COG制備工藝氣及氣基豎爐直接還原煉鐵實驗臺建設方案

COG制備工藝氣實驗臺及氣基豎爐直接還原冶金實驗臺建設方案一、開發(fā)氣基直接還原冶金的必要性鋼鐵工業(yè)是最重要的原材料工業(yè)之一，在冶金行業(yè)處于舉足輕重的地位。自新中國成立以來，我國粗鋼產(chǎn)量年年增加。1949年全國粗鋼產(chǎn)量僅為45萬噸，到1996年粗鋼產(chǎn)量首次突破1億噸大關，成為世界第一鋼鐵生產(chǎn)大國。2006年中國鋼鐵產(chǎn)量超過了4億噸。預計今后50～100年內(nèi)，只要還有焦炭供應，高爐仍將是主要的煉鐵設備。但是，高爐必須使用資源較少的焦煤（用于煉制焦炭）、能耗高，且經(jīng)選礦得到的鐵礦粉也需先進行造塊才能使用。因此，傳統(tǒng)冶金面臨能源、資源、環(huán)境、社會多重壓力。傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝流程如圖1所示。圖1傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝流程與非焦煤煉鐵工藝相比，傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝主要存在以下弊端：①傳統(tǒng)工藝依賴于焦煤。從已查明的世界煤炭儲量來看，焦煤僅占煤總儲量的5%～10%，而以現(xiàn)行技術可以經(jīng)濟開發(fā)的只占其中的30%～40%。由于冶金長期巨大的消耗以及焦炭資源在地理上分布的不均勻，傳統(tǒng)冶煉工藝的生存和發(fā)展將面臨因焦煤資源匱乏而無法生產(chǎn)的尷尬局面。②傳統(tǒng)冶金工藝存在冶金反應重復進行的過程（圖2）。例如，在高爐煉鐵的還原過程中，當把鐵礦石中鐵和氧分離的同時，還會使相當數(shù)量的Si、Mn、C等元素進入鐵水，因此鐵水必須進行氧化精煉，去除多余的元素和雜質元素。精煉后的鋼水還要進行脫氧，使得冶煉工藝復雜化，造成不必要的能源和原料消耗。圖2不同工藝鋼鐵生產(chǎn)過程中含氧量、含碳量的變化示意圖從圖2可以看出，傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)流程是先將鐵礦石過度還原（滲碳）生成鐵水，然后再將鐵水中的碳通過氧化方法脫除精煉成鋼，因此是二步法流程（高爐還原＋轉爐氧化）。從氧化-還原基本冶金原理來分析，直接還原法具有直接將鐵礦石煉成鋼的一步法特征，故稱“直接還原”。③自然界中有用礦物并不都是單獨存在的，常有多種金屬元素共生的情況。傳統(tǒng)冶煉工藝對復雜的多金屬礦處理顯得無能為力，從而造成極大的資源浪費。此外，冶煉廠含有鐵、釩、鈦、鎳等重要資源的粉塵和渣滓，低品位鐵礦石，選礦場的殘渣等，傳統(tǒng)工藝都無法處理。根據(jù)資源特點來選擇冶煉方法已勢在必行。④社會發(fā)展和科學技術進步對鋼材質量要求越來越高。電爐煉鋼技術的迅速發(fā)展為優(yōu)質鋼生產(chǎn)提供了有效手段，然而日益增加的合金鋼生產(chǎn)和應用，使得多次重復回收的廢鋼中雜質元素得以富集，嚴重影響了廢鋼的質量。例如，美國在25年內(nèi)，碳素鋼廢鋼的Cu含量增加了20％，Ni含量增加了1.2倍，Sn含量增加了2倍。由此可見，用潔凈的海綿鐵代替被污染的廢鋼，稀釋和改善冶金鋼水的化學成分，生產(chǎn)優(yōu)質鋼材已是大勢所趨。⑤傳統(tǒng)冶金工廠生產(chǎn)規(guī)模大，工藝環(huán)節(jié)多，需要巨額投資。建設一座年產(chǎn)200萬噸鋼的鋼鐵廠，需要165～250億人民幣的投資，而且必須有足夠的原料供應。而非焦煤冶金廠可小型化，投資相對少，建設周期短，可因地制宜地利用當?shù)氐膹碗s原料和多種能源來確定機動的產(chǎn)品方向，工藝靈活性大、適應性強。⑥傳統(tǒng)工藝中焦化、燒結、高爐等鐵前系統(tǒng)產(chǎn)生的大量煙氣、粉塵及水污染。⑦焦化、燒結、高爐等鐵前系統(tǒng)的流程長、工藝復雜，導致熱效率低，能源浪費嚴重。我國能源資源分布格局具有富煤、缺油、少氣的特點。單以豐富的煤炭資源而論，盡管目前已經(jīng)探明的煤炭儲量已超過10000億噸，但能用于煉制焦炭的焦煤資源還是相對較少。近年來，隨著我國鋼鐵產(chǎn)量逐年攀升，每年焦煤開采量至少為47425萬噸。按煤炭詳查資源總量估計，2070年以后我國的焦煤資源將面臨枯竭，傳統(tǒng)的焦煤冶金工藝將無法進行正常生產(chǎn)。與此相反，大量的非焦煤資源在煉鐵工藝中卻無法得到充分利用，因此開發(fā)和采用非焦煤煉鐵工藝已迫在眉睫。非焦煤煉鐵工藝是指不使用焦炭進行煉鐵生產(chǎn)的各種工藝方法。按工藝特征、產(chǎn)品類型及用途，可分為直接還原法和熔融還原法兩大類別。直接還原法（DirectReduction）是指“以氣體燃料、液體燃料或非焦煤為能源和還原劑，在天然礦石（粉）或人造團快呈固態(tài)的軟化溫度以下進行還原獲得金屬的方法”。熔融還原（SmeltingReduction）則“以非焦煤為能源和還原劑，在高溫熔融狀態(tài)下進行金屬氧化物的還原，得到含碳的液態(tài)金屬”。與直接還原的不同之處是，熔融還原的發(fā)展目標只是探索和推廣用煤炭代替焦炭的冶煉方法，其產(chǎn)品還是與傳統(tǒng)冶煉工藝一樣的液態(tài)產(chǎn)品，如鐵水。目前，全世界工業(yè)規(guī)模的直接還原法已有十幾種，而大多數(shù)熔融還原工藝還處于研發(fā)階段，已商業(yè)化的只有COREX。直接還原法有氣基（以CO＋H2為還原劑）和煤基（以非焦煤為還原劑）兩種。氣基直接還原法因具有容積利用率高、熱效率高、生產(chǎn)率高等優(yōu)點而成為非焦煤冶金工藝的主流技術。在所有直接還原鐵產(chǎn)量中，氣基直接還原占到90％以上。在所有氣基DRI工藝中，以天然氣為能源的豎爐法生產(chǎn)的直接還原鐵占世界總產(chǎn)量的80%以上。但由于受到天然氣資源的限制，我國至今沒有一個豎爐法直接還原鐵生產(chǎn)工廠，導致每年大量進口昂貴的直接還原鐵。因此，開發(fā)替代天然氣的氣基豎爐直接還原冶金對于解決我國優(yōu)質鋼市場需求強勁、廢鋼嚴重短缺、直接還原鐵自供嚴重不足等供需矛盾具有重要意義。二、我國焦爐煤氣利用現(xiàn)狀2.1焦妒煤氣綜合利用現(xiàn)狀按2001年產(chǎn)焦12406萬t計算，全年焦爐煤氣產(chǎn)量約為530億m3。其中與3000萬t土焦相伴產(chǎn)生的約128億m3煤氣在煉焦過程中全部被燒掉，機焦爐產(chǎn)生的煤氣則經(jīng)過凈化后，除部分用于焦爐自身加熱外，剩余煤氣均不同程度地得到了利用。鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中的焦化廠，絕大部分焦爐均為復熱式焦爐，一般采用高爐煤氣加熱，所產(chǎn)生的焦爐煤氣經(jīng)凈化后供給煉鐵、煉鋼、軋鋼等用戶。作為城市煤氣氣源廠的焦化廠，絕大部分焦爐也為復熱式焦爐，可采用焦爐煤氣加熱，也可采用發(fā)生爐煤氣加熱，所產(chǎn)生的焦爐煤氣經(jīng)凈化，達到城市煤氣標準后供應城市居民用戶或工業(yè)用戶。目前，以生產(chǎn)焦炭為主的獨立焦化廠，如山西在土焦改機焦過程中新建的許多焦化廠，除少數(shù)焦化廠所產(chǎn)的煤氣供應城市煤氣或工業(yè)用途（如鍛燒高鋁釩土、金屬鎂等）外，大部分焦化廠的剩余煤氣用于發(fā)電。在中國，產(chǎn)生大量剩余焦爐煤氣的主要有兩類焦化廠：一是以生產(chǎn)焦炭為主的獨立焦化廠，其生產(chǎn)的焦爐煤氣既不能供應城市用戶，又沒有合適的工業(yè)用戶；二是目前供應城市煤氣用戶的焦化廠，如北京焦化廠、天津煤氣廠、上海焦化廠等，在采用天然氣取代焦爐煤氣供應城市煤氣用戶后，焦爐煤氣沒有合適的用戶。這些過剩的煤氣迫切希望找到經(jīng)濟、合理、高效的綜合利用途徑。2.2焦妒煤氣綜合利用發(fā)展思路焦爐煤氣含有H2（55～60%），CH4（23～27%），CO（5～8%），CO2（1.5～3.0%），N2（3～7%），O2（<0.5%），CmHn（2～4%），密度為0.45～0.50Kg/Nm3，低位發(fā)熱量17900KJ／Nm3。焦爐煤氣的主要成分是H2、CH4和CO，因此，它不僅是優(yōu)質的氣體燃料，還是理想的化工合成原料。基于此，焦爐煤氣的綜合開發(fā)利用也應從燃料和化工原料兩條思路上考慮。（1）開發(fā)利用煤氣的聯(lián)合工業(yè)用戶焦爐煤氣作為潔凈的氣體燃料，若用于生產(chǎn)水泥、建材、耐火材料，可大大提高產(chǎn)品的質量和品位。如山西菜焦化廠利用自產(chǎn)的焦爐煤氣焙燒高鋁釩土，利用焙燒高鋁釩土的余熱生產(chǎn)蒸汽供全廠蒸汽用戶，不僅提高了產(chǎn)品質量，擴大了市場，還實現(xiàn)了能源的綜合利用，降低了生產(chǎn)成本。（2）開發(fā)以焦爐煤氣為原料的化工合成項目焦爐煤氣是制造合成氨的理想原料。氫氣是合成氨的直接原料氣，焦爐煤氣中含有55％一60％的氫氣，其它成分如甲烷、一氧化碳等，可經(jīng)轉化、變換、脫碳等工序制得純氫氣，然后氫氣與氮氣合成氨。近年來，隨著變壓吸附制氫技術的推廣應用，使焦爐煤氣制合成氨的投資和電耗進一步降低。山西焦化集團從20世紀70年代建廠時就配套建成了焦爐煤氣合成氨裝置，并生產(chǎn)尿素。焦爐煤氣同樣是合成甲醇、二甲醚的理想原料，其本身含有生產(chǎn)甲醇和二甲醚的原料氣H2和CO。焦爐煤氣經(jīng)過部分氧化蒸汽轉化后，氣體中H2／CO＝3.0，接近合成甲醇和二甲醚的最佳值（H2／CO＝2.05～2.15）。而以煤和重油為原料生產(chǎn)甲醇和二甲醚時，由于氫碳比偏低，變換、脫碳裝置流程長/投資大。甲醇不僅是一種重要的基礎有機化工原料，而且可加入汽油摻燒或代替汽油作為動力燃料。目前山西省開發(fā)的以甲醇為燃料的清潔燃料汽車已成功投入使用。山西省正在籌建以焦爐煤氣為原料的甲醇生產(chǎn)基地。二甲醚具有優(yōu)良的混溶性，易溶于汽油和水，可替代柴油用作清潔汽車燃料，也可替代液化氣用作民用燃料，其發(fā)展前景被普遍看好。（3）焦爐煤氣用于制氫焦爐煤氣是制氫的理想原料，其所含的55％一60％的氫氣可通過變壓吸附法生產(chǎn)純度為99.9％或更高的氫氣。氫氣是化學工業(yè)合成的重要原料氣之一，還是化學工業(yè)中常用的還原劑和氫化劑。在電子工業(yè)中，氫是制取半導體材料——硅的重要原料。氣象上用于探空氣球。氫已成為運載火箭航天器的重要燃料之一?？蛇_到零排放的無污染高效氫燃料電池動力汽車已投入試驗運行，世界各大汽車公司已陸續(xù)推出該類型汽車樣車。氫能的應用范圍今后必將不斷擴大。（4）焦爐煤氣甲烷化供城市煤氣用戶對目前供應城市煤氣用戶的獨立焦化廠，在天然氣進入城市后，也可對焦爐煤氣進行甲烷化，將其熱值提高后摻入天然氣管網(wǎng)供應城市煤氣用戶。（5）焦爐煤氣發(fā)電焦爐煤氣哲時沒有合適用途時，也可用來發(fā)電。焦爐煤氣用于電廠鍋爐時，其熱效率可達90％，利用鍋爐生產(chǎn)蒸汽發(fā)電，發(fā)電后的蒸汽還可供焦化廠生產(chǎn)用。焦爐煤氣也可直接用于燃氣透平機發(fā)電。中國利用航空發(fā)動機自動研制的焦爐煤氣透平發(fā)電機已在陜西焦化廠及究州礦務局焦化廠得到成功應用。（6）焦爐煤氣用于直接還原鐵鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中，焦化廠生產(chǎn)的含有大量H2和CO的焦爐煤氣本身就是還原性氣體，將焦爐煤氣送入熱裂解爐中，其中CH4經(jīng)加氧催化裂解，即可得到含H274％、CO25％的還原性氣體，可直接送入氣基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵。由此而促成的高爐一直接還原鐵一焦爐的聯(lián)合流程是高爐流程工藝技術的自身完善，是鋼鐵生產(chǎn)向短流程過渡的重要發(fā)展方向。墨西哥HYLSA公司詳細比較分析了利用焦爐煤氣發(fā)電和利用焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵的經(jīng)濟性。見圖3。圖3焦爐煤氣用于發(fā)電和用于冶煉直接還原鐵的經(jīng)濟性比較因此，從經(jīng)濟性角度看，焦爐煤氣用于生產(chǎn)直接還原鐵明顯好于發(fā)電。焦爐煤氣熱值按16746KJ/Nm3計算，不計電耗、水耗等，噸DRI能耗9.97GJ/t。三、焦爐煤氣用于氣基豎爐直接還原煉鐵原理參照墨西哥HYLSA公司HYL-ZR工藝，焦爐煤氣用于氣基豎爐直接還原煉鐵的結構圖如圖4所示。其中合成氣既可由焦爐煤氣制備，也可通過天然氣蒸汽轉化、煤制氣等方法制備。圖4焦爐煤氣用于氣基豎爐直接還原煉鐵的結構圖由圖4可知，氣基豎爐直接還原煉鐵工藝主要由以下部件或子系統(tǒng)組成：⑴豎爐、⑵工藝氣制備子系統(tǒng)、⑶工藝氣增濕器、⑷工藝氣加熱器、⑸氧氣供給子系統(tǒng)（合成氣中含有甲烷時才需要）、⑹爐頂氣換熱器、⑺爐頂氣激冷/洗滌系統(tǒng)、⑻H2O脫除器、⑼CO2脫除器、⑽工藝氣循環(huán)壓縮機、⑾直接還原鐵冷卻子系統(tǒng)、⑿輔助公用設施等。核心設備是豎爐。在豎爐的還原帶，鐵礦石首先通過熱的還原氣的熱量傳遞預熱到還原過程所需的溫度水平。預熱階段過后，還原氣H2和CO與氧化鐵還原反應，礦石中的氧被去除。還原反應的機理包括還原劑氣體在反應界面的吸附催化、固相層內(nèi)離子和電子的擴散、新相核的形成及長大等。還原過程的機理可描述為：其中氫還原反應過程為：CO還原反應過程為：冷卻過程的滲碳反應為：四、氣基豎爐直接還原煉鐵實驗臺建設方案由圖4可知，氣基豎爐直接還原煉鐵過程是一個非常復雜的系統(tǒng)，其中多項核心、關鍵技術掌握在國外大公司手里。直接還原冶金技術的進步經(jīng)歷了一個漫長、耗資巨大的發(fā)展過程。開始提出的直接還原概念多達數(shù)百種，其中大部分盡管完成了中試、擴試、甚至半工業(yè)化生產(chǎn)，但終因技術上或經(jīng)濟上不可行而被淘汰，許多開發(fā)者和投資者因此蒙受巨大損失，并永遠退出了直接還原冶金行業(yè)。這在“FlexibleandReliableDirectReductionPlants－theKeyforEconomicDRI/HBIProduction”一文中有詳盡描述。因此，沒有科學、合理的實施方案和充足的資金保證，實驗臺成功實施的可能性將大大降低。4.1建設原則：總體規(guī)劃，分步實施4.1.1總體規(guī)劃總體規(guī)劃就是實現(xiàn)圖4所示的工藝過程。由圖4可知，氣基豎爐直接還原煉鐵工藝主要由以下部件或子系統(tǒng)組成：⑴豎爐、⑵工藝氣制備子系統(tǒng)、⑶工藝氣增濕器、⑷工藝氣加熱器、⑸氧氣供給子系統(tǒng)（合成氣中含有甲烷時才需要）、⑹爐頂氣換熱器、⑺爐頂氣激冷/洗滌系統(tǒng)、⑻H2O脫除器、⑼CO2脫除器、⑽工藝氣循環(huán)壓縮機、⑾直接還原鐵冷卻子系統(tǒng)、⑿輔助公用設施等。因此，這是一個非常復雜的大系統(tǒng)。如果不采取有效措施，將這些部件或子系統(tǒng)的實施過程孤立起來，抓住主要矛盾、暫時忽略次要矛盾，將會使眾多工藝、技術問題交織在一起，給分析問題、解決問題帶來極大困難。4.1.2分步實施4.1.2.1實現(xiàn)核心功能圖5第一步：實現(xiàn)核心功能的系統(tǒng)結構圖上圖中，工藝氣增濕器和加熱器是成熟產(chǎn)品，不存在技術問題。關鍵在于豎爐的設計生產(chǎn)、合成氣的制備和球團礦的制備。1．豎爐的設計、生產(chǎn)結構、尺寸、進出料裝置、進出氣孔等。是否需要購買專利技術？完全自主開發(fā)勝算如何？有沒有侵權的可能性？2．合成氣的制備由下圖可知，以天然氣為能源的HYL工藝就歷經(jīng)了近20余年的發(fā)展。天然氣由100％加水蒸汽轉化逐漸過渡到完全靠部分氧化獲取還原劑。期間詳細的工藝數(shù)據(jù)能否在短時間內(nèi)通過試驗獲?。坎糠盅趸磻兇庖揽壳驁F礦中氧化鐵的催化作用能否實現(xiàn)？是否有短期難以破解的“know-how”？圖6HYL工藝進化過程天然氣加水蒸汽轉化是比較成熟的工藝，所以建議首先通過這一成熟工藝制備還原劑，以便將重點集中在豎爐上。此外，液化天然氣是通過深冷分離制取的，而深冷分離前必須進行脫硫處理，以免腐蝕管道和設備。所以液化天然氣是潔凈的商品，購置、儲存、使用方便。使用天然氣加水蒸汽轉化制備還原劑的核心系統(tǒng)結構圖如圖7所示。圖7第一步：天然氣加水蒸汽轉化制備還原劑的核心系統(tǒng)結構圖3．球團礦的制備最好能直接利用高爐煉鐵時所用的球團礦，以方便購買。4.1.2.2焦爐煤氣取代天然氣一旦上述核心功能實現(xiàn)，就可將試驗重點由豎爐、球團礦、增濕器、加熱器等轉移到還原劑替代－用焦爐煤氣取代天然氣。系統(tǒng)結構圖如圖8所示：圖8第二步：焦爐煤氣取代天然氣系統(tǒng)結構圖試驗階段，焦爐煤氣的來源及其凈化、重整、轉換處理詳見第五章：COG制備工藝氣實驗臺建設方案。4.1.2.3甲烷部分氧化取代重整圖9第三步：甲烷部分氧化取代重整后系統(tǒng)結構圖4.1.2.4增加爐頂氣處理功能模塊圖10第四步：增加爐頂氣處理功