质炉料。随着连铸的发展，生产废钢的数量在减少，而社会上的废钢资源不仅有限，其化学成分还很复杂，导致废钢供不应求且价格高昂。

DRI 是废钢的主要代用品，它的主要能源不用焦炭，属于一种节能减排的冶金新工艺。我国钢铁工业要实现转型升级，走出“一高二低”的困境，发展 DRI 是一个重要举措，并且这已经成为业界的共识。而发展 DRI 的关键在于进行技术改进和创新，降低其能耗与投资，以提高其竞争力。

我国多年来 DRI 产量一直徘徊在几十万吨。这并非是因为技术不成熟，而是需要进行优选优化。通过优选优化，能够降低工程投资和生产成本，进而提高经济效益。理论研究以及生产实践都证明，开发出工艺技术先进且适用，经济指标合理，又适合我国原燃料特点的直接还原技术，既可以推动我国 DRI 产业的发展，也能给企业带来显著的经济和社会效益。

1用废钢作原料炼钢节能减排效果

1kg 碳燃烧会产生 3.667kg 的 CO₂。1kg 标煤具有一定的热值，这意味着 1kg 标煤中含碳 0.859kg，并且会排放 3.15kg 的 CO₂。近年来我国重点钢铁企业炼铁系统的能耗，包含高炉炼铁工序以及所需焦炭、烧结矿和球团矿的能耗，大概每吨铁在左右。按照其含碳量来计算，会排放 1.65 吨 CO2。实际上，高炉炼铁的主要能源是焦炭，焦炭是由焦煤经过洗选、炭化制造而成的二次能源，一吨焦炭大约需要两吨焦煤来炼制。再加上喷煤、烧结矿和炼焦的能耗，每吨铁实际消耗热值/kg 原煤约为 1.15 吨。按照这些原煤的含碳量进行折算，大约会排放 2.6 吨 CO2。

电炉炼钢主要以废钢为原料，不存在炼铁系统的能耗污染。近年我国电炉工序的能耗约为每吨左右，会排放 0.23 吨 CO₂。所以，电炉炼钢每吨钢能节能，并且减少 1.4 吨 CO₂排放。若按照原煤消耗来计算，即便把发电煤耗算进去，每吨钢也能减少约 2 吨 CO₂排放。

2发展DRI的意义及市场需求

直接还原铁（DRI），也叫做海绵铁。它含碳量接近钢，有害元素含量低。它可以代替废钢，成为电炉炼钢的主要原料。并且，有些钢种必须加入部分 DRI，以此来确保成分合格。同时，DRI 还是转炉炼钢、高炉炼铁、铸造、铁合金等工艺的优质钢铁原料。它的市场需求大，性价比合理，产品供不应求。因为主要能源并非焦炭，所以 DRI 是一种能够节能增效的冶金新工艺。

DRI 是废钢的主要代用品，它对于发展电炉钢以及促进钢铁行业的转型升级来说，是必不可少的物质条件。

电炉钢常大量使用炼钢生铁或高炉铁水当作原料，若发展直接还原铁（DRI），便能节约大量的焦炭，这对钢铁企业的节能增效是有利的，并且还是电炉钢厂节能增效的可靠措施。

提高国内中小矿山铁矿的附加值，促进资源综合利用。提高国内中小矿山非炼焦煤的附加值，促进资源综合利用。促进中西部地区经济发展。

随着电炉钢厂的发展以及优质高效钢品种产量的增加，世界上对优质废钢的需求很大，然而资源较为紧张，价格较高，并且化学成分也很复杂。建设高炉来提供铁水，投资大，成本也高。DRI 不但可以替代废钢，而且为了保证钢材成分合格，在冶炼优质钢和特殊钢时，必须添加部分 DRI 来淡化有害成分。我国电炉钢的比例以及国际上使用 DRI 的情况显示，目前每年大概需要合格的炼钢 DRI 为 3000 万吨。

转炉炼钢需加入部分废钢当作冷却剂。美、俄、日、加等国以及我国鞍钢等企业曾进行工业试验，在转炉炼钢过程中，用 DRI 代替废钢，这样能降低成本，还能增加炉渣氧化性，减少氧气消耗，提升脱磷脱硫能力。若以国内转炉钢年产量 5 亿吨计算，当 DRI 配入量为 10%时，金属化率 80%左右档次的 DRI 在国内的市场需求为 5000 万吨/年。

使用精料是优化高炉炼铁工艺的一种可靠方式。如果铁矿品位提高 1%，那么焦比就会降低 2%，利用系数也会提高 3%。然而，提高铁矿品位主要依靠细磨精选，这会导致成本上升。近来，有的钢铁企业为了降低成本，不得不降低铁矿品位。但如果采用还原球团或金属化球团，就可以进一步降低焦比，同时提高利用系数。美、俄等国的钢铁公司进行工业试验后证实，炉料金属化率每提升 10%，焦比大概会降低 7%，铁水产量大概会提高 8%。倘若 5 亿吨生铁的炉料中有 20%采用金属化率约为 70%的还原球团，那么大概每年需要 1.1 亿吨（此时烧结矿需要 1.7 亿吨），这样可以节省 1808 万吨焦炭，铁水产量能提高 5600 万吨。

3国家产业政策鼓励发展DRI

工信部的《钢铁工业“十二五”发展规划》指出：在重点领域和任务中，专栏 6 技术创新重点包含新工艺、新装备、新技术，其中有非高炉炼铁技术以及新一代可循环钢铁流程技术等。

中国金属学会和中国钢铁工业协会在《2011 - 2020 钢铁工业科学与技术发展指南》中指出：应当积极开展研发工作，并且逐步推动工程化的技术，其中包含非高炉炼铁技术。

发改委的《产业结构指导目录（2011 年本）》中，鼓励类包括八、钢铁这一项，其中又有 3、非高炉炼铁。

4 DRI工艺概况

按还原设备进行分类，有竖炉法，有回转窑法，有隧道窑法，有转底炉法，有流化床炉法等。

以前，HYL 法和气基法竖炉的产量在世界 DRI 总产量中占比 90%以上；近年来，以回转窑煤基法为主的印度 DRI 产量上升至世界首位，煤基法产量增加到约 27%。因为中国、印度等国大多是煤的量比天然气大且价格低廉，随着煤基法技术不断优化、成本逐渐降低，煤基法 DRI 必然会以更快的速度发展。

5 DRI节能减排理论根据

5.1 DRI工艺流程短

从铁矿石直接炼钢的虚线 Ideal Route 是炼钢流程最短、能耗最低的工艺路线。然而，这一路线难以实现，因为在高温下，当 Fe 熔化后，还原剂中的 C 会渗入 Fe 中，导致铁水的含 C 量大于钢的含 C 量，所以需要添加炼钢工序，将铁水中的 C 再氧化脱去。现代钢铁生产的主流程“高炉炼铁 - 转炉炼钢”就是这样的情况，这种炼钢方式被称为二步法炼钢。DRI-EF 流程属于二步炼钢。DRI 减少了渗 C 再脱碳这一过程。所以 C 耗和 CO2 排放按理来说应该低于高炉炼铁。

5.2 DRI直接还原度rd比高炉炼铁更接近碳耗最低点

有人认为铁矿石进行直接还原反应属于吸热反应，而进行间接还原反应则属于放热反应。在高炉内，大约有 50%的炉料会进行间接还原反应。正因如此，人们觉得进行间接还原反应的高炉比直接还原铁（DRI）更节能。

实际上，炼铁是在高温条件下将氧化铁还原为金属铁。在这个反应过程中，不仅会消耗热能，还会消耗还原剂，也就是化学能。在理论研究中，把 FemOn+nC =mFe+nCO 称作直接还原反应，把 FemOn+nCO =mFe+nCO2 称作间接还原反应。直接还原反应会吸收热量，消耗的热量较多，但是消耗的还原剂较少；间接还原反应会释放热量，消耗的热量较少，但是消耗的还原剂较多。不能仅因间接还原比直接还原耗热少就称其节能。如图 2 所呈现的那样，把直接还原的铁量与全部铁量的比例定义为直接还原度 rd ，以此作为横坐标废钢铁的合理损耗，将碳耗作为纵坐标，实际的碳耗曲线是 AOK ，其最低点处于 rd 约 25%的时候，也就是直接还原占比约 25%、间接还原占比约 75%的时候。

另外，高炉炼铁实际上就是煤基竖炉炼铁。从图中可以看出，温度低于 800℃的最上部区域，几乎全是间接还原。中部在 800～1100℃之间，是间接还原与直接还原并存的区域。高于 1100℃的下部区域，几乎全是直接还原，且还原度约为 45%。DRI 被称为直接还原铁，主要是因为氧化铁在固态下直接转化为金属铁，而不是通过直接还原反应来炼铁。煤基竖炉法 DRI 所处的状态相当于高炉 800～1100℃的区域，在这个区域中，间接还原反应和直接还原反应同时存在，并且是以间接还原反应为主。煤基竖炉法 DRI 的 rd 比高炉炼铁的 rd 小，更接近碳耗的最低点，从理论上来说，其能耗应该低于高炉炼铁。

6 DRI以煤代焦， 能耗低于使用二次能源炼铁

工业能源包含煤炭、油、气、电力等多种形式。在钢铁工业中，为了便于统计和比较，其能耗是以 kgce/t 钢（标准煤耗量）来计量的。然而，业内人士都清楚，对于同一道工序而言，因为能源的品种不同、质量不同以及价格不同，使用一次能源和二次能源时，工程投资会不同，生产成本也会不同，进而企业的经济效益也会有所差异。能量依据能量守恒定律，它既不能被产生，也不能被消灭，仅仅能够从一种形式转变为另一种形式。并且每次进行这种转变的时候，都具备一定的效率，同时会有能量的损耗。所以，节能首先就得尽量把一次能源高效地利用起来；当不得不进行能源转换的时候，一定要尽量降低损耗，提升二次、三次能源的利用效率以及效益。

原煤直接作能源使用时属于一次能源，其产生的尾气中含有能量，所以尾气是二次能源。原煤在使用前先炼焦或制气，转变为二次能源的过程中，必然会有一定损耗，这就带来了转化效率以及二次能源利用效率和效益的问题。高炉炼铁和/or 气基法竖炉 DRI 都利用二次能源，它们比 DRI 直接利用原煤的能耗要大，并且它们的尾气是三次能源，还需要考虑其利用效率和经济效益。焦炉和高炉的改造工作进展缓慢，气基法竖炉 DRI 的进展也不顺利。这并非是因为技术问题难以解决，而是由于经济效益方面的原因。企业在进行节能时，不能仅仅考虑所使用能源的热值。对于焦炭、煤气、电力等二次、三次能源，需要计算原煤、原油等一次能源的消耗情况，以及能量转换过程中所需的投资、成本和损耗等。只有当企业能够取得较好的经济效益时，这些节能措施才能得到推广应用。

6.3气基法竖炉DRI投资大，成本高也与使用二次能源有关

目前世界上，气基法竖炉 DRI 的还原气体主要是天然气。我国的天然气资源较为紧张，价格也比较高，无法大量将其用作冶金能源。所以，气基法竖炉 DRI 只能使用焦炉煤气或者煤制气。即便原煤较为便宜，在使用煤制气时，能源的转变以及尾气的利用都会增加损耗，并且还需要增加工程投资以及生产成本。

气基法生产 DRI 时，炉内不存在固体碳，并且温度比较低。此时，rd 等于 0，无法发生前面所说的 FemOn + nC = mFe + nCO 这种直接还原反应，也无法发生 CO2 + 2C = 2CO 的 C 循环利用反应。并且，气基法的能耗要比煤基法高。生产吨 DRI 消耗的高热值煤气仅为几百立方米，约 11 至 12.5GJ/t 铁。然而，为满足还原铁过程的化学热力学条件，实际上需要输入煤气，达到 48.72GJ/t 铁。在设计中，尾气所含的能量都应被利用，但这样做投资较大且成本较高。HYL 公司设计的针对中国市场的煤制气 DRI 工艺，包含煤制气、球团以及 DRI 这三个部分，每生产一吨铁的投资在二千元以上。国家对发展非高炉炼铁持鼓励态度，国内有许多企业都有投资的意向，然而它们处于犹豫不决的状态，进展较为缓慢，主要是因为担忧经济效益。

7煤基竖炉直接还原工艺先进而且可靠

如前文所说，高炉炼铁的能耗比较低，其中一个重要的原因是采用了煤基法。这种方法既有间接还原反应，又有直接还原反应。需要进行改进的是，煤必须先被炼成焦炭。煤基竖炉的直接还原度 rd 更加接近碳耗的最低点，并且使用非炼焦煤（或者热值更低的褐煤）作为还原剂，其节能的优势是非常明显的。

业内人士知晓，钢铁工业经过多年的发展，其传统工艺以及装备的产能较大，并且技术较为可靠。而创新大多体现在对设备或操作细节的改进方面。只有对这些技术进行比较研究，才能够鉴别出先进与落后，从而做到取他人之长、补自身之短，以实现更快更好的发展。煤基竖炉 DRI 技术是经过优选优化的。它在高炉炼铁工艺以及煤基法 DRI 隧道窑、回转窑、转底炉和气基法 DRI 竖炉工艺的基础之上。这种技术先进且可靠，经济效益也合理。它属于一种冶金工艺技术和装备。

高炉是竖炉，焦炉也是竖炉。高炉上部 2/3 以上的炉料，其化学热力学过程相当于煤基竖炉 DRI。高炉属于内热式竖炉，适合生产铁水；焦炉为内外混合加热的竖炉，更适宜小块固体炉料的煅烧和还原。太钢不久前从德国引进的技术是利用钢铁厂的氧化铁废料进行还原从而生产铁水，其原料以及制备过程与 DRI 相同，并且依然使用的是高炉式竖炉；而意大利达涅利当年研发的 KM 法 DRI 竖炉，采用的是伍德炉结构。DRI 是将氧化铁在固态状态下直接还原为金属铁，传热主要依靠导热、对流、辐射这三种形式。伍德炉的反应室截面长且宽大，它的传热面积大，传热路径短，窑壁效应良好。其气氛适宜，温度也适宜，所以能生产出质量好的产品，并且能耗低，生产效率高，造价还低。因此，将其作为 DRI 的主体设备更加适宜。

过去城市煤气常用的连续式直立焦炉、碳素厂的罐式煅烧炉、火法炼锌厂的竖罐炼锌炉，这些都是由英国早年研发的干馏煤的伍德炉演变而来的。它们是块状炉料煅烧和还原最为先进且适用的设备，在欧洲被广泛应用，并且很早就传入了中国，到目前为止依然是所在产业的主要装备。天源二手物资的 KM 法煤基竖炉 DRI 工艺是上述技术的发展，该工艺是天源二手物资 1968 年开始联合研发的。此工艺在意大利进行了工业试验并成功投产。

8煤基竖炉直接还原工艺的国产化创新

1976 年起，天源二手物资组织了北京钢铁研究总院、广东省钢铁研究所、广东省冶金设计院等单位。这些单位对这种工艺展开了一系列的研究工作。同时，也进行了相关的试验。在 87 年，对该工艺进行了鉴定。鉴定结果表明，这种工艺先进且可靠。并且建议应尽快将其转化。后来没有进行引进，国内不存在生产实例和示范工程，这对它的发展产生了影响。主要原因在于当时材料设备都需要进口，导致投资较大，并且对于工艺、装备国产化创新的认识以及实施需要一个过程。

国内一些科技人员得到天源二手物资等单位领导和专家的支持。他们长期坚持进行煤基法竖炉 DRI 国产化的研究试验。在之前研究的基础上，先后开展了实验室试验、半工业性试验以及小型工业试验。其中单罐小型工业试验的反应室容积与 KM 法工业装置的容积接近 1/1。通过这些试验，进一步验证了这种工艺的可靠性以及主要的工艺和设备参数。这些工作为这项技术在国内的转化和推广创造了条件。

国内某公司依据我国资源特点展开行动。以各类煤气、天然气或煤层气等当作燃料，以非炼焦煤作为还原剂，以高品位块矿或球团矿作为原料。经过多年的钻研与试验，成功开发出煤基竖炉 DRI 工艺以及配套设备。目前已经建成了 1 万吨/年规模的设备、5 万吨/年规模的设备和 10 万吨/年规模的设备。30 万吨/年规模的设备正在进行设计工作。实践证明，这种工艺采用 TFe≥68%的铁精粉（或块矿），并且 DRI 的全铁含量大于 90%，金属化率大于 90%，就能够生产出合格的炼钢用 DRI；同时，使用 TFe≥71.4%的铁精粉/铁鳞，能够生产出 TFe≥98%且金属化率≥98%的适合粉末冶金还原铁粉用的优质 DRI。

9结语

废钢对钢铁工业的绿色转型和产品升级起着物质保证的作用；DRI 是废钢的主要代用品，同时也是钢铁冶金的优质炉料，并且还是一种能够节能减排的冶金新工艺。

我国发展 DRI 的关键在于进行技术改进和创新，以降低能耗与投资，提升竞争力。我国对 DRI 有着巨大的市场需求，尽管我国天然气较为匮乏，但煤炭储量丰富，所以当前煤基直接还原铁技术仍是主要工艺，而煤基竖炉在我国钢铁产业的节能增效以及转型升级过程中，是一种可靠的技术措施和装备。