1余熱煉鐵 COREX 豎爐粘結(jié)問(wèn)題

1.1豎爐內(nèi)壁圍管下方易形成黏結(jié)

      余熱煉鐵工程實(shí)例詳見(jiàn)圖1、圖2。還原煤氣由圍管進(jìn)入豎爐后，以向下的角度經(jīng)過(guò)一段路徑后上升，還原煤氣中含有20g/m3的粉塵，圍管附近的爐料起到過(guò)濾作用，因此，圍管附近爐料中粉塵含量相對(duì)較多。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 余熱煉鐵工程實(shí)例一

圖2 余熱煉鐵工程實(shí)例二

圖3 豎爐粉塵分布示意圖

1.2煤氣反竄

        在生產(chǎn)中總有少部分煤氣通過(guò)下降管、海綿鐵( DRI) 螺旋直接由氣化爐竄入豎爐，稱之為煤氣反竄DPG( Down Pipe Gas) ，如圖所示。

 
圖4  典型粘結(jié)物照片                                                              圖5  煤氣反竄示意圖

熱旋風(fēng)粉塵去固定碳后化學(xué)成分及拱頂煤氣管試樣化學(xué)成分比較  %

        粉塵反吹線粉樣為拱頂煤氣通過(guò)熱旋風(fēng)除塵器后的除塵粉，與拱頂煤氣管堵塞物的化學(xué)成分主要差別在于碳含量的不同。如果將熱旋風(fēng)的粉塵中的固定碳減少為拱頂煤氣管道堵塞的水平（2.5%），則粉塵反吹線粉末樣與堵塞物的化學(xué)成分十分類似，只是金屬化率有所不同，見(jiàn)表，這說(shuō)明拱頂煤氣管道結(jié)塊的來(lái)自煤氣中粉塵，所不同的是其中的碳已經(jīng)被燃燒掉。也就是說(shuō)拱頂煤氣管結(jié)塊由DRI下降管中的粉末和燃料燃燒后的灰分組成。

1.3措施

            ⑴通過(guò)中心布粉防止煤氣反竄

            ⑵采取精料方針優(yōu)化爐料質(zhì)量

            ⑶改進(jìn)關(guān)鍵設(shè)備

            ⑷借助測(cè)溫系統(tǒng)判斷豎爐氣流分布

      寶鋼采取的措施是積極的，但是由于工藝設(shè)計(jì)的局限性，不能從工藝上徹底解決粘結(jié)問(wèn)題。
 

                 圖6 豎爐粉料分布示意圖

          圖7 COREX拱頂煤氣管道內(nèi)堵塞物照片                     圖8 COREX拱頂煤氣管道取出堵塞物照片

圖9 粘結(jié)堵塞位置示意圖

COREX拱頂煤氣管道取出堵塞物化學(xué)成分 （%）

        從上表可知，堵塞物主要由含鐵物料組成，與入爐的含鐵物料相比，其脈石要高得多，推測(cè)應(yīng)主要為豎爐下降管下來(lái)的DRI礦粉和部分燃料燃燒后的灰分組成。

 
圖10 粘結(jié)堵塞位置示意圖

         圖10為拱頂煤氣管結(jié)塊的XRD分析圖譜。由圖10可知，拱頂煤氣管脈石組分的物相主要為(CaO)2(MgO)0.75(Al2O3)0.25(SiO2)1.75。通過(guò)查詢CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元相圖可知，其熔點(diǎn)大約為1350℃。

 
圖11 粘結(jié)堵塞位置示意圖

        取出拱頂煤氣管結(jié)塊中有代表性的試樣，研磨成細(xì)粉，在氬氣氣氛下，使用差示掃描量熱（TG-DSC）對(duì)拱頂煤氣管粉末進(jìn)行了軟熔性能的檢測(cè)。從圖11中可知，由于結(jié)塊不是純物質(zhì)，隨著溫度的上升過(guò)程中出現(xiàn)了多個(gè)吸熱峰。但是仍可認(rèn)定結(jié)塊的熔點(diǎn)為1371℃左右。

2粘結(jié)堵塞原因結(jié)論

        ⑴拱頂煤氣管堵塞原因是：堵塞物粉塵中含F(xiàn)eO 32.4% 、MFe30.1%，粗煤氣環(huán)境溫度約1200℃比礦物軟化點(diǎn)高，造成礦物軟化粘結(jié)。

        ⑵豎爐內(nèi)壁圍管下方黏結(jié)原因是：堵塞物粉塵中FeO 21.5% 、TFe  64.1%DRI 礦物和鐵粉較高，是煤氣經(jīng)DRI下降管向上反竄溫度＞1050℃，已經(jīng)還原的DRI鐵粉和未還原礦物被向上氣流吹起，粗煤氣環(huán)境溫度比礦物軟化點(diǎn)高，造成礦物軟化粘結(jié)。不能經(jīng)DRI下降管下降到煤氣化熔分爐，造成粉塵滯留、粘結(jié)、堆積所致。

3解決粘結(jié)堵塞辦法

        ⑴將預(yù)還原豎爐和熔分爐上下結(jié)構(gòu)改為煤氣化爐、直接還原鐵豎爐、熔分電爐平行布置，解決了煤氣反竄問(wèn)題。

        ⑵選擇煤灰軟熔點(diǎn)高于直接還原鐵還原溫度50℃的煤作氣化用煤，消除了煤氣中的Fe2O3鐵礦物，也就解決了鐵礦物軟熔點(diǎn)低造成的粘結(jié)和堵塞問(wèn)題。 

 
圖12 余熱煉鐵—煤氣化多聯(lián)產(chǎn)流程

圖13 余熱煉鐵—煤氣化多聯(lián)產(chǎn)流程圖

圖14  天津華能IGCC電廠項(xiàng)目                   圖15  內(nèi)蒙世林30萬(wàn)噸甲醇項(xiàng)目
西安熱工院發(fā)明的兩段式干粉煤加壓氣化爐        華能清潔能源研究院（原西安熱工院）
                                                                      兩段式干粉煤加壓氣化爐

        直接還原鐵生產(chǎn)工藝要求：煤氣質(zhì)量（含碳球團(tuán)氣基傳熱）氧化度≤15%；煤氣壓力0.2～0.8MPa；還原豎爐溫度1000～1100 ℃；

        西安熱工院兩段爐工藝參數(shù)：氧化度≤10%；氣化反應(yīng)壓力0.5～4.0 MPa，直接還原豎爐具有降低煤氣壓力功能；氣化溫度范圍1300～1700℃ ；通過(guò)調(diào)整兩段爐上段噴煤粉和水蒸汽量可以方便的調(diào)整煤氣溫度，可以與直接還原鐵工藝連接。
 

華能清能院兩段干粉煤氣化爐高灰熔點(diǎn)煤炭氣化測(cè)試成分

4替代高爐煉鐵問(wèn)題

4.1采用東北大學(xué)熱壓含碳球團(tuán)可以打通余熱煉鐵工藝流程

        ⑴熱壓含碳球團(tuán)——東北大學(xué)成功用于熔融還原試驗(yàn)，證明了可以用于余熱煉鐵，可以用于打通余熱煉鐵工藝流程。

        ⑵熱壓含碳球團(tuán)——也可以稱為：熱壓料半焦鐵礦球團(tuán)。600℃3～6h維溫低溫干餾，煤焦油大部分析出，可以不用電捕焦油，可以簡(jiǎn)化凈化爐頂氣流程。

        ⑶熱壓含碳球團(tuán)——余熱煉鐵能耗成本比高爐煉鐵低約100～200元/t.Fe，比冷壓含碳球團(tuán)高約200元/t.Fe，能耗比冷壓高約30kg/t.Fe。

        ⑷熱壓含碳球團(tuán)——在采用熱壓含碳球團(tuán)的同時(shí)，可以繼續(xù)開發(fā)試驗(yàn)冷壓鐵礦煤球團(tuán)。以進(jìn)一步降低能耗和生產(chǎn)成本。

        ⑸DRI熱裝電爐已有成功工藝。

4.2含碳球團(tuán)惡性膨脹問(wèn)題

        我們?cè)谠囼?yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)過(guò)含碳球團(tuán)惡性膨脹現(xiàn)象。分析原因不是磁鐵礦問(wèn)題，可能是產(chǎn)生須晶造成的惡性膨脹。

        推斷，當(dāng)溫度低于900℃時(shí)不會(huì)生成須晶。“按鐵氧化物還原從Fe3O4—FeO—Fe逐級(jí)進(jìn)行計(jì)算，還原度達(dá)到21.6%后才有金屬鐵生成。因此，恒溫還原時(shí)，含碳球團(tuán)內(nèi)碳還原鐵氧化物的過(guò)程按Fe3O4—FeO—Fe逐級(jí)進(jìn)行時(shí)，存在一個(gè)Fe3O4—FeO和FeO—Fe同時(shí)發(fā)生的階段”，這一階段溫度為900～1000℃，這就是產(chǎn)生須晶的溫度區(qū)間。——汪琦教授《鐵礦含碳球團(tuán)技術(shù)》

        生成須晶需要同時(shí)具備時(shí)間、溫度、還原氣氛幾個(gè)基本條件，鐵礦煤球團(tuán)直接還原溫度1000～1100℃，在豎爐內(nèi)只要快速通過(guò)1000～900℃就可以避免產(chǎn)生須晶，在正常生產(chǎn)情況下是可以快速通過(guò)1000～900℃溫度區(qū)間的，只是在開爐和停爐以及處理突發(fā)事故時(shí)需要特別注意，避免一部分爐料長(zhǎng)時(shí)間處在1000～900℃之間。

        在球團(tuán)中當(dāng)CaO 摻入量超過(guò)8%時(shí)，沒(méi)有鐵晶須生成和生長(zhǎng)。

4.3脫硫問(wèn)題

        鐵礦煤球團(tuán)在還原過(guò)程中有“自脫硫現(xiàn)象”，機(jī)理為：其中煤在干餾過(guò)程中由于揮發(fā)份中有H2,反應(yīng)后生成H2S，隨還原尾氣排出球團(tuán)，脫除了球團(tuán)中70%～80%的硫。

        鐵礦煤球團(tuán)加熱還原過(guò)程中，還原尾氣從球團(tuán)內(nèi)向球團(tuán)外噴出，阻止了球團(tuán)吸附還原氣中的硫。

       在煉焦干餾煤的過(guò)程中就存在“自脫硫現(xiàn)象”，脫硫率可達(dá)20%左右，硫主要以H2S的形態(tài)進(jìn)入了焦?fàn)t粗煤氣，只是我們實(shí)驗(yàn)結(jié)果脫硫率高于焦?fàn)t煤的干餾，其中可能是鐵以及粘結(jié)劑中的其他成分起了催化作用。

        在《煤的燃前脫硫工藝》一書中詳細(xì)介紹了煤加H2脫硫工藝技術(shù)。

        寶鋼和中科院過(guò)程所有利用凈化后的焦?fàn)t煤氣再返回碳化室脫除焦炭過(guò)程中的硫?qū)＠夹g(shù)。

        在球團(tuán)中配石灰粉用于固硫、脫硫并防止球團(tuán)惡性膨脹。

余熱煉鐵DRI熱能平衡表 單位：KJ/kg.

       ①設(shè)定爐頂煤氣溫度350℃時(shí)，余熱煉鐵工序能源利用效率：6626÷8882=74.60%； 

       ②在多聯(lián)產(chǎn)流程中能源利用效率提高約9%～12%；

不同煉鐵工藝能耗比較表 單位：kgce/t(Fe)

       根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，其中消耗顯熱2494kj/㎏(DRI)約85.11kg標(biāo)煤；消耗還原劑218kg標(biāo)煤；熔分DRI耗電350℃/DRI,折合標(biāo)煤116kg。余熱煉鐵計(jì)算到鐵水合計(jì)能耗419kg，比高爐煉鐵低110kg標(biāo)煤。余熱煉鐵能耗是各種煉鐵工藝中能耗最低。

不同煉鐵工藝能源利用效率比較表單位： kj/㎏(Fe)

能源利用效率按熔分到鐵水比，余熱煉鐵效率最高；比高爐煉鐵高11.3%
節(jié)能主要原因：與氣基法DRI比取消了還原氣反復(fù)加熱；

 不同煉鐵工藝能耗成本估算表

注：①煤炭、焦炭、電力價(jià)格，依據(jù)2012年6月山西省市場(chǎng)價(jià)格。
        ②DRI全部算到液態(tài)鐵水。
        ③余熱DRI 比煤制氣 DRI 能源成本低。

各工序余熱余氣余壓利用表

多聯(lián)產(chǎn)之所以節(jié)能，在于盡可能利用余熱余氣余壓。
多聯(lián)產(chǎn)與單一產(chǎn)品單耗比較

節(jié) 能 估 算

       日投煤2000t，使用氧氣608m3/t.煤，直接還原鐵配還原劑218kg/t,年工作333天，年折合耗標(biāo)煤99.49萬(wàn)噸,年產(chǎn)直接還原鐵76.48萬(wàn)噸，年產(chǎn)甲醇15.66萬(wàn)噸，年發(fā)電13.13億Kwh/h。按單耗降低計(jì)算年節(jié)能31.84萬(wàn)噸。 能源利用效率提高了：31.84÷99.49=32%。

5清潔生產(chǎn)

      ⑴余熱煉鐵不用焦炭和燒結(jié)礦，取消了煉焦、燒結(jié)造成的環(huán)境污染。

      ⑵噸鐵粗煤氣凈化只比煤化工增加了約540m3粗煤氣處理量，就可以實(shí)現(xiàn)煉鐵、化工、IGCC發(fā)電工序的CO2、H2S、SO2、NmOn、苯并芘、二惡英等污染物的近零排放，實(shí)現(xiàn)全流程的清潔生產(chǎn)。

       ⑶因?yàn)榉蛛x出還原氣中的H2去生產(chǎn)了化工產(chǎn)品，僅CO用于IGCC發(fā)電，廢氣中的CO2含量可達(dá)30%左右，比燃煤電廠10% 高出約2倍，因此CO2捕集成本也會(huì)大幅度降低。
節(jié)水：余熱煉鐵工藝不用水。

6多聯(lián)產(chǎn)

      [1]余熱煉鐵爐頂氣中，含有大量CO、H2、和CO2、H2S、COS、N2等雜質(zhì)氣體。經(jīng)過(guò)凈化后是生產(chǎn)化工產(chǎn)品的原料氣。

       ⑵由于原料氣中CO多H2少，生產(chǎn)化工產(chǎn)品后的馳放氣主要是CO，馳放氣可用于工業(yè)燃?xì)?，燃?xì)庹羝?lián)合發(fā)電用燃?xì)狻?br />
       ⑶因?yàn)樵蠚庵泻蠳2，馳放氣可以降低流程中的N2含量，用于調(diào)整合成氣中各種氣體成分、含量、比例。馳放氣可以是生產(chǎn)化工產(chǎn)品原料氣的組成部分。

        多聯(lián)產(chǎn)：可以實(shí)現(xiàn)熱能梯級(jí)循環(huán)利用，可以提高煤炭能源利用效率。

        重點(diǎn)突破 不大于5MPa余熱煉鐵DRI豎爐及粗煤氣高溫連接管道