气基直接还原铁还原气制造探讨

　　中国石油大学(北京)新能源研究院

　　1 前言

　　近30年来，采用竖炉的气基直接还原铁产能一直稳步增长，平均增长率约9.2%，2017年全球气基直接还原铁产量超过7000万吨，这表明了气基直接还原铁在商业上是成功的钢铁生产技术，但是在我国几乎是空白。国外气基直接还原铁主要采用天然气作为还原剂生产原料，而我国化石燃料资源特点是富煤、缺油、少气，天然气主要作为清洁能源保障工业和民用燃料，作为化工和冶金原料都受到限制。发展我国气基直接还原铁的一个关键问题是如何制造气基直接还原铁所需的还原气? 从我国资源特点看，发展气基直接还原铁的还原气原料以煤炭为主，其他原料可以作为补充。此外，我国有大量基于炼焦的高炉炼铁，炼焦副产的焦炉气可以作为气基直接还原铁还原气制造的原料之一；炼厂和甲醇厂等生产过程的焦化干气、炼厂气、甲醇尾气等也可以作为直接还原铁还原气生产原料，本文对此进行一个简要评述。

　　2 气基直接还原铁还原气

　　采用竖炉的气基直接还原铁生产是以H2和CO为还原剂将氧化铁还原的过程，反应是一个受热力学平衡限制的过程。还原气中H2和CO含量越高越好，H2O和CO2含量越低越好。根据文献资料，工业化使用的不同工艺还原气如表1所示。

　　从表1数据看，气基直接还原铁的原料气组成范围可以很宽，有效还原气含量基本都大于90%，这是还原气需要满足的主要指标。采用煤为原料的竖炉还原工艺已被淘汰。根据统计数据，Midrex工艺占了气基直接还原铁市场的~60%份额。HYL工艺在不断改进，是第二大的气基直接还原铁工艺技术。由此可知，还原气的H2/CO合理范围应该从1.5:1直到纯氢应该都是合理的。

　　表1 工业化的典型竖炉还原气

　　**扣除CH4和N2等，只考虑主要的有效组分H2, CO, CO2和H2O**煤为原料，其余为天然气

　　3 不同原料制取直接还原铁还原气

　　3.1 煤制直接还原铁还原气

　　我国具有较为丰富的煤炭资源，以煤炭为原料生产气基直接还原铁在资源上是有较好保障的。国内大量煤炭经气化用于化工生产，根据大量煤气化产品气组成，大部分化工生产用的煤炭扣除O，N，S等杂元素后，煤炭的组成可以近似表示为CH。煤炭气化主要采用纯氧(O2)或纯氧加蒸汽(O2 + H2O)，气化工艺不同，原料煤炭不同，产品气组成显著差别。

　　表2 鲁奇气化制气基直接还原铁还原气　　

　　1. Lurgi煤气化炉，2. 煤气洗涤塔，3. 精脱硫部分脱碳装置，4. 透平机，5. 低氧化剂重整转化炉，6. 直接还原竖炉，7. 炉顶气洗涤器，8. 炉顶气压缩机，9. 废热锅炉，10. 克劳斯硫磺回收装置。

　　就气基直接还原铁而言，煤化工采用的气化工艺并不适合。因为气基直接还原铁并不需要高压气化，也不必追求高温气化，因此低成本气化工艺是值得选择的，典型的如Lurgi气化工艺。以Lurgi气化工艺为例，合理的气基直接还原铁流程可以是：气化-洗涤-净化-低氧化剂重整转化-竖炉还原，同时配套能量回收、硫磺回收、灰渣和水处理等。

　　采用煤为原料生产气基直接还原铁优势是我国具有比较丰富的煤炭资源，炼铁过程可以不依赖于炼焦，利用廉价的褐煤即可大量生产直接还原铁，因此预计具有良好的经济性。煤气化制还原铁存在问题主要是流程相对较长，需要环保处理废气、废水、废渣，预计环保成本较高。

　　3.2 焦炉气制直接还原铁还原气

　　我国钢铁产能全球第一，主要采用高炉炼铁，为此具有大量焦化加工能力。据中国产业信息研究网统计，2017年焦炭产量43142.6万吨。根据焦炭生产过程，按220Nm3/t可外供使用的焦炉煤气量折算，2017年可供使用的焦炉煤气量高达949亿立方米。按约630 Nm3 COG/tDRI计算，可年产约1.5亿吨直接还原铁。因此具有炼焦配套的传统高炉炼铁并不缺乏直接还原铁所需还原气原料来源。关键是要有合理的焦炉气制气基直接还原铁所需的还原气工艺技术。以典型的焦炉气组成为例，合理的焦炉气制气基直接还原铁流程为：加压-净化-低氧化剂重整转化-竖炉还原。

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