煤氣化氣用于氣基豎爐生產(chǎn)DRI技術(shù)的進(jìn)展

2010年6 月鋼鐵研究June 2010●50●第38卷第3期Research on Iron &. SteelVol. 38 No, 3煤氣化氣用于氣基豎爐生產(chǎn)DRI技術(shù)的進(jìn)展胡俊鴿' ,高戰敏?(1.鞍山鋼鐵股份公司技術(shù)中心,遼寧鞍山114009;2.鞍山鋼鐵<集團)公司礦山設計院,遼寧鞍山114009)摘要:介紹了煤氣化氣用于Midrex和HyL技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)化應用現狀。同時(shí)介紹了煤氣化氣技術(shù)的工業(yè)化現狀及不同工藝的特點(diǎn),對適用于Midrex和Hyl.工藝的煤氣化技術(shù)進(jìn)行了分析。Midrex與HYL技術(shù)都對煤氣化氣有一-定要求.相比來(lái)說(shuō),HYL要求得更嚴格-些。Lurgi 法制得的煤氣化氣經(jīng)過(guò)脫Ch后可直接用于Midrex和HYL豎爐;用Texaco.Undok和Shell技術(shù)制得的煤氣化氣都需經(jīng)過(guò)處理和轉換才可用于Midrex和HYL豎爐。關(guān)鍵詞:煤氣化氣;氣基豎爐;DRI;還原劑中圈分類(lèi)號:TF554文獻標識碼:A文章編號:1001-1447(2010)03-0050-04Development of DRI production technology by coal gasified shaft furnaceHU Jun-ge' , GAO Zhan-min2(1. Technology Center, Anshan lron and Steel Co. Ltd. ，Anshan 114009, China;2. Institute of Mine Design, Anshan Iron and Steel Corp. , Anshan 114009, China )Abstract: Development and industrialized status of Midrex and HyL technologies usingcoal gasification are introduced in this paper. Industrialized situation of coal gasifyingtechnology and the characteristics for different processes are discribed, and the coal gas-ifying technologies suitable for Midrex and HyL processes are analyzed. Both Midrexand HYL processes have definite demands for coal gasified gas, but the requirements ofHYL process are much strict compared with Midrex . Coal gasified gas by Lurgi tech-nology may be applied directly to Midrex and HYL processes through removal CO2. .Coal gasified gas by Texaco, Undok and Shell technology can be used for Midrex andHYL processes only after being transformed,Key words: coal gasified gas; gas based shaft furnace; DRI; reducing agent因為傳統氣基豎爐直接還原工藝以天然氣為1煤氣化氣用于 Midrex技術(shù)的進(jìn)展基礎,使其推廣應用受到了限制,只在天然氣豐富的國家和地區才得以工業(yè)化應用。近年隨著(zhù)技術(shù)-般情況下,Midrex使用天然氣作還原氣源的發(fā)展,以COREX輸出煤氣、煤氣化氣和焦爐煤進(jìn)行生產(chǎn)。因很多地區缺少天然氣,所以很受限氣等作還原氣源進(jìn)行直接還原鐵生產(chǎn)的技術(shù)被提制。目前在全世界60多個(gè)Midrex模塊中,有一出,并逐漸成熟。尤其是以煤氣化氣為還原氣源例特殊情況,南非薩爾達那把COREX與Midrex技術(shù)的開(kāi)發(fā),對那些缺少天然氣,又不具備用焦爐工藝配合使用,COREX工藝產(chǎn)生的煤氣經(jīng)過(guò)脫煤氣等為還原氣源條件的地區或者鋼鐵企業(yè),具除CO2后可以作為Midrex工藝的還原氣體。在有很重要的意義。COF中國煤化]FXOREX熔融氣化爐=e水。:TY^HCNMHG作者筒介:胡俊鴿(1966- ),女.高級工程師.主要從事煉鐵工藝和設備的研究.第3期胡俊鴿,等:煤氣化氣用于氣基豎爐生產(chǎn)DR1技術(shù)的進(jìn)展●51●近年來(lái),由于對DRI的需要,使用煤氣化器比設計為0.5~4.0。如果煤氣化技術(shù)能產(chǎn)生符合與Midrex連接的概念被提了出來(lái)。煤氣化裝置要求的氣體,就不需要轉換裝置來(lái)改變氣體成分;的主要目的是產(chǎn)生Midrex工藝所需要的還原氣如果q(H2 )太低,則需要進(jìn)行氣體轉換。體。還原氣體主要參數包括H2與CO的總體積南非薩爾達那的COREX與Midrex配合裝分數p(H2)/q(CO)比、p(H2 + CO)/q(H2O+置中，COREX輸出氣體的φ( H2 )/q(CO)和COr)之比等。為了高效生產(chǎn)DRI, Midrex工藝φ(H2 +C0)/q(H2O+CO2)之比都較低,見(jiàn)表1.要求氣體中H2與CO的總體積分數大于90 %,因此,必須選擇CO2去除裝置,南非COREX/φ(H2 +CO)/q(H2O+CO2)之比至少為10。一Midrex配合裝置中選用了VPSA 來(lái)提高輸出氣般情況下,Midrex生產(chǎn)廠(chǎng)都把φ( H2 )/q(CO)之體的質(zhì)量。表1 Corex 工藝輸出煤氣的成分q(H2)/q(CO)φ(H2+CO)/q(C0)/%q(H2)/%q(CO2)/% q(Nz + H2O>/% q(CH.)/%φ(H2O+00))0. 5~243~4512~2230~321~61~2南非薩爾達那的COREX爐每生產(chǎn)1 t鐵水傳統HYLM T藝中使用天然氣,天然氣在重產(chǎn)生熱值為7 350 kJ/m3 (p(C0+ H2)>65 %)的整器中裂解通常需添加水蒸汽。為獲得φ(H2)輸出氣體2000 m',在去除CO2之后，只有在較高的還原氣體,需要脫除CO2。HYLM工藝的q(H2 +C0)≥90 %時(shí),輸出煤氣才能用來(lái)生產(chǎn)直1個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是還原氣體的產(chǎn)生和直接還原部分接還原鐵。薩爾達那廠(chǎng)Midrex 裝置的作業(yè)率約是獨立的,在選擇還原氣體方面具有極大的靈活為90%,年產(chǎn)DRI量為75萬(wàn)t,DRI金屬化率約性。目前的HYL.M技術(shù)可選擇氫氣.傳統的重整為92 % ,w(C)約為1.6 %。氣體、煤的氣化氣體焦爐煤氣、碳氫化合物氣體、2煤氣化氣用于希爾(HYL)直接還原工COREX排出氣體等作還原氣源。HYL叮工藝對還原氣的要求如下:q(H2)在74.1 %以上，藝的進(jìn)展φ(H2)/q(CO)之比為5.7,p(H2 +CO)/q(H2O2.1 HYLI工藝使用煤氣化氣+CO2)之比為18. 53(見(jiàn)表2)。表2 HYLM 工藝使用Coh脫除裝置后所用氣體的參數重整氣/還原氣/H2)/p(C0)/p(CH4)/ q(CO2)/q(H2O)/ qp(N2)/中0%(m'.t-')(m2.Fi)%560~4801 700~1 80074.113.07.03.31.41.2二2.2 使用煤氣化氣的HYL ZR和HYL在ENERGIRON反應豎爐內部,會(huì )發(fā)生一ENERGIRON工藝些部分氧化和重整反應,生成還原鐵氧化物所需為了降低總的投資成本,降低操作和維護成的還原氣體H2和CO。本,希爾公司在HYL.I基礎上,開(kāi)發(fā)了ZR工藝。ENERGIRON還原氣體源可以是含有一定.ZR工藝與傳統HYLII相比,不需要重整裝置。量碳氫化合物(如CH等)的任何氣體,如天然還原氣體在還原反應豎爐內,經(jīng)過(guò)不完全燃燒,以氣焦爐煤氣、COREX熔融還原爐氣體、煤氣化及經(jīng)過(guò)金屬鐵的催化作用進(jìn)行現場(chǎng)重整而生成，氣等。因此，ENERGIRON要求還原氣體源中必從而對鐵礦石進(jìn)行還原。須含有一定量的CH,等氣體。如果煤氣化氣中Tenova HYL與Danieli & Co又在ZR工藝含有一定量的CH,經(jīng)脫CO2處理后就可直接供基礎上,共同開(kāi)創(chuàng )了1個(gè)技術(shù)品牌ENERGI-還原豎爐使用。R0N,該技術(shù)具有較高靈活性，可以滿(mǎn)足客戶(hù)根ENFRGIRON枯術(shù)在伸用含CH的煤氣化據原料、燃料、能源供應和產(chǎn)品規格所提出的各種氣等中國煤化工做任何改動(dòng)。需求。有以下標準模塊: 20(Micro-module)、50它可通1YHCNMHG體(自身重整)(Mini- module) .80、120、160、200萬(wàn)t /a。來(lái)提高還原效率。在反應器下部,CH與反應器●52●鋼鐵研究第38卷中的固體金屬鐵接觸,由于催化作用進(jìn)行重整。漿氣化技術(shù),是目前商業(yè)業(yè)績(jì)最多的氣化工藝。豎爐爐頂煤氣中含有H2((g)和CO2,經(jīng)過(guò)Texaco爐氣化壓力較高,工業(yè)裝置氣化壓力在脫除后添加到還原氣體中。還原氣體在豎爐中發(fā)2.7~6.5 MPa范圍內,個(gè)別達到8.4 MPa.氣化生部分氧化而使溫度達到1000C以上,為CH溫度維持在1 300~1 400 C ,合成氣質(zhì)量較好,氣重整和金屬鐵滲碳提供所需的能量。豎爐反應器化指標較為先進(jìn),其有效氣體φ(C0+ H2)約為中發(fā)生復雜的吸熱反應,使溫度降到約820C,不80 %,p(C0)約占49 %,φ(H2)約占31 %)，會(huì )使鐵礦球團發(fā)生粘結現象。印度金達爾于p(CH)<0.1 %,p(CO2)約占18 %,碳轉化率2008年開(kāi)始了使用魯奇煤氣化氣作還原劑的95 %~98 %,冷煤氣效率70 %~76 %。由于水.HYL ENERGIRON直接還原項目的建設,年產(chǎn)煤漿中含有35%~40%的水分,因而氧氣用量能170萬(wàn)t,DRI的金屬化率為94, 0 %,w(C)為較大。進(jìn)料采用75 %以上的小于0.074 mm煤粉2.5%。制成的水煤漿,煤漿中煤粉質(zhì)量分數為65%~在HYL工藝與魯奇煤氣化工藝連接時(shí),合70%。理論上Texaco可用于各種煤的氣化，但成氣消耗為849 m2/t DRI,合成氣溫度為40 C,經(jīng)驗表明最適宜的煤種應是灰熔點(diǎn)為1300C左壓力為2.75 MPa。循環(huán)氣量為1 800 m3 ,進(jìn)EN-右、灰分低于20%的煤種;氣化爐單爐投煤量一ERGIRON裝置的氣體成分[2]為:q(CO2)為4 %,般為1 000 t/d,最大可達2 000 t/d.φ(H2)為39 % ,q(CH, +C, H,)為10 %,p(CO2)我國已有山東魯南、上海焦化、陜西渭化、安.為26 %,p(H2 O)為0.3%,φ(N2)為0.2 %,徽淮化、金陵石化、南化公司等近30套裝置投運，φ(H2 +CO)/q(CO2 + H2O)為2.4.有些已具有10多年的工業(yè)化經(jīng)驗,到目前為止運行基本良好。但由于水煤漿中含有40 %的水,使3煤氣化技術(shù)的工業(yè)化現狀其熱值降低,因而對煤質(zhì)的限制比較嚴格,成漿性目前國內外開(kāi)發(fā)的煤氣化技術(shù)有多種,其中差、灰分較高、灰熔點(diǎn)高的煤,經(jīng)濟性較差。有代表性的大型工業(yè)化工藝主要有魯奇法(Lur-3.3 Shell 煤粉氣化爐gi).恩德法(Undok).德士古法(Texaco).殼法Shell氣化爐是20世紀70年代由Shell公司(Shell)等。開(kāi)發(fā)的干式供料氣化爐,純氧作氣化劑。荷蘭比3.1 Lurgi 煤氣化技術(shù).赫訥姆大型煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置(IGCC)單Lurgi 氣化技術(shù)是1種固定床加壓氣化技術(shù)，機規模2 000 t/d的氣化爐已商業(yè)化運行。不僅Lurgi氣化爐是目前世界上建廠(chǎng)數量較多的,運行可使用包括劣質(zhì)的次煙煤、褐煤、煙煤和石油焦等中的氣化爐達數百臺。Lurgi 爐生產(chǎn)能力大,碳轉不同種類(lèi)的煤,還可用于生物燃料和廢棄物等的化率高達99.9 %,以粒度8~ 50 mm、活性好、不粘氣化。Shell 氣化爐特點(diǎn)包括:采用粉煤供料;單結的煙煤或褐煤為原料,在固定床中用氧與蒸汽連機規模1 000~4 000 t/d;氣化火焰中心溫度隨煤續氣化生產(chǎn)煤氣,氣化壓力2.0~3.0 MPa,氣化溫種不同約在1 400~2 200 C之間;冷氣效率80 %度900~1 050 C ,單爐投煤量- -般為1000 t/d(最~83 %,碳轉化率可達98 %以上。煤氣中大可達1 920t/d)。氣化煙煤時(shí),粗煤氣中:p(CO)φ(CH,)極小,不含重烴,有效氣體q(CO+ H2)可為15 % ~25 % ,q(2)為24 %~34 %,q(H2)為達90 %以上(一般q(H2)為27 %、p(CO)為34 %~40 %;q(CH)為9 %~13 %,爐頂煤氣溫63 %),p(CO2)約占10%。國內從2006年開(kāi)始度250~350 C。冷煤氣效率高(約89 %),且由于先后有岳陽(yáng)洞氮、湖北雙環(huán)等10余家企業(yè)引進(jìn)了氣化爐煤氣出口溫度低,對煤氣冷卻及凈化系統的16臺該氣化爐。材料要求也低。單爐產(chǎn)氣量達到90 000 m2/h。我與水煤漿氣化爐相比,氧耗可降低15 %~國山西的天脊化肥集團公司、云南解放軍化肥廠(chǎng)用20%,從而降低了配套空分裝置的投資和運行費該爐生產(chǎn)合成氣。Lurgi 爐生產(chǎn)的煤氣中含有較多用;單爐生產(chǎn)能力大,設備單位容積產(chǎn)氣能力較CH,且含焦油、酚等物質(zhì),粗煤氣凈化和焦油處理高;在中國煤化工小,結構緊湊，單元不可避免。占地化在高溫下進(jìn)3.2 Texaco水煤槳氣化技術(shù)行，TDHC NM HGI得極其充分，Texaco爐是美國Texaco公司開(kāi)發(fā)出的水煤影響環(huán)境的副產(chǎn)物很少,環(huán)境效益好。第3期胡俊鴿,等:煤氣化氣用于氣基豎爐生產(chǎn)DRI技術(shù)的進(jìn)展●53●由于省去了煤粉制漿T序,Shell對煤種沒(méi)有原工藝的要求,但煤氣中φ(H2 )/q(C))之比僅為制漿性的要求,因此煤種適用性更廣。shell 爐最0.4左右,因此也必須進(jìn)行00轉換。恩德煤制氣大缺點(diǎn)是投資高,設備造價(jià)過(guò)高.配套的干燥、磨經(jīng)脫Ch處理可直接用于Midrex 豎爐;但若用于煤、高壓氮氣及回爐激冷用合成氣加壓所需的功希爾豎爐,需進(jìn)行CO轉換。耗較大。實(shí)際上,Lurgi法和Undok法已分別被印度3.4 Undok煤氣化技術(shù)金達爾和中國海城市東四型鋼有限公司選用,分Undok爐是1種流化床煤氣化爐,在接近常別作為希爾ENERGIRON和HYLII直接還原的壓下運行。其對褐煤、長(cháng)焰煤,不粘煤.弱粘煤等煤制氣工藝。均可進(jìn)行有效氣化。對煤質(zhì)要求:灰分質(zhì)量分數但從資源限制、生產(chǎn)能力、消耗指標及環(huán)保等小于40 % ,水分質(zhì)量分數小于8 %,粒度小于10方面來(lái)看,Lurgi卻是4種煤氣化技術(shù)中先進(jìn)性.mm。根據所產(chǎn)煤氣的用途和要求,氣化劑可以最差的1種工藝。Texaco 和恩德法設備國產(chǎn)化有空氣加水蒸汽、富氧空氣加水蒸汽、純氧加水蒸率較高,因此投資和運行成本.上具有優(yōu)勢。從發(fā)汽等幾種選擇。展觀(guān)點(diǎn)來(lái)看, Shell技術(shù)具有較大發(fā)展潛力,但目單機規模為500~2 000 t/d,單爐產(chǎn)粗煤氣有前設備投資成本較高。5 00.1 000.2 000.4 000 m2/h等爐型。冷氣效5結論率70 %~75 % ,生成氣中q(H z+C0)大于80 %。4適用于氣基豎爐直接還原的煤氣化技無(wú)論是Midrex,還是HYL技術(shù),都可以使用煤氣化氣來(lái)生產(chǎn)直接還原鐵,并且都已獲得了工術(shù)分析業(yè)化應用。Midrex 與HYL技術(shù)都對煤氣化氣從對豎爐氣基直接還原工藝的分析發(fā)現,對有一定要求,相比來(lái)說(shuō),HYL要求得更嚴格- -些。于HYL ZR或者HYL ENERGIRON工藝,只能在已大型T.業(yè)化的煤制氣技術(shù)中,應用最廣和最使用煤氣化氣中含有一定量的CH,的氣體。如具發(fā)展潛力的有Lurgi. Texaco. Undok和Shell果煤氣化氣中含有一定量的CH,經(jīng)脫CO2處理技術(shù)。Lurgi法制得的氣經(jīng)過(guò)脫COr后可直接用后就可直接供還原豎爐使用。對于HYLI工藝,于Midrex和HYL豎爐。Texaco 和Undok法煤要求φ(H2 )在74.1 %以上,p(H2 )/p(CO)之比制氣經(jīng)脫COr處理后可用于Midrex。對于HYL為5.7,φ(H2 + CO)/q(H2 0+ CO2)之比為.豎爐,用Texaco. Undok和Shell技術(shù)制得的氣18. 53;如果H2體積分數較少,則需經(jīng)催化轉換反體都需經(jīng)過(guò)處理和轉換才可使用。這幾種煤制氣應進(jìn)行調整(CO+ H2(→H2 + H2O),把大部分法比較來(lái)說(shuō), Texaco. Undok在投資上具有優(yōu)勢，CO轉化為H2后才能供豎爐直接還原使用。對Shell具有發(fā)展潛力。于Midrex工藝,其還原氣體對H2體積分數的要求不是那么苛刻，只要滿(mǎn)足氣體中H2與CO的總[參考文獻]體積分數大于90 %、p(H2 + CO) /q(H2 0+CO2)之比至少為10以及p(H2)/q(CO)之比為[1] 錢(qián)暉,周渝生編譯. HYLI直接還原技術(shù)[J].世界鋼鐵，2005,(1);16-21.0.5~4. 0即可。對前面所述4種煤氣化技術(shù)進(jìn)行比較[+6],魯[2] 周渝生,錢(qián) 暉,張友平,等.非高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展方向和策略[]世界鋼鐵,2009,(1)1-8.奇法所制氣中,(CH )較高,其次是Undok法。從[3]程林生. 國內外煤氣化爐的特點(diǎn)及在煤化I領(lǐng)域的應用煤氣成分來(lái)看, Lurgi是最適合于直接還原的制氣[].山西化T.2008,(4).26 29.技術(shù),經(jīng)過(guò)脫CO2后可直接用于豎爐。用Texaco[4] 羅承先,周韋慧煤的氣化技術(shù)及其應用[J].中外能源，2009.(1):28-35.煤氣生產(chǎn)直接還原鐵,經(jīng)過(guò)脫Ch處理后可直接用[5]周永順. 恩德粉媒氣化技術(shù)及其應用[J].工業(yè)動(dòng)力.2008,于Midrex豎爐;但若要用于希爾豎爐,除了要對煤(2):26-33.氣進(jìn)行脫碳處理外,還需要對煤氣中的CO進(jìn)行變[6]中國煤化工 酉部煤化工，200換以增加還原氣中的q(H2)。Shell 煤制氣得到的煤氣中有效氣成分是3種氣化T.藝中最高的,理想MYHCNMHG狀態(tài)下無(wú)需脫Cr煤氣的還原勢就已接近直接還(收稿日期:2009-10-14)