1.中冶南方工程技術有限公司 2.江蘇煤化工程研究設計院

　　1 前言

　　直接還原鐵生產(chǎn)是在不熔化、不造渣的條件下，鐵礦石在軟化溫度以下保持固體形態(tài)，礦石中的鐵氧化物經(jīng)還原獲得固態(tài)金屬鐵的方法。

　　直接還原工藝分為煤基和氣基兩大類。氣基直接還原鐵生產(chǎn)工藝是使還原氣體通過一個裝有散粒鐵礦石的移動床，用化學還原方法，將鐵礦石中的氧去除，從而生產(chǎn)出金屬化率較高的直接還原鐵（DRI）。

　　國外的生產(chǎn)實踐及發(fā)展經(jīng)驗表明，利用氣基豎爐法是迅速擴大DRI生產(chǎn)的有效途徑。氣基直接還原豎爐具有還原速度快、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、自動化程度高、單機產(chǎn)能大、技術成熟、單位產(chǎn)能投資低、工序能耗低和環(huán)境負荷低等優(yōu)勢。

　　國內(nèi)由于天然氣資源相對貧乏，氣基直接還原工藝的發(fā)展一直受到極大的制約。 近幾年，隨著國內(nèi)煤制氣工藝日益成熟，基于合成氣（Syngas）的氣基直接還原技術逐漸受到關注和重視。

　　2 氣基直接還原技術發(fā)展現(xiàn)狀

　　目前，世界范圍內(nèi)氣基豎爐工藝的DRI產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的80%，在直接還原工藝中處于主導地位。2016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的占比超過79%。MIDREX和ENERGIRON（HYL-III）法是開發(fā)運行非常成功、推廣應用最廣泛的氣基直接還原工藝，二者產(chǎn)量之比約為8：2。

　　上世紀80年代，第一代大型MIDREX和HYL-III產(chǎn)能達到0.8Mt/a以上，余熱回收設備的強化、天然氣重整技術的改良、HBI等關鍵技術的開發(fā)應用，促進了直接還原豎爐技術提升。2009年以來，MIDREX和HYL-III都開發(fā)建設了年產(chǎn)80~160萬噸DRI的豎爐生產(chǎn)裝置，天然氣豎爐生產(chǎn)設備進入了大型化第二代。 到2013年美國紐科NUCOR年產(chǎn)250萬噸DRI豎爐投產(chǎn)，及2014年印度金達爾JPSL年產(chǎn)200萬噸DRI豎爐投產(chǎn)，氣基豎爐直接還原生產(chǎn)設備進入了大型化的第三代。

　　2.1合成氣-氣基豎爐直接還原

　　傳統(tǒng)的氣基豎爐直接還原以天然氣為能源，僅適用于天然氣資源豐富的地區(qū)。為了在天然氣資源不足的地區(qū)適應其它能源，MIDREX和DANIELI各自推出了基于合成氣的豎爐直接還原工藝，為發(fā)展氣基直接還原開辟了非天然氣能源的新途徑。

　　MIDREX的MXCOL工藝，可應用各種合成氣Syngas，包括煤制合成氣、焦爐煤氣COG等，其中焦爐煤氣COG采用非催化部分氧化重整技術。典型的MXCOL直接還原采用爐頂煤氣循環(huán)工藝（見圖）。爐頂煤氣凈化之后，一部分煤氣經(jīng)過工藝氣體壓縮機加壓，送到CO2脫除系統(tǒng)脫除CO2；另一部分煤氣送到工藝還原氣加熱爐，作為燃料。凈化后的爐頂煤氣與干凈的補充合成氣Syngas組成工藝還原氣，經(jīng)過加熱爐升溫至900℃左右，進入氣基豎爐，還原鐵氧化物。在氣基豎爐內(nèi)部，還原氣上行過程不斷與下行的爐料交換熱量，還原后的尾氣從豎爐頂部排出，再次循環(huán)。

　　MIDREX豎爐內(nèi)在還原帶下部設有3軸破碎裝置，避免爐料粘接影響下行。MIDREX豎爐的生產(chǎn)率由豎爐底部排料速度進行控制。含鐵氧化物爐料從豎爐頂部裝入，靠重力下行至豎爐底部，以成品DRI排出豎爐。MIDREX豎爐操作壓力0.2-0.3Mpa，進入豎爐的還原氣溫度與氣體成分有關。原料在預熱還原帶被上行的熱還原氣預熱及還原，原料中的含鐵氧化物在固體狀態(tài)下被還原成金屬鐵，金屬化率可達92%，DRI含碳量與氣體成分有關。典型的MXCOL工藝流程（Syngas）如下圖所示。

　　DANIELI的ENERGIRON-ZR零重整工藝，可應用合成氣Syngas、天然氣NG、重整氣Reformed gas、焦爐煤氣COG等。典型的ENERGIRON-ZR直接還原也采用爐頂煤氣循環(huán)工藝。由于從豎爐頂部排出的煤氣溫度較高，爐頂煤氣先經(jīng)過余熱回收裝置回收熱量，再循環(huán)利用。脫除CO2的煤氣與補充的合成氣Syngas組成工藝還原氣，經(jīng)過濕度調(diào)節(jié)之后，先在加熱爐升到一定溫度（與氣體成分有關），再經(jīng)加氧提溫工藝將還原氣溫度提高到900℃~1000℃，送進豎爐。

　　DANIELI豎爐內(nèi)沒有爐料破碎裝置，為了防止爐料粘接，DANIELI通常對氣體成分有一定的要求，即還原氣中的氫氣含量具有較高比例。DANIELI豎爐操作壓力通常為0.5-0.8Mpa。在高壓工況條件下，DANIELI豎爐生產(chǎn)效率高，爐料停留時間少，氣體的流量和流速小。典型的ENERGIRON-ZR工藝流程（Syngas）如下圖所示。

　　在合成氣Syngas-豎爐直接還原領域， MXCOL工藝擁有三項應用業(yè)績，EERGIRON-ZR沒有應用業(yè)績。1999年，MIDREX首次采用合成氣用于生產(chǎn)DRI的工藝在南非SALDANAH廠，使用COREX輸出的煤氣，產(chǎn)能80萬t/a。2014年，印度金達爾JSW的DRI工廠，使用合成氣，產(chǎn)能120萬t/a；印度金達爾安古爾JSPL的DRI工廠，使用煤制氣（加壓魯奇爐），產(chǎn)能180萬t/a。

　　2.2氣基豎爐直接還原鐵在國內(nèi)的發(fā)展

　　我國天然氣資源短缺，可用于直接還原的高品位塊礦和球團也匱乏，迄今尚沒有直接還原氣基豎爐的工業(yè)化生產(chǎn)裝置。

　　近年來，我國鋼鐵、化工工作者對煤制氣、豎爐直接還原鐵生產(chǎn)進行了調(diào)查、研究工作，取得了大量的數(shù)據(jù)，為我國采用煤制氣-豎爐直接還原技術奠定了良好的基礎。業(yè)內(nèi)專家和企業(yè)普遍認為煤制氣-豎爐直接還原將成為我國直接還原鐵生產(chǎn)的主要途徑。但是，在煤制氣方法的選擇、煤種的選擇、豎爐工藝的選擇、煤制氣與豎爐的銜接、煤氣的加熱、及相關裝備等方面，需要進行深入研究和探討。

　　山西中晉太行礦業(yè)有限公司和中國石油大學合作開發(fā)的焦爐煤氣干重整制還原氣工藝與德國MME公司PERED豎爐工藝結合，于2017年4月開工建設一條30萬噸/年焦爐煤氣直接還原鐵生產(chǎn)線。PERED是在MIDREX早期工藝基礎上發(fā)展和衍生的豎爐直接還原工藝。

　　2018年4月18日，東北大學與遼寧華信鋼鐵共性技術創(chuàng)新科技有限公司在遼陽市簽署合作協(xié)議，推動“遼寧鋼鐵共性技術創(chuàng)新中心”實質(zhì)性建設，啟動建設全國低碳煉鐵精品煉鋼示范基地，建設年產(chǎn)1萬噸DRI中試裝置和10萬噸級精品鋼示范工程，對煤制氣-氣基豎爐直接還原工藝流程技術開展探索、研究、試用和完善。

　　2.3 合成氣-氣基豎爐直接還原

　　在過去20年間，潔凈煤氣化技術產(chǎn)業(yè)化在中國取得了極大發(fā)展，國內(nèi)已經(jīng)建成運行了上百套各種各樣的加壓煤制合成氣工藝裝置，這是我國發(fā)展大型直接還原新工藝的良好基礎。而各種煤氣化技術的生產(chǎn)裝置能否用于生產(chǎn)直接還原鐵，關鍵問題之一是煤制合成氣的單位投資、能耗、成本能否大幅度降低。隨著中國煤制氣技術發(fā)展成熟，煤制氣已經(jīng)廣泛應用于合成氨，合成甲醇、二甲醇，人造油、LNG等行業(yè)。我國已經(jīng)具備發(fā)展氣基還原鐵生產(chǎn)的資源條件。

　　當前，國內(nèi)一些煤炭資源豐富的地區(qū)，打算采用潔凈煤氣化技術，發(fā)展以合成氣制備清潔能源產(chǎn)品，其中包括達到國V標準的清潔車用燃料，不含硫、氮、PM2.5以上粉塵的工業(yè)燃氣，清潔電力和集中供暖等。如果能夠?qū)⒑铣杉状嘉矚膺@類潔凈的合成氣，用于氣基豎爐直接還原鐵生產(chǎn)，將成為實現(xiàn)煤炭清潔高效利用的最佳方式。

　　隨著我國“甲醇經(jīng)濟”戰(zhàn)略創(chuàng)新路線的深化實施，甲醇燃料和甲醇汽油未來具有廣闊的發(fā)展空間，合成甲醇尾氣-氣基豎爐直接還原技術的市場潛力不容小覷。

　　3 基于合成甲醇尾氣的氣基直接還原鐵工藝可行性研究
……

關注“driinfo",手機上同步看直接還原、鋼鐵業(yè)內(nèi)文章