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      1. 氣基豎爐技術引領“短流程”革命

        2020-03-16 10:57:16 作者:huangj 來源: 瀏覽次數:0 網友評論 0

        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還原得到的海綿狀金屬鐵,具有品位高、雜質及有害元素殘余少等優點。
           杜姣姣,范晉峰,吳志軍

          中晉太行礦業有限公司

          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還原得到的海綿狀金屬鐵,具有品位高、雜質及有害元素殘余少等優點。直接還原鐵主要用做“短流程”-電爐煉鋼的原料,可作為優質廢鋼的替代物、生產優質鋼材必要的高級原材料。但我國DRI的極低產量與粗鋼產量第一的地位極不相稱,嚴重制約我國潔凈鋼、優質鋼的生產和裝備制造業的發展。

          1 直接還原鐵生產市場分析

          1.1直接還原鐵生產成效甚微

          我國是鋼鐵生產大國,但多屬低端產能,高端特鋼的生產成為我國鋼鐵業的發展“短板”。作為冶煉優質鋼的最佳原料,直接還原鐵的工業化、產業化程度,直接制約著我國高端鋼材的生產規模。目前,我國的還原鐵產量僅為數十萬噸,成效甚微。總結我國直接還原鐵發展的經驗教訓,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工藝-氣基豎爐直接還原技術因原料及還原氣氣源問題至今未實現工業化生產。

          1.2直接還原鐵助力綠色鋼鐵

          目前,我國鋼鐵聯合企業90%采用傳統的高爐-轉爐流程(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,實現節能減排目標相悖。而直接還原鐵短流程(廢鋼-電爐)是世界公認的鋼鐵行業節能減排、減少碳排放、提高品質的發展方向之一。因此,發展直接還原鐵生產可滿足鋼鐵行業綠色發展的需要,突破產品結構中優質鋼、潔凈鋼的質和量難以保障的困局。

          氣基豎爐被認為是直接還原鐵生產中單機產能最高、運行最穩定、碳排放最少的工藝方法,是我國發展直接還原鐵生產的首選工藝。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,實現高附加值利用,可同時獲得經濟效益與環境效益。

          目前,亟需建立產學研聯合體進行聯合攻關,建設工序完整的“短流程”鋼鐵生產示范線,以期形成長流程與短流程并存的鋼鐵發展新局面,實現鋼鐵行業化危為機、逆勢突圍,助力鋼鐵行業綠色發展。

          1.3直接還原鐵發展可期

          根據世界鋼鐵協會近日發布的統計數據,2018年全球直接還原鐵(DRI)產量為10049萬噸,與2017年相比增長了15%。隨著全球節能環保思想的高度統一,不同地區和國家對直接還原鐵的重視程度日益加深。據中國廢鋼鐵應用協會統計和估算,目前我國直接還原鐵的年需求量約為1000萬噸-1500萬噸。我國已具備發展直接還原鐵的資源和技術條件,高品質的直接還原鐵在我國具有廣闊的發展前景。建設示范性工業化生產線是當務之急。

          中晉太行礦業有限公司結合我國能源利用現狀,通過技術引進與攻關,自主研發的以焦爐煤氣為氣源的氣基豎爐工藝,填補國內高端裝備制造業優質鐵素材料空白,已初步建設成一條30萬噸/年焦爐煤氣制還原鐵的示范性生產線,突破氫冶金對天然氣的依賴,破解了中國不能生產直接還原鐵的困境,為國內直接還原鐵生產提供藍本。

          2 新型氣基豎爐直接還原鐵技術

          2.1焦爐氣中低壓深度凈化技術

          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備的壓力損失,凈化工段壓力不會太高,不宜采用傳統的焦爐煤氣凈化過程中的中高壓凈化技術,例如采用傳統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,要實現焦爐氣干重整轉化前對原料的凈化技術也十分關鍵。本項目首次采用與中國石油大學(北京)聯合開發的新型焦爐煤氣低壓深度凈化技術,可實現焦爐煤氣中硫(H2S、CS2、COS、硫醇、噻吩等)、焦油、萘等雜質的有效脫除。

          焦爐氣低壓深度凈化技術的關鍵在于有機硫的轉化,因而研發了突破熱力學平衡的反應-轉化吸附雙功能協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℃),可打破加氫反應的熱力學平衡,使有機硫能在低壓下持續轉化為H2S,再與堿性化合物反應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可實現脫附循環再生,保證生產連續性。將此脫硫劑用于進重整爐前焦爐煤氣的凈化,可滿足干重整反應對反應氣體硫含量的要求(≤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,可滿足干重整轉化對不飽和烴的限制(≤100ppm),避免了不飽和烴在后續高溫轉化過程中可能發生的積炭問題。

          2.2 CH4/CO2干重整制合成氣關鍵問題

          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重整反應持續高效進行,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進入熱力學積碳區。這些積碳反應主要來源于烴類熱分解和CO歧化。因此,必須研發一種耐溫抗積碳的CH4/CO2重整催化劑。中國石油大學(北京)已研發出高分散Ni基干重整催化劑,具有強化CO2吸附、活化和轉化功能,制成的還原氣有效氣含量在90%以上,H2/CO比可調范圍為1.1-2.0,屬優質氣基豎爐用還原氣;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,實現催化劑循環再生,從而實現干重整反應的高效性、持續性和穩定性。

          2.3 首套臥式底燒重整爐

          制還原氣用重整爐結合了國內外制氫爐、重整爐的實踐經驗,中晉太行聯合有關設計院、專業制作制氫爐企業研發設計了國內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,熱效率達到了92%;較低空速及較大的管徑,降低積碳風險;重整反應屬強吸熱反應,使用耐高溫合金爐管;富氫焦爐氣,預防低轉化溫度時甲烷化逆反應;富CO還原氣,通過避開臨界溫度區間、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難題,實現了還原氣生產的高效性、靈活性和持續性:采用焦爐煤氣以及豎爐爐頂氣聯供方式作還原氣和燃料氣氣源,比例可調,以適應不同生產狀況,具有高度的生產靈活性;循環利用還原氣,對流段的合理設置充分回收煙氣顯熱用于氣體預熱,極大提高熱效率;生產出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的約束,充分利用了我國煤炭價格低廉,焦化能力強的優勢。另外,為了防止在開車初期或者不飽和烴超標,還設計了臨時補充蒸汽管線,可以實現蒸汽和二氧化碳雙重整工藝。

          2.4 氣基豎爐的國產化

          本項目引進國際先進的氣基豎爐PERED技術,同時借鑒國外主流的豎爐單體技術、以及國內成熟的高爐技術及配套設備,為我國首臺套氣基豎爐的建設提供設計及技術轉化思路。例如,氣基豎爐可采用與高爐相同的爐頂加料、上料等設備,所不同的是豎爐下部要增加產品的冷卻、出料和密封裝置。中晉太行礦業有限公司已成功開發出國內第一套氣基還原豎爐示范裝備,設備國產化率達到90%以上,實現設備本土化。并在技術轉化過程中,已完成多項技術革新,實現產能最優化。比如,合適的H/D比以及爐型結構,有利于延長反應時間豎爐反應效率,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,防止豎爐爐內原料氣的逸出,同時降低生產能耗;開發了勻流器與不同位置的新型流量輔助器,確保質量流均勻通過爐膛,防止豎爐內結團與堵塞,可取消傳統的石灰涂層工序;采用新的爐頂上料與布料方案,可有效避免爐料偏析,實現大規模生產。

          首臺套氣基豎爐研發,與國外同規模豎爐相比,提高能源利用效率5%-10%;生產出Rm=92%-96%、TFe≥92%、C=0.8-1.5%、S<0.01%、P<0.01%的優質還原鐵壓塊,形成國內還原鐵完整供應鏈,實現了還原鐵生產的高品質、靈活性、低成本、環境友好等。

          3 結論

          基于我國能源使用現狀,以焦爐煤氣為氣源的氣基豎爐直接還原鐵技術有望在我國得到長足發展。中晉太行礦業有限公司已基本完成國內第一套氣基豎爐直接還原的30萬噸/年生產線與示范基地的建設,同時根據已獲得的國產化工藝技術數據進行工業放大,已開發出30-150噸/年工業示范的CSDRI工藝包。未來將致力于打造直接還原鐵創新產業平臺,發揮全流程式的技術服務優勢,對國內直接還原鐵生產具有創造性和指導性意義,助力我國直接還原鐵行業開辟新的技術路徑,引導“煤焦電”及鋼鐵聯合企業調整能源結構,引領鋼鐵行業“短流程”革命和綠色冶金新潮。
         

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