Gas-based direct reduction shaft furnace technology
作者：27發(fā)布時(shí)間：2010-04-07
本文介紹了Midrex和希爾技術(shù)的發(fā)展，以及其各自開發(fā)的可以不依賴天然氣，而使用煤氣化氣、Corex工藝輸出煤氣和焦?fàn)t煤氣等作為還原劑生產(chǎn)直接還原鐵的技術(shù)。
引言
2007年，Midrex工藝生產(chǎn)的直接還原鐵產(chǎn)量達(dá)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(dá)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(duì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(tuán)礦在豎爐中被逆向流動(dòng)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(shí)需把豎爐爐頂排出氣體中的CO2 加進(jìn)去進(jìn)行。把750～900℃的還原氣噴進(jìn)豎爐還原區(qū)底部。爐頂氣體排出時(shí)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(jìn)
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小時(shí)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(tuán) 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(tuán)至100%塊礦之間變動(dòng)，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(dá)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(kuò)大
單個(gè)模塊的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大。近年推出的SUPER MEGAMODE，可以使單個(gè)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(jìn)行生產(chǎn)
一般情況下，Midrex使用天然氣作還原劑進(jìn)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(gè)模塊中，只有一例特殊情況，南非薩爾達(dá)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(duì)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(dá)那的Corex與Midrex配合裝置中，熔融氣化爐可以同時(shí)進(jìn)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(jì)為0.5～4.0。因?yàn)榇蠖鄶?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(xiàng)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(shí)，輸出煤氣才能用來生產(chǎn)直接還原鐵。薩爾達(dá)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)重整而生成，從而對(duì)鐵礦石進(jìn)行還原。因而，ZR工藝的總投資較低，而且其操作和維護(hù)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?yàn)楣に囘^程中發(fā)生了滲碳。1998年以來已有多座工廠實(shí)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(shí)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(gè)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(shí)，無須對(duì)工藝或者設(shè)備做任何改動(dòng)。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(duì)焦?fàn)t煤氣進(jìn)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(jìn)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(dá)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(huì)使鐵礦球團(tuán)發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象。
2.3 ENERGIRON的應(yīng)用
目前，ENERGIRON技術(shù)已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，一些新項(xiàng)目如表3所示。
表3 ENERGIRON的工業(yè)化應(yīng)用項(xiàng)目
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工廠 國(guó)家 套 系統(tǒng) 能力 DRI金屬 C% 啟動(dòng)
萬t/a 化率% 時(shí)間
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AI Nasser 阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)（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(dá)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(xiàng)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(jìn)行生產(chǎn)，對(duì)于像我國(guó)這樣缺少天然氣或者天然氣不足的國(guó)家可以有多種替代能源選擇。目前國(guó)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(diǎn)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(shí)際上，魯奇法和恩德法已分別被印度金達(dá)爾和中國(guó)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(diǎn)
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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(zhǎng)焰煤、 煙煤、石油焦
弱粘結(jié)或者非粘結(jié)煤
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進(jìn)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(gè)模塊產(chǎn)能規(guī)模達(dá)270萬t/a，且生產(chǎn)率不斷提高、能耗進(jìn)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(jìn)行生產(chǎn)。這對(duì)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(shí)例。
