蘇亞杰1，蔡湄夏2，杜英虎3，陳壽林4
　　
　?。?山西焦煤集團(tuán)山西焦炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，2太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司技術(shù)中心， 3太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司原煤氣廠， 4中國(guó)日用化學(xué)工業(yè)研究院原四室）

　　1 直接還原鐵串聯(lián)工藝流程

　　COREX上段是一個(gè)余熱冶煉直接還原鐵工序，COREX存在能耗高、豎爐粘結(jié)和拱頂煤氣管道黏結(jié)堵塞的缺陷，為克服COREX的工藝缺陷，同時(shí)考慮建設(shè)鋼鐵生態(tài)工業(yè)園區(qū)，[1] [2]我們提出設(shè)計(jì)：煤制氣余熱煉鐵與氣基直接還原鐵兩段串聯(lián)流程，[3]加廢鋼電爐煉鋼的生態(tài)工業(yè)園區(qū)流程。直接還原兩段串聯(lián)加廢鋼煉鋼生態(tài)工業(yè)流程圖如圖1所示，本文重點(diǎn)討論其中的余熱煉鐵和氣基直接還原鐵兩段串聯(lián)流程。
 

 

 　　圖1  直接還原兩段串聯(lián)加廢鋼煉鋼生態(tài)工業(yè)流程圖

　　已知在煤制氣工藝中，凡干粉煤加壓氣化工藝的粗煤氣氧化度都較低（不高于10%），（不含激冷爐型）溫度可達(dá)1 400 ℃，壓力可以達(dá)到6～40 ㎏，經(jīng)調(diào)整溫度和壓力后，可以用于含碳球團(tuán)余熱冶煉DRI。如果用廢鍋回收粗煤氣中的熱量而不利用其中的還原氣氛也是對(duì)資源的一種浪費(fèi)，但是用含碳球團(tuán)氣基法生產(chǎn)DRI，由于焦粉、半焦粉中的灰分、硫分進(jìn)入DRI中，這部分DRI不能直接煉鋼，需要將其熔分、渣鐵分離并脫硫后方可用于煉鋼[4]。

　　粗煤氣余熱冶煉的DRI經(jīng)熔分得到的鐵水和用第二段豎爐生產(chǎn)的DRI可以作為煉鋼原料，加廢鋼煉鋼，可以稀釋廢鋼中的雜質(zhì)冶煉優(yōu)質(zhì)鋼，其中第二段豎爐生產(chǎn)的DRI還可以用作粉末冶金級(jí)直接還原鐵粉的原料。

　　1.1  調(diào)整粗煤氣壓力

　　現(xiàn)有的煉鐵工藝壓力最高的是達(dá)涅利公司的ENERGIRON(HYL-Ⅲ)，工作壓力為8 kg，承諾的最高壓力為12 kg。若為了打通流程，可以將煤制氣爐壓力降到10 kg后與HYL-Ⅲ連接，若降低現(xiàn)有煤制氣爐的壓力，后果是煤制氣生產(chǎn)能力大幅度降低，僅為原設(shè)計(jì)能力的50%左右。為此，與華能清潔能源研究院聯(lián)系，可以設(shè)計(jì)與直接還原鐵配套的兩段式干粉煤加壓氣化爐，壓力為10～15 kg，制造成本可以適度降低。需要指出的是，煤化工與IGCC綠色煤電需要較高煤氣壓力，直接還原鐵需要較低壓力，不同行業(yè)、不同生產(chǎn)工藝流程決定了選擇不同的煤氣壓力，兩者之間不具有可比性，不應(yīng)用煤化工和IGCC的煤氣壓力標(biāo)桿來衡量余熱煉鐵。

　　為減輕煤制氣爐產(chǎn)出的高溫粗煤氣的壓力波動(dòng)，確保余熱煉鐵正常生產(chǎn)，我們?cè)诠に囍羞€設(shè)計(jì)了一個(gè)緩沖降壓罐，以減輕粗煤氣沖擊力，穩(wěn)定壓力，壓降不高于2 kg；降壓后的粗煤氣經(jīng)螺旋除塵后送入第一段余熱煉鐵豎爐。為配合緩沖降壓罐，余熱煉鐵豎爐可以設(shè)2～3層煤氣進(jìn)口圍管，每一層圍管進(jìn)入還原豎爐的進(jìn)氣口數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)。緩沖降壓罐與直接還原鐵豎爐圍管聯(lián)合為煤制氣爐產(chǎn)出的高溫粗煤氣降壓，降壓原理是擴(kuò)徑。

　　在緩沖降壓罐與豎爐之間設(shè)置螺旋除塵器，有利于螺旋除塵器的運(yùn)行。緩沖降壓罐和螺旋除塵器內(nèi)設(shè)耐火材料、耐高溫保溫材料，外設(shè)耐熱鋼板。

　　1.2  調(diào)整粗煤氣溫度

　　兩段式干粉煤加壓氣化爐調(diào)整粗煤氣溫度的方法是往上段爐內(nèi)噴少量煤粉和水蒸氣，優(yōu)點(diǎn)是利用了下段爐的粗煤氣高溫，增加了煤粉處理量，提高了煤氣產(chǎn)量，與其他干法煤制氣比，提高1%～2%冷煤氣效率，降低了粗煤氣的氧化度[5]；缺點(diǎn)是在上段噴入的煤粉中的灰分全部進(jìn)入到粗煤氣中，增加了粗煤氣中飛灰量和處理難度，有微量煤粉不能完全反應(yīng)，進(jìn)入到粉塵中。

　　直接還原鐵所需溫度為1 050±50 ℃，再在兩段式干粉煤加壓氣化爐的上段或緩沖降壓罐里噴入工藝中回收凈化的冷煤氣或CO2，噴入的CO2占高溫粗煤氣量的比例不高于7%。理由為：試驗(yàn)含碳球團(tuán)還原氣氧化度超過25%時(shí)，還原鐵會(huì)再氧化；氧化度低于25%時(shí)，還原劑用的是焦粉、半焦，直接還原鐵不會(huì)再氧化，影響含碳球團(tuán)還原速度的主要因素是溫度，而不是氧化度。我們?cè)O(shè)計(jì)還原氣氧化度不高于17%，是防止氧化度的波動(dòng)對(duì)還原過程的影響[6]。保留煤制氣上段爐噴煤粉功能，以提高系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。

　　1.3  用無機(jī)黏結(jié)劑生產(chǎn)含碳球團(tuán)

　　以有機(jī)黏結(jié)劑或以1/3焦煤生產(chǎn)鐵礦煤球團(tuán)，以粗煤氣為熱源生產(chǎn)直接還原鐵，爐頂氣中含有焦油，焦油和粉塵摻混在一起難以處理，我們?cè)岢鲇贸亓夹g(shù)處理含少量焦油的粉塵，業(yè)內(nèi)專家們有異議。我們?cè)谠囼?yàn)中還發(fā)現(xiàn)用耐火黏土、矸石做黏結(jié)劑優(yōu)于風(fēng)化煤；山西省冶金礦山公司曾在上世紀(jì)80年代，用水玻璃做黏結(jié)劑生產(chǎn)冷固結(jié)球團(tuán)礦，用于高爐的試驗(yàn)；我們也曾用自制黏結(jié)劑、焦粉和鐵精礦粉生產(chǎn)冷壓含碳球團(tuán)，用于高爐煉鐵的試驗(yàn)。其次，用無機(jī)黏結(jié)劑和無煙煤粉做型煤的試驗(yàn)和大規(guī)模應(yīng)用，證實(shí)無機(jī)黏結(jié)劑可以用于型煤。再次，鐵精礦粉本身就是最好的黏結(jié)劑。為此，我們提出以焦粉、半焦粉（蘭碳粉）做還原劑，以無機(jī)物做黏結(jié)劑生產(chǎn)含碳球團(tuán)，這樣爐頂煤氣中不含焦油，確保含碳球團(tuán)在不同溫度下連續(xù)保持球團(tuán)內(nèi)的黏結(jié)性，又不使球團(tuán)之間黏結(jié)，如膨潤(rùn)土和接替膨潤(rùn)土的其他無機(jī)黏結(jié)劑。

　　1.4  余熱煉鐵脫硫

　　粗煤氣中的硫含量高，可達(dá)0.11%～0.37%/m3，不能用于還原氧化球團(tuán)。因?yàn)楹记驁F(tuán)自身包含有作為還原劑的焦粉顆粒，只要外部環(huán)境升溫至一定溫度，球團(tuán)即可以發(fā)生“自還原”，整個(gè)過程并不需要外界還原性氣體的參與，還原反應(yīng)后的氣體從球團(tuán)內(nèi)部向外部溢出。因此粗煤氣中硫含量對(duì)含碳球團(tuán)還原過程影響不大，但是焦粉中的硫和鐵精礦中的硫會(huì)進(jìn)入DRI中。脫除這部分硫可以采用固硫劑如石灰粉、輕燒白云石粉，在制含碳球團(tuán)時(shí)參入球團(tuán)，待電爐熔分DRI時(shí)脫除。

　　1.5  直接還原鐵兩段串聯(lián)工藝流程

　　因?yàn)橐么置簹獾膲毫Γ谝欢斡酂釤掕F工藝我們首先選擇HYL-Ⅲ的8 kg壓力,第二段串聯(lián)的氣基DRI選擇3～5 kg壓力，這樣可以取消主流程中的增壓泵，以降低電耗。其中串聯(lián)的第二段氣基DRI中返回利用的爐頂氣，在脫硫、脫碳前設(shè)置一個(gè)增壓泵；或增設(shè)混氣兌壓罐，即先將返回利用的低壓爐頂氣充入罐中，再兌入壓力較高的凈化后的余熱煉鐵的爐頂氣，將還原煤氣壓力兌到3～5 kg送入豎爐，可設(shè)兩個(gè)兌壓罐交替工作。當(dāng)兌壓罐內(nèi)還原氣接近豎爐內(nèi)壓力時(shí)，用一個(gè)功率較小的泵將罐內(nèi)還原氣泵入另一個(gè)兌壓罐，將這個(gè)兌壓罐壓力降到常壓后，再將凈化后的低壓爐頂煤氣自流入兌壓罐。

　　當(dāng)?shù)谝欢魏偷诙沃苯舆€原鐵豎爐之間的煤氣壓力利用不完的情況下，可以增設(shè)透平發(fā)電機(jī)，利用富余壓力發(fā)電。

　　南非SALADANHA鋼廠COREX-DRI聯(lián)合流程。于1999年6月13日投入生產(chǎn),其中MIDREX工藝豎爐DRI設(shè)計(jì)年產(chǎn)能80萬t、金屬化率大于93%，至今依然正常生產(chǎn)，證明直接還原豎爐可以使用含CO≥75%、H2≥15%的煤氣生產(chǎn)DRI，證明DRI串聯(lián)流程中的第二段豎爐選擇MIDREX是可行的。串聯(lián)的第二段直接還原鐵還可以選擇MME、CTR等工藝。煤氣凈化技術(shù)可以選擇各直接還原鐵工藝中的技術(shù)，也可以從煤化工工藝中挑選，選擇壓降較小、凈化效果好的煤氣凈化工藝，如活性炭、氧化鐵干法脫硫和變壓吸附脫除CO2等工藝方法。

　　采用煤化工技術(shù)處理豎爐爐頂煤氣。其中的硫可以回收利用，回收的CO2可以做到食品級(jí)、進(jìn)一步凈化可用做溫室大棚用CO2氣肥；CO2還可以用于驅(qū)采石油、天然氣、頁(yè)巖氣、煤層氣；利用固態(tài)、液態(tài)CO2遇熱急劇膨脹千倍的物理特性，可以代替炸藥采煤；可以用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品；可以用于煤制氣爐干煤粉的輸送氣；CO2礦化發(fā)電的研究也有較大進(jìn)展。

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