1.引言

　　與其它非高爐煉鐵工藝相比，氣基豎爐直接還原法的顯著優(yōu)點(diǎn)是單套設(shè)備產(chǎn)量大、不消耗焦煤，節(jié)能、環(huán)境友好、低能耗、低CO2排放，是直接還原無焦煉鐵技術(shù)的中流砥柱。直接還原煉鐵技術(shù)在我國(guó)一直未得到充分發(fā)展和應(yīng)用，主要原因是國(guó)內(nèi)缺乏廉價(jià)的還原氣資源。

　　天然氣與煤相比具有優(yōu)良的環(huán)保和能效優(yōu)勢(shì)，可以極大地改善環(huán)境，減少溫室氣體排放。但是天然氣受到資源供應(yīng)能力和管網(wǎng)延展條件的約束。在能源結(jié)構(gòu)中，煤占我國(guó)化石能源探明儲(chǔ)量的94%，石油占5.4%，天然氣僅占0.6%。2006年我國(guó)天然氣探明儲(chǔ)量為2.45萬(wàn)億立方，僅占世界儲(chǔ)量的1.3%。

　　近十年頁(yè)巖氣生產(chǎn)技術(shù)已從根本上改變了北美地區(qū)的天然氣供需關(guān)系，使美國(guó)擺脫了對(duì)中東石油天然氣的依賴，美國(guó)加拿大的能源成本大幅度降低。目前大量使用天然氣生產(chǎn)DRI的伊朗、美國(guó)、埃及的天然氣市場(chǎng)價(jià)格僅為0.1美元/Nm3。由于行業(yè)需求、以及天然氣價(jià)格走低，美國(guó)已經(jīng)新建成2套大型直接還原豎爐裝置，在未來十年北美新增DRI生產(chǎn)能力將達(dá)500-600萬(wàn)噸。

　　在沒有低成本天然氣的地區(qū)，也在探索其它替代能源技術(shù)。在過去20年間，煤氣化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化取得了極大發(fā)展，各種煤氣化技術(shù)的生產(chǎn)裝置都在中國(guó)運(yùn)行。能否用于生產(chǎn)直接還原鐵，關(guān)鍵是煤制合成氣的投資、能耗、成本能否大幅度降低。加壓煤制氣工藝技術(shù)是我國(guó)發(fā)展大型直接還原新工藝的基礎(chǔ)條件。問題是采用現(xiàn)有成熟的煤氣化工藝技術(shù)，如何經(jīng)濟(jì)合理地與十分成熟的MIDREX、HYL-III、PERED 豎爐直接還原技術(shù)匹配，形成有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的煤制氣生產(chǎn)直接還原鐵的聯(lián)合工藝。本文將討論這些主要還原氣源與豎爐直接還原工藝工藝組合的工藝特點(diǎn)。

　　2.現(xiàn)有天然氣基直接還原豎爐工藝流程的特點(diǎn)及主要工藝參數(shù)

　　根據(jù)還原熱平衡及爐況順行的要求，通常MIDREX、 HYL-III與PERED豎爐法生產(chǎn)對(duì)還原煤氣均有以下要求， (H2+CO)>90% ;H2/CO>1.5;CH4<3%;N2<12%;含硫量<3mg/m3，還原氣入爐有效煤氣量達(dá)1800 m3/tDRI以上。由于PERED豎爐法生產(chǎn)對(duì)還原煤氣的要求與MIDREX相同，不另行討論。

　　2.1 Midrex直接還原豎爐工藝

　　2015年全世界直接還原鐵(DRI)產(chǎn)量達(dá)7260萬(wàn)噸，大型豎爐直接還原法生產(chǎn)的DRI占比超過79%，是直接還原煉鐵生產(chǎn)的主力，其特點(diǎn)是設(shè)備緊湊，熱能利用充分，生產(chǎn)率高，利用系數(shù)按還原帶體積計(jì)達(dá)8-12t/m3。Midrex直接還原豎爐的主要特點(diǎn)是利用循環(huán)爐頂煤氣中的CO2作為氧化劑來完成天然氣重整，爐內(nèi)設(shè)有3排爐料破碎輸送設(shè)備，其煤氣重整設(shè)備及催化劑十分昂貴，因而對(duì)鐵礦石和煤氣的含硫量有嚴(yán)格要求。

　　Midrex豎爐的生產(chǎn)率由豎爐底部的排料速度進(jìn)行控制。原料入爐后靠重力下行至豎爐底部即為成品排出。進(jìn)入豎爐的還原氣溫度為750-840℃，壓力為0.1-0.2MPa。原料在預(yù)熱還原帶與上行的熱還原氣相接觸時(shí)被預(yù)熱和還原。入爐原料在與還原氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)中在固體狀態(tài)下還原成金屬鐵，其金屬化率達(dá)92%，含碳量0.5-2.5%，可按要求進(jìn)行控制。豎爐還原帶高度為9米時(shí)，停留時(shí)間約6小時(shí)，爐內(nèi)煤氣流速1.7-1.8m/s,大約每分鐘下降30mm。經(jīng)過豎爐還原反應(yīng)排除的尾氣稱為爐頂氣，其溫度為400-450℃，壓力為0.05-0.10MPa，含塵量約6000mg/Nm3。其典型成份為：%CO 19.1; 16.4%CO2; 38.2% H2; 21%H2O; 2.8%CH4; 2.5%N2; H2S含量決定于礦石含硫量。爐頂煤氣大部分返回重整爐與天然氣混合重整，少量用作煤氣重整爐的燃料。豎爐內(nèi)的溫度使用三組垂直懸鋼管掛熱電偶監(jiān)測(cè)。各組熱電偶所測(cè)溫度值差別過大可反應(yīng)爐內(nèi)氣流分布情況，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)瘤、管道等問題。天然氣基Midrex豎爐的工藝流程圖見圖1。圖2是天然氣基Midrex直接還原豎爐的能量平衡圖。表1是 MIDREX豎爐的操作指標(biāo)。

 

 

　　自從HYL-III裝置在爐頂氣循環(huán)系統(tǒng)中安裝了CO2脫除裝置后，爐頂循環(huán)氣中的CO2濃度從10.5%左右被脫除降低到1.5%。使用相同的重整爐，爐頂氣循環(huán)增加了30%的還原氣量，產(chǎn)量也提高了近30%。圖5為天然氣基HYL-III工藝的能量平衡圖。表2 是典型HYL-III工藝參數(shù)。圖6為達(dá)涅利HYL-III直接還原豎爐零重整ZR工藝熱煤氣補(bǔ)氧提溫示意圖。在零重整ZR工藝中雖然經(jīng)過熱煤氣補(bǔ)氧加熱，入爐還原氣中仍然含有10%-20%甲烷，入爐煤氣量約為1700 m3/tDRI。

 

　　5.焦?fàn)t煤氣與直接還原豎爐匹配的特點(diǎn)

　　焦?fàn)t煤氣(COG)中含有很高的氫氣和甲烷成份，是生產(chǎn)直接還原鐵的理想燃料，比發(fā)電的效益更高。

　　由于焦?fàn)t輸出的荒煤氣中雜質(zhì)含量很高(參見表6)，為了豎爐生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定順行，必須從嚴(yán)要求，在加壓之前將COG精制，使其達(dá)到城市煤氣用COG的標(biāo)準(zhǔn)(焦油和灰塵<10mg/m3;萘<50mg/m3;硫化氫<20mg/m3;氨<50mg/m3)，以避免輸配設(shè)備及管線被堵塞或嚴(yán)重腐蝕，保證煤氣的正常輸送和使用。表6是某焦化廠經(jīng)濕法粗脫硫的焦?fàn)t氣組成和雜質(zhì)含量表

 表6 某焦化廠經(jīng)濕法粗脫硫的焦?fàn)t氣組成和雜質(zhì)含量表

　　焦?fàn)t煤氣中的雜質(zhì)對(duì)輸配系統(tǒng)有嚴(yán)重危害，如果輸送前凈化處理不徹底，例如有些企業(yè)為節(jié)省投資凈化設(shè)施簡(jiǎn)陋不全，有些凈化設(shè)施雖建成了，但由于管理上為節(jié)約成本時(shí)開時(shí)停，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用，使出廠煤氣進(jìn)入輸配管網(wǎng)時(shí)的溫度較高，大量的水分和雜質(zhì)隨煤氣一同輸出，逐漸凝結(jié)在管道內(nèi)，使管道有效輸氣管徑逐漸縮小，降低了管道輸氣能力，增加了壓送輸配COG煤氣的能耗，甚至使輸氣管道全部報(bào)廢(歷史上城市焦?fàn)t煤氣曾經(jīng)多次發(fā)生類似嚴(yán)重事故，造成了重大損失)。使用蘭碳?xì)饣蚋绅s煤氣也需要注意上述問題。

　　北京中晉中石冶金化工技術(shù)有限公司和中國(guó)石油大學(xué)(北京)對(duì)焦?fàn)t煤氣應(yīng)用于豎爐直接還原的焦?fàn)t氣干重整關(guān)鍵問題(焦?fàn)t氣深度凈化、焦?fàn)t氣干重整轉(zhuǎn)化)開展了深入系統(tǒng)的研究，提出了中低壓焦?fàn)t氣深度凈化的工藝流程(圖8)，焦?fàn)t氣干重整技術(shù)已用于中晉太行礦業(yè)有限公司山西左權(quán)焦?fàn)t煤氣年產(chǎn)30萬(wàn)直接還原鐵工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目。該流程簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝和操作過程，具有降低成本和能耗，提高工業(yè)裝置作業(yè)率，催化劑可以再生等優(yōu)勢(shì)。如果他們的豎爐與焦化廠距離較遠(yuǎn)，仍然應(yīng)該輸送前將COG徹底凈化處理，以保證輸配設(shè)備及管線長(zhǎng)期順利安全運(yùn)行。他們開發(fā)的焦?fàn)t氣凈化、DRI爐頂氣凈化與回用，以及焦?fàn)t氣干重整轉(zhuǎn)化的工藝流程示意圖見圖9。

　　Midrex和普萊克斯(Praxair)合作開發(fā)出一種專有熱反應(yīng)系統(tǒng)(TRS)技術(shù)和設(shè)備。該系統(tǒng)采用創(chuàng)新的部分氧化技術(shù)裂解焦?fàn)t煤氣產(chǎn)出高溫優(yōu)質(zhì)合成氣用于直接還原豎爐。在該系統(tǒng)中，可以通過將加壓焦?fàn)t煤氣先預(yù)熱，再用純氧部分氧化，回收余熱后，再與脫除CO2的爐頂煤氣混合加熱達(dá)重整達(dá)到還原溫度，用于MXCOL工廠豎爐直接還原。(其原理參見圖10)此法可節(jié)省了處理COG的復(fù)雜的化工處理工藝設(shè)備。
 

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