焦炉煤气HYL—ZR 技术生产直接还原铁

2010-02-07   作者：佚名   网友评论 0 条

        我国的钢铁行业遇到前所未有的发展逆势，突破钢铁生产的关键性核心技术是实现逆势突围途径之一。推进，开发直接还原铁生产，改变钢铁生产方式，完善钢铁生产流程，是当今钢铁生产的典型核心技术，必须大力攻克和开发。原鞍钢副总工程师王太炎通过《中国非焦炼铁网》撰稿就相关专业技术做了剖析。

一、前言

　　我国的钢铁行业遇到前所未有的发展逆势，突破钢铁生产的关键性核心技术是实现逆势突围途径之一。推进，开发直接还原铁生产，改变钢铁生产方式，完善钢铁生产流程，是当今钢铁生产的典型核心技术，必须大力攻克和开发。

　　我国钢铁生产长期以长流程为主导，高炉铁的产能达5.7亿吨/年，高炉铁占铁的总产量99.99%，直接还原铁产量只有40—60万吨/年。而美国直接还原铁炼钢短流程的钢产量占钢产总量的50%以上，印度钢产量为4300万吨/年，直接还原铁产量为1900万吨/年。可见，我国高炉铁与直接还原铁生产极不平衡。更谈不上钢铁短流程的开发与形成。

　　国外直接还原铁生产工艺大致分为两种：一种为气基竖炉生产工艺；另外一种为煤基回转窑生产工艺。生产实践证明，前者具有生产规模大、生产成本低、生产操作方便灵活、环境友好等特点，在南美、北美、中东、东南亚、印度等天然气比较富裕的国家被广泛采用。后者由于生产成本高，能耗高等原因只能在特定的条件下采用。

　　我国由于煤炭资源比较丰富，为发展高炉铁炼钢的长流程，提供碳资源，从而形成我国单一的钢铁冶金长流程的生产模式，造成我国钢铁行业高成本，高耗能，高二氧化碳排放量的被动局面。因此改变钢铁生产方式，节能、减排、超低二氧化碳排放，势在必行。

　　我国天然气资源短缺是影响气基竖炉直接还原铁生产的最大障碍。用循环经济的观点，合理利用钢铁长流程生产过程产生大量的焦炉煤气（还原性气体）代替天然气生产直接还原铁，形成我国特有的长流程与短流程并存的钢铁冶金新流程，为钢铁行业化危为机、逆势突围，实现又好、又快发展提供了技术储备。

二、焦炉煤气是气基竖炉生产直接还原铁的优选气源

　　2.1 高炉铁长流程生产过程中需配以相应规模的炼焦厂，生产焦炭供给高炉使用，炼焦过程同时产生大量的焦炉煤气（每吨装入煤产生420NM3焦炉煤气）用618NM3的焦炉煤气可生产一吨直接还原铁。可见，钢铁厂生产直接还原铁，不需外来气源（天然气，合成气等）用过程中产生的焦炉煤气生产直接还原铁，可谓气体资源的循环利用。

　　2.2  国外气基竖炉直接还原工艺全部采用天然气作为直接还原的气源。天然气经高温热裂解成 H2 + CO 作为铁精矿直接还原的还原剂：天然气中含有CH4  90—95%，裂解成70%H2 + 30%CO，耗用大量的热能，焦炉煤气中含有CH4  仅为24—26%裂解耗能仅为天然气耗能的1/3—1/4。焦炉煤气中含H2为56—58%不需裂解耗能。从节能意义而言，用焦炉煤气生产直接还原铁大大优于用天然气生产直接还原铁。

　　2.3  我国的天然气相对短缺，而焦炉煤气绝对过剩。不完全统计全国独立焦化厂每年放散焦炉煤气200亿M3或用作燃料，发电等低价值利用。含有56—58% H2的焦炉煤气不宜用作燃料（H2发热值为2589Cal）而应用作原料（还原剂），热值为9000—9500 Cal的天然气应该作为燃料。从合理利用燃气的观点，用焦炉煤气生产还原铁是合理的、经济的。

　　2.4  直接还原铁生产属于氢冶金过程，基本反应式为；Fe2O3+3H2==2Fe+3H2O；高炉铁生产属碳冶金过程，基本反应式为；Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2——不难看出，碳冶金的最终产物是CO2，而氢冶金的最终产物是H2O。因此，钢铁厂增加直接还原铁的产量是降低CO2排放量最直接、最有效的途径。

　　2.5  我国大量富余的焦炉煤气用于发电，经研究考证，用同样数量的焦炉煤气生产直接还原铁的工厂经济效益是发电的7.1倍。对焦炉煤气平衡相对不足的钢铁厂，可以采用合理调整燃气结构，实行多种燃气联供方式（焦炉煤气，高炉煤气，转炉煤气，煤制气等）合理顶替出大量焦炉煤气，作为生产直接还原铁气源。

三、采用 HYL--ZR技术是气基竖炉的首选工艺

　　3.1  HYL—ZR工艺流程

　　3.1.1 典型气基竖炉生产工艺主要有HYL--ZR工艺和MIDREX工艺。经研究比较证明，HYL--ZR工艺是目前工艺成熟、技术先进、经济适用、环境友好的新工艺，技术工艺流程如下：

　　3.1.2  HYL—ZR 工艺流程的描述

　　原料气重整用反应器内部的金属铁为催化剂，称为自重整。在反应器外部不再有催化剂，简化工艺结构，降低生产建设成本。

　　对反应器顶气进行选择性吸收CO2后补充到原料气中循环利用，最大限度节省原料气，还原性气体有效利用率达100%。

　　多种煤制气原料（焦炉气、合成气、矿物燃料气等）用原天然气生产DRI装置生产试验成功，生产出合格的DRI，多项技术经济指标优于天然气。

　　直接还原反应系统采用高温，高压技术（1050℃，压力大于6巴）全面优化HYL--ZR技术的能量平衡，降低系统能耗，降低系统粉尘耗损（顶气中的矿粉含量小于1%），HYL-DRI 工厂能源利用率：热DRI工厂为87%，冷DRI工厂为83%，其他为70%。

　　顶气采用选择性吸收CO2直接还原系统，可以实现超低CO2排放。如果100%回收CO2，CO2 排放量为0。

　　3.1.3 DRI在钢铁厂中应用不断扩大：

　　（1）提高高炉炉料的金属化率

　　（2）转炉炼钢可作废钢的代用品

　　（3）用作EAF炉中的精料。

　　3.1.4产品品种扩大：冷DRI、热DRI、高碳DRI和HBI等。

　　3.1.5高碳DRI及热送技术开发，是HYL技术的创新之一，有利于电炉降低能耗（含碳提高到4-6%，电炉能耗可降低7%以上，加上采用热送技术可降低能耗20%以上。

　　3.1.6过程中采用“三喷”技术（喷水泥、喷硫、喷纯氧）解决了操作安全的问题，大大提高操作温度，提高反应效率，降低系统能耗。

　　3.2 HYL—ZR工艺主要特点的概述

　　产品的适用性：高碳直接还原铁、冷直接还原铁、热直接还原铁、热压铁块。

　　产品的高质量

　　高碳含量的直接还原铁

　　热直接还原铁直接用于电弧炉炼钢

　　适用于多种不同原料铁矿石

　　直接还原产品被炼钢厂认可

　　对还原性气体要求较低

　　产品的金属化率高，生产成本低

　　还原性气体有多种选择的余地

　　最低的环保影响

　　3.3本工艺对原料矿石有较高的适应性

　　本工艺对于铁矿石的化学成分没有更多的限制

　　本工艺可以使用高硫铁矿石——硫在 CO2 吸附的系统中与 CO2 一起被清除，这是还原过程的组成部分

　　根据原料矿石的具体条件，球团矿和块矿的混合比例为球团100%到块矿100%均可，巴西和印度用100%块矿

　　本地工厂使用的铁矿石，选用规格直径3.2mm的块矿。降低吨直接还原铁矿石消耗指标

　　另外，由于采用高压操作，竖炉内部的气体速度较低，因而矿石损失较少,降低了工厂费用

　　3.4   高碳直接还原铁整合效益分析

　　根据HYL冶金厂使用金属化率94%，含碳4%，还原铁100%热送到电弧炉炼钢实际操作情况，分析如下：

　　化学潜能释放：碳化铁分解反应（Fe3C == 3Fe + C + ΔE -0.7 kWh/kg C）产生热能，因而改善电弧炉的供电的热效率

　　碳的热效应：与其他碳资源加入比较，尽管限制表面碳（石墨）的增加，直接还原铁中的Fe3C在电弧炉中的高收得率，依然是本工艺特点之一
　　易产生泡沫渣，有助于渣铁分离：高碳直接还原铁有利吸收自由氧和全氧

　　在多数的系统中均可控制增碳和装入金属收得率

　　3.5  采用本工艺生产的直接还原铁与高炉铁综合比较

　　*   原燃料消耗降低35%

　　*    液钢产量增加 25%

　　*    CO2 排放量减少38%

四、打造中国式钢铁冶金短流程

　　4.1 长流程与短流程并存模式

　　我国的钢铁冶金长流程已发展到极致阶段，为了消除长流程的弊病，采用长流程与短流程并存的生产模式，是根据我国钢铁工业发展实际状况的过渡性选择。其流程如下：

　　4.2  独立焦化厂用焦炉煤气生产直接还原铁供给炼钢的短流程模式

　　独立焦化厂（原城市煤气焦化厂），由于用天然气顶替焦炉气，造成大量焦炉煤气富余，被迫放散或低价值利用。当大量焦炉煤气用于生产直接还原铁，不仅可以为炼钢厂提供精料，而且大大降低炼铁工序能耗。其流程如下：

　　4.3  用煤制气生产DRI，电炉炼钢，轧钢短流程模式
用非炼焦煤（褐煤或长焰煤）生产合成气（SYNGAS）代替天然气生产直接还原铁，热送电炉炼钢，对我国这样的天然气短缺，而煤资源相对多的国家，该流程是理想的选择。其流程如下：

　　4.4 用天然气生产DRI，电炉炼钢，典型短流程模式对天然气充裕的地区（例如我国西北地区），采用国外的典型钢铁冶金短流程模式，亦是合适的选择。其流程如下：