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气基直接还原工艺技术研讨会--72--流化床粉煤气化技术在直接还原铁行业的应用探索郭俊成，倪嵩波，周俊超，黄晶晶，黄益平，陈英才，陆晓咏中建安装工程有限公司摘要：直接还原铁行业必须以优质、稳定的还原气作为气源，发展低成本、适宜的煤制气技术可以有力促进我国直接还原铁技术发展。本文通过将中建安装公司自主研发的流化床粉煤气化技术应用于竖炉还原铁工艺，将传统炼钢厂改造成煤气化联合竖炉工艺生产DRI，原炼钢工艺的制氧系统和气柜等设备可用于气化工段，不需要炼焦煤、天然气情况下，环保指标优于高炉，可降低投资成本，具有明显的技术优势，可解决国内中小型传统炼钢厂生存困难的难题。关键词：气化炉；还原铁；流化床；煤制气；煤基还原1、引言短流程炼钢一靠废钢，二靠直接还原铁（DRI）。我国废钢资源贫乏，特别是优质废钢更为缺乏，这使直接还原铁技术成为我国钢铁企业转型升级的最佳选择[1]。直接还原铁工艺按还原剂可分为气基法和煤基法，按还原主体设备分类则有竖炉法、回转窑法、转底窑法、隧道窑法等。气基竖炉法作为DRI生产的主流工艺，生产效率高，技术成熟，前提是必须有大量廉价还原气资源。天然气热值高、灰分少，但资源紧缺，价格高；且天然气主要成分是甲烷，作为炼铁能源必须变换为H2和CO为主的煤气，成本较高。我国是钢铁大国，原燃料消耗大，但天然气资源紧缺，铁矿多是贫矿、需要经过细磨精选造块才能使用。而大型煤制气工艺作为我国作为化工行业的常规成熟技术，其生产经济性和稳定性已得到充分验证，煤制合成气完全可作为气基竖炉还原剂的可靠来源。因此，将煤制气和竖炉工艺有机结合形成煤制气-竖炉直接还原炼铁新工艺流程，将为中国大规模生产DRI提供有利条件。将气流床煤制气结合竖炉技术直接还原炼铁已有相关研究[2][3]。虽然气流床产气量大，转化率高，但故障多、检修频繁、开停炉时间长、连续运行时间短，且装置成本投资高，而还原铁行业急需的是投资成本低，运行稳定，能耗低，开停车方便的造气技术，则使用流化床粉煤气化技术生产还原气，并应用于竖炉还原铁工艺生产无疑是最佳选择。2、中建安装流化床粉煤气化造气技术应用于还原铁工艺中建安装流化床粉煤气化技术是在国内流化床气化技术的基础上进行多项技术改进从而形成的具有自主知识产权的成熟煤气化技术（专利号：ZL201320866973.4；ZL201320866974.9）[4][5]，该工艺不需要炼焦煤和天然气、环保指标优于高炉，具有明显的优势。目前我国许多中小型传统炼钢厂生存困难，可将其进行改造，采用中建安装流化床粉煤气化技术作为还原剂气源，联合竖炉工艺生产DRI；原炼钢工艺的制氧系统和气柜等设备可保留用于气化工段；此外，竖炉工艺对还原气的要求较低，因而粗煤气可与炉顶气共用一套气体净化系统，进一步降低投资。两部分工艺由此可实现平稳对接。系统流程如图1所示：气基直接还原工艺技术研讨会--73--备煤系统中建气化炉旋风分离器废热锅炉洗涤冷却贮存压缩除尘捕滴脱硫脱碳冷却压缩机加热炉竖炉循环水废水水蒸气软水粗煤气返料灰渣干煤粉原煤空气（氧气）水蒸汽球团矿冷却海绵铁中建安装粉煤流化床气化造气系统除尘图1.煤气化联合竖炉工艺生产DRI系统图2.1系统说明1）备煤系统：从用户的煤储仓来的原煤送入备煤车间，进行必要的筛分、破碎，使其粒度≤10mm。而后送入干燥系统进行干燥。合格的粉煤（水分＜10%）用气力输送系统送入气化炉系统或车间；2）造气系统：造气系统工艺流程图及工艺描述参见下文章节3所述。3）压缩系统：依补充气要求的压力而定，一般选出口压力为8atm送入脱硫、脱CO2系统；4）脱硫、脱碳：主要脱除H2S，使H2S含量≤100ppm以下，采用湿法脱硫；再采用PSA法脱除H2S和CO2：使CO2含量≤2.5%；总硫含量S总≤50～100mg/Nm3；5）压力调节：补充还原气可依最终用户要求进行提压，以满足不同工艺需求。2.2技术指标1）预期补充气还原气组成(表1)表1.预计补充气组成组分CO+H2CH4CO2H2OH2S含量90～92%4～6%＜2.5＜2%＜100ppm2）煤样估算气基直接还原工艺技术研讨会--74--30万吨还原铁配套的气化炉制气，用某煤矿产出的褐煤为原料进行纯氧制气，产气量按下游工段需求可采用多台并用，如：2台50000Nm3//h的产量可满足60万吨还原铁用的煤气；气化炉的操作弹性在60～105%之间，可不设备用炉。气化炉出口煤气组成如表2所示：表2.气化炉出口煤气组成组分COCO2H2CH4H2SO2N2V%32~3424~2637~393~40.1250.20.68▼原料消耗量：以每台气化炉为准，产气量为50000Nm3(干气)/h，消耗入炉煤：29240kg/h；消耗入炉氧：12480Nm3/h；消耗入炉蒸汽：22000kg/h；▼工艺期望值：煤转化率：94%；气化效率：74%；热效率：80%；渣中碳含量：6～10%；渣量：1500kg/h；飞灰炭含量：20～30%；飞灰量：2850kg/h；产品气中（CO+H2）：70～73%；副产蒸汽量：28～30t/h3）配套空分需要配套的空分装置，建议选择14000Nm3/h的制O2能力，可同时满足、煤变、水变对氧的要求。多余O2可出售。3、中建安装流化床粉煤气化造气系统工艺（见图2）3.1原料系统1）上煤装置：由备煤系统送来干燥后合格的（水份≦10%，粒度﹤10mm）粉煤通过气力输送泵送入粉煤漏斗，进入贮煤槽。槽下有短管，用来联接螺旋供煤机。贮煤槽中的粉煤通过螺旋供煤机分三路（三个方向）进入煤气发生炉。2）氧气。由空分送来的压力氧气经减压至50kpa送入界区，并通过管线和加热器加热至150℃送入与蒸汽的混合器，氧气和蒸汽共同进入环管，并通过8个下喷嘴和24个上喷嘴送入气化炉中。3）蒸汽。蒸汽在混合器中与氧气混合后，通过喷嘴喷入炉内。气化炉初始开车时需外部供气（4～6t/h），待运行稳定后工艺自产蒸汽可满足生产需求。3.2煤气发生炉系统发生炉是气化反应的主要关键设备，由上部半球型封头与下部圆锥状封头组成的倒梯台型的圆筒状炉体。气基直接还原工艺技术研讨会--75--在发生炉圆锥状封头下部设有8个下喷嘴（称一次喷嘴），该喷嘴与发生炉断面构成一定的斜角和倾角，用来喷入蒸汽和氧气，使粉煤流化。锥体下部设有煤尘回流管入口，随粗煤气离开发生炉的煤尘经回流旋风分离器捕集后由此回到炉内继续参与反应。发生炉底部设有排渣管，中部设有上喷嘴作为二次喷嘴喷入气化剂进行二次反应。炉壳为钢板，其内部用耐火砖或浇筑料砌成。煤气在该流化床煤气发生炉内生成。在煤气发生炉内通过气化剂（氧气与蒸汽混合物）使煤、灰处于流化状态，并且在950℃～1050℃，12～18kpa压力下，发生炉内粉煤和气化剂经过复杂的分解氧化还原等化学反应生成煤气。生成的煤气和粉尘一同由发生炉上部进入回流旋风分离器，分离部分粉尘的煤气则进入下一级旋分至余热回收的锅炉中降温准备进一步除尘，粉尘经过回流管重返发生炉参与气化。积存于发生炉底部的炉渣灰则通过螺旋排灰机排入到贮灰槽内。贮灰槽下设冷渣机，将灰冷却至100℃，再通过气力输送泵送至界区外的渣仓。由高温旋风分离器流入到废锅I的煤气温度高达850℃～900℃，利用其显热生产中压蒸汽，使煤气温度降到550℃以下，保证其后的除尘装置能顺利安全运行。其蒸汽一部分减至0.6Mpa供发生炉自用，多余部分可外送。3.3除尘系统来自锅炉工段的煤气进入过滤式波特管式高温除尘器，滤后的粉尘含量低于﹤10mg/m3（干气），工作时部分管被热N2反吹后重新投入使用。3.4余热回收系统550℃的高温炉气的热量采用锅炉Ⅱ（低压锅炉）回收热量，生产出0.6Mpa的蒸汽并过热至280℃以上送入发生炉中做气化剂。蒸汽的过热器设在锅炉Ⅱ的中部。锅炉前另有一中压蒸汽过热器。经过热器过热后的煤气温度降至500℃左右进入锅炉Ⅱ。锅炉Ⅱ下部设有省煤器，使热煤气温度降至180℃左右。锅炉水为压力0.3Mpa的常温除盐水，经冷渣机、冷灰器后进入除氧槽，热力除氧后，加压送入各个锅炉。低于180℃的热煤气进入煤气冷却器进行冷却，此时有冷凝水从煤气中析出，煤气经分水后进入煤气冷却塔冷至45℃左右经U型水封去气柜。在U型水封前设有开工用的煤气风机一台，开工时不合格气排入烟囱。3.5工艺安全措施在正常运转和试运转时，必须使用安全气（一般选用N2）。在锅炉I下部出口管道上设有一安全水封器，在超压时保护设备。3.6环保说明煤气中无焦油和酚类，由于连续制气，无放空，未有废气排出。水封器、锅炉及冷凝器排出的少量水（小于60t/h），由总厂统一处理。少量炉渣(含碳8%)、粉尘（含碳20%）由用户自行处理。本装置产生的炉渣和粉尘由气力输送泵送入界区外的渣仓和灰仓。气基直接还原工艺技术研讨会--76--4、中建安装常压流化床粉煤气化造气工艺技术优势：4.1适用煤种丰富，原料价格相对低廉本造气工艺用煤的基本要求为：热值＞13.7MJ/kg、灰份＜40%、灰熔点＞1250℃、活性（950℃）＞80%、粒度0~10mm。其适用煤种较广，可选用高灰分的长焰煤、褐煤、不粘或弱粘煤，对煤种的要求较低。可使用价格低廉的褐煤是其主要优势。就备煤系统而言，Shell气化技术要求进料煤粉粒度小于0.1mm，水分含量小于2%，其磨煤及干燥过程能耗巨大；GE气化技术由于采用水煤浆进料，同样需将原煤磨至小于0.1mm的细煤粉，而后配制成60%左右的水煤浆，不仅工序复杂，且制浆过程中煤损耗高达8%；而本研究所需0~10mm煤粉对磨煤要求较低，同时可直接利用部分廉价粉煤，使原料成本显著降低。此外，对煤灰熔点、水分、灰分、挥发分和总硫的要求也是最低的。4.2规模适中、装置系列化本气化技术单炉生产能力包括20000Nm3/h、40000Nm3/h、50000Nm3/h等，对于更高的合成气规模，可通过多套单炉装置叠加。我国炼钢厂规模化程度低，以中小炼钢为主，以100万吨特种钢生产规模计算，还原铁需求量不超过60万吨/年，约2台50000Nm3/h吨中建安装气化炉即可满足其对还原气的需求。4.3运行成本、设备投资相对较低本气化技术成熟可靠，稳定运转周期达一年以上，并有自主专利。装置投资、维护费用均较低。由于是常压装置，中建安装气化炉可设置大容量气柜，可在气化炉出现故障后的一段时间内继续向下游工段提供还原气，为后续设备停车提供足够的缓冲余地。此外，流化床气化炉开停车操作简单，中建安装气化炉甚至可闷床数天后直接启动。相对的，气流床气化技术，如GE和Shell技术引入中国较晚，缺乏长期运行经验，且为高压装置，操作难度大，因而故障多、检修频繁、开停炉时间长、连续运行时间短、开工率低，特别是Shell炉，国内厂家普遍反映其连续运行天数不超过40天。同时由于高压设备造价高，维护困难，一般不设缓冲气柜，发生事故时容易造成连锁次生事故。对于希望能长周期连续生产的炼钢企业而言，这种现状显然是不能接受的。另外，由于技术被国外垄断，引进时还需要高额技术转让费用。4.4能耗低表3列出了三种气化工艺的技术指标[6]。可以看出，虽然中建安装气化技术气基直接还原工艺技术研讨会--77--合格粉煤氧气蒸汽冷却水回水(二次水）N2150℃1237556415161789去除氧槽1110（16）1213140.4MPa32℃1818181920煤气（灰）N?28蒸汽29210.6MPa280℃2.5MPa280℃-320℃303125262734去渣仓50kPaN20.7MPa去灰仓去灰仓去灰仓约40吨冷凝水550℃去中压锅炉180℃27kg0.6kg45℃351、煤斗2、煤贮槽3、混合器4、给煤机(a,b,c)5、排灰机6、烧嘴7、梯台式气化炉15、热灰贮槽16、冷渣机17、气力输送泵18、过滤除尘器19、冷灰器20、粉尘槽21、低压余热锅炉8、回流旋分器9、高温旋分器10、冷灰器11、粉灰槽12、中压余热锅炉13、灰斗14、安全水封29、分汽缸30、低压锅炉给水泵31、中压锅炉给水泵32、33冷却水给水泵34、煤气引风机35、烟