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氣基直接還原鐵還原氣制造探討

2019-03-26 14:12:36 作者:huangj 來源: 瀏覽次數:0 網友評論 0

氣基直接還原鐵還原氣制造探討
   余長春,李然家,周紅軍

  中國石油大學(北京)新能源研究院

  1 前言

  近30年來,采用豎爐的氣基直接還原鐵產能一直穩步增長,平均增長率約9.2%,2017年全球氣基直接還原鐵產量超過7000萬噸,這表明了氣基直接還原鐵在商業上是成功的鋼鐵生產技術,但是在我國幾乎是空白。國外氣基直接還原鐵主要采用天然氣作為還原劑生產原料,而我國化石燃料資源特點是富煤、缺油、少氣,天然氣主要作為清潔能源保障工業和民用燃料,作為化工和冶金原料都受到限制。發展我國氣基直接還原鐵的一個關鍵問題是如何制造氣基直接還原鐵所需的還原氣? 從我國資源特點看,發展氣基直接還原鐵的還原氣原料以煤炭為主,其他原料可以作為補充。此外,我國有大量基于煉焦的高爐煉鐵,煉焦副產的焦爐氣可以作為氣基直接還原鐵還原氣制造的原料之一;煉廠和甲醇廠等生產過程的焦化干氣、煉廠氣、甲醇尾氣等也可以作為直接還原鐵還原氣生產原料,本文對此進行一個簡要評述。

  2 氣基直接還原鐵還原氣

  采用豎爐的氣基直接還原鐵生產是以H2和CO為還原劑將氧化鐵還原的過程,反應是一個受熱力學平衡限制的過程。還原氣中H2和CO含量越高越好,H2O和CO2含量越低越好。根據文獻資料,工業化使用的不同工藝還原氣如表1所示。

  從表1數據看,氣基直接還原鐵的原料氣組成范圍可以很寬,有效還原氣含量基本都大于90%,這是還原氣需要滿足的主要指標。采用煤為原料的豎爐還原工藝已被淘汰。根據統計數據,Midrex工藝占了氣基直接還原鐵市場的~60%份額。HYL工藝在不斷改進,是第二大的氣基直接還原鐵工藝技術。由此可知,還原氣的H2/CO合理范圍應該從1.5:1直到純氫應該都是合理的。

 

  表1 工業化的典型豎爐還原氣

  **扣除CH4和N2等,只考慮主要的有效組分H2, CO, CO2和H2O**煤為原料,其余為天然氣

  3 不同原料制取直接還原鐵還原氣

  3.1 煤制直接還原鐵還原氣

  我國具有較為豐富的煤炭資源,以煤炭為原料生產氣基直接還原鐵在資源上是有較好保障的。國內大量煤炭經氣化用于化工生產,根據大量煤氣化產品氣組成,大部分化工生產用的煤炭扣除O,N,S等雜元素后,煤炭的組成可以近似表示為CH。煤炭氣化主要采用純氧(O2)或純氧加蒸汽(O2 + H2O),氣化工藝不同,原料煤炭不同,產品氣組成顯著差別。

 

  表2 魯奇氣化制氣基直接還原鐵還原氣  

  

  

 

  1. Lurgi煤氣化爐,2. 煤氣洗滌塔,3. 精脫硫部分脫碳裝置,4. 透平機,5. 低氧化劑重整轉化爐,6. 直接還原豎爐,7. 爐頂氣洗滌器,8. 爐頂氣壓縮機,9. 廢熱鍋爐,10. 克勞斯硫磺回收裝置。

  就氣基直接還原鐵而言,煤化工采用的氣化工藝并不適合。因為氣基直接還原鐵并不需要高壓氣化,也不必追求高溫氣化,因此低成本氣化工藝是值得選擇的,典型的如Lurgi氣化工藝。以Lurgi氣化工藝為例,合理的氣基直接還原鐵流程可以是:氣化-洗滌-凈化-低氧化劑重整轉化-豎爐還原,同時配套能量回收、硫磺回收、灰渣和水處理等。

  采用煤為原料生產氣基直接還原鐵優勢是我國具有比較豐富的煤炭資源,煉鐵過程可以不依賴于煉焦,利用廉價的褐煤即可大量生產直接還原鐵,因此預計具有良好的經濟性。煤氣化制還原鐵存在問題主要是流程相對較長,需要環保處理廢氣、廢水、廢渣,預計環保成本較高。

  3.2 焦爐氣制直接還原鐵還原氣

  我國鋼鐵產能全球第一,主要采用高爐煉鐵,為此具有大量焦化加工能力。據中國產業信息研究網統計,2017年焦炭產量43142.6萬噸。根據焦炭生產過程,按220Nm3/t可外供使用的焦爐煤氣量折算,2017年可供使用的焦爐煤氣量高達949億立方米。按約630 Nm3 COG/tDRI計算,可年產約1.5億噸直接還原鐵。因此具有煉焦配套的傳統高爐煉鐵并不缺乏直接還原鐵所需還原氣原料來源。關鍵是要有合理的焦爐氣制氣基直接還原鐵所需的還原氣工藝技術。以典型的焦爐氣組成為例,合理的焦爐氣制氣基直接還原鐵流程為:加壓-凈化-低氧化劑重整轉化-豎爐還原。

  ……

 

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