主要还原气源对竖炉直接还原工艺流程的影响

2017-01-23 作者：佚名网友评论 0 条

与其它非高炉炼铁工艺相比，气基竖炉直接还原法的显著优点是单套设备产量大、不消耗焦煤，节能、环境友好、低能耗、低CO2排放，是直接还原无焦炼铁技术的中流砥柱。

　　周渝生，洪益成

　　钢铁研究总院

　　1.引言

　　与其它非高炉炼铁工艺相比，气基竖炉直接还原法的显著优点是单套设备产量大、不消耗焦煤，节能、环境友好、低能耗、低CO2排放，是直接还原无焦炼铁技术的中流砥柱。直接还原炼铁技术在我国一直未得到充分发展和应用，主要原因是国内缺乏廉价的还原气资源。

　　天然气与煤相比具有优良的环保和能效优势，可以极大地改善环境，减少温室气体排放。但是天然气受到资源供应能力和管网延展条件的约束。在能源结构中，煤占我国化石能源探明储量的94%，石油占5.4%，天然气仅占0.6%。2006年我国天然气探明储量为2.45万亿立方，仅占世界储量的1.3%。

　　近十年页岩气生产技术已从根本上改变了北美地区的天然气供需关系，使美国摆脱了对中东石油天然气的依赖，美国加拿大的能源成本大幅度降低。目前大量使用天然气生产DRI的伊朗、美国、埃及的天然气市场价格仅为0.1美元/Nm3。由于行业需求、以及天然气价格走低，美国已经新建成2套大型直接还原竖炉装置，在未来十年北美新增DRI生产能力将达500-600万吨。

　　在没有低成本天然气的地区，也在探索其它替代能源技术。在过去20年间，煤气化技术的产业化取得了极大发展，各种煤气化技术的生产装置都在中国运行。能否用于生产直接还原铁，关键是煤制合成气的投资、能耗、成本能否大幅度降低。加压煤制气工艺技术是我国发展大型直接还原新工艺的基础条件。问题是采用现有成熟的煤气化工艺技术，如何经济合理地与十分成熟的MIDREX、HYL-III、PERED 竖炉直接还原技术匹配，形成有市场竞争力的煤制气生产直接还原铁的联合工艺。本文将讨论这些主要还原气源与竖炉直接还原工艺工艺组合的工艺特点。

　　2.现有天然气基直接还原竖炉工艺流程的特点及主要工艺参数

　　根据还原热平衡及炉况顺行的要求，通常MIDREX、 HYL-III与PERED竖炉法生产对还原煤气均有以下要求， (H2+CO)>90% ;H2/CO>1.5;CH4<3%;N2<12%;含硫量<3mg/m3，还原气入炉有效煤气量达1800 m3/tDRI以上。由于PERED竖炉法生产对还原煤气的要求与MIDREX相同，不另行讨论。

　　2.1 Midrex直接还原竖炉工艺

　　2015年全世界直接还原铁(DRI)产量达7260万吨，大型竖炉直接还原法生产的DRI占比超过79%，是直接还原炼铁生产的主力，其特点是设备紧凑，热能利用充分，生产率高，利用系数按还原带体积计达8-12t/m3。Midrex直接还原竖炉的主要特点是利用循环炉顶煤气中的CO2作为氧化剂来完成天然气重整，炉内设有3排炉料破碎输送设备，其煤气重整设备及催化剂十分昂贵，因而对铁矿石和煤气的含硫量有严格要求。

　　Midrex竖炉的生产率由竖炉底部的排料速度进行控制。原料入炉后靠重力下行至竖炉底部即为成品排出。进入竖炉的还原气温度为750-840℃，压力为0.1-0.2MPa。原料在预热还原带与上行的热还原气相接触时被预热和还原。入炉原料在与还原气的对流运动中在固体状态下还原成金属铁，其金属化率达92%，含碳量0.5-2.5%，可按要求进行控制。竖炉还原带高度为9米时，停留时间约6小时，炉内煤气流速1.7-1.8m/s,大约每分钟下降30mm。经过竖炉还原反应排除的尾气称为炉顶气，其温度为400-450℃，压力为0.05-0.10MPa，含尘量约6000mg/Nm3。其典型成份为：%CO 19.1; 16.4%CO2; 38.2% H2; 21%H2O; 2.8%CH4; 2.5%N2; H2S含量决定于矿石含硫量。炉顶煤气大部分返回重整炉与天然气混合重整，少量用作煤气重整炉的燃料。竖炉内的温度使用三组垂直悬钢管挂热电偶监测。各组热电偶所测温度值差别过大可反应炉内气流分布情况，可以发现结瘤、管道等问题。天然气基Midrex竖炉的工艺流程图见图1。图2是天然气基Midrex直接还原竖炉的能量平衡图。表1是 MIDREX竖炉的操作指标。

　　2.2 达涅利HYL-III直接还原竖炉工艺

　　达涅利HYL-III制取还原气的装置是一座天然气水蒸汽重整炉。天然气经过一个ZnO填充床脱硫装置，然后与蒸汽一同进入管式反应炉，管内装填Ni基重整催化剂，水/碳比一般在2.4左右。重整反应的反应温度在800℃左右，反应压力为0.8MPa，通过重整的天然气转化为CO和H2。图3是达涅利HYL-III直接还原竖炉工艺流程图，图4是其重整气脱水流程。

　　自从HYL-III装置在炉顶气循环系统中安装了CO2脱除装置后，炉顶循环气中的CO2浓度从10.5%左右被脱除降低到1.5%。使用相同的重整炉，炉顶气循环增加了30%的还原气量，产量也提高了近30%。图5为天然气基HYL-III工艺的能量平衡图。表2 是典型HYL-III工艺参数。图6为达涅利HYL-III直接还原竖炉零重整ZR工艺热煤气补氧提温示意图。在零重整ZR工艺中虽然经过热煤气补氧加热，入炉还原气中仍然含有10%-20%甲烷，入炉煤气量约为1700 m3/tDRI。

　　3.主要人工合成还原气源的工艺特点

　　在缺乏天然气的地区，人们可以通过工业化方式获得人工合成煤气，例如焦炉煤气、煤气化制气、煤及生物热解气、熔融还原炉、转炉、电炉等冶金炉副产煤气等。但是目前能够满足工业化直接还原竖炉需求，达到连续稳定供应有效还原气达4-20万m3/h的优质还原气的只有焦炉煤气、工业化煤气化制气、熔融还原炉输出煤气。由于国内油气资源缺乏，价格高居不下，焦炉气、热解气受资源量限制，因此，以煤为原料制造还原气是主要发展方向。本节只讨论主要的工业化煤制气气源的工艺特点。根据目前运行的基本成熟的煤制气工艺设备，可以将工业化煤制气工艺分为气流床、固定床及流化床煤气化炉3类。气流床煤气化主要包括壳牌(SHELL)、德士古水煤浆(GE)、航天炉(HTL)、GSP、多喷嘴煤制气等;固定床煤气化(也称为移动床)包括鲁奇(LURGI)、BGL法，;粉煤流化床煤气化包括U-GAS、恩德炉(ENDE)、灰融聚流化床、鲁奇炉循环流化床、神雾低阶粉煤流化床、中建安装公司气化炉、德国温克勒(HTW)等。

　　其中气流床煤气化炉气流床气化效率较高，在我国已经建成十余座，由于其气化炉主体设备及控制系统完全在欧洲、印度制造，工程造价高昂，气化温度、压力过高，液态排渣，因而其煤耗氧耗偏高，煤气质量可以满足竖炉直接还原铁工艺要求，主要应考虑其投资及生产DRI的成本是否合算。

　　鲁奇炉碎煤加压气化技术气化强度高，设备基本国产化。但需使用较多的块煤或型煤。目前国内外共有200多台工业装置，其煤气含甲烷较高，为了提高甲烷含量，控制气化温度，水蒸气消耗量也很高，中国已有十余台用于生产合成气。鲁奇炉的技术设备已经完全国产化，主要问题是煤气压力高，废水成分复杂，环保处理费用高。

　　粉煤流化床煤气化工艺的气化压力与竖炉炼铁工艺接近，煤耗、氧耗、水蒸气消耗量不高，设备国产化率高，单位投资成本低，技术较成熟，可以考虑优先采用。根据目前收集到的数据，作者将3种有代表性的煤气化工艺的技术经济指标、KNm3有效气消耗指标比较、相对投资成本比较列入表3、4、5供参考。

　　业主选择做煤气化方案时，不能只听专利商的一面之词，必须认真将各种气化工艺的技术指标做比较，应该到煤气化工程用户去考察使用效果和消耗指标，应对竖炉直接还原工程项目的全流程作技术经济评价。要了解与不同气化工艺匹配的空分系统的投资和电耗的差别，备煤、磨煤及输煤系统的电耗及投资的差别，原料煤干燥系统的煤耗的差别，计算气化炉产出Km3有效气的蒸汽、氧气、煤耗及投资、成本(包括折旧成本)的差别，一氧化碳变换工序投资及能耗差别等都考虑进去，比较后才能得出可信的结论。

　　4.固定床气化炉煤气与直接还原竖炉匹配的特点

　　鲁奇炉移动床加压气化工艺的气化压力高，为了保证粗煤气中CH4含量高达8-12%，必须通过提高汽氧比控制气化温度不过高，水蒸气消耗量就很大，该法比较适宜生产城市煤气。但煤气中含焦油、萘、轻油、酚、氨、硫化物和煤粉等杂质，易堵塞管道，煤气净化及废水处理复杂，印度项目环保审查曾因此经遇到过阻力。

　　印度京达尔公司与达涅利公司合作，在印度奥里萨邦建成了160万吨/年的煤制气-MIDREX竖炉生产直接还原铁工程，已于2014年投产，但是至今尚未达产。该项目由Danarex负责设计，该竖炉的入炉煤气成分为：24 %CO，39 %H2，10 %CH4+CmHn，26%CO2，0.3%H2O，0.2% N2，H2+CO/CO2+H2O为2.2。京达尔的MIDREX竖炉与采用的南非鲁奇煤气化工艺连接时，合成气消耗为849m3/tDRI(约9.25GJ/tDRI)。重整后进入还原竖炉的循环煤气量为1800 m3/tDRI。图7为印度JINDAL公司的鲁奇煤制气--竖炉直接还原工艺流程图。

　　5.焦炉煤气与直接还原竖炉匹配的特点

　　焦炉煤气(COG)中含有很高的氢气和甲烷成份，是生产直接还原铁的理想燃料，比发电的效益更高。

　　由于焦炉输出的荒煤气中杂质含量很高(参见表6)，为了竖炉生产系统的设备长期稳定顺行，必须从严要求，在加压之前将COG精制，使其达到城市煤气用COG的标准(焦油和灰尘<10mg/m3;萘<50mg/m3;硫化氢<20mg/m3;氨<50mg/m3)，以避免输配设备及管线被堵塞或严重腐蚀，保证煤气的正常输送和使用。表6是某焦化厂经湿法粗脱硫的焦炉气组成和杂质含量表

表6 某焦化厂经湿法粗脱硫的焦炉气组成和杂质含量表

组分

H²

CH₄

CO₂

N₂

N_nH_m

O₂

杂质

苯

萘

氨

油灰尘

HCN

体积分数，%

52~63

18~25

7~9

2~2.5

3~5

2~3

微量

含量，mg/Nm³

≤2000

50~100

~50

~10

~144

　　焦炉煤气中的杂质对输配系统有严重危害，如果输送前净化处理不彻底，例如有些企业为节省投资净化设施简陋不全，有些净化设施虽建成了，但由于管理上为节约成本时开时停，没有发挥应有的作用，使出厂煤气进入输配管网时的温度较高，大量的水分和杂质随煤气一同输出，逐渐凝结在管道内，使管道有效输气管径逐渐缩小，降低了管道输气能力，增加了压送输配COG煤气的能耗，甚至使输气管道全部报废(历史上城市焦炉煤气曾经多次发生类似严重事故，造成了重大损失)。使用兰碳气或干馏煤气也需要注意上述问题。

　　北京中晋中石冶金化工技术有限公司和中国石油大学(北京)对焦炉煤气应用于竖炉直接还原的焦炉气干重整关键问题(焦炉气深度净化、焦炉气干重整转化)开展了深入系统的研究，提出了中低压焦炉气深度净化的工艺流程(图8)，焦炉气干重整技术已用于中晋太行矿业有限公司山西左权焦炉煤气年产30万直接还原铁工程设计项目。该流程简化了生产工艺和操作过程，具有降低成本和能耗，提高工业装置作业率，催化剂可以再生等优势。如果他们的竖炉与焦化厂距离较远，仍然应该输送前将COG彻底净化处理，以保证输配设备及管线长期顺利安全运行。他们开发的焦炉气净化、DRI炉顶气净化与回用，以及焦炉气干重整转化的工艺流程示意图见图9。

　　Midrex和普莱克斯(Praxair)合作开发出一种专有热反应系统(TRS)技术和设备。该系统采用创新的部分氧化技术裂解焦炉煤气产出高温优质合成气用于直接还原竖炉。在该系统中，可以通过将加压焦炉煤气先预热，再用纯氧部分氧化，回收余热后，再与脱除CO2的炉顶煤气混合加热达重整达到还原温度，用于MXCOL工厂竖炉直接还原。(其原理参见图10)此法可节省了处理COG的复杂的化工处理工艺设备。