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气基竖炉直接还原技术的发展

作者:1 发布时间:2010-02-09 文字大小:【大】【中】【小】
  本文介绍了Midrex和希尔技术的发展,以及其各自开发的可以不依赖天然气,而使用煤气化气、Corex工艺输出煤气和焦炉煤气等作为还原剂生产直接还原铁的技术。
  引言
  2007年,Midrex工艺生产的直接还原铁产量达3970万t,占世界直接还原铁产量的59.7%。希尔工艺所产直接还原铁量达1130万t,占世界直接还原铁产量的16.8%。气基竖炉工艺所产直接还原铁占世界直接还原铁总量的76.5%,已占绝对主导地位。由于气基竖炉直接还原铁工艺原来主要依靠天然气进行生产,使其发展只局限于天然气丰富的地区。近年来,无论是Midrex,还是HYL工艺,都得到了进一步发展,而且可以利用焦炉煤气、煤制气、COREX输出煤气等进行生产。
  1 MIDREX技术发展
  1.1 生产效率不断提高,能耗不断降低
  在Midrex工艺中,块矿和球团矿在竖炉中被逆向流动的富氢还原气混合物还原为DRI。富氢还原气由天然气在气体重整装置中裂解产生。在Midrex生产厂,一般情况下,气体重整时需把竖炉炉顶排出气体中的CO2 加进去进行。把750~900℃的还原气喷进竖炉还原区底部。炉顶气体排出时通过洗涤器除尘,然后用于预热重整装置中的天然气,并保持其温度。
  通过开发块矿利用技术、铁料涂层技术、氧气喷吹技术和OXY+技术,使Midrex生产率得到大幅度提高,能耗大大下降,见表1。
  表1      Midrex技术的改进
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  小时产量t/h    天然气比%    添加氧量Nm3/t    天然气量Nm3/t    电耗kWh/t
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  投产初期      88.8           4.5           0.0            268.6             135
  使用块矿     100.3           3.5           0.0            262.3             120
  涂层球团     110.2           3.5           0.0            257.9             109
  喷氧气       121.5           4.5          17.5            260.3              99
  OXY+        129.2           3.0          30.2            265.8              93
  喷氧加OXY+  133.6           3.0          41.2            264.6              90
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  随着涂层技术的开发,生产原料可以在100%球团至100%块矿之间变动,这样生产厂家可以通过优化配料,以最低原料成本,高效地生产优质DRI。印度埃萨钢铁、伊期帕特工业公司和萨尔达那钢铁等都在其Midrex生产设备中使用了50%以上的块矿。
  1.2 产能规模不断扩大
  单个模块的生产规模不断扩大。近年推出的SUPER MEGAMODE,可以使单个竖炉的年产量增大到270万t/a,这样为满足不同钢铁厂的需要,可以有很大的选择余地。
  1.3 可以使用煤制气或者COREX输出煤气作还原气进行生产
  一般情况下,Midrex使用天然气作还原剂进行生产,因很多地区缺少天然气,所以很受限制。但是目前,在全世界60多个模块中,只有一例特殊情况,南非萨尔达那把Corex与Midrex工艺配合使用,Corex工艺产生的煤气经过脱除CO2后可以作Midrex工艺的还原气体。近年来,由于世界对DRI的需要,使用煤气化炉与Midrex连接的概念被提了出来,示意图见图1。
  南非萨尔达那的Corex与Midrex配合装置中,熔融气化炉可以同时进行煤气化和生产铁水,其流程如图2。气化装置的主要目的是产生Midrex工艺所需要的还原气体。主要参数是气体质量,如H2/CO比、气压等。为了高效生产DRI,Midrex工艺要求气体的(%H2+%CO) / (%H2O+%CO2)之比至少为10。一般来说,Midrex生产厂都把H2/CO之比设计为0.5~4.0。因为大多数气化都能产生H2/CO之比为0.5~1.0的气体,所以不需要转换装置来改变气体成份。
  COREX输出气体的H2/CO和 (%H2+%CO) / (%H2O+%CO2)之比都较低,见表2。因此,必须选择CO2去除装置,南非COREX/Midrex配合装置中选用了VPSA来提高输出气体的质量。
  表2  Corex工艺输出煤气的成分
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  项目                  化学含量 %
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  H2/CO                      0.5
  (%H2+%CO) / (%H2O+%CO2)    ~2
  CO                      43~45
  H2                      12~22
  CO2                     30~32
  N2, H2O                   1~6
  CH4                       1~2
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  COREX工艺每生产1t铁水产生热值为7350kJ/m3 (CO+H2>65%)的输出气体2000m3,在去除CO2之后,只有在H2+CO≥90%时,输出煤气才能用来生产直接还原铁。萨尔达那厂Midrex装置的作业率为90%,年产量为75万t DRI,DRI金属化率为92%,含碳1.6%。
  2 希尔技术的发展
  HYLⅢ工艺中,天然气在重整器裂解中通常需添加蒸汽。为获得H2含量较高的还原气体,需要脱除CO2。
  2.1 ZR 工艺
  ZR工艺与传统HYLⅢ相比,不需要重整装置。还原气体在还原反应竖炉内,经过不完全燃烧,以及经过金属铁的催化作用进行现场重整而生成,从而对铁矿石进行还原。因而,ZR工艺的总投资较低,而且其操作和维护成本也较低,但DRI质量较高。
  ZR工艺的产品是碳化铁形式的DRI,这是因为工艺过程中发生了渗碳。1998年以来已有多座工厂实现工业化生产。墨西哥蒙特雷的Ternium Hylsa 4M厂(90万t/a)、Ternium Hylsa 3M5(50万t/a)厂等都是其工业化实例。
  2.2 ENERGIRON工艺
  ENERGIRON是Tenova HYL与Danieli & Co共同以ZR为基础而开创的一个技术牌名,该技术具有较高灵活性,可以满足客户根据原料、燃料、能源供应和产品规格所提出的各种需求。有以下标准模块:200,000t/a(Micro-module), 500,000t/a(Mini-module), 800,000t/a, 1,200,000t/a, 1,600,000t/a, 2,000,000t/a。
  其还原气体源可以是含有一定量碳氢化合物(如CH4等)的任何气体,如天然气、焦炉煤气、COREX熔融还原炉气体、煤气化气或者直接是H2和或CO。还原气可以通过还原气源在竖炉内部分燃烧,或者在金属铁的催化作用下使碳氢化合物发生就地重整而产生。
  ENERGIRON技术在使用焦炉煤气或者煤气化气等气体时,无须对工艺或者设备做任何改动。它可以通过其自身还原区产生还原气体(自身重整)来提高还原效率。因此,无须外部重整装置,也不需要对焦炉煤气进行特别处理。就地重整由于还原反应器内金属铁的催化作用而发生。在反应器下部,CH4与反应器中的固体金属铁接触,由于催化作用而进行重整。
  竖炉炉顶煤气中含有水和CO2,经过脱除后添加到还原气体中。还原气体在竖炉中发生部分氧化而使温度达到1000℃以上,为甲醛重整和金属铁渗碳提供所需的能量。竖炉反应器中发生复杂的吸热反应,使温度降到约820℃,不会使铁矿球团发生粘结现象。
  2.3 ENERGIRON的应用
  目前,ENERGIRON技术已实现工业化应用,一些新项目如表3所示。
  表3    ENERGIRON的工业化应用项目
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  工厂               国家               套       系统        能力    DRI金属   C%    启动
  万t/a   化率%           时间
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  AI Nasser     阿拉伯联合酋长国(UAE) 1    Micro-Module,    20     93.0    3.5    2007
  高 C DRI
  Vikram Ispat  印度                    1    Mini-Module,     50     94.0    3.0    2007
  高 C DRI
  Mittal Steel  墨西哥                  1    CO2 吸收          -      94.0    2.0    2007
  Sidor         委内瑞拉                1    冷态DRI           80     94.0    2.0    2008
  GHC           阿布扎比                1    HYTEMP/DRI,     160     94.0    3.0    2008
  热态高C DRI
  Jindal        印度                    1    HYTEMP/DRI,     170     94.0    2.0    2008
  利用煤气化气,
  生产热DRI
  Ceara         巴西                    1    高 C DRI         170     94.0    2.5    2008
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  从表3中可见,印度金达尔(Jindal)已于2008年开始了使用鲁奇煤气化技术作还原剂的希尔直接还原项目的建设。
  3 适于竖炉直接还原的煤气化技术
  目前,Midrex和希尔技术都可以利用煤制气、COREX排出气体、焦炉煤气等作还原剂进行生产,对于像我国这样缺少天然气或者天然气不足的国家可以有多种替代能源选择。目前国内外开发的煤气化技术有多种,其中大型工业化有代表性的工艺技术主要有鲁奇法,恩德法和德士古(Texaco)等。
  这三种方法所用的原料以及特点如表4所示。比较来看,鲁奇法所制气中,甲烷含量较高。其次是恩德(Undok)法。实际上,鲁奇法和恩德法已分别被印度金达尔和中国海城市东四型钢有限公司选用,作为希尔直接还原工艺的煤制气工艺。
  表4    典型工业化煤气化技术的特点
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  工艺             鲁奇(Lurgi)        恩德(Undok)       德士古(Texaco)
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  适用煤种         褐煤、烟煤         褐煤、长焰煤、       烟煤、石油焦
  弱粘结或者非粘结煤
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  进料方式          6~50mm             <10mm         <200目60%~65%水煤浆
  (H2+CO)比率/%      ~65               65~73                 ~80
  CH4比率/%         9~12              0.6~2.0               <0.1
  气化压力/MPa    2.0~3.0               常压               2.7~8.4
  温度/℃         950~1050              ~1050            1300~1400
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  结论
  Midrex经过不断发展,单个模块产能规模达270万t/a,且生产率不断提高、能耗进一步降低。希尔技术中,ZR和ENERGIRON都得到工业化应用。无论是Midrex,还是希尔技术,都开发了可以利用含有CH4的焦炉煤气、COREX输出煤气和煤制气等作还原剂的技术,可以不依靠天然气进行生产。这对于天然气不足或者缺少天然气的地区推广应用是非常有益的,目前都有工业化应用的实例。