气基竖炉技术引领“短流程”革命

2020-03-16 10:57:16 作者:huangj 来源: 浏览次数:0 网友评论 0

直接还原铁(Direct Reduced Iron,DRI)是指精铁粉或铁矿石在低于熔化温度下进行固态还原得到的海绵状金属铁,具有品位高、杂质及有害元素残余少等优点。
   杜姣姣,范晋峰,吴志军

  中晋太行矿业有限公司

  直接还原铁(Direct Reduced Iron,DRI)是指精铁粉或铁矿石在低于熔化温度下进行固态还原得到的海绵状金属铁,具有品位高、杂质及有害元素残余少等优点。直接还原铁主要用做“短流程”-电炉炼钢的原料,可作为优质废钢的替代物、生产优质钢材必要的高级原材料。但我国DRI的极低产量与粗钢产量第一的地位极不相称,严重制约我国洁净钢、优质钢的生产和装备制造业的发展。

  1 直接还原铁生产市场分析

  1.1直接还原铁生产成效甚微

  我国是钢铁生产大国,但多属低端产能,高端特钢的生产成为我国钢铁业的发展“短板”。作为冶炼优质钢的最佳原料,直接还原铁的工业化、产业化程度,直接制约着我国高端钢材的生产规模。目前,我国的还原铁产量仅为数十万吨,成效甚微。总结我国直接还原铁发展的经验教训,制约我国直接还原铁的因素主要有:一是铁精粉品质低;二是还原气源难以保证;三是政策限制增铁增钢。世界主流的直接还原铁生产工艺-气基竖炉直接还原技术因原料及还原气气源问题至今未实现工业化生产。

  1.2直接还原铁助力绿色钢铁

  目前,我国钢铁联合企业90%采用传统的高炉-转炉流程(长流程),普遍存在高污染、高能耗等问题,与我国聚焦能源革命,实现节能减排目标相悖。而直接还原铁短流程(废钢-电炉)是世界公认的钢铁行业节能减排、减少碳排放、提高品质的发展方向之一。因此,发展直接还原铁生产可满足钢铁行业绿色发展的需要,突破产品结构中优质钢、洁净钢的质和量难以保障的困局。

  气基竖炉被认为是直接还原铁生产中单机产能最高、运行最稳定、碳排放最少的工艺方法,是我国发展直接还原铁生产的首选工艺。国外气基竖炉工艺主要以天然气为气源,我国的资源条件决定了以天然气为气源的可能性极小,炼焦副产的焦炉煤气成为还原气来源的新出路。目前,我国的焦炉煤气主要用作燃料、制氢、制甲醇及其它化工产品原料。焦炉煤气富氢(55%~60%),氢气热值仅为甲烷的四分之一,而还原潜能远高于CO,因此将焦炉煤气用作还原剂更有利于其化学能的合理利用。另外,与天然气作竖炉气源相比,焦炉煤气中甲烷含量较低,这使其重整负荷降低,有效降低能耗。因此,将焦炉煤气重整制还原气,实现高附加值利用,可同时获得经济效益与环境效益。

  目前,亟需建立产学研联合体进行联合攻关,建设工序完整的“短流程”钢铁生产示范线,以期形成长流程与短流程并存的钢铁发展新局面,实现钢铁行业化危为机、逆势突围,助力钢铁行业绿色发展。

  1.3直接还原铁发展可期

  根据世界钢铁协会近日发布的统计数据,2018年全球直接还原铁(DRI)产量为10049万吨,与2017年相比增长了15%。随着全球节能环保思想的高度统一,不同地区和国家对直接还原铁的重视程度日益加深。据中国废钢铁应用协会统计和估算,目前我国直接还原铁的年需求量约为1000万吨-1500万吨。我国已具备发展直接还原铁的资源和技术条件,高品质的直接还原铁在我国具有广阔的发展前景。建设示范性工业化生产线是当务之急。

  中晋太行矿业有限公司结合我国能源利用现状,通过技术引进与攻关,自主研发的以焦炉煤气为气源的气基竖炉工艺,填补国内高端装备制造业优质铁素材料空白,已初步建设成一条30万吨/年焦炉煤气制还原铁的示范性生产线,突破氢冶金对天然气的依赖,破解了中国不能生产直接还原铁的困境,为国内直接还原铁生产提供蓝本。

  2 新型气基竖炉直接还原铁技术

  2.1焦炉气中低压深度净化技术

  气基竖炉还原铁工艺要求的还原气压力为1.5Bar,考虑到焦炉气重整炉和上游设备的压力损失,净化工段压力不会太高,不宜采用传统的焦炉煤气净化过程中的中高压净化技术,例如采用传统加氢脱除焦炉气中最难脱除的有机硫通常需要20Bar 以上的压力。因此,要实现焦炉气干重整转化前对原料的净化技术也十分关键。本项目首次采用与中国石油大学(北京)联合开发的新型焦炉煤气低压深度净化技术,可实现焦炉煤气中硫(H2S、CS2、COS、硫醇、噻吩等)、焦油、萘等杂质的有效脱除。

  焦炉气低压深度净化技术的关键在于有机硫的转化,因而研发了突破热力学平衡的反应-转化吸附双功能协同的镍锌吸附脱硫剂。此脱硫剂在特定操作条件下(压力为0.8 MPa,温度350℃),可打破加氢反应的热力学平衡,使有机硫能在低压下持续转化为H2S,再与碱性化合物反应生成固体硫化物后被脱除;在吸附饱和后,利用原位氧化再生技术可实现脱附循环再生,保证生产连续性。将此脱硫剂用于进重整炉前焦炉煤气的净化,可满足干重整反应对反应气体硫含量的要求(≤1ppm),避免干重整催化剂中毒。另外,该镍锌吸附剂可以利用焦炉气中氢气,使不饱和烃加氢饱和,试验表明压力达到4 barG以上,烯烃可以全部饱和,可满足干重整转化对不饱和烃的限制(≤100ppm),避免了不饱和烃在后续高温转化过程中可能发生的积炭问题。

  2.2 CH4/CO2干重整制合成气关键问题

  焦炉煤气作为一种富氢气体,通过干重整将其中的CH4转化可生成高温、适宜H2/CO、低氧化度合成气,满足竖炉用还原气的要求。为满足CH4/CO2重整反应持续高效进行,需控制CH4/CO2为1.2-1.3,而焦炉煤气中CO2相对不足(1.5%~3%),需通过另加气源补入CO2。因此,本工艺循环利用竖炉炉顶气(CO2含量约18%)与焦炉气作为干重整气源,具备技术可行性。而补入CO2造成的焦炉煤气组成改变会使干重整反应进入热力学积碳区。这些积碳反应主要来源于烃类热分解和CO歧化。因此,必须研发一种耐温抗积碳的CH4/CO2重整催化剂。中国石油大学(北京)已研发出高分散Ni基干重整催化剂,具有强化CO2吸附、活化和转化功能,制成的还原气有效气含量在90%以上,H2/CO比可调范围为1.1-2.0,属优质气基竖炉用还原气;并且通过加入稀有金属作为助剂有效解决了动力学积碳问题,实现催化剂循环再生,从而实现干重整反应的高效性、持续性和稳定性。

  2.3 首套卧式底烧重整炉

  制还原气用重整炉结合了国内外制氢炉、重整炉的实践经验,中晋太行联合有关设计院、专业制作制氢炉企业研发设计了国内首套卧式底烧干重整炉并安装完成。本台套干重整炉具有以下特点:采用蓄热式加热技术,热效率达到了92%;较低空速及较大的管径,降低积碳风险;重整反应属强吸热反应,使用耐高温合金炉管;富氢焦炉气,预防低转化温度时甲烷化逆反应;富CO还原气,通过避开临界温度区间、材料选择涂层和钝化等防止金属羰基化/金属尘化。

  本重整炉已完成多项技术难题,实现了还原气生产的高效性、灵活性和持续性:采用焦炉煤气以及竖炉炉顶气联供方式作还原气和燃料气气源,比例可调,以适应不同生产状况,具有高度的生产灵活性;循环利用还原气,对流段的合理设置充分回收烟气显热用于气体预热,极大提高热效率;生产出H2/CO=1.5-2.0、H2+CO>90%、(CO2+H2O)/(CO2+H2+CO+H2O) <5%的合格还原气,满足竖炉还原工艺气要求,摆脱了气基直接还原受天然气供应的约束,充分利用了我国煤炭价格低廉,焦化能力强的优势。另外,为了防止在开车初期或者不饱和烃超标,还设计了临时补充蒸汽管线,可以实现蒸汽和二氧化碳双重整工艺。

  2.4 气基竖炉的国产化

  本项目引进国际先进的气基竖炉PERED技术,同时借鉴国外主流的竖炉单体技术、以及国内成熟的高炉技术及配套设备,为我国首台套气基竖炉的建设提供设计及技术转化思路。例如,气基竖炉可采用与高炉相同的炉顶加料、上料等设备,所不同的是竖炉下部要增加产品的冷却、出料和密封装置。中晋太行矿业有限公司已成功开发出国内第一套气基还原竖炉示范装备,设备国产化率达到90%以上,实现设备本土化。并在技术转化过程中,已完成多项技术革新,实现产能最优化。比如,合适的H/D比以及炉型结构,有利于延长反应时间竖炉反应效率,提高还原有效气体利用率;将重整炉低温烟气作为气基竖炉装备用密封气,防止竖炉炉内原料气的逸出,同时降低生产能耗;开发了匀流器与不同位置的新型流量辅助器,确保质量流均匀通过炉膛,防止竖炉内结团与堵塞,可取消传统的石灰涂层工序;采用新的炉顶上料与布料方案,可有效避免炉料偏析,实现大规模生产。

  首台套气基竖炉研发,与国外同规模竖炉相比,提高能源利用效率5%-10%;生产出Rm=92%-96%、TFe≥92%、C=0.8-1.5%、S<0.01%、P<0.01%的优质还原铁压块,形成国内还原铁完整供应链,实现了还原铁生产的高品质、灵活性、低成本、环境友好等。

  3 结论

  基于我国能源使用现状,以焦炉煤气为气源的气基竖炉直接还原铁技术有望在我国得到长足发展。中晋太行矿业有限公司已基本完成国内第一套气基竖炉直接还原的30万吨/年生产线与示范基地的建设,同时根据已获得的国产化工艺技术数据进行工业放大,已开发出30-150吨/年工业示范的CSDRI工艺包。未来将致力于打造直接还原铁创新产业平台,发挥全流程式的技术服务优势,对国内直接还原铁生产具有创造性和指导性意义,助力我国直接还原铁行业开辟新的技术路径,引导“煤焦电”及钢铁联合企业调整能源结构,引领钢铁行业“短流程”革命和绿色冶金新潮。
 

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