赵庆杰  储满生 李艳军王治卿  董文献

（东北大学  材料与冶金学院）

摘要：煤制气—竖炉直接还原是我国发展直接还原铁的重要途径之一，煤制气方法和铁原料的选择是该工艺实现工业化的关键。煤制气方法的选择对该工艺的煤的选择、投资、运行维护成本、生产成本有重大影响。建议直接还原竖炉的制气系统采用煤的适用性好、低压气化的煤制气方法。直接还原竖炉对块矿/球团的要求苛刻，建议采用国内铁矿资源通过精选生产高品位精矿，然后制备专用球团的途径解决。在具备资源、运输条件的地区建设直接还原专用球团生产装置是我国发展直接还原的当务之急。

关键词：煤制气方法 竖炉 直接还原 专用球团

一．前言

非高炉炼铁即非焦炼铁是钢铁工业发展的前沿技术，是钢铁工业发展摆脱焦煤资源的羁绊，降低能耗，减少CO₂排放，改善钢铁产品结构，提高钢铁产品质量的重要方向。直接还原是非高炉炼铁的最重要的组成部分，是实现钢铁生产“短流程”，即废钢/直接还原—电炉流程的重要环节。直接还原的产品—直接还原铁（DRI）是优质废钢的替代品，是生产高品质纯净钢的不可短缺的铁源原料，是转炉炼钢的优质冷却剂。

世界2008年直接还原铁总产量6845万吨。其中，以天然气为能源的气基竖炉直接还原法（MIDREX和HYL等）约占74.3%，煤基直接还原法（回转窑）占25.7%。我国2008年直接还原铁总产量约40～60万吨，占世界总产量不足1.0%。我国直接还原铁生产发展缓慢，严重的制约了我国优质钢、纯净钢的发展和装备制造业的发展。

我国从上世纪50年代开始，对直接还原技术进行了大量开发研究，并建成一批直接还原铁生产厂，但除天津钢管等5个厂采用回转窑法外，其余全部是隧道窑法。除天津钢管、紫金矿业富蕴的直接还原回转窑单机年生产能力15万吨外，其余的生产装置单机年生产能力均小于7.5万吨。单机产能小，能耗高，污染严重，产品质量差（主要表现为TFe低，SiO₂含量高）严重的制约了我国直接还原铁生产的发展。

通过多年的开发研究、生产实践和认真分析国外直接还原发展的经验和教训，我国的直接还原工作者认识到我国的直接还原的发展必须吸收国外经验采用单机生产能力大、能耗低、对环境影响小的气基竖炉直接还原技术和工艺。

传统的气基竖炉直接还原工艺以天然气为能源，以氧化球团或块矿为原料。吨直接还原铁（DRI）能耗10.5～12.0GJ（折合300～350m³天然气），矿耗1.40～1.45t TFe～68%的氧化球团或优质块矿，单机生产能力50～198×10⁴t/a。直接还原竖炉的产品可以是与原料形态相同的冷的DRI或在热态压制成型的热压块（HBI），也可以是热的（750～950℃）DRI。采用热出料、热送到炼钢电炉的直接还原竖炉可取消竖炉冷却段及冷却气系统，可降低竖炉的投资，降低DRI的生产成本。电炉采用热DRI冶炼可大幅度降低电耗、减少冶炼时间、提高电炉的生产能力，有明显的节能和经济效益。多年来，竖炉的产量和产能一直占世界直接还原铁产量和产能的～80%，占据着统治地位。虽然，石油、天然气的价格不断攀升，竖炉直接还原的发展势头一直不减。

由于我国的天然气资源短缺，缺乏可以直接用于直接还原的高品位块矿和球团，我国至今没有直接还原竖炉工业化生产装置。随着竖炉直接还原技术的发展，煤制气技术的成熟和广泛应用，以及我国选矿技术的发展，为我国采用煤制气—竖炉工艺发展直接还原铁生产提供了可能。近年来，我国许多单位、企业筹划建设50～160×10⁴t/a的煤制气—竖炉直接还原铁生产线，但由于种种原因，至今还没有一个进入实质性的运作。

本文就我国发展煤制气—竖炉直接还原工艺所遇到的问题及解决方向作简要分析和探讨，作为抛砖引玉供直接还原的同行们讨论、探讨解决方法。

二．直接还原竖炉还原气制备技术的选择

1.1 直接还原竖炉对还原气的要求

还原性成分（H₂+CO+C_nH_m）高，通常H₂+CO应＞90%；氧化性成分H₂O+CO₂低，通常应满足＜5%；惰性成分N₂＜5%；还原气含硫低。

随竖炉工艺不同要求的还原气压力不同，MIDREX工艺入炉压力为0.13～0.20 MPa，HYL工艺入炉压力为～0.55 MPa。

直接还原竖炉吨产品的热耗为10.5～12.0GJ，折算煤气的消耗量为850～1100m³。对应于50～200×10⁴t/a产能竖炉，单位时间煤气的需求量约为6～24×10⁴m³/h。

1.2 煤制气技术

煤制气技术在化工生产中是成熟的通用技术。主要方法有：固定床法（鲁齐法，多段床法）、流化床法（温克勒法，恩德法，鲁齐循环流化床法）、气流床法（水煤浆气流床法，如德士古法，多喷嘴水煤浆气化法；煤粉加压气化法，SHELL即壳牌法）等。这些方法中，除鲁齐循环流化床法外，在国内均有大型化生产装置在运行中。

1）Texaco水煤浆气化工艺

Texaco水煤浆气化工艺是美国Texaco公司在重油气化基础上开发的水煤浆单喷嘴下喷式煤气化技术，是目前商业业绩最多的第二代气流床气化工艺，优点是气化压力高，运行和操作经验丰富，气化温度高，煤气有效成分高。主要技术特点：（1）进料采用75%以上-200目煤粉制成的水煤浆，煤浆中煤粉质量分数为65～70%。该工艺对煤质的限制较严格，煤的灰熔点应＜1300℃、灰分低于20%，且可制成合格水煤浆的煤。如使用的煤成浆性差、灰分较高、灰熔点高的煤，气化炉的经济性较差；（2）气化压力高2.6～8.4MPa，在化工合成生产中可直接合成甲醇，可节省压缩能耗；（3）碳转化率在95%以上，冷煤气效率可达到70%以上；（4）干煤气中的（CO+H₂）有效气成份在80%以上，CO约占49%，H₂约占31%，CO₂约占18%（大同煤）；（5）气化温度高（1300～1400℃）；（6）采用单喷嘴、热壁炉的设备形式，喷嘴寿命平均在1500h，耐材寿命在1～2年，所以必须设有备用系统，因而投资高，生产运行费用高；（7）生产1000Nm³(CO+H₂)有效气的氧耗在400Nm³左右，煤耗在640kg左右；（8）单炉设计最大日处理煤量可达到2000t。

从以上特点可以看出，以生产规模而论，Texaco炉可以满足直接还原的需要。用Texaco煤气生产直接还原铁，除了要对煤气进行脱CO₂处理外，需要对煤气中的CO进行变换以增加还原气中的H₂含量。

2）Shell粉煤气化工艺

由于它的这些优点，吸引了国内一些企业引进，我国到2008年已引进十九套。SHELL粉煤气化工艺的最大缺点是投资高，设备造价过高；干燥、磨煤、高压氮气及回炉激冷用合成气的加压所需的功耗较大等。

3）鲁齐（Lurgi）加压气化工艺