蘇亞杰1，牛強(qiáng)2，杜英虎3，陳壽林4
1.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司2.中國(guó)科學(xué)院浙江研究院綠色氫能研究所
3.太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司4.中國(guó)日用化學(xué)工業(yè)研究院
熔鐵浴煤制氣是指將煤炭顆粒噴吹進(jìn)入熔融鐵-渣的熔池中，同時(shí)將O2也鼓入熔池中，在熔融鐵液-渣液的包裹密封中完成煤炭的氣化過程。該過程具有反應(yīng)速度快，粗煤氣中不含焦油和CH4，熔渣層的S脫除率高，煤氣含S低等優(yōu)點(diǎn)。利用干粉煤加壓氣化高溫粗煤氣的顯熱冶煉DRI有顯著的節(jié)能減排效果[1]。DRI豎爐壓力為3~8 kg的常壓，而煤制氣爐是30~40 kg的高壓，降壓在生產(chǎn)技術(shù)上可行，但會(huì)造成煤處理量大幅度下降，使煤氣和DRI大幅減產(chǎn)，因而煤制氣技術(shù)限制了DRI的發(fā)展。而熔鐵浴煤制氣爐與DRI豎爐都是常壓生產(chǎn)，可以滿負(fù)荷生產(chǎn)[2]。熔鐵浴煤制氣技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已被研究多年，其機(jī)理及技術(shù)指標(biāo)已基本清楚。其技術(shù)原理與煤制氣熔鐵床氣化法[3]、HIsmelt SRV熔融還原爐煉鐵技術(shù)[4]十分接近，與歐洲ULCOS項(xiàng)目聯(lián)盟的HIsarna熔融還原、日本DIOS熔融還原、美國(guó)AISI直接煉鋼工藝、日本與瑞典合作的CIG技術(shù)、日本住友公司的CGS技術(shù)都有類似之處[5]。因此，完全可以將已有成熟技術(shù)應(yīng)用在熔鐵浴煤制氣技術(shù)上，用來(lái)生產(chǎn)直接還原鐵（Direct Reduced Iron，DRI）。
本文依據(jù)某鋼廠技術(shù)中心的DRI試驗(yàn)數(shù)據(jù)、熔鐵浴煤制氣爐的技術(shù)指標(biāo)、參考HIsmelt SRV已經(jīng)達(dá)到的噴煤和噴鐵精礦粉的數(shù)量，估算利用熔鐵浴高溫粗煤氣顯熱冶煉DRI的能耗，以期可為工藝應(yīng)用及類似項(xiàng)目提供參考與借鑒。
1 工藝簡(jiǎn)介
1.1 熔鐵浴煤制氣工藝
熔鐵浴煤制氣爐如圖1所示，熔鐵浴煤制氣爐與入爐煤的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。由圖1可知，在熔鐵浴煤制氣過程中，鐵液在反應(yīng)器中作為載體而存在，其消耗量較低，約<50 kg/t標(biāo)煤，其可在回收粉塵中被循環(huán)利用；與熔融還原鐵相比，熔鐵浴煤制氣爐抑制了FeO的生成，減緩了爐襯的侵蝕速度；在熔鐵浴煤制氣爐的中部和上部，可以考慮采用水冷壁技術(shù)來(lái)保護(hù)爐襯；此外，煤的灰分可以入渣，而高堿度CaO渣在吸收了S后可以排出爐外用于水泥生產(chǎn)。
1.2 熔鐵浴高溫粗煤氣冶煉DRI工藝
用熔鐵浴煤制氣工藝制得的高溫粗煤氣加熱常溫循環(huán)還原氣生產(chǎn)DRI，可以全部利用粗煤氣的顯熱，其工藝流程如圖2所示。由圖2可知：用1 400~1 700 ℃、壓力為4 kg的高溫粗煤氣直接加熱25 ℃、壓力為4 kg、氫碳比>1.4的循環(huán)還原氣，可將循環(huán)還原氣溫度加熱到850 ℃；還原氣體經(jīng)除塵器除塵后進(jìn)入DRI豎爐，與豎爐中的氧化球團(tuán)礦對(duì)流接觸，使加熱后的球團(tuán)礦生成DRI；DRI經(jīng)豎爐底部氣封排出豎爐，排出豎爐的DRI可以熱裝煉鋼爐用于煉鋼，也可以經(jīng)熱壓成塊冷卻后儲(chǔ)存?zhèn)溆没驅(qū)ν怃N售；循環(huán)還原氣從豎爐爐頂部排出豎爐成為爐頂氣，爐頂氣排出豎爐的溫度為400 ℃，壓力為3 kg。爐頂氣經(jīng)除塵、水蒸氣余熱回收、CO低溫變換H2，并在水洗降溫至25 ℃以下脫濕和脫S、CO2后，形成循環(huán)還原氣。爐頂氣凈化可以采用常規(guī)的化工煤氣凈化方法或氣基DRI豎爐爐頂氣凈化方法。熔鐵浴煤制氣鐵水消耗后會(huì)形成含鐵粉塵，其經(jīng)除塵器回收后可被循環(huán)利用。
2 利用熔鐵浴高溫粗煤氣顯熱冶煉DRI的能耗估算
2.1 循環(huán)還原氣加熱球團(tuán)的顯熱估算
還原氣的溫度、成分是生產(chǎn)DRI的參考依據(jù)。查表得到不同溫度、成分條件下煤氣、還原氣的焓值，并進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)換如表2所示[6]。
計(jì)算加熱球團(tuán)所需顯熱如下。
由相關(guān)資料[7]查得，鐵礦粉在1 000 ℃下的定壓比熱容為0.865 kJ/(kg·℃)，則加熱球團(tuán)中鐵礦粉所需熱量：Q礦=0.865 kJ/(kg·℃)×1 000 kg×(1 100 ℃-0 ℃)=9.515×105 kJ。
設(shè)熱量的有效利用率為66%，并不考慮黏結(jié)劑因素，則加熱鐵礦球團(tuán)所需熱量：Q=Q礦/66%≈1.442×106 kJ。
而1 000 kg球團(tuán)礦產(chǎn)出DRI中的含鐵量：m(MFe) =1 000 kg×69%=690 kg。
則加熱球團(tuán)所需顯熱的理論消耗量：Q/m(MFe)=1.442×106 kJ/690 kg≈2 090 kJ/kgDRI（kgDRI為1 kg直接還原鐵）。
2.2 熔鐵浴煤制氣爐的投入與產(chǎn)出能源估算
熔鐵浴煤制氣爐冷煤氣的年產(chǎn)量：1 900 m3/t標(biāo)煤×100 t標(biāo)煤/h×8 000 h=1.52×109 m3/a。熔鐵浴煤制氣爐每年消耗的煤粉和O2如表3所示。
由表3、5可知，冷煤氣的能源利用效率為59.664 2÷73.92=80.71%；由表3、4可知，熔鐵浴煤制氣爐的能源利用效率為71.689 8÷73.92=96.98%。
2.3 循環(huán)還原氣循環(huán)3次后的顯熱保障程度
輸入豎爐的還原氣要循環(huán)3次才能用完，每次被使用1/3，其計(jì)算過程如圖3所示。還原氣還原鐵后會(huì)生成H2O、CO2，其在還原氣凈化后被排出循環(huán)還原氣系統(tǒng)，還原氣凈化過程可以回收CO2，排空N2。熔鐵浴煤制氣爐開爐時(shí)應(yīng)先充N2，后輸入高溫粗煤氣。
圖3 還原氣循環(huán)3次的計(jì)算過程
入爐還原氣溫度設(shè)定為850 ℃。計(jì)算850 ℃還原氣需要的顯熱量：Q850 ℃=1 157.5 kJ/m3×401 111 m3/h≈464 285 983 kJ/h；計(jì)算1 600 ℃粗煤氣的顯熱量：Q1600 ℃=2 319.1 kJ/m3×1 900 m3/t標(biāo)煤×100 t標(biāo)煤/h=440 629 000 kJ/h；計(jì)算25 ℃冷還原氣的顯熱量：Q25 ℃=32.4 kJ×211 111 kJ/h3≈6 839 996 kJ。
利用1 600 ℃粗煤氣的顯熱加熱循環(huán)3次的還原氣到850 ℃，其顯熱保障程度：
該過程的顯熱保障程度可以達(dá)到96.38%。此外，冷N2可用于開、停爐和調(diào)整（降低）還原氣和還原豎爐溫度；[I1] 通過減少冷煤氣兌入量以保障入爐還原氣和豎爐內(nèi)需要的顯熱量。
3 DRI產(chǎn)能與能耗估算
天然氣豎爐直接還原工藝的工序能耗對(duì)比如表6所示。由表6可知：Midrex工藝的氣體消耗量（折標(biāo)煤）[8]：318+16.48（天然氣+O2）=334.48 kg標(biāo)煤。
