DRI炉顶煤气预加热氢气增产降耗的探讨

表1 还原气质量对比表

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。

 

表2 熔铁浴煤制气炉的投入能源计算表

煤粉年耗量/(万t·a-1)	煤粉单位热值/(kg标煤·kg-1)	煤粉热值/(万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/(万t标煤·a-1)	合计热值/(万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/m³。1600 ℃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。

 

表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/(万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。

 

表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/(万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；