主要還原氣源對豎爐直接還原工藝流程的影響

2017-01-23 作者：佚名網(wǎng)友評論 0 條

與其它非高爐煉鐵工藝相比，氣基豎爐直接還原法的顯著優(yōu)點是單套設備產(chǎn)量大、不消耗焦煤，節(jié)能、環(huán)境友好、低能耗、低CO2排放，是直接還原無焦煉鐵技術的中流砥柱。

　　周渝生，洪益成

　　鋼鐵研究總院

　　1.引言

　　與其它非高爐煉鐵工藝相比，氣基豎爐直接還原法的顯著優(yōu)點是單套設備產(chǎn)量大、不消耗焦煤，節(jié)能、環(huán)境友好、低能耗、低CO2排放，是直接還原無焦煉鐵技術的中流砥柱。直接還原煉鐵技術在我國一直未得到充分發(fā)展和應用，主要原因是國內(nèi)缺乏廉價的還原氣資源。

　　天然氣與煤相比具有優(yōu)良的環(huán)保和能效優(yōu)勢，可以極大地改善環(huán)境，減少溫室氣體排放。但是天然氣受到資源供應能力和管網(wǎng)延展條件的約束。在能源結(jié)構(gòu)中，煤占我國化石能源探明儲量的94%，石油占5.4%，天然氣僅占0.6%。2006年我國天然氣探明儲量為2.45萬億立方，僅占世界儲量的1.3%。

　　近十年頁巖氣生產(chǎn)技術已從根本上改變了北美地區(qū)的天然氣供需關系，使美國擺脫了對中東石油天然氣的依賴，美國加拿大的能源成本大幅度降低。目前大量使用天然氣生產(chǎn)DRI的伊朗、美國、埃及的天然氣市場價格僅為0.1美元/Nm3。由于行業(yè)需求、以及天然氣價格走低，美國已經(jīng)新建成2套大型直接還原豎爐裝置，在未來十年北美新增DRI生產(chǎn)能力將達500-600萬噸。

　　在沒有低成本天然氣的地區(qū)，也在探索其它替代能源技術。在過去20年間，煤氣化技術的產(chǎn)業(yè)化取得了極大發(fā)展，各種煤氣化技術的生產(chǎn)裝置都在中國運行。能否用于生產(chǎn)直接還原鐵，關鍵是煤制合成氣的投資、能耗、成本能否大幅度降低。加壓煤制氣工藝技術是我國發(fā)展大型直接還原新工藝的基礎條件。問題是采用現(xiàn)有成熟的煤氣化工藝技術，如何經(jīng)濟合理地與十分成熟的MIDREX、HYL-III、PERED 豎爐直接還原技術匹配，形成有市場競爭力的煤制氣生產(chǎn)直接還原鐵的聯(lián)合工藝。本文將討論這些主要還原氣源與豎爐直接還原工藝工藝組合的工藝特點。

　　2.現(xiàn)有天然氣基直接還原豎爐工藝流程的特點及主要工藝參數(shù)

　　根據(jù)還原熱平衡及爐況順行的要求，通常MIDREX、 HYL-III與PERED豎爐法生產(chǎn)對還原煤氣均有以下要求， (H2+CO)>90% ;H2/CO>1.5;CH4<3%;N2<12%;含硫量<3mg/m3，還原氣入爐有效煤氣量達1800 m3/tDRI以上。由于PERED豎爐法生產(chǎn)對還原煤氣的要求與MIDREX相同，不另行討論。

　　2.1 Midrex直接還原豎爐工藝

　　2015年全世界直接還原鐵(DRI)產(chǎn)量達7260萬噸，大型豎爐直接還原法生產(chǎn)的DRI占比超過79%，是直接還原煉鐵生產(chǎn)的主力，其特點是設備緊湊，熱能利用充分，生產(chǎn)率高，利用系數(shù)按還原帶體積計達8-12t/m3。Midrex直接還原豎爐的主要特點是利用循環(huán)爐頂煤氣中的CO2作為氧化劑來完成天然氣重整，爐內(nèi)設有3排爐料破碎輸送設備，其煤氣重整設備及催化劑十分昂貴，因而對鐵礦石和煤氣的含硫量有嚴格要求。

　　Midrex豎爐的生產(chǎn)率由豎爐底部的排料速度進行控制。原料入爐后靠重力下行至豎爐底部即為成品排出。進入豎爐的還原氣溫度為750-840℃，壓力為0.1-0.2MPa。原料在預熱還原帶與上行的熱還原氣相接觸時被預熱和還原。入爐原料在與還原氣的對流運動中在固體狀態(tài)下還原成金屬鐵，其金屬化率達92%，含碳量0.5-2.5%，可按要求進行控制。豎爐還原帶高度為9米時，停留時間約6小時，爐內(nèi)煤氣流速1.7-1.8m/s,大約每分鐘下降30mm。經(jīng)過豎爐還原反應排除的尾氣稱為爐頂氣，其溫度為400-450℃，壓力為0.05-0.10MPa，含塵量約6000mg/Nm3。其典型成份為：%CO 19.1; 16.4%CO2; 38.2% H2; 21%H2O; 2.8%CH4; 2.5%N2; H2S含量決定于礦石含硫量。爐頂煤氣大部分返回重整爐與天然氣混合重整，少量用作煤氣重整爐的燃料。豎爐內(nèi)的溫度使用三組垂直懸鋼管掛熱電偶監(jiān)測。各組熱電偶所測溫度值差別過大可反應爐內(nèi)氣流分布情況，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)瘤、管道等問題。天然氣基Midrex豎爐的工藝流程圖見圖1。圖2是天然氣基Midrex直接還原豎爐的能量平衡圖。表1是 MIDREX豎爐的操作指標。

　　2.2 達涅利HYL-III直接還原豎爐工藝

　　達涅利HYL-III制取還原氣的裝置是一座天然氣水蒸汽重整爐。天然氣經(jīng)過一個ZnO填充床脫硫裝置，然后與蒸汽一同進入管式反應爐，管內(nèi)裝填Ni基重整催化劑，水/碳比一般在2.4左右。重整反應的反應溫度在800℃左右，反應壓力為0.8MPa，通過重整的天然氣轉(zhuǎn)化為CO和H2。圖3是達涅利HYL-III直接還原豎爐工藝流程圖，圖4是其重整氣脫水流程。

　　自從HYL-III裝置在爐頂氣循環(huán)系統(tǒng)中安裝了CO2脫除裝置后，爐頂循環(huán)氣中的CO2濃度從10.5%左右被脫除降低到1.5%。使用相同的重整爐，爐頂氣循環(huán)增加了30%的還原氣量，產(chǎn)量也提高了近30%。圖5為天然氣基HYL-III工藝的能量平衡圖。表2 是典型HYL-III工藝參數(shù)。圖6為達涅利HYL-III直接還原豎爐零重整ZR工藝熱煤氣補氧提溫示意圖。在零重整ZR工藝中雖然經(jīng)過熱煤氣補氧加熱，入爐還原氣中仍然含有10%-20%甲烷，入爐煤氣量約為1700 m3/tDRI。

　　3.主要人工合成還原氣源的工藝特點

　　在缺乏天然氣的地區(qū)，人們可以通過工業(yè)化方式獲得人工合成煤氣，例如焦爐煤氣、煤氣化制氣、煤及生物熱解氣、熔融還原爐、轉(zhuǎn)爐、電爐等冶金爐副產(chǎn)煤氣等。但是目前能夠滿足工業(yè)化直接還原豎爐需求，達到連續(xù)穩(wěn)定供應有效還原氣達4-20萬m3/h的優(yōu)質(zhì)還原氣的只有焦爐煤氣、工業(yè)化煤氣化制氣、熔融還原爐輸出煤氣。由于國內(nèi)油氣資源缺乏，價格高居不下，焦爐氣、熱解氣受資源量限制，因此，以煤為原料制造還原氣是主要發(fā)展方向。本節(jié)只討論主要的工業(yè)化煤制氣氣源的工藝特點。根據(jù)目前運行的基本成熟的煤制氣工藝設備，可以將工業(yè)化煤制氣工藝分為氣流床、固定床及流化床煤氣化爐3類。氣流床煤氣化主要包括殼牌(SHELL)、德士古水煤漿(GE)、航天爐(HTL)、GSP、多噴嘴煤制氣等;固定床煤氣化(也稱為移動床)包括魯奇(LURGI)、BGL法，;粉煤流化床煤氣化包括U-GAS、恩德爐(ENDE)、灰融聚流化床、魯奇爐循環(huán)流化床、神霧低階粉煤流化床、中建安裝公司氣化爐、德國溫克勒(HTW)等。

　　其中氣流床煤氣化爐氣流床氣化效率較高，在我國已經(jīng)建成十余座，由于其氣化爐主體設備及控制系統(tǒng)完全在歐洲、印度制造，工程造價高昂，氣化溫度、壓力過高，液態(tài)排渣，因而其煤耗氧耗偏高，煤氣質(zhì)量可以滿足豎爐直接還原鐵工藝要求，主要應考慮其投資及生產(chǎn)DRI的成本是否合算。

　　魯奇爐碎煤加壓氣化技術氣化強度高，設備基本國產(chǎn)化。但需使用較多的塊煤或型煤。目前國內(nèi)外共有200多臺工業(yè)裝置，其煤氣含甲烷較高，為了提高甲烷含量，控制氣化溫度，水蒸氣消耗量也很高，中國已有十余臺用于生產(chǎn)合成氣。魯奇爐的技術設備已經(jīng)完全國產(chǎn)化，主要問題是煤氣壓力高，廢水成分復雜，環(huán)保處理費用高。

　　粉煤流化床煤氣化工藝的氣化壓力與豎爐煉鐵工藝接近，煤耗、氧耗、水蒸氣消耗量不高，設備國產(chǎn)化率高，單位投資成本低，技術較成熟，可以考慮優(yōu)先采用。根據(jù)目前收集到的數(shù)據(jù)，作者將3種有代表性的煤氣化工藝的技術經(jīng)濟指標、KNm3有效氣消耗指標比較、相對投資成本比較列入表3、4、5供參考。

　　業(yè)主選擇做煤氣化方案時，不能只聽專利商的一面之詞，必須認真將各種氣化工藝的技術指標做比較，應該到煤氣化工程用戶去考察使用效果和消耗指標，應對豎爐直接還原工程項目的全流程作技術經(jīng)濟評價。要了解與不同氣化工藝匹配的空分系統(tǒng)的投資和電耗的差別，備煤、磨煤及輸煤系統(tǒng)的電耗及投資的差別，原料煤干燥系統(tǒng)的煤耗的差別，計算氣化爐產(chǎn)出Km3有效氣的蒸汽、氧氣、煤耗及投資、成本(包括折舊成本)的差別，一氧化碳變換工序投資及能耗差別等都考慮進去，比較后才能得出可信的結(jié)論。

　　4.固定床氣化爐煤氣與直接還原豎爐匹配的特點

　　魯奇爐移動床加壓氣化工藝的氣化壓力高，為了保證粗煤氣中CH4含量高達8-12%，必須通過提高汽氧比控制氣化溫度不過高，水蒸氣消耗量就很大，該法比較適宜生產(chǎn)城市煤氣。但煤氣中含焦油、萘、輕油、酚、氨、硫化物和煤粉等雜質(zhì)，易堵塞管道，煤氣凈化及廢水處理復雜，印度項目環(huán)保審查曾因此經(jīng)遇到過阻力。

　　印度京達爾公司與達涅利公司合作，在印度奧里薩邦建成了160萬噸/年的煤制氣-MIDREX豎爐生產(chǎn)直接還原鐵工程，已于2014年投產(chǎn)，但是至今尚未達產(chǎn)。該項目由Danarex負責設計，該豎爐的入爐煤氣成分為：24 %CO，39 %H2，10 %CH4+CmHn，26%CO2，0.3%H2O，0.2% N2，H2+CO/CO2+H2O為2.2。京達爾的MIDREX豎爐與采用的南非魯奇煤氣化工藝連接時，合成氣消耗為849m3/tDRI(約9.25GJ/tDRI)。重整后進入還原豎爐的循環(huán)煤氣量為1800 m3/tDRI。圖7為印度JINDAL公司的魯奇煤制氣--豎爐直接還原工藝流程圖。

　　5.焦爐煤氣與直接還原豎爐匹配的特點

　　焦爐煤氣(COG)中含有很高的氫氣和甲烷成份，是生產(chǎn)直接還原鐵的理想燃料，比發(fā)電的效益更高。

　　由于焦爐輸出的荒煤氣中雜質(zhì)含量很高(參見表6)，為了豎爐生產(chǎn)系統(tǒng)的設備長期穩(wěn)定順行，必須從嚴要求，在加壓之前將COG精制，使其達到城市煤氣用COG的標準(焦油和灰塵<10mg/m3;萘<50mg/m3;硫化氫<20mg/m3;氨<50mg/m3)，以避免輸配設備及管線被堵塞或嚴重腐蝕，保證煤氣的正常輸送和使用。表6是某焦化廠經(jīng)濕法粗脫硫的焦爐氣組成和雜質(zhì)含量表

表6 某焦化廠經(jīng)濕法粗脫硫的焦爐氣組成和雜質(zhì)含量表

組分

H²

CH₄

CO₂

N₂

N_nH_m

O₂

雜質(zhì)

苯

萘

氨

油灰塵

HCN

體積分數(shù)，%

52~63

18~25

7~9

2~2.5

3~5

2~3

微量

含量，mg/Nm³

≤2000

50~100

~50

~10

~144

　　焦爐煤氣中的雜質(zhì)對輸配系統(tǒng)有嚴重危害，如果輸送前凈化處理不徹底，例如有些企業(yè)為節(jié)省投資凈化設施簡陋不全，有些凈化設施雖建成了，但由于管理上為節(jié)約成本時開時停，沒有發(fā)揮應有的作用，使出廠煤氣進入輸配管網(wǎng)時的溫度較高，大量的水分和雜質(zhì)隨煤氣一同輸出，逐漸凝結(jié)在管道內(nèi)，使管道有效輸氣管徑逐漸縮小，降低了管道輸氣能力，增加了壓送輸配COG煤氣的能耗，甚至使輸氣管道全部報廢(歷史上城市焦爐煤氣曾經(jīng)多次發(fā)生類似嚴重事故，造成了重大損失)。使用蘭碳氣或干餾煤氣也需要注意上述問題。

　　北京中晉中石冶金化工技術有限公司和中國石油大學(北京)對焦爐煤氣應用于豎爐直接還原的焦爐氣干重整關鍵問題(焦爐氣深度凈化、焦爐氣干重整轉(zhuǎn)化)開展了深入系統(tǒng)的研究，提出了中低壓焦爐氣深度凈化的工藝流程(圖8)，焦爐氣干重整技術已用于中晉太行礦業(yè)有限公司山西左權(quán)焦爐煤氣年產(chǎn)30萬直接還原鐵工程設計項目。該流程簡化了生產(chǎn)工藝和操作過程，具有降低成本和能耗，提高工業(yè)裝置作業(yè)率，催化劑可以再生等優(yōu)勢。如果他們的豎爐與焦化廠距離較遠，仍然應該輸送前將COG徹底凈化處理，以保證輸配設備及管線長期順利安全運行。他們開發(fā)的焦爐氣凈化、DRI爐頂氣凈化與回用，以及焦爐氣干重整轉(zhuǎn)化的工藝流程示意圖見圖9。

　　Midrex和普萊克斯(Praxair)合作開發(fā)出一種專有熱反應系統(tǒng)(TRS)技術和設備。該系統(tǒng)采用創(chuàng)新的部分氧化技術裂解焦爐煤氣產(chǎn)出高溫優(yōu)質(zhì)合成氣用于直接還原豎爐。在該系統(tǒng)中，可以通過將加壓焦爐煤氣先預熱，再用純氧部分氧化，回收余熱后，再與脫除CO2的爐頂煤氣混合加熱達重整達到還原溫度，用于MXCOL工廠豎爐直接還原。(其原理參見圖10)此法可節(jié)省了處理COG的復雜的化工處理工藝設備。