中晉太行礦業(yè)有限公司
直接還原鐵（Direct Reduced Iron，DRI）是指精鐵粉或鐵礦石在低于熔化溫度下進行固態(tài)還原得到的海綿狀金屬鐵，具有品位高、雜質(zhì)及有害元素殘余少等優(yōu)點。直接還原鐵主要用做“短流程”-電爐煉鋼的原料，可作為優(yōu)質(zhì)廢鋼的替代物、生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼材必要的高級原材料。但我國DRI的極低產(chǎn)量與粗鋼產(chǎn)量第一的地位極不相稱，嚴重制約我國潔凈鋼、優(yōu)質(zhì)鋼的生產(chǎn)和裝備制造業(yè)的發(fā)展。
1 直接還原鐵生產(chǎn)市場分析
1.1直接還原鐵生產(chǎn)成效甚微
我國是鋼鐵生產(chǎn)大國，但多屬低端產(chǎn)能，高端特鋼的生產(chǎn)成為我國鋼鐵業(yè)的發(fā)展“短板”。作為冶煉優(yōu)質(zhì)鋼的最佳原料，直接還原鐵的工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化程度，直接制約著我國高端鋼材的生產(chǎn)規(guī)模。目前，我國的還原鐵產(chǎn)量僅為數(shù)十萬噸，成效甚微?？偨Y(jié)我國直接還原鐵發(fā)展的經(jīng)驗教訓，制約我國直接還原鐵的因素主要有：一是鐵精粉品質(zhì)低；二是還原氣源難以保證；三是政策限制增鐵增鋼。世界主流的直接還原鐵生產(chǎn)工藝-氣基豎爐直接還原技術(shù)因原料及還原氣氣源問題至今未實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
1.2直接還原鐵助力綠色鋼鐵
目前，我國鋼鐵聯(lián)合企業(yè)90%采用傳統(tǒng)的高爐-轉(zhuǎn)爐流程（長流程），普遍存在高污染、高能耗等問題，與我國聚焦能源革命，實現(xiàn)節(jié)能減排目標相悖。而直接還原鐵短流程（廢鋼-電爐）是世界公認的鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排、減少碳排放、提高品質(zhì)的發(fā)展方向之一。因此，發(fā)展直接還原鐵生產(chǎn)可滿足鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展的需要，突破產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中優(yōu)質(zhì)鋼、潔凈鋼的質(zhì)和量難以保障的困局。
氣基豎爐被認為是直接還原鐵生產(chǎn)中單機產(chǎn)能最高、運行最穩(wěn)定、碳排放最少的工藝方法，是我國發(fā)展直接還原鐵生產(chǎn)的首選工藝。國外氣基豎爐工藝主要以天然氣為氣源，我國的資源條件決定了以天然氣為氣源的可能性極小，煉焦副產(chǎn)的焦爐煤氣成為還原氣來源的新出路。目前，我國的焦爐煤氣主要用作燃料、制氫、制甲醇及其它化工產(chǎn)品原料。焦爐煤氣富氫（55%～60%），氫氣熱值僅為甲烷的四分之一，而還原潛能遠高于CO，因此將焦爐煤氣用作還原劑更有利于其化學能的合理利用。另外，與天然氣作豎爐氣源相比，焦爐煤氣中甲烷含量較低，這使其重整負荷降低，有效降低能耗。因此，將焦爐煤氣重整制還原氣，實現(xiàn)高附加值利用，可同時獲得經(jīng)濟效益與環(huán)境效益。
目前，亟需建立產(chǎn)學研聯(lián)合體進行聯(lián)合攻關(guān)，建設(shè)工序完整的“短流程”鋼鐵生產(chǎn)示范線，以期形成長流程與短流程并存的鋼鐵發(fā)展新局面，實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)化危為機、逆勢突圍，助力鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展。
1.3直接還原鐵發(fā)展可期
根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會近日發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2018年全球直接還原鐵（DRI）產(chǎn)量為10049萬噸，與2017年相比增長了15%。隨著全球節(jié)能環(huán)保思想的高度統(tǒng)一，不同地區(qū)和國家對直接還原鐵的重視程度日益加深。據(jù)中國廢鋼鐵應(yīng)用協(xié)會統(tǒng)計和估算，目前我國直接還原鐵的年需求量約為1000萬噸-1500萬噸。我國已具備發(fā)展直接還原鐵的資源和技術(shù)條件，高品質(zhì)的直接還原鐵在我國具有廣闊的發(fā)展前景。建設(shè)示范性工業(yè)化生產(chǎn)線是當務(wù)之急。
中晉太行礦業(yè)有限公司結(jié)合我國能源利用現(xiàn)狀，通過技術(shù)引進與攻關(guān)，自主研發(fā)的以焦爐煤氣為氣源的氣基豎爐工藝，填補國內(nèi)高端裝備制造業(yè)優(yōu)質(zhì)鐵素材料空白，已初步建設(shè)成一條30萬噸/年焦爐煤氣制還原鐵的示范性生產(chǎn)線，突破氫冶金對天然氣的依賴，破解了中國不能生產(chǎn)直接還原鐵的困境，為國內(nèi)直接還原鐵生產(chǎn)提供藍本。
2 新型氣基豎爐直接還原鐵技術(shù)
2.1焦爐氣中低壓深度凈化技術(shù)
氣基豎爐還原鐵工藝要求的還原氣壓力為1.5Bar，考慮到焦爐氣重整爐和上游設(shè)備的壓力損失，凈化工段壓力不會太高，不宜采用傳統(tǒng)的焦爐煤氣凈化過程中的中高壓凈化技術(shù)，例如采用傳統(tǒng)加氫脫除焦爐氣中最難脫除的有機硫通常需要20Bar 以上的壓力。因此，要實現(xiàn)焦爐氣干重整轉(zhuǎn)化前對原料的凈化技術(shù)也十分關(guān)鍵。本項目首次采用與中國石油大學（北京）聯(lián)合開發(fā)的新型焦爐煤氣低壓深度凈化技術(shù)，可實現(xiàn)焦爐煤氣中硫（H2S、CS2、COS、硫醇、噻吩等）、焦油、萘等雜質(zhì)的有效脫除。
焦爐氣低壓深度凈化技術(shù)的關(guān)鍵在于有機硫的轉(zhuǎn)化，因而研發(fā)了突破熱力學平衡的反應(yīng)-轉(zhuǎn)化吸附雙功能協(xié)同的鎳鋅吸附脫硫劑。此脫硫劑在特定操作條件下（壓力為0.8 MPa，溫度350℃），可打破加氫反應(yīng)的熱力學平衡，使有機硫能在低壓下持續(xù)轉(zhuǎn)化為H2S，再與堿性化合物反應(yīng)生成固體硫化物后被脫除；在吸附飽和后，利用原位氧化再生技術(shù)可實現(xiàn)脫附循環(huán)再生，保證生產(chǎn)連續(xù)性。將此脫硫劑用于進重整爐前焦爐煤氣的凈化，可滿足干重整反應(yīng)對反應(yīng)氣體硫含量的要求（≤1ppm），避免干重整催化劑中毒。另外，該鎳鋅吸附劑可以利用焦爐氣中氫氣，使不飽和烴加氫飽和，試驗表明壓力達到4 barG以上，烯烴可以全部飽和，可滿足干重整轉(zhuǎn)化對不飽和烴的限制（≤100ppm），避免了不飽和烴在后續(xù)高溫轉(zhuǎn)化過程中可能發(fā)生的積炭問題。
2.2 CH4/CO2干重整制合成氣關(guān)鍵問題
焦爐煤氣作為一種富氫氣體，通過干重整將其中的CH4轉(zhuǎn)化可生成高溫、適宜H2/CO、低氧化度合成氣，滿足豎爐用還原氣的要求。為滿足CH4/CO2重整反應(yīng)持續(xù)高效進行，需控制CH4/CO2為1.2-1.3，而焦爐煤氣中CO2相對不足（1.5%～3%），需通過另加氣源補入CO2。因此，本工藝循環(huán)利用豎爐爐頂氣（CO2含量約18%）與焦爐氣作為干重整氣源，具備技術(shù)可行性。而補入CO2造成的焦爐煤氣組成改變會使干重整反應(yīng)進入熱力學積碳區(qū)。這些積碳反應(yīng)主要來源于烴類熱分解和CO歧化。因此，必須研發(fā)一種耐溫抗積碳的CH4/CO2重整催化劑。中國石油大學（北京）已研發(fā)出高分散Ni基干重整催化劑，具有強化CO2吸附、活化和轉(zhuǎn)化功能，制成的還原氣有效氣含量在90%以上，H2/CO比可調(diào)范圍為1.1-2.0，屬優(yōu)質(zhì)氣基豎爐用還原氣；并且通過加入稀有金屬作為助劑有效解決了動力學積碳問題，實現(xiàn)催化劑循環(huán)再生，從而實現(xiàn)干重整反應(yīng)的高效性、持續(xù)性和穩(wěn)定性。
2.3 首套臥式底燒重整爐
制還原氣用重整爐結(jié)合了國內(nèi)外制氫爐、重整爐的實踐經(jīng)驗，中晉太行聯(lián)合有關(guān)設(shè)計院、專業(yè)制作制氫爐企業(yè)研發(fā)設(shè)計了國內(nèi)首套臥式底燒干重整爐并安裝完成。本臺套干重整爐具有以下特點：采用蓄熱式加熱技術(shù)，熱效率達到了92%；較低空速及較大的管徑，降低積碳風險；重整反應(yīng)屬強吸熱反應(yīng)，使用耐高溫合金爐管；富氫焦爐氣，預防低轉(zhuǎn)化溫度時甲烷化逆反應(yīng)；富CO還原氣，通過避開臨界溫度區(qū)間、材料選擇涂層和鈍化等防止金屬羰基化/金屬塵化。
本重整爐已完成多項技術(shù)難題，實現(xiàn)了還原氣生產(chǎn)的高效性、靈活性和持續(xù)性：采用焦爐煤氣以及豎爐爐頂氣聯(lián)供方式作還原氣和燃料氣氣源，比例可調(diào)，以適應(yīng)不同生產(chǎn)狀況，具有高度的生產(chǎn)靈活性；循環(huán)利用還原氣，對流段的合理設(shè)置充分回收煙氣顯熱用于氣體預熱，極大提高熱效率；生產(chǎn)出H2/CO=1.5-2.0、H2+CO＞90%、(CO2+H2O)/(CO2+H2+CO+H2O) <5%的合格還原氣，滿足豎爐還原工藝氣要求，擺脫了氣基直接還原受天然氣供應(yīng)的約束，充分利用了我國煤炭價格低廉，焦化能力強的優(yōu)勢。另外，為了防止在開車初期或者不飽和烴超標，還設(shè)計了臨時補充蒸汽管線，可以實現(xiàn)蒸汽和二氧化碳雙重整工藝。
2.4 氣基豎爐的國產(chǎn)化
本項目引進國際先進的氣基豎爐PERED技術(shù)，同時借鑒國外主流的豎爐單體技術(shù)、以及國內(nèi)成熟的高爐技術(shù)及配套設(shè)備，為我國首臺套氣基豎爐的建設(shè)提供設(shè)計及技術(shù)轉(zhuǎn)化思路。例如，氣基豎爐可采用與高爐相同的爐頂加料、上料等設(shè)備，所不同的是豎爐下部要增加產(chǎn)品的冷卻、出料和密封裝置。中晉太行礦業(yè)有限公司已成功開發(fā)出國內(nèi)第一套氣基還原豎爐示范裝備，設(shè)備國產(chǎn)化率達到90%以上，實現(xiàn)設(shè)備本土化。并在技術(shù)轉(zhuǎn)化過程中，已完成多項技術(shù)革新，實現(xiàn)產(chǎn)能最優(yōu)化。比如，合適的H/D比以及爐型結(jié)構(gòu)，有利于延長反應(yīng)時間豎爐反應(yīng)效率，提高還原有效氣體利用率；將重整爐低溫煙氣作為氣基豎爐裝備用密封氣，防止豎爐爐內(nèi)原料氣的逸出，同時降低生產(chǎn)能耗；開發(fā)了勻流器與不同位置的新型流量輔助器，確保質(zhì)量流均勻通過爐膛，防止豎爐內(nèi)結(jié)團與堵塞，可取消傳統(tǒng)的石灰涂層工序；采用新的爐頂上料與布料方案，可有效避免爐料偏析，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
首臺套氣基豎爐研發(fā)，與國外同規(guī)模豎爐相比，提高能源利用效率5%-10%；生產(chǎn)出Rm=92%-96%、TFe≥92%、C=0.8-1.5%、S＜0.01%、P＜0.01%的優(yōu)質(zhì)還原鐵壓塊，形成國內(nèi)還原鐵完整供應(yīng)鏈，實現(xiàn)了還原鐵生產(chǎn)的高品質(zhì)、靈活性、低成本、環(huán)境友好等。
3 結(jié)論
基于我國能源使用現(xiàn)狀，以焦爐煤氣為氣源的氣基豎爐直接還原鐵技術(shù)有望在我國得到長足發(fā)展。中晉太行礦業(yè)有限公司已基本完成國內(nèi)第一套氣基豎爐直接還原的30萬噸/年生產(chǎn)線與示范基地的建設(shè)，同時根據(jù)已獲得的國產(chǎn)化工藝技術(shù)數(shù)據(jù)進行工業(yè)放大，已開發(fā)出30-150噸/年工業(yè)示范的CSDRI工藝包。未來將致力于打造直接還原鐵創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)平臺，發(fā)揮全流程式的技術(shù)服務(wù)優(yōu)勢，對國內(nèi)直接還原鐵生產(chǎn)具有創(chuàng)造性和指導性意義，助力我國直接還原鐵行業(yè)開辟新的技術(shù)路徑，引導“煤焦電”及鋼鐵聯(lián)合企業(yè)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，引領(lǐng)鋼鐵行業(yè)“短流程”革命和綠色冶金新潮。
