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直接还原炼铁技术的发展与创新

2011/5/11 13:54:15 来源:中国钢铁科技网信息中心 编辑:王兰彩
    关键词;直接还原 氢冶金  大容量氢制取  钢铁短流程
  一   前言
  直接还原炼铁技术发展已有近百年的历史,直到上世纪下半叶才得到突飞猛进的发展。由于人们认识到氢在矿石中渗透速度是一氧化碳的5倍,氢的还原潜能是一氧化碳的11倍,成为发展氢冶金的动力,推动直接还原炼铁大发展。当然,利用天然气热裂解制取大容量氢,成为气基竖炉生产直接还原铁的重要资源条件,因此,在天然气富裕的地区直接还原铁电炉炼钢短流程的崛起,是钢铁业的一次革命和创新;用长流程生产过程中产生的焦炉煤气生产直接还原铁,转炉或电炉炼钢,使钢铁长流程与短流程科学融合,是钢铁业又一次创新。
  二  气基竖炉生产直接还原铁推动直接还原炼铁技术发展
  1 直接还原铁工艺大致可分为两种
  直接还原铁工艺大致可分为两种;一种为煤基回转窑生产工艺,另一种为气基竖炉工艺,前者由于煤耗高,生产效率低,环境污染等原因,生产规模难以放大(最大的生产规模为15万吨、年),全世界用煤基回转窑工艺生产的直接还原铁占总生产量8-9%。而气基竖炉生产工艺,由于具有生产效率高,低能耗,低排放的特点,生产规模不断扩大(最大单炉生产能力为192万吨、年)全世界气基竖炉工艺生产的直接还原铁占总产量的91-92%,这样的发展状况,说明气基竖炉工艺技术的先进与成熟。
  2  气基竖炉生产直接还原铁典型技术主要有两种

  气基竖炉生产直接还原铁典型技术主要有两种,(1)MIDREX  (2)HYL-zr, 两种生产工艺各具有不同的技术特点。早期的生产装置多数采用MIDREX 技术工艺,因此全世界现有MIDREX 生产装置生产的直接还原铁占生产总量的80%,而采用HYL-zr 工艺生产直接还原铁只占20%,但近年由于Hyl-sa 公司技术上的不断创新,使Hyl-zr 技术具有突出技术特点和竞争力,目前全世界新建的直接还原铁厂普遍采用 Hyl-z 技术,特别是美国明尼苏达钢坯厂在建两套180万吨直接还原铁装置,阿联酋钢铁厂在建的三套160万吨直接还原铁装置均采该工艺技术,可见,该技术得到新建大型钢铁厂的认可……

  3   气基竖炉生产直接还原铁的技术特点
  3.1  铁矿石在竖炉中用气相的氢或二氧化碳直接还原成金属铁,由于还原过程不发生相变和二次反应,反应效率,反应速率很高。因此,生产效率高,能耗低,这是高炉炼铁不能比拟的。
  3.2  直接还原炼铁主要用氢作还原剂。众所周知,氢的分子量最小,分子直径最小,在矿石中氢的渗透速度是二氧化碳的5倍,氢的还原潜能是二氧化碳的11倍,故氢冶金比碳冶金还原效率成几倍的增长。
  3.3  我们知道,气基竖炉直接还原主要用氢气作还原剂,因而提供大容量氢资源,成为气基竖炉生产的重要原料条件。全世界直接还原铁生产100%用天然气热裂解制取大容量氢,支撑直接还原铁的生产,这是天然气资源丰富地区直接还原铁生产发展较快的原因之一。
  3.4  气基竖炉直接还原可谓氢冶金在炼铁技术上的应用,用氢还原铁矿石的产物是铁与水,而不是二氧化碳,可以说氢冶金二氧化碳是零排放,这是低碳经济所期待的。
  3.5   直接还原炼铁是用纯净气源作还原剂(含硫,磷很低)故生产的直接还原铁为纯净铁(含硫,磷为0.002以下)这是冶炼纯净钢所必需的。
  3.6  在还原性气体与流动矿床充分接触的条件下,竖炉的作业率很高,气相上升,固相下降,大大降低物流动力,同时改善作业环境。气基竖炉的单炉生产能力不断扩大,已由30-50万吨、(年)扩大到180-200万吨、(年)。
  4  HYL-zr  技术工艺特点的描述

  墨西哥HYL-sa 公司生产直接还原铁已有60年 的历史,在多年气基竖炉生产直接还原铁的实践中不断创新,形成Hyl-zr特有专利技术,经过多方比较,考证,认为HYLzr 技术具有如下特点;

  4.1 HYLzr 技术工艺流程(见示意图)
http://oa.chinatsi.com/WebCss/UploadFile/20115111441280.jpg
  4.2 HYL-zr技术工艺也称自重整工艺,即原料气的重整利用还原反应塔中的金属铁作触媒,在加热器中不再加放镍催化剂,称谓自重整。当然受到缺镍企业的青睐,同时减少镍中毒的麻烦和镍消耗的成本分摊。
  4.3  HYLzr工艺设有顶气的处理和循环系统,顶气经过除去水和二氧化碳,顶气中氢气,一氧化碳还原性气体加入原料气中循环利用。本工艺中氢的利用率为100%,二氧化碳可以回收成产成品。
  4.4  经过半工业性试验证明,本工艺可以利用不同的气源,生产合格的直接还原铁(天然气,焦炉煤气,煤制气等)为大容量氢的制取开辟了资源条件。
  4.5  本工艺可以生产冷直接还原铁,热直接还原铁,热压铁块产品以及高碳直接还原铁。高碳直还原铁(含碳3-6%)不仅可以减轻直接还原铁氧化,便于运输,而且可以降低电炉炼钢的电耗。
  三 直接还原技术催生钢铁技术革命与创新
  3.1  直接还原炼铁与钢铁冶金短流程
  3.1.1钢铁冶金短流程是钢铁生产流程的一次革命和创新。直接还原炼铁技术的完善与发展,将钢铁短流程推进到极致。美国纽柯钢铁公司的崛起,使钢铁短流程成为世界上最先进的工艺流程,使纽柯钢铁公司成为最具有竞争力的企业。短流程的突出特点就是用100%的直接还原铁(或部分废钢) 电炉炼钢,可见,直接还原铁技术已成为钢铁短流程的核心技术。
  3.1.2  上个世纪初期电炉炼钢普遍采用废钢为原料,由于废钢供应不足,废钢杂质多,影响电炉炼钢的发展。当发现直接还原铁为纯净铁并可以100%代替废钢为电炉冶炼纯净钢创造条件,并为电炉炼钢提供充足的精料,当气基竖炉直接还原铁的产能迅速增加,直接还原铁电炉炼钢短流程有了长足发展。
  3.1.3  直接还原铁代替高炉铁使长流程省去了烧结,炼焦工序,大大降低能耗和污染,使短流程成为低能耗,低污染,低排放的比较理想的钢铁流程。是钢铁流程的一次创新。我国钢铁流程几乎100%是传统长流程,以碳冶金为主导冶炼技术中遇到高能耗,高污染,高二氧化碳排放的挑战。中国是世界上的钢铁大国,无疑应跟踪钢铁短流程的开发和研究。
  3.1.4  全世界气基竖炉生产直接还原铁100%利用天然气作为制取大容量氢的气源,因此,天然气短缺的地区,钢铁短流程的发展受阻。制取大容量氢新途径,成为钢铁短流程必须攻克的重要的课题。
  3.2 长流程与短流程的融合
  3.2.1传统的钢铁长流程(铁,焦,烧,转炉,电炉炼钢)有近二百年的历史,技术成熟,可靠,最大的特点是可以利用储量丰富炼焦煤为原料,生产高炉铁。我国的炼焦煤储量相对丰富,推进钢铁长流程超常规发展,预计2010年钢铁产量可达6.7亿吨,占世界钢产量50%以上。我国的钢铁工业支撑我国经济乃至世界经济的发展。这样的生产工艺和生产方式,可以预计在未来30-40年不会有根本改变。但对其能耗高,污染严重,二氧化碳排放高的弊病必须改变。
  3.2.2  前面已经说过,钢铁短流程与长流程比较具有多方面的优势,根据生产实际统计数字表明,短流程与长流程比较,原燃料消耗可降低35%,液钢产量可增加25%,二氧化碳排放量可减少38%。应该指出,实现钢铁短流程必须解决大容量氢资源问题。对天然气短缺的地区成为气基竖炉生产直还原铁最大的障碍。
  3.2.3  在传统的长流程生产过程中产生大量的焦炉煤气成为大容量氢资源。经研究认为,利用焦炉煤气生产直接还原铁比利用天然气有更多的优势。从此可见,长流程可为短流程提供大容量氢资源,从而可以打造长流程与短流程并存的新流程,长流程与短流程得到融合和整合,是钢铁流程又一次创新。其工艺流程如下;
http://oa.chinatsi.com/WebCss/UploadFile/20115111442923.jpg
  3.3氢冶金与低碳经济
  3.31氢冶金与碳冶金
  碳冶金是钢铁工业传统发展方式的典型代表模式,高炉冶炼基本反应式为:Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2。从反应式中不难看出,还原剂是碳,故称为碳冶金。最终产物是二氧化碳,因此之前的观念认为二氧化碳排放是天经地义的。
  氢冶金基本反应式Fe2O3+3H2==2Fe+3H2O,可以看出,还原剂为氢气,最终产物是水,当然二氧化碳是零排放。可见,将碳冶金改为氢冶金发展方式,是钢铁工业发展低碳经济的最佳选择。
  3.3.2 气基直接还原与低碳排放效应
  气基直接还原工艺是用焦炉煤气重整得到的氢为还原剂,生产直接还原铁的工艺,是氢冶金在炼铁工艺中的应用。在竖炉反应器中,以下三种化学反应同时进行,以氢冶金过程为主。
  (1)自重整反应:
   CH4+H2O==CO+3H2
    CH4+CO2==2CO+2H2
  (2)还原反应:
   Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2
  Fe2O3+3H2==2Fe+3H2O(氢冶金)
  (3)渗碳反应:
  3Fe+CH4==Fe3C+2H2
  3.3.3直接还原反应与微碳排放过程机理;
  从(1)自重整反应式中,阐明用反应塔中的金属铁为触媒 在600-700℃高温,有催化剂存在的条件下,将焦炉煤气中的甲烷重整为氢和一氧化碳,加上焦炉煤气中氢组份,形成含氢70%,含一氧化碳30%的还原性气体,成为直接还原大容量氢资源。
  从(2)还原反应式中可以看到氢冶金炼铁过程用氢作还原剂,该过程的最终产物是水,而不是二氧化碳,或称氢冶金为二氧化碳零排放。
  从(3)式中,不难看出反应塔中同时发生渗碳反应,因此,该工艺可以生产高碳直接还原铁(含碳3-6%)
  焦炉煤气在反应塔中进行重整反应和还原反应,煤气组份发生较大变化如下表:
http://oa.chinatsi.com/WebCss/UploadFile/20115111442204.jpg
  从上表中发现,在反应塔的顶气中,氢含量为49.0%,CO2 含量10.4%。为了合理利用氢资源,在工艺流程中设计氢资源循环利用系统(见工艺流程图)顶气经过脱水后,在选择性吸收CO2装置中回收CO2。脱CO2后的顶气与原料气一起送入反应塔循环利用。这样,原料气中的氢利用率为100%。如果系统中的CO2全部回收,系统中的CO2排放量为零。为发展低碳经济创造最现实的条件。
  四  结论
  1.  根据我国的实际,应优先开发气基竖炉技术,生产直接还原铁,转变传统的钢铁发展方式,保持我国的钢铁工业的可持续发展。
  2.  直接还原炼铁技术的发展催生钢铁技术的创新,钢铁短流程的出现是钢铁技术的一次革命与创新。我国应大力跟踪研究,开发,突破钢铁业的核心技术。
  3  利用焦炉煤气生产直接还原铁是钢铁技术二次创新,是长流程与短流程科学整合的新流程,对我国发展直接还原铁技术,具有十分重要的实际意义。
  4  气基直接还原是氢冶金在炼铁技术的应用,氢冶金二氧化碳为零排放。开发氢冶金技术是发展低碳钢铁,低碳经济,微碳排放的最直接,最有效,最现实技术措施,必须积极开发,不得迟疑。
 

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