DRI炉顶煤气预加热氢气增产降耗的探讨

2021-09-08 10:30:39 作者:huangj 来源: 浏览次数:0 网友评论 0

DRI炉顶煤气预加热氢气增产降耗的探讨

苏亚杰1,牛强2,杜英虎3

1.山西焦煤集团有限责任公司 2.中国科学院 浙江研究院绿色氢能研究所 3.太原钢铁(集团)有限公司


        钢铁行业是我国继煤电之后的第二大CO2排放行业,碳达峰、碳中和任务十分紧迫。2019年世界DRI(直接还原铁)年产量达到1.08亿吨,是高炉炼铁之后的第二大炼铁技术,其中76%用天然气来产生,由于我国天然气保民用、价格高以天然气冶炼DRI一直没有发展。DRI是稀释废钢杂质冶炼优质钢的重要原料,也可以单独用于炼钢,废钢加DRI炼钢可以大幅度减少CO2排放,努力提高DRI产量是我们的目标。

1 DRI炉顶煤气变换氢气与预加热氢气的方法

我们在计算熔铁浴高温粗煤气冶炼DRI的能耗时注意到:预加热直接还原铁炉顶煤气变换的氢气,可以较大幅度提高DRI产量。我们研究预加热氢气冶炼DRI的具体方法如下:[1]

1.1 用DRI炉顶煤气制H2并经换热器加热H2

熔铁浴煤制煤气又称为:Atgas熔铁床汽化炉。

 

1 还原气质量对比表

 序号

指标名称

MIDREX

熔铁欲高温粗煤气

1

还原气(H2+CO

90%

95%

2

氧化度

5%

1%

3

还原气温度

850

 14001700

4

还原气压力

3kg

 35kg

5

还原气含硫量

1%

0.002%

6

循环还原气氢碳比H/CO

1.51.7 

0.3


从表1可以看出熔铁浴高温粗煤气指标除还原气温度、氢碳比达不到MIDREX还原气要求外,其它指标都可以达到MIDREX还原气指标要求。因此需要以(CO+H2O=H2+CO2)CO变换H2改变这两个指标数值。

DRI炉顶煤气是一种含有H2、CO、CO2、H2O、N2的水煤气。可以采用现有的化工行业水煤气CO变换制氢技术(CO+H2O=H2+CO2)生产氢气。

流程中DRI炉顶煤气温度400℃,除尘后用换热器与氢气换热,将氢气预热到350℃兑入1600℃熔铁浴高温粗煤气中,将1600℃粗煤气降温,350℃氢气升温,入炉还原气兑到850℃,经除尘器除尘,送入DRI竖炉生产DRI。DRI炉顶煤气400℃与变换氢气换热后降到180℃进入压缩机加压至<10kg,加压后的炉顶煤气升温到200℃~350℃进入CO变换H2流程,得到变换气;变换气换热回收热能后降温,再加压水洗除CO2,经变压吸附(PSA)分离排除N2,得到含量≤98% 的常温H2;常温氢气经炉顶煤气换热器与炉顶煤气换热,得到350~400℃的中温氢气,将350~400℃中温氢气兑入1600℃高温粗煤气中,1600℃粗煤气降温达到850℃。经除尘器除尘后送入DRI竖炉生产DRI。

粗煤气显热与冷气热值(还原剂)同时用于生产DRI时,由于热能不平衡,即粗煤气显热不能满足生产DRI需要。若将入炉还原气温度达到850℃,需移出一部分氢气挪作它用。若将变换H2全部兑入1600℃高温粗煤气后,还原气温度只能达到730℃左右,再通入少量O2用部分氧化法加热还原气至850℃,入炉还原气的氧化度要控制在≤8%,可以将粗煤气全部用于生产DRI,但同时也会消耗一部分还原剂,会因减少还原剂而减少一部分DRI产量,也会因粗煤气全部利用而提高DRI总产量,也会提高DRI单位产品能耗。为将DRI能耗降到最低,我们主张移出一部分H2做商品氢气。

 

1.2 商品氢气分摊能耗后的DRI产量及能耗

熔铁浴煤制气炉冷煤气的年产量:1 900 m3/t标煤×100t标煤/h×8 000 h=1.52×109 m3/a。熔铁浴煤制气炉每年消耗的煤粉和O2如表3所示。

 

2 熔铁浴煤制气炉的投入能源计算表

煤粉年耗量/(t·a-1)

煤粉单位热值/(kg标煤·kg-1)

煤粉热值/(t标煤·a-1)

O2年耗量(Mm3·a-1)

O2折算单位热值/(kg标煤·m-3)

O2热值/(t标煤·a-1)

合计热值/(t标煤·a-1)

60

1

60

348

0.4

13.92

73.92


注:设定1kg标煤的折算热量为29302 kJ

冷煤气的组成为27%H2+68%CO,其单位热值:(10783 kJ/m3×27%+12633 kJ/m3×68%)÷29302kJ/kg≈0.392 499kg/m31600 ℃下粗煤气的单位热值:2 319.1kJ/m3÷29302kJ/kg=0.079 14477kg/m3。熔铁浴煤制气炉的产出能源计算如表4所示。
 

3 熔铁浴煤制气炉的产出能源计算

项目

年产量/(m3·a-1)

单位热值/(kg标煤·m-3)

合计热值/(t标煤·a-1)

冷煤气

1.52×109

0.392 499

59.659 8

煤气显热

1.52×109

0.079 144 77

12.030 0

合计

71.689 8


CO的单位热值:12633kJ/m3÷29302kJ/kg≈0.431131kg/m3;H2的单位热值:10 783 kJ/m3÷29302kJ/kg≈0.367 995 kg/m3。冷煤气的热值计算如表4所示。

 

4 冷煤气的热值计算

项目

体积分数/%

数量/(m3·a-1)

单位热值/(kg标煤·m-3)

合计热值/(t标煤·m-3)

CO

68

1.52×109

0.431 131

44.561 7

H2

27

1.52×109

0.367 995

15.102 5

合计

59.664 2


1.2.1 按照MIDREX入炉还原气实际生产数据计算DRI产量 

MIDREX实际生产数据:还原DRI需要850℃的还原气1600m3/t.DRI。设定:V( H) /V( C) (体积比) 2.47;H2占71.2%,CO占28.8%。查表:850℃的H2焓1126.8 kj/m3,CO焓1179.9 kj/m3。

850℃焓=1126.8kj/m3×71.2%+1179.9kj/m3×28.8%≈1142.09kj/m3。

吨DRI需要还原气显热:

1142.09kj/m3×1600m3/t.DRI=1 827.34kj/kg.DRI=1 827 344kj/t.DRI;


 

按入炉变换气流量计算产量:


……

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