氣基豎爐直接還原技術(shù)的發(fā)展
作者：1發(fā)布時間：2010-02-20
2007年，Midrex工藝生產(chǎn)的直接還原鐵產(chǎn)量達3970萬t，占世界直接還原鐵產(chǎn)量的59.7%。希爾工藝所產(chǎn)直接還原鐵量達1130萬t，占世界直接還原鐵產(chǎn)量的16.8%。氣基豎爐工藝所產(chǎn)直接還原鐵占世界直接還原鐵總量的76.5%，已占絕對主導(dǎo)地位。由于氣基豎爐直接還原鐵工藝原來主要依靠天然氣進行生產(chǎn)，使其發(fā)展只局限于天然氣豐富的地區(qū)。近年來，無論是Midrex，還是HYL工藝，都得到了進一步發(fā)展，而且可以利用焦?fàn)t煤氣、煤制氣、COREX輸出煤氣等進行生產(chǎn)。
1 MIDREX技術(shù)發(fā)展
1.1 生產(chǎn)效率不斷提高，能耗不斷降低
在Midrex工藝中，塊礦和球團礦在豎爐中被逆向流動的富氫還原氣混合物還原為DRI。富氫還原氣由天然氣在氣體重整裝置中裂解產(chǎn)生。在Midrex生產(chǎn)廠，一般情況下，氣體重整時需把豎爐爐頂排出氣體中的CO2 加進去進行。把750～900℃的還原氣噴進豎爐還原區(qū)底部。爐頂氣體排出時通過洗滌器除塵，然后用于預(yù)熱重整裝置中的天然氣，并保持其溫度。
通過開發(fā)塊礦利用技術(shù)、鐵料涂層技術(shù)、氧氣噴吹技術(shù)和OXY＋技術(shù)，使Midrex生產(chǎn)率得到大幅度提高，能耗大大下降，見表1。
表1 Midrex技術(shù)的改進
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小時產(chǎn)量t/h 天然氣比% 添加氧量Nm3/t 天然氣量Nm3/t 電耗kWh/t
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投產(chǎn)初期 88.8 4.5 0.0 268.6 135
使用塊礦 100.3 3.5 0.0 262.3 120
涂層球團 110.2 3.5 0.0 257.9 109
噴氧氣 121.5 4.5 17.5 260.3 99
OXY＋ 129.2 3.0 30.2 265.8 93
噴氧加OXY＋ 133.6 3.0 41.2 264.6 90
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隨著涂層技術(shù)的開發(fā)，生產(chǎn)原料可以在100%球團至100%塊礦之間變動，這樣生產(chǎn)廠家可以通過優(yōu)化配料，以最低原料成本，高效地生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)DRI。印度埃薩鋼鐵、伊期帕特工業(yè)公司和薩爾達那鋼鐵等都在其Midrex生產(chǎn)設(shè)備中使用了50%以上的塊礦。
1.2 產(chǎn)能規(guī)模不斷擴大
單個模塊的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大。近年推出的SUPER MEGAMODE，可以使單個豎爐的年產(chǎn)量增大到270萬t/a，這樣為滿足不同鋼鐵廠的需要，可以有很大的選擇余地。
1.3 可以使用煤制氣或者COREX輸出煤氣作還原氣進行生產(chǎn)
一般情況下，Midrex使用天然氣作還原劑進行生產(chǎn)，因很多地區(qū)缺少天然氣，所以很受限制。但是目前，在全世界60多個模塊中，只有一例特殊情況，南非薩爾達那把Corex與Midrex工藝配合使用，Corex工藝產(chǎn)生的煤氣經(jīng)過脫除CO2后可以作Midrex工藝的還原氣體。近年來，由于世界對DRI的需要，使用煤氣化爐與Midrex連接的概念被提了出來，示意圖見圖1。
南非薩爾達那的Corex與Midrex配合裝置中，熔融氣化爐可以同時進行煤氣化和生產(chǎn)鐵水，其流程如圖2。氣化裝置的主要目的是產(chǎn)生Midrex工藝所需要的還原氣體。主要參數(shù)是氣體質(zhì)量，如H2/CO比、氣壓等。為了高效生產(chǎn)DRI，Midrex工藝要求氣體的(%H2+%CO) / (%H2O+%CO2)之比至少為10。一般來說，Midrex生產(chǎn)廠都把H2/CO之比設(shè)計為0.5～4.0。因為大多數(shù)氣化都能產(chǎn)生H2/CO之比為0.5～1.0的氣體，所以不需要轉(zhuǎn)換裝置來改變氣體成份。
COREX輸出氣體的H2/CO和 (%H2+%CO) / (%H2O+%CO2)之比都較低，見表2。因此，必須選擇CO2去除裝置，南非COREX/Midrex配合裝置中選用了VPSA來提高輸出氣體的質(zhì)量。
表2 Corex工藝輸出煤氣的成分
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項目 化學(xué)含量 %
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H2/CO 0.5
(%H2+%CO) / (%H2O+%CO2) ～2
CO 43～45
H2 12～22
CO2 30～32
N2, H2O 1～6
CH4 1～2
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COREX工藝每生產(chǎn)1t鐵水產(chǎn)生熱值為7350kJ/m3 (CO+H2>65%)的輸出氣體2000m3，在去除CO2之后，只有在H2+CO≥90%時，輸出煤氣才能用來生產(chǎn)直接還原鐵。薩爾達那廠Midrex裝置的作業(yè)率為90%，年產(chǎn)量為75萬t DRI，DRI金屬化率為92%，含碳1.6%。
2 希爾技術(shù)的發(fā)展
HYLⅢ工藝中，天然氣在重整器裂解中通常需添加蒸汽。為獲得H2含量較高的還原氣體，需要脫除CO2。
2.1 ZR 工藝
ZR工藝與傳統(tǒng)HYLⅢ相比，不需要重整裝置。還原氣體在還原反應(yīng)豎爐內(nèi)，經(jīng)過不完全燃燒，以及經(jīng)過金屬鐵的催化作用進行現(xiàn)場重整而生成，從而對鐵礦石進行還原。因而，ZR工藝的總投資較低，而且其操作和維護成本也較低，但DRI質(zhì)量較高。
ZR工藝的產(chǎn)品是碳化鐵形式的DRI，這是因為工藝過程中發(fā)生了滲碳。1998年以來已有多座工廠實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。墨西哥蒙特雷的Ternium Hylsa 4M廠(90萬t/a)、Ternium Hylsa 3M5(50萬t/a)廠等都是其工業(yè)化實例。
2.2 ENERGIRON工藝
ENERGIRON是Tenova HYL與Danieli & Co共同以ZR為基礎(chǔ)而開創(chuàng)的一個技術(shù)牌名，該技術(shù)具有較高靈活性，可以滿足客戶根據(jù)原料、燃料、能源供應(yīng)和產(chǎn)品規(guī)格所提出的各種需求。有以下標(biāo)準(zhǔn)模塊：200,000t/a(Micro-module), 500,000t/a(Mini-module), 800,000t/a, 1,200,000t/a, 1,600,000t/a, 2,000,000t/a。
其還原氣體源可以是含有一定量碳?xì)浠衔铮ㄈ鏑H4等）的任何氣體，如天然氣、焦?fàn)t煤氣、COREX熔融還原爐氣體、煤氣化氣或者直接是H2和或CO。還原氣可以通過還原氣源在豎爐內(nèi)部分燃燒，或者在金屬鐵的催化作用下使碳?xì)浠衔锇l(fā)生就地重整而產(chǎn)生。
ENERGIRON技術(shù)在使用焦?fàn)t煤氣或者煤氣化氣等氣體時，無須對工藝或者設(shè)備做任何改動。它可以通過其自身還原區(qū)產(chǎn)生還原氣體（自身重整）來提高還原效率。因此，無須外部重整裝置，也不需要對焦?fàn)t煤氣進行特別處理。就地重整由于還原反應(yīng)器內(nèi)金屬鐵的催化作用而發(fā)生。在反應(yīng)器下部，CH4與反應(yīng)器中的固體金屬鐵接觸，由于催化作用而進行重整。
豎爐爐頂煤氣中含有水和CO2，經(jīng)過脫除后添加到還原氣體中。還原氣體在豎爐中發(fā)生部分氧化而使溫度達到1000℃以上，為甲醛重整和金屬鐵滲碳提供所需的能量。豎爐反應(yīng)器中發(fā)生復(fù)雜的吸熱反應(yīng)，使溫度降到約820℃，不會使鐵礦球團發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象。
2.3 ENERGIRON的應(yīng)用
目前，ENERGIRON技術(shù)已實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，一些新項目如表3所示。
表3 ENERGIRON的工業(yè)化應(yīng)用項目
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工廠 國家 套 系統(tǒng) 能力 DRI金屬 C% 啟動
萬t/a 化率% 時間
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AI Nasser 阿拉伯聯(lián)合酋長國（UAE） 1 Micro-Module， 20 93.0 3.5 2007
高 C DRI
Vikram Ispat 印度 1 Mini-Module， 50 94.0 3.0 2007
高 C DRI
Mittal Steel 墨西哥 1 CO2 吸收 - 94.0 2.0 2007
Sidor 委內(nèi)瑞拉 1 冷態(tài)DRI 80 94.0 2.0 2008
GHC 阿布扎比 1 HYTEMP/DRI， 160 94.0 3.0 2008
熱態(tài)高C DRI
Jindal 印度 1 HYTEMP/DRI， 170 94.0 2.0 2008
利用煤氣化氣，
生產(chǎn)熱DRI
Ceara 巴西 1 高 C DRI 170 94.0 2.5 2008
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從表3中可見，印度金達爾（Jindal）已于2008年開始了使用魯奇煤氣化技術(shù)作還原劑的希爾直接還原項目的建設(shè)。
3 適于豎爐直接還原的煤氣化技術(shù)
目前，Midrex和希爾技術(shù)都可以利用煤制氣、COREX排出氣體、焦?fàn)t煤氣等作還原劑進行生產(chǎn)，對于像我國這樣缺少天然氣或者天然氣不足的國家可以有多種替代能源選擇。目前國內(nèi)外開發(fā)的煤氣化技術(shù)有多種，其中大型工業(yè)化有代表性的工藝技術(shù)主要有魯奇法，恩德法和德士古（Texaco）等。
這三種方法所用的原料以及特點如表4所示。比較來看，魯奇法所制氣中，甲烷含量較高。其次是恩德(Undok)法。實際上，魯奇法和恩德法已分別被印度金達爾和中國海城市東四型鋼有限公司選用，作為希爾直接還原工藝的煤制氣工藝。
表4 典型工業(yè)化煤氣化技術(shù)的特點
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工藝 魯奇（Lurgi） 恩德(Undok) 德士古(Texaco)
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適用煤種 褐煤、煙煤 褐煤、長焰煤、 煙煤、石油焦
弱粘結(jié)或者非粘結(jié)煤
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進料方式 6～50mm ＜10mm ＜200目60%～65%水煤漿
(H2+CO)比率/% ～65 65～73 ～80
CH4比率/% 9～12 0.6～2.0 ＜0.1
氣化壓力/MPa 2.0～3.0 常壓 2.7～8.4
溫度/℃ 950～1050 ～1050 1300～1400
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結(jié)論
Midrex經(jīng)過不斷發(fā)展，單個模塊產(chǎn)能規(guī)模達270萬t/a，且生產(chǎn)率不斷提高、能耗進一步降低。希爾技術(shù)中，ZR和ENERGIRON都得到工業(yè)化應(yīng)用。無論是Midrex，還是希爾技術(shù)，都開發(fā)了可以利用含有CH4的焦?fàn)t煤氣、COREX輸出煤氣和煤制氣等作還原劑的技術(shù)，可以不依靠天然氣進行生產(chǎn)。這對于天然氣不足或者缺少天然氣的地區(qū)推廣應(yīng)用是非常有益的，目前都有工業(yè)化應(yīng)用的實例。
