非焦煤煉鐵工藝及裝備的未來(2)——?dú)饣苯舆€原煉鐵工藝及裝備的前景研究(下)

郭漢杰 孫貫永

(1:北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院 北京100083;2:北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高端金屬材料特種熔煉與制備中心 北京100083)

1 前言

豎爐氣基直接還原占據(jù)著海綿鐵生產(chǎn)的絕大比例，其工藝原理被普遍接受［1］，但其還原氣的制備決不可忽視。豎爐直接還原造氣問題上，主要是利用電、氧氣、蒸汽對天然氣、非焦煤或焦炭進(jìn)行氣化，生產(chǎn)供豎爐用還原氣。WIBERG法造氣爐采用電弧加熱，可對焦炭和塊狀非焦煤進(jìn)行氣化，該流程已經(jīng)不再使用［2］，其實(shí)氣化焦煤本身就是一種資源的浪費(fèi)，也失去了直接還原的意義。PLASMARED使用等離子技術(shù)，可對多種燃料進(jìn)行氣化［3］，單從原理上說，它可以綜合利用各種低等能源，是有前途的方法，但關(guān)鍵是裝備的開發(fā)。FINSIDER法采用氧氣和非焦煤制取還原氣，毫無疑問，是最吸引力的方法［4］。

必須指出，正在開發(fā)的氣基直接還原另一個(gè)重要分支是流化床法。從1951年，第一套日產(chǎn)50t的流化床H-IRON直接還原裝置投入運(yùn)行。另一套H-IRON裝置于1962年投產(chǎn)，能夠日產(chǎn)120t。1979年，一個(gè)流化床流程HIB法以更大的規(guī)模實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，能力為100萬t/a。對流化床直接還原影響最大的是FIOR法的工業(yè)化，該流程與1976年在委內(nèi)瑞納建成第一套年產(chǎn)40萬t海綿鐵的工業(yè)裝置。由于粉狀海綿鐵不易存儲(chǔ)與運(yùn)輸，所以采用熱壓工業(yè)將其加工成團(tuán)塊出售。團(tuán)塊的性能優(yōu)良，故熱壓工業(yè)后來也被較多豎爐工藝所采用。目前FIOR法已被FINMET法取代，F(xiàn)INMET是第四大直接還原流程［5］。另外，流化床氣基直接還原作為第一段還原，被FINEX、HIsmelt等熔融還原采用，是未來很有前景的工藝。但作為終還原工藝，由于流化床海綿鐵產(chǎn)量相對豎爐海綿鐵較小，目前在大生產(chǎn)狀態(tài)下還沒有進(jìn)一步發(fā)展，限于篇幅，這里不做更多介紹。

發(fā)表在冶金設(shè)備2015年第3期的文章中，已經(jīng)介紹了MIDREX的工藝過程和設(shè)備運(yùn)行，該篇主要介紹另一個(gè)在世界范圍發(fā)展很快的HYL-Ⅲ以及其“升華版”Energiron工藝。

2 HYL-Ⅲ工藝

2．1 HYL-Ⅲ工藝發(fā)展歷程

HYL-Ⅲ是Hojalata y Lamia S．A．(Hylsa)公司早在1960年在墨西哥的蒙特利爾就已開發(fā)成功的［6，7］。這一工藝的前身是該公司早期開發(fā)的間歇式固定床罐式法(HYL-Ⅰ、HYL-Ⅱ)。1975年，一座日產(chǎn)25t的中間試驗(yàn)裝置投人運(yùn)轉(zhuǎn)。1980年，將一套1960年建成的固定床裝置改造成年產(chǎn)25萬t的HYL-Ⅲ裝置并投入運(yùn)行。1983年，又將一套1974年投產(chǎn)的固定床改造成年產(chǎn)50萬t的豎爐。用HYL-Ⅲ代替HYL-Ⅰ、HYL-Ⅱ體現(xiàn)了還原反應(yīng)由間歇運(yùn)行到連續(xù)運(yùn)行的進(jìn)步趨勢［8，9］。

2．2 HYL-Ⅲ工藝流程

新研制成的HYL-Ⅲ法已由一座豎爐取代了四座反應(yīng)罐，能夠連續(xù)生產(chǎn)，不僅產(chǎn)量高，而且可以使用天然氣，煤和油的氣化或焦?fàn)t煤氣，可以使用球團(tuán)或塊礦，產(chǎn)品海綿鐵質(zhì)量穩(wěn)定。金屬化率可控制在83% ～92%，產(chǎn)品可直接加入電爐，不需要再篩分或壓塊。轉(zhuǎn)化爐壽命可長達(dá)十年。采用計(jì)算機(jī)控制設(shè)備的運(yùn)行生產(chǎn)。圖1為HYL-III直接還原工藝流程圖。

圖 1 HYL-ⅠⅠ直接還原工藝流程圖

還原氣以水蒸氣為裂化劑(而MIDREX以含CO與H2約70%的爐頂煤氣作為裂化劑)，以天然氣為原料通過催化裂化反應(yīng)制?。?0，11］。還原氣轉(zhuǎn)化爐以天然氣和部分爐頂煤氣為燃料。燃?xì)獯钟酂嵩跓煹罁Q熱器中回收，用以預(yù)熱原料氣和水蒸氣。從轉(zhuǎn)化爐排出的粗還原氣首先通過一個(gè)熱量回收裝置，用于水蒸氣的生產(chǎn)。然后通過一個(gè)還原氣洗滌器清洗冷卻，冷凝出過剩水蒸氣，使氧化度降低。凈還原氣與一部分經(jīng)過清洗加壓的爐頂煤氣混合，通入一個(gè)以爐頂煤氣為燃料的加熱爐，預(yù)熱至900℃ ～960℃。

由加熱爐排出的高溫還原氣從豎爐的中間部位進(jìn)入還原段。在與礦石的對流運(yùn)動(dòng)中，還原氣完成對礦石的還原和預(yù)熱。然后作為爐頂煤氣從爐頂排出豎爐。爐頂煤氣首先經(jīng)過清洗，將還原過程產(chǎn)生的水蒸氣冷凝脫除，提高還原勢。并除去灰塵，以便加壓門清洗后的爐頂煤氣分為兩路。一路作為燃料氣供應(yīng)還原氣加熱爐和轉(zhuǎn)化爐;另一路加壓后與凈還原氣混合，預(yù)熱后作為還原氣使用。

可使用球團(tuán)礦和天然塊礦為原料。加料和卸料都有密封裝置。料速通過卸料裝置中的蜂窩輪排料機(jī)進(jìn)行控制。在還原段完成還原過程的海綿鐵繼續(xù)下降進(jìn)入冷卻段。冷卻段的工作原理與MIDREX類似。可將冷還原氣或天然氣等作為冷卻氣補(bǔ)充進(jìn)循環(huán)系統(tǒng)。海綿鐵在冷卻段中溫度降低到50℃左右，然后排出豎爐。

HYL-Ⅲ法的技術(shù)指標(biāo)通常是:直接還原鐵平均金屬化率為90．9%，平均含碳量為1．9%，最低能耗10．4 ～11．29GJ/t、電耗為 90kW·h/t。

2．3 HYL-Ⅲ工藝特點(diǎn)

MIDREX與HYL-III作為氣基還原兩大主要工藝，可從HYL-III的工藝特點(diǎn)看出它們的區(qū)別。

2．3．1 制氣部分和還原部分相互獨(dú)立

MIDREX與 HYL-III的最大區(qū)別之一是，MIDREX豎爐爐頂氣與天然氣混合，共同進(jìn)入重整爐制取還原氣，還原豎爐和制氣設(shè)備是相互聯(lián)系，互相影響的［12，13］。而HYL-Ⅲ豎爐爐頂氣經(jīng)脫水和脫二氧化碳后，直接與重整爐內(nèi)出來的氣體混合制成還原氣，還原設(shè)備和制氣設(shè)備相互獨(dú)立［14，15］。因此概括起來，HYL-Ⅲ工藝具有以下特點(diǎn):

1)HYL-Ⅲ豎爐選擇配套的還原氣發(fā)生設(shè)備有很大的靈活性，除天然氣外，焦?fàn)t煤氣、煤發(fā)生氣、COREX尾氣等都可成為還原氣的原料氣;

2)重整爐處理氣量變小，每噸海綿鐵僅為475m3，這使HYL-Ⅲ工藝重整爐體積小，造價(jià)低。而MIDREX工藝重整爐處理氣體體積為每噸海綿鐵1810m3;

3)可以處理硫含量較高的鐵礦。而MIDREX豎爐對鐵礦的硫含量有一定限制，否則含硫爐頂氣進(jìn)入重整爐將造成裂解催化劑失效［16］。

4)豎爐運(yùn)轉(zhuǎn)失常時(shí)不影響還原氣轉(zhuǎn)化爐的工作。

2．3．2 以水蒸氣為裂化劑還原氣中氫氣含量高

HYL-Ⅲ通過天然氣和水蒸汽在重整爐中催化裂解生產(chǎn)還原氣，因此還原氣中氫含量高，H2/CO 為5．6 ～5．9，使 HYL-Ⅲ豎爐中還原氣和鐵礦石的反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，入爐還原氣溫度較高，為930℃。而MIDREX工藝主要是天然氣和豎爐爐頂氣裂解制取還原氣，還原氣中氫含量相對較低，H2/CO為1．55，使MIDREX豎爐中還原氣和鐵礦石的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，還原氣溫度不能太高，為840℃。

HYL-Ⅲ可以使用塊礦、氧化球團(tuán)，對鐵礦石的化學(xué)成分沒有嚴(yán)格的限定［17，18］。可允許提高操作溫度，是生產(chǎn)率提高:將5% ～10%塊礦與球團(tuán)混合使用，可將操作溫度提高到960℃，由于H2含量高，不產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)塊。

以水蒸氣為裂化劑，不存在裂化劑引起催化劑硫中毒的問題。因此對礦石含硫沒有特殊限制。

2．3．3 高壓操作

HYL-Ⅲ還原豎爐工作壓力為0．4～0．6MPa，由于采用高壓操作，豎爐爐頂和爐底均采用球閥密封［19］。為了實(shí)現(xiàn)全密封操作，爐頂和爐底均設(shè)有間歇式工作的壓力倉。如圖2所示MIDREX豎爐與HYL-Ⅲ豎爐結(jié)構(gòu)示意圖。鐵礦石首先通過爐頂料倉加入爐頂壓力倉中，然后將鐵礦石再加入碟形倉中，壓力倉上下球閥切換開閉，保持煤氣不外漏，通過碟形倉下的四個(gè)布料管將鐵礦石加入爐內(nèi)。由于采用了碟形倉，可使鐵礦石連續(xù)加入爐中。生成的海綿鐵通過爐底旋轉(zhuǎn)閥排入爐底兩個(gè)料倉中，兩個(gè)壓力倉切換使用，可實(shí)現(xiàn)豎爐連續(xù)排料。而MIDREX豎爐操作壓力為0．23MPa，爐頂和爐底依靠加料管和排料管的料封作用及補(bǔ)充氮?dú)鈦矸怄i煤氣［19］。

由于高溫、高壓、高氫的特點(diǎn)，使得HYL-Ⅲ豎爐中鐵礦石的還原速度加快，豎爐生產(chǎn)效率提高。同MIDREX豎爐相比，同樣爐容的條件下，HYL-Ⅲ豎爐海綿鐵產(chǎn)量更大。

圖2 MⅠDREX豎爐與HYL-Ⅲ豎爐結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 HYL法反應(yīng)爐結(jié)構(gòu)圖

2．3．4 爐身結(jié)構(gòu)簡單

HYL-Ⅲ豎爐內(nèi)部是空的，只在爐底排料口處設(shè)有兩根液壓松料桿，以保證排料順暢。而MIDREX豎爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，爐內(nèi)設(shè)有冷卻氣體分配器和海綿鐵破碎器。如圖3所示為HYL反應(yīng)豎爐結(jié)構(gòu)圖。

2．3．5 部分氧化法技術(shù)

擁有HYL-Ⅲ技術(shù)的工廠總是希望提高還原氣溫度來增加產(chǎn)量，通過部分氧化法可實(shí)現(xiàn)提高還原溫度的目的。所謂的部分氧化法是在還原氣加熱爐和豎爐間的管道中噴入氧氣，還原氣部分氧化并放出熱，從而使還原氣溫度提高。部分氧化反應(yīng)如式1－3所示:在墨西哥蒙特雷2M5/3M5廠采用部分氧化法使還原氣溫度從935℃提高到957℃［21］。但必須指出，部分氧化法雖然使還原氣的溫度得以提高了30K左右，但犧牲了還原氣的有效濃度，孰輕孰重，還需要實(shí)踐檢驗(yàn)。

2．3．6 海綿鐵熱送系統(tǒng)

海綿鐵熱送系統(tǒng)如圖4所示。熱的海綿鐵從豎爐中生產(chǎn)出來后，通過加熱的氮?dú)馊芊廨斔偷诫姞t料倉，海綿鐵通過料倉給料器加入電爐，輸送氮?dú)鈩t經(jīng)洗滌后返回輸送系統(tǒng)。若電爐不需要海綿鐵時(shí)，海綿鐵可離線冷卻或進(jìn)行熱壓塊處理。通過采用氣力熱送系統(tǒng)，大大降低了電爐的能耗。墨西哥希爾薩公司在蒙特雷新建的Hylsa4M廠，其直接還原裝置具有海綿鐵(HYTEMP IRON)氣力輸送系統(tǒng)，該系統(tǒng)于1998年3月投入生產(chǎn)。

圖4 HYTEMPⅠRON氣力輸送系統(tǒng)

2．3．7 海綿鐵熱壓系統(tǒng)

圖5 熱壓塊鐵系統(tǒng)

工藝生產(chǎn)的冷直接還原鐵是特性穩(wěn)定的產(chǎn)品，進(jìn)行適當(dāng)處理后可以作較長時(shí)間的儲(chǔ)存和遠(yuǎn)距離輸送。然而，由于商業(yè)性直接還原廠生產(chǎn)的產(chǎn)品是專供出口海外和遠(yuǎn)距離運(yùn)給使用廠家，所以對于那些沒有特殊處理和儲(chǔ)存的中小冶煉廠家的用戶，建議采用熱壓塊，如圖5所示。該熱壓塊鐵的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下:堆密度2．4 ～2．6t/m3，密度5．0t/m3，尺寸110 ×60 ×30mm，重量0．5kg。

2．3．8 爐頂氣脫CO2處理

采用一種脫除H2O及CO2的處理爐頂返回煤氣的方法［22］，工藝流程如圖6所示，減少了裂化煤氣的負(fù)擔(dān)，也有利于減少催化劑中毒，可延長天然氣催化裂化反應(yīng)器的使用壽命，將天然氣補(bǔ)充道循環(huán)冷卻氣中，在冷卻帶上段被高溫海綿鐵加熱，并在新生海綿鐵催化劑的作用下裂解轉(zhuǎn)化，這樣既可加速海綿鐵冷卻，縮短海綿鐵在冷卻帶的停留時(shí)間，又可以減少冷卻氣量，還可允許在提高作業(yè)溫度下操作，把結(jié)塊減少到最低程度，產(chǎn)品含碳量高，性能穩(wěn)定，不易氣化生銹;豎爐運(yùn)轉(zhuǎn)失常時(shí)，不影響還原氣轉(zhuǎn)化爐的工作。

圖6 HYL-Ⅲ爐頂脫CO2工藝流程圖

2．3．9 海綿鐵金屬化率和含碳量可控

HYL-Ⅲ產(chǎn)品的金屬化率和含碳量可單獨(dú)控制。由于還原和冷卻操作條件分別得到控制，所以可單獨(dú)對產(chǎn)品的金屬化率和碳含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，直接還原鐵的金屬化率能達(dá)到95%，而含碳量可控制在1．5% ～3．0%的范圍。

2．3．10 高壓蒸汽發(fā)電

HYL-Ⅲ可以將天然氣重整裝置所產(chǎn)生的高壓蒸汽進(jìn)行發(fā)電，將能源的利用發(fā)揮至極致。如圖7所示。

3 Energiron工藝

3．1 Energiron工藝流程

圖7 余熱回收發(fā)電系統(tǒng)

圖8 ENERGⅠRON工藝流程圖

1)在 HYL-Ⅲ工藝的基礎(chǔ)上，由達(dá)涅利和TenovaHYL 共同研究開發(fā)了 Energiron 工藝［23，24］，第一座于2009年12月在阿聯(lián)酋Emirates(ESI)鋼鐵公司投產(chǎn)［25］。其單個(gè)反應(yīng)器的年產(chǎn)可從20萬噸到200萬噸不等，能夠冶煉各種不同原材料，如100%球團(tuán)、100%塊礦或者是兩者混合鐵料。該工藝的特點(diǎn)是可以保證單獨(dú)控制DRI的金屬化率和碳含量，特別是碳含量隨時(shí)調(diào)整，調(diào)整范圍1% ～3．5%，從而滿足電弧爐(EAF)煉鋼的需要［26］。工藝流程如圖8所示［27］。

2)由于較高的工藝靈活性，Energiron直接還原廠可以設(shè)計(jì)成采用以下還原氣體:

(1)天然氣:這種情況下，通過外部或“就地”重整過程將烴轉(zhuǎn)換成所需的還原氣體H2和CO;

(2)從氣化或其它煉鐵廠(如Corex、Finex)產(chǎn)生的合成氣:煤經(jīng)過氣化生產(chǎn)出還原氣體(CO、H2和CH4)，工藝流程如圖9所示［28］;

(3)焦?fàn)t煤氣(COG)，工藝流程如圖10所示［28］。

圖9 煤氣化與Energiron工藝結(jié)合示意圖

圖10 焦?fàn)t煤氣與Energiron結(jié)合工藝示意圖

3)當(dāng)使用外部重整器生產(chǎn)還原劑(H2和CO)時(shí)，濕的重整氣體首先在一個(gè)急冷塔中干燥，接著注入工藝回路中，在回路中它與來自于反應(yīng)器的循環(huán)氣體混合。所產(chǎn)生的還原氣體經(jīng)加熱進(jìn)入工藝氣體加熱器內(nèi)，隨后輸送到反應(yīng)器配氣環(huán)路。當(dāng)反應(yīng)器使用合成氣、COG或直接使用天然氣時(shí)，采用相同方案，即根據(jù)具體應(yīng)用調(diào)整設(shè)備的相對尺寸。

4)在加熱器和反應(yīng)器之間的管路中注入氧氣，目的是提高待使用的可用化學(xué)能，從而提高碳含量或者促進(jìn)鐵礦石還原。流出反應(yīng)器的尾氣需要處理，以凈化尾氣并清除還原反應(yīng)過程形成的氧化劑成分(H2O和CO2)。因此，尾氣流經(jīng)尾氣同流換熱器(熱能得以回收并送往工藝氣體加熱器用來加熱原料氣體)、洗滌和急冷系統(tǒng)(清除氣體中的灰塵并將之冷卻下來以消除其中的水分)。接下來，經(jīng)過處理的氣體被壓縮進(jìn)入工藝氣體，通過氣體和液體溶液的接觸得到凈化。因此，離開吸收器的氣體不含氧化劑成分，并且它的還原能力得到完全恢復(fù)，與重整氣體混合，流經(jīng)工藝氣體加熱器，結(jié)束工藝循環(huán)。自然地，CO2吸收器在清除CO2的同時(shí)也吸收H2S，結(jié)果獲得幾乎無硫的工藝氣體，從而最終使生產(chǎn)出的DRI中硫殘余量最低。

5)反應(yīng)器可以設(shè)計(jì)成利用相同的工藝布置生產(chǎn)熱或冷的DRI:

(1)熱的DRI可以經(jīng)壓縮生產(chǎn)成HBI(用于長距離運(yùn)輸?shù)牡湫蜕唐?或通過Hytemp?氣動(dòng)傳輸系統(tǒng)直接送往EAF(或一個(gè)外部冷卻器)。

(2)在常溫下，直接從反應(yīng)器排出的冷DRI送往堆料場。此時(shí)，將大約40℃的冷卻氣體通入爐身下錐形段，冷卻氣體逆著DRI移動(dòng)床移動(dòng)方向向上流動(dòng)。隨后，冷卻氣體從爐身上錐形段排放，再重新循環(huán)進(jìn)入豎爐前(被壓縮后)利用冷卻水進(jìn)行冷卻、洗滌。

(3)另外，通過專利產(chǎn)品—雙反應(yīng)器的使用［29］，可從同一豎爐卸出冷 DRI與熱 DRI。

還原反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要使工作時(shí)爐內(nèi)氣體和固體流動(dòng)分布盡可能有利于還原反應(yīng)進(jìn)行。專門設(shè)計(jì)的流動(dòng)送料機(jī)完全由達(dá)涅利公司開發(fā)，目前安裝在阿布扎比 ESI的首座 Energiron廠。該流動(dòng)送料機(jī)是實(shí)現(xiàn)熱卸料反應(yīng)器內(nèi)氣體和固體流動(dòng)完美分布的一個(gè)關(guān)鍵因素。流動(dòng)送料機(jī)的密封裝置設(shè)計(jì)成在氣壓大于0．6MPa下工作。

3．2 Energiron工藝特點(diǎn)

與HYL-III比較，Energiron在其基礎(chǔ)上增加的環(huán)節(jié)所體現(xiàn)的工藝特點(diǎn)有如下幾個(gè)方面。

3．2．1 氣動(dòng)傳輸系統(tǒng)

在一個(gè)集成熔煉車間的Energiron直接還原廠，可以通過Hytemp?氣動(dòng)傳輸系統(tǒng)將熱DRI產(chǎn)品直接送往EAF(或者當(dāng)必須生產(chǎn)冷DRI時(shí)送往外部冷卻器)。

采用Hytemp?氣動(dòng)傳輸系統(tǒng)，從反應(yīng)器卸出的溫度大約在600℃的產(chǎn)品，通過運(yùn)載氣體輸送到EAF的緩沖料倉內(nèi)，工藝過程如圖11所示。該運(yùn)載氣體與熱DRI相容，以避免DRI質(zhì)量的下降。這樣，熱DRI的熱量被重新利用，熔煉車間由此產(chǎn)生直接效益，表示為電耗和出鋼時(shí)間的縮短。作為一個(gè)例子，如在阿布扎比ESI熔煉車間，當(dāng)使用熱DIRI時(shí)，記錄結(jié)果顯示電耗減少量為120kW·h/t鋼水。外部DIRI冷卻器只有在熔煉車間停工期內(nèi)才使用，保證了工廠連續(xù)、平穩(wěn)的運(yùn)行。

圖11 把熱態(tài)直接還原鐵運(yùn)往電弧爐的HYTEMP?系統(tǒng)

3．2．2 高級自動(dòng)化系統(tǒng)

1)Energiron直接還原工藝(DRP)包括許多不同的、復(fù)雜的物理化學(xué)過程，這些過程必須得到優(yōu)化，以保證在各種氣相、液相和固相之間所希望的化學(xué)反應(yīng)、熱和質(zhì)量交換的發(fā)生。基于這一原因，Energiron DRP工藝配備有一套自動(dòng)化系統(tǒng)(L1和L2)，系統(tǒng)使用了過程控制器、軟件診斷、高利用率和故障保護(hù)領(lǐng)域的最新技術(shù)［30］。

2)L1控制系統(tǒng):一個(gè)用于車間每一大區(qū)和專用人機(jī)界面的控制器，可以實(shí)現(xiàn)對所有設(shè)備和系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。在阿聯(lián)酋鋼鐵公司運(yùn)行的 Energiron DRP通過分在5大區(qū)的一套西門子PCS7系統(tǒng)控制:

(1)還原區(qū)(反應(yīng)器塔、冷卻器塔、Hytemp?塔、壓縮機(jī)、PTS系統(tǒng)、加熱器);

(2)重整器、蒸汽系統(tǒng)和CO2吸收器;

(3)材料處理(鐵礦石和冷DRI);

(4)水處理廠;

(5)安全測量系統(tǒng)(SIS)。

3)新L2工藝控制系統(tǒng)是一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，它包括幾個(gè)數(shù)學(xué)和經(jīng)驗(yàn)功能模塊，目標(biāo)是穩(wěn)定及優(yōu)化工藝過程，通過盡可能接近最佳條件運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)，結(jié)果是使工藝變量的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，目的是獲得最高的生產(chǎn)質(zhì)量、收得率和生產(chǎn)效率。在高級控制系統(tǒng)內(nèi)，許多“虛擬變量”(短的模擬過程)添加到傳統(tǒng)的一般由L1控制回路管理的現(xiàn)場測量中，目的是執(zhí)行一些局部的優(yōu)化功能。這一功能是通過采用一個(gè)在線運(yùn)行的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)現(xiàn)的。由PLC產(chǎn)生的測量信號采用物理方程進(jìn)行處理，所有的測量工藝數(shù)據(jù)，連同由系統(tǒng)計(jì)算出的無法測量值，為工藝過程呈現(xiàn)一個(gè)完整的狀態(tài)信息。

4)L2的主要功能

(1)工藝條件的監(jiān)測與智能控制:由現(xiàn)場測量設(shè)備獲取的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過收集、加工處理，以監(jiān)測工廠各段的設(shè)備效率、運(yùn)行條件以及產(chǎn)品質(zhì)量(生產(chǎn)率、碳含量、金屬化率、DRI溫度等)。

(2)“氣體分析”法預(yù)報(bào)產(chǎn)品質(zhì)量:該分析法提前幾個(gè)小時(shí)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的參數(shù):預(yù)期金屬化率、預(yù)期碳含量、熱DRI溫度等。在線觀測和處理工藝數(shù)據(jù)以確定反應(yīng)器內(nèi)的當(dāng)前工作狀態(tài)，并發(fā)現(xiàn)工廠的任何額外生產(chǎn)能力。

(3)測量設(shè)備診斷:通過對所選的孤立系統(tǒng)上的自由度變化的診斷，軟件能預(yù)測可能發(fā)生的過程不一致性。由于這一原因，上述分析的最初結(jié)果是監(jiān)測現(xiàn)場安裝設(shè)備產(chǎn)生的錯(cuò)誤響應(yīng)。

(4)設(shè)備效率診斷:通過大量的與個(gè)別設(shè)備有關(guān)的變量和方程來呈現(xiàn)氣體處理和其他工藝過程，所以可對這些狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測每一設(shè)備的單個(gè)和更多傳感元件是可能的(如催化床的狀態(tài))。

(5)由運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行工藝優(yōu)化:整個(gè)車間狀態(tài)處在連續(xù)控制下，從而優(yōu)化生產(chǎn)，降低消耗。已經(jīng)建立起幾個(gè)指標(biāo)(如能量產(chǎn)額、等效金屬化率、最小碳含量等)，以使工廠的生產(chǎn)績效更加合理，并恰當(dāng)?shù)卦u價(jià)過程產(chǎn)出。

(6)工藝和設(shè)備異常行為預(yù)警:監(jiān)測并發(fā)現(xiàn)異常工藝條件，可防止主設(shè)備的危險(xiǎn)運(yùn)行。操作員可借助HMI發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題。這種方式在工廠的所有瞬變條件下都是極其重要的，這是由于在瞬變條件下，工藝變化在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，不會(huì)總能直接可觀察到，只有通過安裝在現(xiàn)場的測量設(shè)備提供的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警。

3．2．3 Energiron 工藝環(huán)境設(shè)計(jì)

Energiron直接還原廠可以選擇性捕集還原過程產(chǎn)生的CO2。從其典型的能量平衡分析中可以看出，大約僅有30%碳輸入總量是作為工藝氣體加熱器產(chǎn)生的廢氣被排放，大約70kgC(或250kgCO2)/tDRI被選擇性清除并封存，或者作為產(chǎn)品銷售給下游用戶(食品、飲料行業(yè)或化肥/化學(xué)工業(yè))。

Energiron DRP也產(chǎn)生低的NOx排放，特別是由于不需要將進(jìn)入重整器或加熱器內(nèi)的助燃空氣預(yù)熱到高溫，因此，自然抑制了NOx的生成。

最后，Energiron DR廠可以按零補(bǔ)充水需求設(shè)計(jì)，這是可能的，主要因?yàn)樗亲鳛樵摴に囍羞€原反應(yīng)的副產(chǎn)品產(chǎn)生，并從氣流中濃縮及清除出來。結(jié)果，采用一個(gè)基于使用海水/河水的閉式水系統(tǒng)換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的冷卻塔，避免水蒸發(fā)進(jìn)入大氣，不需要補(bǔ)充新水，實(shí)際上還會(huì)剩下少量水。對水資源昂貴或根本就無法獲取水的地區(qū)，這一特點(diǎn)尤其具有吸引力。

3．2．4 Energiron 工藝最新進(jìn)展

Energiron DRP工藝正在進(jìn)行不斷的完善，據(jù)悉其最新進(jìn)展有:

1)Energiron DRP工藝中，由煤氣化廠或其他合成氣源供應(yīng)的經(jīng)過凈化的合成氣，作為補(bǔ)充氣加入到還原回路中;

2)Energiron DRP工藝，從已用的廢氣中選擇性清除CO2量最大，這種情況下進(jìn)入工藝過程的輸入總碳量中不到30%是通過廢氣無選擇性地排放出去。

這種已經(jīng)獲得專利的工藝布置，將進(jìn)一步完善以提高選擇性CO2吸收，理論上可達(dá)到100%。

4 MⅠDREX法與HYL-Ⅲ法比較

對MIDREX法與HYL-Ⅲ法進(jìn)行工藝特點(diǎn)對比，如表1所示。

表1 兩種氣基直接還原工藝的基本特點(diǎn)

從表1的對比中可以看出:

1)MIDREX法操作壓力約為230kPa，而HYL-Ⅲ法為高壓。操作壓力決定了設(shè)備的耐壓情況，一般認(rèn)為高壓設(shè)備的投資和維護(hù)成本更高。

2)從還原氣的特點(diǎn)分析，MIDREX法還原氣中 H2/CO 約為 1．1 ～2．5，而 HYL-Ⅲ法約為 5．6～5．9。這已經(jīng)體現(xiàn)了兩種方法帶來的設(shè)備和工藝的巨大區(qū)別由此產(chǎn)生。首先由于CO還原鐵氧化物的是微放熱反應(yīng)，H2還原反是吸熱反應(yīng)，應(yīng)當(dāng)CO含量比例較大時(shí)，反應(yīng)放熱較多，容易造成球團(tuán)局部粘結(jié)，相應(yīng)的MIDREX法還原氣溫度較低，HYL-Ⅲ法還原溫度較高。

不要小看HYL-Ⅲ與MIDREX在還原氣成分相比這么點(diǎn)細(xì)小的變化，其背后隱含的極深的物理化學(xué)的原理優(yōu)勢。從“叉子曲線”和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面可以看出，HYL-Ⅲ工藝由于其中的H2含量占到80%以上，還原溫度升高到960℃，就熱力學(xué)而言，平衡氣氛中H2含量就會(huì)很低，換句話說，H2的循環(huán)利用率在70%以上(而MIDREX可能只有30%左右);就動(dòng)力學(xué)而言，由于溫度提高120K，反應(yīng)速率有可能提高一倍左右。還原劑利用率和反應(yīng)速率的雙雙提高，極大影響了裝備的改革，理論上說，同樣的還原鐵產(chǎn)量情況下，氣體整合裝備和豎爐爐體有可能只要MIDREX的一半左右就可以了。

3)兩者都要求鐵素原料品位越高越好，但HYL-Ⅲ法由于采用水蒸氣作為裂解氣，不擔(dān)心氣體重整催化劑硫中毒，可以適當(dāng)放寬原料硫含量。

4)從耗能來看，兩者氣體還原耗能相差不大，HYL-Ⅲ法的電耗相對較低些。這也符合物理化學(xué)原理。從這點(diǎn)可以看出，能耗相同，工藝實(shí)現(xiàn)的途徑是不一樣的，最終決定了投資大小。

5 結(jié)論

通過對HYL-Ⅲ以及Energiron工藝的分析并與MIDREX工藝對比，可以得到以下結(jié)論:

1)以HYL-Ⅲ和MIDREX為代表的氣基豎爐直接還原煉鐵工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，在開發(fā)適合我國的直接還原技術(shù)時(shí)，可以借鑒，少走彎路。

2)HYL以水蒸氣裂化天然氣，既可以增加還原氣氫氣比例，從而帶來工藝上的重大變革，除了可以提升反應(yīng)溫度，更可以放寬原料硫含量的要求外，還原氣的利用率和反應(yīng)速率得以大幅提高，一舉多得。但其高壓操作的特性，增加了投資和維護(hù)成本。

3)HYL/Energiron運(yùn)用氣動(dòng)輸送技術(shù)，高級自動(dòng)化技術(shù)，CO2吸收技術(shù)等提升工藝的可靠性和環(huán)境友好性，值得借鑒。

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