合成甲醇尾气直接还原工艺可行性研究

　　1.中冶南方工程技术有限公司 2.江苏煤化工程研究设计院

　　1 前言

　　直接还原铁生产是在不熔化、不造渣的条件下，铁矿石在软化温度以下保持固体形态，矿石中的铁氧化物经还原获得固态金属铁的方法。

　　直接还原工艺分为煤基和气基两大类。气基直接还原铁生产工艺是使还原气体通过一个装有散粒铁矿石的移动床，用化学还原方法，将铁矿石中的氧去除，从而生产出金属化率较高的直接还原铁（DRI）。

　　国外的生产实践及发展经验表明，利用气基竖炉法是迅速扩大DRI生产的有效途径。气基直接还原竖炉具有还原速度快、产品质量稳定、自动化程度高、单机产能大、技术成熟、单位产能投资低、工序能耗低和环境负荷低等优势。

　　国内由于天然气资源相对贫乏，气基直接还原工艺的发展一直受到极大的制约。 近几年，随着国内煤制气工艺日益成熟，基于合成气（Syngas）的气基直接还原技术逐渐受到关注和重视。

　　2 气基直接还原技术发展现状

　　目前，世界范围内气基竖炉工艺的DRI产量约占总产量的80%，在直接还原工艺中处于主导地位。2016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的占比超过79%。MIDREX和ENERGIRON（HYL-III）法是开发运行非常成功、推广应用最广泛的气基直接还原工艺，二者产量之比约为8：2。

　　上世纪80年代，第一代大型MIDREX和HYL-III产能达到0.8Mt/a以上，余热回收设备的强化、天然气重整技术的改良、HBI等关键技术的开发应用，促进了直接还原竖炉技术提升。2009年以来，MIDREX和HYL-III都开发建设了年产80~160万吨DRI的竖炉生产装置，天然气竖炉生产设备进入了大型化第二代。 到2013年美国纽科NUCOR年产250万吨DRI竖炉投产，及2014年印度金达尔JPSL年产200万吨DRI竖炉投产，气基竖炉直接还原生产设备进入了大型化的第三代。

　　2.1合成气-气基竖炉直接还原

　　传统的气基竖炉直接还原以天然气为能源，仅适用于天然气资源丰富的地区。为了在天然气资源不足的地区适应其它能源，MIDREX和DANIELI各自推出了基于合成气的竖炉直接还原工艺，为发展气基直接还原开辟了非天然气能源的新途径。

　　MIDREX的MXCOL工艺，可应用各种合成气Syngas，包括煤制合成气、焦炉煤气COG等，其中焦炉煤气COG采用非催化部分氧化重整技术。典型的MXCOL直接还原采用炉顶煤气循环工艺（见图）。炉顶煤气净化之后，一部分煤气经过工艺气体压缩机加压，送到CO2脱除系统脱除CO2；另一部分煤气送到工艺还原气加热炉，作为燃料。净化后的炉顶煤气与干净的补充合成气Syngas组成工艺还原气，经过加热炉升温至900℃左右，进入气基竖炉，还原铁氧化物。在气基竖炉内部，还原气上行过程不断与下行的炉料交换热量，还原后的尾气从竖炉顶部排出，再次循环。

　　MIDREX竖炉内在还原带下部设有3轴破碎装置，避免炉料粘接影响下行。MIDREX竖炉的生产率由竖炉底部排料速度进行控制。含铁氧化物炉料从竖炉顶部装入，靠重力下行至竖炉底部，以成品DRI排出竖炉。MIDREX竖炉操作压力0.2-0.3Mpa，进入竖炉的还原气温度与气体成分有关。原料在预热还原带被上行的热还原气预热及还原，原料中的含铁氧化物在固体状态下被还原成金属铁，金属化率可达92%，DRI含碳量与气体成分有关。典型的MXCOL工艺流程（Syngas）如下图所示。

　　DANIELI的ENERGIRON-ZR零重整工艺，可应用合成气Syngas、天然气NG、重整气Reformed gas、焦炉煤气COG等。典型的ENERGIRON-ZR直接还原也采用炉顶煤气循环工艺。由于从竖炉顶部排出的煤气温度较高，炉顶煤气先经过余热回收装置回收热量，再循环利用。脱除CO2的煤气与补充的合成气Syngas组成工艺还原气，经过湿度调节之后，先在加热炉升到一定温度（与气体成分有关），再经加氧提温工艺将还原气温度提高到900℃~1000℃，送进竖炉。

　　DANIELI竖炉内没有炉料破碎装置，为了防止炉料粘接，DANIELI通常对气体成分有一定的要求，即还原气中的氢气含量具有较高比例。DANIELI竖炉操作压力通常为0.5-0.8Mpa。在高压工况条件下，DANIELI竖炉生产效率高，炉料停留时间少，气体的流量和流速小。典型的ENERGIRON-ZR工艺流程（Syngas）如下图所示。

　　在合成气Syngas-竖炉直接还原领域， MXCOL工艺拥有三项应用业绩，EERGIRON-ZR没有应用业绩。1999年，MIDREX首次采用合成气用于生产DRI的工艺在南非SALDANAH厂，使用COREX输出的煤气，产能80万t/a。2014年，印度金达尔JSW的DRI工厂，使用合成气，产能120万t/a；印度金达尔安古尔JSPL的DRI工厂，使用煤制气（加压鲁奇炉），产能180万t/a。

　　2.2气基竖炉直接还原铁在国内的发展

　　我国天然气资源短缺，可用于直接还原的高品位块矿和球团也匮乏，迄今尚没有直接还原气基竖炉的工业化生产装置。

　　近年来，我国钢铁、化工工作者对煤制气、竖炉直接还原铁生产进行了调查、研究工作，取得了大量的数据，为我国采用煤制气-竖炉直接还原技术奠定了良好的基础。业内专家和企业普遍认为煤制气-竖炉直接还原将成为我国直接还原铁生产的主要途径。但是，在煤制气方法的选择、煤种的选择、竖炉工艺的选择、煤制气与竖炉的衔接、煤气的加热、及相关装备等方面，需要进行深入研究和探讨。

　　山西中晋太行矿业有限公司和中国石油大学合作开发的焦炉煤气干重整制还原气工艺与德国MME公司PERED竖炉工艺结合，于2017年4月开工建设一条30万吨/年焦炉煤气直接还原铁生产线。PERED是在MIDREX早期工艺基础上发展和衍生的竖炉直接还原工艺。

　　2018年4月18日，东北大学与辽宁华信钢铁共性技术创新科技有限公司在辽阳市签署合作协议，推动“辽宁钢铁共性技术创新中心”实质性建设，启动建设全国低碳炼铁精品炼钢示范基地，建设年产1万吨DRI中试装置和10万吨级精品钢示范工程，对煤制气-气基竖炉直接还原工艺流程技术开展探索、研究、试用和完善。

　　2.3 合成气-气基竖炉直接还原

　　在过去20年间，洁净煤气化技术产业化在中国取得了极大发展，国内已经建成运行了上百套各种各样的加压煤制合成气工艺装置，这是我国发展大型直接还原新工艺的良好基础。而各种煤气化技术的生产装置能否用于生产直接还原铁，关键问题之一是煤制合成气的单位投资、能耗、成本能否大幅度降低。随着中国煤制气技术发展成熟，煤制气已经广泛应用于合成氨，合成甲醇、二甲醇，人造油、LNG等行业。我国已经具备发展气基还原铁生产的资源条件。

　　当前，国内一些煤炭资源丰富的地区，打算采用洁净煤气化技术，发展以合成气制备清洁能源产品，其中包括达到国V标准的清洁车用燃料，不含硫、氮、PM2.5以上粉尘的工业燃气，清洁电力和集中供暖等。如果能够将合成甲醇尾气这类洁净的合成气，用于气基竖炉直接还原铁生产，将成为实现煤炭清洁高效利用的最佳方式。

　　随着我国“甲醇经济”战略创新路线的深化实施，甲醇燃料和甲醇汽油未来具有广阔的发展空间，合成甲醇尾气-气基竖炉直接还原技术的市场潜力不容小觑。

　　3 基于合成甲醇尾气的气基直接还原铁工艺可行性研究
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