气基直接还原铁还原气生产技术研究

2021-01-20 10:37:17 作者:huangj 来源: 浏览次数:0 网友评论 0

气基直接还原铁还原气生产技术研究
 余长春,李然家,刘庆敬,刘西琨

中国石油大学(北京)新能源与材料学院

 

1. 前言

已商业化的气基直接还原铁 (DRI) 主要工艺有Midrex,HYL,PERED,FASTMET/FASTMELT,ITmk3,SL/RN,Finmet,Circored,Redsmelt等,还原气原料采用天然气或煤炭制取。近年来,随着全球对二氧化碳排放的关注,对于DRI 过程的低碳化也在积极研究,主要是现有商业DRI 过程的二氧化碳脱除或者采用可再生能源制还原气。Midrex 统计数据显示,2019年全球DRI 产量达到1.081亿吨,其中采用竖炉工艺技术的DRI 产量为8194万吨[1],占了76%的市场份额。

 

 

为了满足DRI过程生产需求,尽可能提高还原速度和效率,高温高还原度还原气的制备是DRI的关键。通常用作气基直接还原的还原气的主要成分为CO和H2,高还原度还原气制备和使用过程中,高还原度还原气中的CO在热力学上不可避免的存在强烈的积碳平衡推动力[2]。关于CO的积碳:(1) 在还原氧化铁球团过程中,积碳与还原铁一起离开系统,不存在累积问题;(2) 在高温还原气制备过程,积碳是一种固态物质,存在堵塞设备、管道和阀门等的风险,直接影响生产过程;(3) CO的积碳区还与压力有直接相关。此外,不同原料或同类原料生产的还原气中H2和CO含量可以有很大差别,所适用的直接还原工艺也不同,因此还原气制备过程的积碳控制是需要关注的关键技术之一。

 

图2表明制备 DRI 还原气的原料可以是天然气、煤炭, 就我国的资源而言,还可以包括焦炉气、各种非常规天然气、一些工业生产过程尾气,如甲醇尾气等。另一方面,根据还原炉和还原的金属凝聚态不同,DRI 工艺还可以细分出8种不同类型。其中,由于CO还原特性,高含CO气体的煤气化制DRI大多采用熔融还原,高含H2的天然气制DRI大多采用竖炉还原。表1中列出了 Midrex 和 HYL III 两种市场主流竖炉DRI 工艺的还原气工艺条件。

 

表1数据显示,商业化竖炉的还原气含量保持在~90%,压力并不高,温度很高,这有利于制取高品质还原气。同时,H2/CO比值在1.6-3.0,结合近年来成为热点的氢冶金和图1还原平衡曲线,H2/CO不存在上限限制。基于已商业的竖炉 DRI 还原气工艺参数,本文就竖炉工艺适合的还原气制备进行探讨,寻求适合我国 DRI 工艺的还原气制备技术。

2. 直接还原铁还原气制备

就我国的资源特点,原料选择可以是比较丰富的煤炭和各种廉价的含甲烷的气体资源,其中煤炭可以采用国家鼓励使用的低阶煤,如褐煤。廉价含甲烷气体资源可以是天然气、页岩气、炼厂气、焦炉气、煤层气,甚至沼气等气体。

DRI还原气的制备,参考表1的商业DRI工艺过程数据,以C原子数(或物质的量,摩尔)为基准,按照两种经典的竖炉工艺还原气组成,C-H-O三种元素的原子比可以简化为表2数据。采用化工的原子矩阵方法,以表2数据和原料组成制作原子矩阵,可以从理论上判断所采用的原料是否可以一步制取DRI还原气。

 

由此,可以采用原子矩阵,根据物料平衡的原则,对气体制DRI还原气和煤炭制DRI还原气的进料进行粗略的估算,如果进料的元素组成偏离表2的元素组成太大,则意味着要考虑增加中间过程进行还原气生产的合理调节。此外,实际的工业生产过程中,扣除真正的惰性气体组分N2和Ar等,通常还有为转化的CH4,以及部分CO2和H2O,会使得实际的C-H-O组成与表2数据有一定的偏离。

2.1 气体原料制DRI还原气

基于上述物料平衡的分析,富含CH4的气体原料通常可以添加CO2和/或H2O进行系统工艺气的C-H-O调节,以适应制取H2/CO比1.6-3.0甚至更宽范围的物料组成,经干重整或双重整一步直接制取适合下游竖炉的高温高还原度的DRI还原气。依据气体原料元素组成,制取竖炉工艺DRI还原气的工艺流程框图,如图3所示。

 

基于表2的C-H-O物料平衡和图3的原则流程,采用原子矩阵对典型的气体原料制DRI还原气进行简单分析,采用干重整或双重整一步直接制DRI还原气,可以得到表3的结果。


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