摘要:直接還原豎爐方法是目前海綿鐵生產(chǎn)的主流工藝,通過對甲烷改質(zhì)獲得適合豎爐的還原氣,可以解決天然氣對海綿鐵工藝的束縛,滿足不同地區(qū)海綿鐵市場的需求。本文比較分析了國內(nèi)外各工藝的技術(shù)特點,HYL技術(shù)工藝成熟,但是豎爐壓力高,工藝和設(shè)備投資較高;MIDREX豎爐采用豎爐外重整方法,需要建立單獨的催化設(shè)備,占地面積大且投資高;中冶賽迪研發(fā)的低壓豎爐工藝可以適應(yīng)多種還原氣體,具有較廣的適用范圍,適合我國的資源特點。
關(guān)鍵詞:甲烷 海綿鐵 改質(zhì)
中圖分類號:TF702.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2013)05(b)-0078-02
直接還原鐵技術(shù)作為典型的非高爐煉鐵工藝,具有不使用焦煤、環(huán)境友好及節(jié)能減排效果明顯的優(yōu)勢,對于改善鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu),提高鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量具有重要作用。由于廢鋼-電爐煉鋼流程的能耗、CO2排放均低于傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐流程,是鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重要方向。目前,我國電爐鋼產(chǎn)量占粗鋼產(chǎn)量的10%左右,但由于廢鋼短缺、質(zhì)量差,因而對優(yōu)質(zhì)DRI的需求旺盛。根據(jù)我國廢鋼應(yīng)用協(xié)會估計,我國目前市場對海綿鐵的需求約為1500~2000萬t/a,而目前我國直接還原鐵產(chǎn)量不足60萬t,因此直接還原鐵在我國具有廣闊的市場需求[1]。
直接還原鐵技術(shù)主要有氣基豎爐和煤基回轉(zhuǎn)窯兩種方法。由于煤基回轉(zhuǎn)窯法具有能耗高、反應(yīng)速度慢、溫度不易控制等固有缺點,發(fā)展緩慢,目前氣基豎爐工藝占主導(dǎo)地位,其產(chǎn)量占直接還原鐵總量的75%左右。
目前,已投產(chǎn)的氣基豎爐主要包括Midrex豎爐和HYL豎爐兩種,還原氣體以天然氣為主,僅南非SALDANHA廠的Midrex豎爐采用的是COREX煤氣[2-3]。鑒于我國天然氣資源缺乏,采用天然氣生產(chǎn)海綿鐵工藝并不適合我國國情,開發(fā)適合我國資源特點的海綿鐵還原氣體具有重要的意義。甲烷改質(zhì)技術(shù)使富甲烷煤氣在一定條件下轉(zhuǎn)化為CO和H2,用作海綿鐵的還原氣體,此技術(shù)可以適應(yīng)于天然氣匱乏的國家和地區(qū),具有廣闊的發(fā)展前景。
1 甲烷改質(zhì)生產(chǎn)海綿鐵技術(shù)
甲烷改質(zhì)生產(chǎn)海綿鐵工藝是以富CH4煤氣為原料氣,高溫條件下進(jìn)入豎爐還原鐵礦石生產(chǎn)海綿鐵的方法。一般情況下,原料氣中的CH4在高溫和還原出的金屬鐵的催化作用下改質(zhì)生成CO和H2,可以補充還原鐵礦石損失的還原氣;還原后的爐頂氣經(jīng)除塵、降溫、脫碳后與補充的原料氣混合再次進(jìn)入豎爐。主要的改質(zhì)反應(yīng)如下:
CH4+H2O=CO+3H2
CH4+CO2=2CO+2H2
3Fe+CH4=Fe3C+2H2
甲烷改質(zhì)生產(chǎn)海綿鐵工藝流程一般都包括還原豎爐、爐頂煤氣處理系統(tǒng)、煤氣加熱系統(tǒng)和海綿鐵冷卻循環(huán)系統(tǒng)幾部分,由于還原氣內(nèi)甲烷的改質(zhì)方式、原料氣的加熱方式的不同,豎爐的工藝各有特點。
2 技術(shù)現(xiàn)狀
2.1 HYL Energiron工藝
HYL/HYL Energiron技術(shù)最初是由墨西哥希爾公司開發(fā),與2006年被Techint Group并購,之后又與Tenova和達(dá)涅利公司聯(lián)合組成了Energiron公司,在HYL-ZR基礎(chǔ)上形成了新的HYL Energiron。此技術(shù)主要是通過在豎爐內(nèi)的還原段中進(jìn)行現(xiàn)場重整,與之前HYL-III相比,無須使用外部重整爐或還原氣體生成系統(tǒng)[4]。HYL Energiron技術(shù)對還原氣適應(yīng)性好,可以在其工藝和設(shè)備無需改動的情況下,使用焦?fàn)t煤氣(COG)、高爐煤氣(BFG)、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煤氣(BOFG)或煤制氣(Coal Gasification)代替天然氣,將煤氣中的CH4進(jìn)行熱裂后獲得含H2和CO,作為還原氣體生產(chǎn)海綿鐵。
HYL Energiron采用的是高壓豎爐(>0.65MPa)重整的工藝,鑒于匹配豎爐壓力較高,存在高壓設(shè)備和高壓密封等問題,同時對H2/CO比和溫度要求較為嚴(yán)格,通常要求還原氣溫度>1050℃、H2/CO≥4,整個工藝路線的投資、運行費用較高。
2.2 Midrex工藝
Midrex技術(shù)最初由美國MIDREX公司開發(fā),于1984年被日本神戶鋼鐵公司并購。MIDREX工藝在使用天然氣為還原劑的情況下,能耗為9.61GJ/t,一些爐子利用系數(shù)達(dá)到15.2T/m3.d。目前,印度JSPL正在建1座年產(chǎn)能為180萬噸的爐子,使用魯奇煤氣化技術(shù)。
MIDREX采用的是低壓豎爐(0.1MPa)和天然氣爐外重整的方法,重整爐部分占地、投資、運行費用較高。
2.3 CISDI 工藝
中冶賽迪公司(CISDI)早在70年代就天然氣直接還原生產(chǎn)海綿鐵技術(shù)進(jìn)行了研究。經(jīng)過多年的不斷探索,CISDI立足國內(nèi)能源結(jié)構(gòu),對我國電爐短流程鋼廠、鋼鐵聯(lián)合企業(yè)及礦產(chǎn)加工企業(yè),分別提出了利用天然氣、焦?fàn)t煤氣、煤造氣等富CH4煤氣生產(chǎn)海綿鐵工藝。另外,CISDI將直接還原技術(shù)和電爐熔分技術(shù)相結(jié)合,為解決釩鈦礦的資源綜合利用提供了新的途徑。
CISDI豎爐采用低壓豎爐(0.1~ 0.3MPa),與國內(nèi)其它采用爐外催化重整的技術(shù)路線相比,不僅放寬了對H2S含量的限制,而且對H2/CO無嚴(yán)格要求,可根據(jù)原料氣中CH4的具體含量,采用相適應(yīng)的H2O/CO2配比和反應(yīng)溫度,相比國內(nèi)外對H2/CO要求嚴(yán)格的豎爐直接還原技術(shù),流程和能耗上的優(yōu)勢十分明顯。
3 技術(shù)分析
采用甲烷改質(zhì)生產(chǎn)海綿鐵工藝具有工藝簡單、能耗和投資運行費用較低、環(huán)境污染大幅度降低的技術(shù)優(yōu)勢。
3.1 提高煤氣利用價值
我國是世界焦炭生產(chǎn)和消耗大國,焦炭產(chǎn)量共計約3.55億t,占世界焦炭產(chǎn)量的66%,其中獨立焦化廠共生產(chǎn)焦炭2.2億t,鋼鐵企業(yè)自產(chǎn)焦炭1.35億t左右,一共生產(chǎn)COG近1400×108m3,除鋼鐵聯(lián)合企業(yè)和城市煤氣等工業(yè)和民用燃?xì)馔?,每年可有?00×108~500×108m3的COG可作資源型開發(fā)利用。同時,由于獨立焦化廠在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、環(huán)境污染等方面的缺陷十分明顯,其利潤和發(fā)展均受到較大的限制,提高產(chǎn)業(yè)集中度和延伸產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)仟毩⒔够瘡S發(fā)展的必然選擇[5-6]。針對獨立焦化廠,采用甲烷爐內(nèi)改質(zhì)直接還原技術(shù),回收利用多余的COG,生產(chǎn)附加價值較高的優(yōu)質(zhì)海綿鐵,經(jīng)濟、環(huán)保方面的優(yōu)勢十分明顯。而且,隨著蓄熱式技術(shù)的不斷發(fā)展,鋼鐵聯(lián)合企業(yè)逐漸利用高爐煤氣(BFG)替代COG作為燃料氣,富余出的COG采用甲烷爐內(nèi)改質(zhì)直接還原技術(shù)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)海綿鐵,經(jīng)濟、環(huán)保方面的優(yōu)勢均較為明顯。
3.2 工藝流程簡單
利用富余工業(yè)氣體生產(chǎn)海綿鐵,省去了前端的制氣工序,工藝流程大為精簡。由于目前世界上尚沒有以焦?fàn)t煤氣、煤層氣等煤制氣為原料的豎爐裝置投產(chǎn),一些相關(guān)的工藝設(shè)置均存在工藝復(fù)雜、還原氣H2/CO要求高、工藝制約環(huán)節(jié)多等不足。因此,簡化工藝流程,減少制約因素是當(dāng)前我國氣基豎爐直接還原技術(shù)發(fā)展的重點。
4 結(jié)語
發(fā)展甲烷改質(zhì)生產(chǎn)海綿鐵生產(chǎn)工藝,可以突破天然氣資源的區(qū)域局限性,滿足海綿鐵的廣大市場需求;工藝本身受豎爐壓力、還原氣成分、投資運營成本等多種因素的影響,目前CISDI開發(fā)的低壓豎爐工藝更適合我國的國情。
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