煤制還原氣生產直接還原鐵工藝分析與探討

2019-10-16 作者：佚名網(wǎng)友評論 0 條

首先概述了我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。然后，詳細介紹了煤制氣-氣基豎爐-電爐短流程，論述了煤制氣、煤氣凈化工藝的合理選擇。

李峰1，儲滿生1，唐玨1，柳政根1，周渝生1

　　東北大學,冶金學院

　　1 低碳共識與我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展方向

　　2015年12月12日，聯(lián)合國氣候變化巴黎大會成功通過《巴黎協(xié)定》。中國政府承諾將于2030年左右CO2排放達到峰值并實現(xiàn)單位GDP的CO2排放量比2005年下降60%~65%。2017年，中國粗鋼產量為8.32億噸，占世界粗鋼產量的49.2%，而生鐵產量為7.108億噸，占全世界生鐵產量的60.54%，但是噸鋼能耗、CO2排放量及污染物排放量均為世界第一[1-2]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，按產業(yè)劃分，我國鋼鐵工業(yè)的CO2排放量占全國CO2排放總量的16.02%，如圖1所示。因此，我國政府和鋼鐵企業(yè)將長期承受巨大的碳減排壓力。

　　現(xiàn)代鋼鐵生產主要有四種工藝流程：(1)高爐-轉爐;(2)廢鋼-電爐;(3)直接還原鐵-電爐;(4)熔融還原-轉爐。其中，高爐-轉爐又稱傳統(tǒng)長流程，已獲得長足發(fā)展，是現(xiàn)代鋼鐵生產的主流工藝，而直接還原和熔融還原屬于新一代鋼鐵生產技術，也是現(xiàn)代鋼鐵生產的重要組成部分。氣基豎爐直接還原具有工藝自動化程度高、產品質量穩(wěn)定、環(huán)境友好等優(yōu)勢，《中國制造2025》明確指出氣基豎爐將是后高爐時代的首選工藝之一。我國主要采用高爐-轉爐長流程，生鐵產量占粗鋼產量的比例高于90%，電爐短流程產量比例偏低，前些年在10%左右，近年呈降低趨勢(約6%)，如圖2所示。這也是我國噸鋼能耗高于世界平均能耗的主要原因之一。因此，我國鋼鐵產業(yè)正面臨產品結構調整和升級換代的重大需求。

　　對于鋼鐵產業(yè)低碳發(fā)展的選擇，除了壓縮產能、逐漸提高廢鋼比以外，有限的選擇方向是改變鋼鐵產業(yè)的能源和產品結構，逐漸對傳統(tǒng)高爐-轉爐長流程進行流程優(yōu)化，從而實現(xiàn)“綠色低碳”。而直接還原-電爐流程短、節(jié)能、二氧化碳減排效果顯著，是鋼鐵工業(yè)擺脫焦煤資源羈絆，提高廢鋼比、進一步降低能耗，減少二氧化碳排放1/3~1/2的主要途徑。基于低碳鋼鐵的發(fā)展需求，我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展應逐步由直接還原-電爐短流程替代高爐-轉爐流程。

　　在直接還原工藝中，氣基豎爐法因其產品清潔、環(huán)境負荷低、自動化程度高，得到了大力發(fā)展。世界直接還原鐵產量中，氣基豎爐直接還原工藝產量達到80%以上，如表1所示。從能源結構上來看，我國天然氣儲量不大且資源分布不均，天然氣供應緊張，且價格連續(xù)上漲，嚴重限制了我國豎爐直接還原的發(fā)展。但是，我國煤儲量豐富，煤制氣工藝日趨成熟，直接使用焦爐煤氣、合成氣、煤制氣為還原氣的HYL-ZR/ENERGIRON新工藝方案的提出，為天然氣資源不足而非焦煤資源豐富的中國發(fā)展氣基豎爐直接還原工藝提供了有力條件[3-5]。另外，“十三五”期間我國鋼鐵產業(yè)廢鋼蓄積量將超80億噸，年供應量將達1.5~2.5億噸。廢鋼蓄積量和產出量的迅速增長為我國發(fā)展煤制氣-氣基豎爐-電爐短流程創(chuàng)造了有利條件。

　　表1 世界各種直接還原工藝產量

項目	2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017
MIDREX/%	59.7	60.5	61.2	63.5	63.2	63.1	64.8	64.8
HYL/Energiron/%	14.1	15.2	14.8	15.1	16.2	16.0	17.4	16.9
其他氣基/%	0.5	0.7	0.7	0.2	0	0.7	0.3	0.7
煤基/%	25.7	23.6	23.3	21.3	20.6	20.2	17.5	17.6
總產量/萬t	7037	7321	7314	7492	7455	7257	7276	8710

　　2 煤制氣-氣基豎爐-電爐短流程

　　以煤為能源，采用煤氣化技術將其轉化為粗煤氣，粗煤氣中含有CO2、H2S、苯萘等雜質，需進一步凈化才可達到氣基豎爐還原氣的成分要求。凈化后的氣體在煤氣加熱爐中被加熱至一定溫度，最終送至氣基豎爐作為還原劑使用。豎爐爐頂煤氣因工藝不同，處理方式也不相同，常見的手段一般為爐頂煤氣經(jīng)除塵、換熱、脫水后，與粗煤氣混合進行凈化處理，實現(xiàn)循環(huán)。因爐頂煤氣主要成分依然是H2和CO，熱值較高，因此，也可將全部/部分爐頂煤氣作為燃料引至加熱爐作為燃料。

　　2.1 煤制氣工藝及合理選擇

　　目前，世界上技術成熟的煤氣化工藝主要有：固定床法(UGI、Lurgi)、流化床法(灰熔聚、Ende)、氣流床法(Texaco、Shell)等。國內幾種有代表性煤氣化工藝比較結果如表2所示。結合煤種、氣化能力、投資等關鍵指標，對比分析可知流化床煤制氣工藝最適合我國發(fā)展氣基豎爐直接還原工藝。

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