中國石油大學(xué)(北京)新能源研究院

　　1 前言

　　近30年來，采用豎爐的氣基直接還原鐵產(chǎn)能一直穩(wěn)步增長，平均增長率約9.2%，2017年全球氣基直接還原鐵產(chǎn)量超過7000萬噸，這表明了氣基直接還原鐵在商業(yè)上是成功的鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)，但是在我國幾乎是空白。國外氣基直接還原鐵主要采用天然氣作為還原劑生產(chǎn)原料，而我國化石燃料資源特點是富煤、缺油、少氣，天然氣主要作為清潔能源保障工業(yè)和民用燃料，作為化工和冶金原料都受到限制。發(fā)展我國氣基直接還原鐵的一個關(guān)鍵問題是如何制造氣基直接還原鐵所需的還原氣? 從我國資源特點看，發(fā)展氣基直接還原鐵的還原氣原料以煤炭為主，其他原料可以作為補充。此外，我國有大量基于煉焦的高爐煉鐵，煉焦副產(chǎn)的焦爐氣可以作為氣基直接還原鐵還原氣制造的原料之一；煉廠和甲醇廠等生產(chǎn)過程的焦化干氣、煉廠氣、甲醇尾氣等也可以作為直接還原鐵還原氣生產(chǎn)原料，本文對此進行一個簡要評述。

　　2 氣基直接還原鐵還原氣

　　采用豎爐的氣基直接還原鐵生產(chǎn)是以H2和CO為還原劑將氧化鐵還原的過程，反應(yīng)是一個受熱力學(xué)平衡限制的過程。還原氣中H2和CO含量越高越好，H2O和CO2含量越低越好。根據(jù)文獻資料，工業(yè)化使用的不同工藝還原氣如表1所示。

　　從表1數(shù)據(jù)看，氣基直接還原鐵的原料氣組成范圍可以很寬，有效還原氣含量基本都大于90%，這是還原氣需要滿足的主要指標。采用煤為原料的豎爐還原工藝已被淘汰。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，Midrex工藝占了氣基直接還原鐵市場的~60%份額。HYL工藝在不斷改進，是第二大的氣基直接還原鐵工藝技術(shù)。由此可知，還原氣的H2/CO合理范圍應(yīng)該從1.5:1直到純氫應(yīng)該都是合理的。

　　表1 工業(yè)化的典型豎爐還原氣

　　**扣除CH4和N2等，只考慮主要的有效組分H2, CO, CO2和H2O**煤為原料，其余為天然氣

　　3 不同原料制取直接還原鐵還原氣

　　3.1 煤制直接還原鐵還原氣

　　我國具有較為豐富的煤炭資源，以煤炭為原料生產(chǎn)氣基直接還原鐵在資源上是有較好保障的。國內(nèi)大量煤炭經(jīng)氣化用于化工生產(chǎn)，根據(jù)大量煤氣化產(chǎn)品氣組成，大部分化工生產(chǎn)用的煤炭扣除O，N，S等雜元素后，煤炭的組成可以近似表示為CH。煤炭氣化主要采用純氧(O2)或純氧加蒸汽(O2 + H2O)，氣化工藝不同，原料煤炭不同，產(chǎn)品氣組成顯著差別。

　　表2 魯奇氣化制氣基直接還原鐵還原氣　　

　　1. Lurgi煤氣化爐，2. 煤氣洗滌塔，3. 精脫硫部分脫碳裝置，4. 透平機，5. 低氧化劑重整轉(zhuǎn)化爐，6. 直接還原豎爐，7. 爐頂氣洗滌器，8. 爐頂氣壓縮機，9. 廢熱鍋爐，10. 克勞斯硫磺回收裝置。

　　就氣基直接還原鐵而言，煤化工采用的氣化工藝并不適合。因為氣基直接還原鐵并不需要高壓氣化，也不必追求高溫氣化，因此低成本氣化工藝是值得選擇的，典型的如Lurgi氣化工藝。以Lurgi氣化工藝為例，合理的氣基直接還原鐵流程可以是：氣化-洗滌-凈化-低氧化劑重整轉(zhuǎn)化-豎爐還原，同時配套能量回收、硫磺回收、灰渣和水處理等。

　　采用煤為原料生產(chǎn)氣基直接還原鐵優(yōu)勢是我國具有比較豐富的煤炭資源，煉鐵過程可以不依賴于煉焦，利用廉價的褐煤即可大量生產(chǎn)直接還原鐵，因此預(yù)計具有良好的經(jīng)濟性。煤氣化制還原鐵存在問題主要是流程相對較長，需要環(huán)保處理廢氣、廢水、廢渣，預(yù)計環(huán)保成本較高。

　　3.2 焦爐氣制直接還原鐵還原氣

　　我國鋼鐵產(chǎn)能全球第一，主要采用高爐煉鐵，為此具有大量焦化加工能力。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息研究網(wǎng)統(tǒng)計，2017年焦炭產(chǎn)量43142.6萬噸。根據(jù)焦炭生產(chǎn)過程，按220Nm3/t可外供使用的焦爐煤氣量折算，2017年可供使用的焦爐煤氣量高達949億立方米。按約630 Nm3 COG/tDRI計算，可年產(chǎn)約1.5億噸直接還原鐵。因此具有煉焦配套的傳統(tǒng)高爐煉鐵并不缺乏直接還原鐵所需還原氣原料來源。關(guān)鍵是要有合理的焦爐氣制氣基直接還原鐵所需的還原氣工藝技術(shù)。以典型的焦爐氣組成為例，合理的焦爐氣制氣基直接還原鐵流程為：加壓-凈化-低氧化劑重整轉(zhuǎn)化-豎爐還原。

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