DRI爐頂煤氣預(yù)加熱氫氣增產(chǎn)降耗的探討

2021-09-08 作者：佚名網(wǎng)友評論 0 條

蘇亞杰¹，牛強²，杜英虎³

1.山西焦煤集團有限責任公司 2.中國科學院浙江研究院綠色氫能研究所 3.太原鋼鐵（集團）有限公司

鋼鐵行業(yè)是我國繼煤電之后的第二大CO2排放行業(yè)，碳達峰、碳中和任務(wù)十分緊迫。2019年世界DRI（直接還原鐵）年產(chǎn)量達到1.08億噸，是高爐煉鐵之后的第二大煉鐵技術(shù)，其中76%用天然氣來產(chǎn)生，由于我國天然氣保民用、價格高以天然氣冶煉DRI一直沒有發(fā)展。DRI是稀釋廢鋼雜質(zhì)冶煉優(yōu)質(zhì)鋼的重要原料，也可以單獨用于煉鋼，廢鋼加DRI煉鋼可以大幅度減少CO2排放，努力提高DRI產(chǎn)量是我們的目標。

1 DRI爐頂煤氣變換氫氣與預(yù)加熱氫氣的方法

我們在計算熔鐵浴高溫粗煤氣冶煉DRI的能耗時注意到：預(yù)加熱直接還原鐵爐頂煤氣變換的氫氣，可以較大幅度提高DRI產(chǎn)量。我們研究預(yù)加熱氫氣冶煉DRI的具體方法如下：[1]

1.1 用DRI爐頂煤氣制H2并經(jīng)換熱器加熱H2

熔鐵浴煤制煤氣又稱為：Atgas熔鐵床汽化爐。

表1 還原氣質(zhì)量對比表

序號	指標名稱	MIDREX	熔鐵欲高溫粗煤氣
1	還原氣（H₂+CO）	≥90%	≥95%
2	氧化度	≤5%	≤1%
3	還原氣溫度	850℃	1400～1700℃
4	還原氣壓力	3kg	3～5kg
5	還原氣含硫量	≤1%	≤0.002%
6	循環(huán)還原氣氫碳比H/CO	1.5～1.7	0.3

從表1可以看出熔鐵浴高溫粗煤氣指標除還原氣溫度、氫碳比達不到MIDREX還原氣要求外，其它指標都可以達到MIDREX還原氣指標要求。因此需要以（CO+H2O=H2+CO2）CO變換H2改變這兩個指標數(shù)值。

DRI爐頂煤氣是一種含有H2、CO、CO2、H2O、N2的水煤氣?？梢圆捎矛F(xiàn)有的化工行業(yè)水煤氣CO變換制氫技術(shù)（CO+H2O=H2+CO2）生產(chǎn)氫氣。

流程中DRI爐頂煤氣溫度400℃，除塵后用換熱器與氫氣換熱，將氫氣預(yù)熱到350℃兌入1600℃熔鐵浴高溫粗煤氣中，將1600℃粗煤氣降溫，350℃氫氣升溫，入爐還原氣兌到850℃，經(jīng)除塵器除塵，送入DRI豎爐生產(chǎn)DRI。DRI爐頂煤氣400℃與變換氫氣換熱后降到180℃進入壓縮機加壓至＜10kg，加壓后的爐頂煤氣升溫到200℃～350℃進入CO變換H2流程，得到變換氣；變換氣換熱回收熱能后降溫，再加壓水洗除CO2，經(jīng)變壓吸附（PSA）分離排除N2，得到含量≤98% 的常溫H2；常溫氫氣經(jīng)爐頂煤氣換熱器與爐頂煤氣換熱，得到350～400℃的中溫氫氣，將350～400℃中溫氫氣兌入1600℃高溫粗煤氣中，1600℃粗煤氣降溫達到850℃。經(jīng)除塵器除塵后送入DRI豎爐生產(chǎn)DRI。

粗煤氣顯熱與冷氣熱值（還原劑）同時用于生產(chǎn)DRI時，由于熱能不平衡，即粗煤氣顯熱不能滿足生產(chǎn)DRI需要。若將入爐還原氣溫度達到850℃，需移出一部分氫氣挪作它用。若將變換H2全部兌入1600℃高溫粗煤氣后，還原氣溫度只能達到730℃左右，再通入少量O2用部分氧化法加熱還原氣至850℃，入爐還原氣的氧化度要控制在≤8%，可以將粗煤氣全部用于生產(chǎn)DRI，但同時也會消耗一部分還原劑，會因減少還原劑而減少一部分DRI產(chǎn)量，也會因粗煤氣全部利用而提高DRI總產(chǎn)量，也會提高DRI單位產(chǎn)品能耗。為將DRI能耗降到最低，我們主張移出一部分H2做商品氫氣。

1.2 商品氫氣分攤能耗后的DRI產(chǎn)量及能耗

熔鐵浴煤制氣爐冷煤氣的年產(chǎn)量：1 900 m3/t標煤×100t標煤/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。

表2 熔鐵浴煤制氣爐的投入能源計算表

煤粉年耗量/(萬t·a^-1)	煤粉單位熱值/(kg_標煤·kg^-1)	煤粉熱值/(萬t_標煤·a^-1)	O₂年耗量(Mm³·a^-1)	O₂折算單位熱值/(kg_標煤·m^-3)	O₂熱值/(萬t_標煤·a^-1)	合計熱值/(萬t_標煤·a^-1)
60	1	60	348	0.4	13.92	73.92

注：設(shè)定1kg標煤的折算熱量為29302 kJ。

冷煤氣的組成為27%H₂+68%CO，其單位熱值：(10783 kJ/m3×27%+12633 kJ/m³×68%)÷29302kJ/kg≈0.392 499kg/m³。1600 ℃下粗煤氣的單位熱值：2 319.1kJ/m3÷29302kJ/kg=0.079 14477kg/m³。熔鐵浴煤制氣爐的產(chǎn)出能源計算如表4所示。

表3 熔鐵浴煤制氣爐的產(chǎn)出能源計算

項目	年產(chǎn)量/(m³·a^-1)	單位熱值/(kg_標煤·m^-3)	合計熱值/(萬t_標煤·a^-1)
冷煤氣	1.52×10⁹	0.392 499	59.659 8
煤氣顯熱	1.52×10⁹	0.079 144 77	12.030 0
合計	—	—	71.689 8

CO的單位熱值：12633kJ/m3÷29302kJ/kg≈0.431131kg/m3；H2的單位熱值：10 783 kJ/m3÷29302kJ/kg≈0.367 995 kg/m3。冷煤氣的熱值計算如表4所示。

表4 冷煤氣的熱值計算

項目	體積分數(shù)/%	數(shù)量/(m³·a^-1)	單位熱值/(kg_標煤·m^-3)	合計熱值/(萬t_標煤·m^-3)
CO	68	1.52×10⁹	0.431 131	44.561 7
H₂	27	1.52×10⁹	0.367 995	15.102 5
合計	—	—	—	59.664 2