山西省焦煤集团，焦炭集团公司
1 煤化工废锅(余热)流程的工艺缺陷
全部煤化工流程中的煤气化工序，高温粗煤气需要冷却后净化获得纯净的原料气损失粗煤气显热≥17%。石油化工流程石蜡、天然气也要燃烧部分能源热解重整，制成 原料气 也要损失大量热能。这是化工流程自身无法解决的。因为化工产品需要纯净的还原气做原料气。
2 常规煤气化直接还原铁工艺缺陷
采用常规的煤化工流程将800℃~1600℃高温粗煤气冷却后净化、重整再加热到850℃~950℃送入直接还原铁竖炉生产直接还原铁。如此：浪费粗煤气显热17%，还原气再加热浪费能耗25%~35%，合计浪费32%~52%热能。这是造成煤制气直接还原铁能耗高、污染重、碳排放高的主要原因。
3 煤气化偶合富氢直接还原铁工艺流程
竖炉替代废锅的“无烟流程”
图3 煤气化耦合富氢直接还原铁工艺流程图
4 干粉煤加压气化炉主要工艺参数
根据实际生产，两段式干粉煤加压气化炉煤气化压力从3.0MPa降到0.6MPa时，产能下降，但一段炉粗煤气温度任然可以达到1500℃，生产可以连续进行。据此设计粉煤气化炉工艺参数：
气化炉投煤量：556t/d÷24h≈23t/h;
煤气流量：165 000Nm3/h×27.8%≈45 870Nm3/h;
吨煤产气量：45 870Nm3/h÷23t/h≈1 994Nm3/t.煤;
操作压力：0.6MPa;
操作温度：1500℃;
氧耗：310Nm3O2/1000Nm3×1649m3(H2+CO)/t.煤≈511m3.O2/吨.煤;
我们用直接还原铁竖炉替换了废热锅炉 (余热回收锅炉) 增加了金属膜或陶瓷除尘器除尘、水洗煤气、电除尘、煤气加压、CO变换生产H2、脱硫、气体分离工序。同时，将煤化工流程改为直接还原铁流程，可以降低能耗、成本、投资。
5 省去了还原气重整炉，利用自产水蒸汽
省去了还原气重整炉或加热炉
此流程利用粗煤气显热冶炼直接还原铁，粗煤气中含1% CH4 可以在DRI竖炉内，在还原铁做催化剂的高温条件下热解，因此不需设置重整炉。用直接还原铁竖炉替代了余热锅炉，因此可以取消还原气重整炉或加热炉。
利用自产水蒸汽
CO变换H2消耗的能源是水蒸汽。可以从流程中回收水蒸汽包括：干粉煤加压气化炉副产高压水蒸汽;DRI炉顶煤气换热器回收的水蒸汽;CO变换H2换热器回收的水蒸汽;DRI竖炉冷却段回收的水蒸汽等，其中高压水蒸汽可以用于驱动还原煤气压缩机，其它带压的水蒸汽可以用于CO变换生产H2.
6 废气产生量仅为高炉流程的千分之三
与高炉流程比直接还原铁竖炉替代了高炉：取消了炼焦、烧结，减少产生废气排放：
炼铁产生高炉煤气量：1500-2000m3/t.Fe。中间值：1750m3/t.Fe,一般采用1:2左右的煤气与空气的配比。
燃烧高炉煤气产生的废气量：1750m3/t.Fe×2=3500m3/tFe。
吨铁用焦产生的废气量：炼焦燃烧1m3焦炉煤气产生5.56m3废气，用炼焦200m3COG/t.焦，焦比0.3t/Fe。5.56m3×200m3焦炉煤气/t.焦×0.3t焦/t.Fe=333.6m3t.Fe。
吨铁用的烧结矿产生废气量：每吨烧结矿风量波动在2200-4000m3.平均3200m3.生产1吨铁需要1.4吨铁矿石，需要烧结矿1.6吨，吨铁用的烧结矿产生废气：3200m3×1.6=5120m3/t.Fe。
炼铁排放废气：燃烧高炉煤气3500m3/t.Fe+焦炉烟道气333.6m3t.Fe+烧结5120m3/t.Fe≈8953.6m3/t.Fe。
直接还原铁排放废气：80kgN2/t.ce×0.305kgce≈ 24.4m3N2/t.DRI。
仅为高炉流程的： 24.4m3N2/t.DRI÷8953.6m3/t.Fe≈0.003.废气近零排放。
7 能耗低的原因
(1)利用了干粉煤加压煤气化炉粗煤气中的全部显热和(CO+H2)、其中利用全部显热节能3.4744tce/h，提高能效16.98%。
(2)DRI炉顶煤气换热器加热H2到350℃提高热能利用效率：4.83% 。
(3)氢气经DRI炉顶煤气换热器预加热到350℃兑入到1500℃粗煤气中，由于增加了还原气流量而增加DRI产量(62 353m3H2/h÷1600m3/t.DRI≈39吨DRI/h)年增产30万吨，占年总产量58.2%。
若：绿氢生产绿色化工产品，电解水制氢副产氧气，氢氧体积比2:1.氧气用于煤制气。氢气用于(H2+CO2)用做化工产品的原料气，制甲醇、乙醇、烯烃、尿素等。
8 与天然气直接还原铁流程比较
MIDREX 加热重整炉是燃烧部分炉顶气，以间接式外燃烧加热重整炉，燃烧加热重整炉的尾气再预热天然气和洗涤后的炉顶气从放散塔(大烟囱)排放，是做不到零排的主要原因。天然气DRI流程废气排放800m3/t.DRI。
9 氢气来源与利用绿氢副产的氧气
氢气来源1：400℃DRI炉顶煤气经除尘器除尘后再经换热器将煤气温度降到200℃，经水洗、加压、电除尘进入CO变换H2工序，产出变换气，经变换气换热器回收水蒸汽，降温后用PSA分离提取H2、脱硫、分离回收CO2.提纯的常温H2 调压到6kg进入DRI炉顶煤气换热器，将H2 预热到350℃，兑入到下段炉产出的1500℃的粗煤气中，将煤气温度兑到850℃~950℃，送入直接还原铁竖炉。 也可以采用其它化工方法如：低温甲醇洗、湿式氧化法脱硫技术、气体净化分离技术等。
氢气来源2：风、光、水、核绿电电解水制绿氢。 副产O2用于干粉煤加压气化炉煤的热解气化。绿电→绿氢→(绿氢+CO2)做化工产品原料气，化工行业可以少用或不用石油、天然气、煤炭等化石能源。
10 入DRI竖炉煤气指标对比
选用≦0.6%的低硫煤制气，再往粗煤气中兑入氢气，送入DRI竖炉煤气含硫量可以稀释到0.1%，约1000ppmv,达不到MIDREX入炉煤气含硫量100ppmv的要求。由于华能一段炉煤气硫含量中H2S含量占90%，COS占10%，鉴于煤气不重整，不会构成对设备的腐蚀，因此兑入氢气后的还原煤气可以用于生产DRI。
11 估算能源成本比高炉降低
此流程可以降低DRI能耗和能源成本，球团矿成本不变。
能源现价(2023.10.9)货到天津厂，其中：动力煤5000kCal。每吨DRI能源成本估算524元，比高炉1160元低636元,仅为高炉的45.2%。
12 估算比高炉碳减排量
注：1.DRI能耗包括电炉熔分DRI，用于计算铁水能耗和产出CO2的可比性。
2、按炼铁可比能耗计算产CO2量，比高炉流程低181kgCO2/t铁水。行业碳排放比高炉低492kgCO2/t铁水。
3、捕集的CO2全部利用可以实现零摊排。
13 煤气化耦合富氢直接还原铁流程的特点
能耗低。比天然气直接还原铁能耗约低：29kgce。
能源成本低。比高炉炼铁能源成本低636元,仅为高炉的45.2%。
可以利用生物质实现零碳排，负碳排。煤气化炉煤粉、生物质、废塑料、废轮胎等有机化合物混喷，相当于利用生物质光合作用捕集利用空气中的CO2.可以快速降低空气中的CO2含量，实现负摊排。
可以处理固废。可以赤泥替代石灰做脱硫剂;可以处理铜冶炼渣、镍冶炼渣、硫酸渣等含铁固废。
14 蓝氢炼铁 绿氢化工
CO2加氢制甲醇主要包含3个反应 ，如下：
以上反应，反应式2与反应式1互为竞争，并被认为是导致甲醇选择性低的主要原因 。
绿电—电解水—绿氢;(绿氢+CO2)制甲醇。
表4 年产50万吨DRI+27万吨甲醇不同方案投入能源与碳排放比较表
|
序号 |
方案 |
投入、排放 合计/a |
高炉50万吨铁/a |
绿氢甲醇27万吨/a |
灰氢甲醇27万吨/a |
蓝氢DRI50万吨/a |
绿氢DRI50万吨/a |
生物质DRI50万吨/a |
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1 |
现有工艺高炉炼铁氢甲醇 |
投入74万吨煤+焦,投入2.94亿m3O2,排放147万tCO2 |
煤+焦=25万t×2.5tCO2/t.煤=63万t.CO2 |
— |
1.8×27≈ 49万吨煤, 氧气2.94m3/tce 3.1×27=84万t.CO2 |
— |
— |
— |
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2 |
蓝氢炼铁绿氢化工 |
投入15万吨煤，26亿度电 O2余4.9亿m3 排放CO2零 |
— |
投入26亿度电 投入CO238万t |
— |
15万吨煤,0.9亿m3O2,捕集CO238万t |
— |
— |
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3 |
绿氢炼铁灰氢甲醇 |
投入49万吨煤，18亿度电 CO2余3.06亿m3,排放84万t.CO2 |
— |
— |
49万吨煤 2.94亿m3O2 84万t.CO2 |
— |
18亿度电 |
— |
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4 |
绿氢炼铁绿氢化工 |
投入38万吨CO2，44亿度电,O2余9.8亿m3,排放CO2零 |
— |
投入26亿kw 投入38万吨CO2 |
— |
— |
18亿度电 |
— |
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5 |
植物炼铁绿氢化工 |
投入38万t植物，26亿度电,O2余4.9亿m,排放CO2 0-负38万t |
— |
投入26亿kwh 投入CO238万吨 |
— |
— |
— |
38万吨干植物与煤比2.5:1捕集CO238万t |
15 煤炭能源利用效率比较
煤电能效：平均45%，最高49.3%;煤制甲醇能效：最高57%; 煤气化耦合富氢直接还原铁工序能效：68.9%。“蓝氢炼铁 绿氢化工”是发展方向。