-=-煤制气生产直接还原铁联合工艺的方案研究(4投稿版)修改说明

1稿件修改说明：（1）根据修改要求，对篇幅进行了缩减。在保证文章完整性的前提下，文章正文由9页缩减到8页；（2）对摘要做了适当补充,使之更加完整。（3）对一些行文用词做了修改，使之更加通顺。具体修改见后文。煤制气生产直接还原铁联合工艺方案的研究周渝生1，钱晖2，齐渊洪1，刘冬梅3，冯华堂3，张友平2（1.钢铁研究总院，北京，100081；2.宝钢研究院炼铁与资源环境研究所，上海，201900；3.宝钢工程技术有限公司，上海，201900）摘要：本文在分析比较了几种主要煤制气和直接还原工艺的基础上，结合中国的资源特点，提出了180万吨/年规模壳牌煤气化与HYL/Energiron竖炉生产直接还原铁的联合工艺流程，并对联合工艺的主要参数进行了计算，结果表明联合流程在能耗及环保指标上与传统高炉相比具有一定先进性。文章还对国内不同地区和原料条件下的联合流程的生产技术经济指标进行了对比，为煤制气生产直接还原铁的工程化提供方案参考。关键词：煤制气，直接还原，竖炉中国图书分类号：TF554StudyontheSchemeofDirectReductionIronProductionCombinedwithCoalGasificationZhouYushen1,QianHui2,QiYuanhong1,LiuDongmei4,FengHuatang3,ZhangYouping2（1.CenterIron&SteelResearchInstitute,Beijing,100081,China;2.BaosteelResearchInstitute,DepartmentofIron-making&Sustainability,Shanghai,201900,China;3.BaosteelEngineering&TechnologyCO.LTD,Shanghai,201900,China)Abstract:Basedontheanalysisoftechnicalfeaturesofseveralcoalgasificationanddirectreductionprocesses,a1.8Mt/acombinedprocessofShellcoalgasificationandHYL/EnergirondirectreductionshafthasbeenproposedwithconsiderationofnaturalresourcesavailabilityinChina.Theparameters,technicalofnewprocesshavebeencalculated.Itshowsthattheenergyconsumptionandemissionofthenewcombinedprocessisbetterthanblastfurnace.Theeconomicperformanceofnewprocesshasbeencomparedalsounderdifferentrawmaterialconditionsinvariousregion..Thisarticleprovidedaschemefortheengineeringofdirectreductionwhichusingcoalgasasreducingagent.Keywords:coalgasification,directreduction,shaftfurnace1前言中国钢铁产量虽已连续多年位居世界第一，但是在我国，因高炉炼铁加转炉炼钢的长流程比例过高，电炉炼钢的短流程比例过低,铁钢比过高。发展电炉炼钢需要大量的废钢和直接还原铁（DRI），因此在我国发展直接还原符合钢铁行业结构调整的自身需求。2发展直接还原技术的资源条件大规模生产DRI应当从本国的能源条件出发以保证能源和原料的持续、稳定供给。中国的能源结构特点是一次能源以煤炭为主（见表1），无论从探明储量还是储产比来看，煤炭都是中国发展直接还原技术的资源基础。表1中国的石油、天然气和煤炭储量[1]Table1Provedreservesofoil,naturalgasandcoalinChina石油天然气煤2010年探明储量148亿桶2.8万亿立方米1145亿吨占全球总量比例1.1%1.5%13.3%储产比9.9年29年35年从近20年的价格走势来看，国际上主要化石能源总体都在上涨（见图1），特别是2000年以后上涨速度明显加快。与1990年相比，2010年的原油价格上涨了2.8倍，天然气价格上涨了2倍，炼焦煤价格上涨了1.6倍，动力煤价格上涨了1.1倍。20年间，最高价与最低价之比原油为7.7，天然气为3.9，炼焦煤为4.5，动力煤为3.6。通过价格上涨和波动幅度的对比可以发现，以动力煤作为直接还原的原料在成本上的优势越来越明显。319901995200020052010020406080100120140160180200原油，炼焦煤和动力煤价格年份炼焦煤，美元/吨动力煤，美元/吨原油，美元/桶0510152025303540天然气，美元/Btu天然气价格图1主要能源价格走势（1990－2010）[1]Figure1Pricechangeoffossilfuel（1990－2010）3煤气化工艺的比较和选择煤气化是煤基多联产、整体煤气化联合循环发电（IGCC）及煤液化等工艺过程的共性技术和关键技术。虽然过去20年间煤气化技术在中国取得极大发展，但现在还没有哪一种煤气化技术可以适合于所有的工厂条件、下游工艺及原料要求。煤气化方法种类较多，本文对三种有代表性、已经过大规模商业运行验证的气化工艺的主要特点进行比例，从中选取一种为直接还原工艺提供气源，这三种气化工艺的技术指标见表2。Table2Comparisonofthreekindsofcoalgasificationprocesses表2三种煤气化工艺比较项目壳牌气化工艺德士古气化工艺鲁奇气化工艺气化炉床型气流床气流床固定床适用煤种褐煤、烟煤、无烟煤烟煤、无烟煤褐煤、烟煤气化压力，MPa2.0～4.04.0～6.52.0～3.0气化温度，℃1400～16001300～1500950～1050气化剂纯氧+蒸汽纯氧氧+蒸汽进料方式干煤粉60%水煤浆2～50mm块煤排渣方式液态排渣液态排渣固态排渣热回收方式废锅激冷或废锅激冷单炉最大投煤量，t/d300020001920耗氧量，Nm3/kNm3(CO+H2)330～360380～430140～240碳转化率，%999896冷煤气效率，%80～8570～7665～75煤气中CO+H2，%～90～80～65煤气中CH4，%0.010.019～12对环境影响较低较低废水含焦油、酚需处理鲁奇炉的特点在于合成气中CH4含量较高，这一点对于生产DRI尤其有利。不利之处在于鲁奇炉要求使用2~50mm块煤，原料适应性较差。另外，由于废水中含有焦油、苯、酚等有机物，净化系统较复杂。德士古炉技术上的特点是将煤粉制成水煤浆后可以实现高压泵送，所以气化炉的压力可以比干煤粉气化更高。当下游工艺需要高压合成气时，如合成气制甲醇，德士古炉出来的煤气可以节省煤气再压缩的能量消耗，甚至可能不需要压缩就直接供下游工艺使用。但是对于生产DRI来说，因为竖炉的压力都在1.0MPa以下，太高的煤气压力反而是浪费。另外，德士古炉通常都需要有备用炉。德士古炉在中国已有近二十年的应用，系统的国产化率高，因此在投资和生产维护上比其它引进技术有优势。壳牌煤气化工艺是最新一代的气化技术，在碳转化率、冷煤气效率、有效气（CO+H2）含量、环保排放等方面指标都很先进。从2000年开始，国内先后引进的壳牌煤气化炉共有23台。近几年壳牌煤气化工艺在工艺完善和操作改进方面取得了比较大的突破，单台日气化煤量可达到3000t，单台年累计运行时间已经达到330天[2]。由于技术和气化炉要从国外引进，加之采用昂贵的废热锅炉回收煤气显热，壳牌煤气化工艺在投资上要远远高于德士古,这一点对DRI的生产成本非常不利。基于大型化生产技术的先进性和可靠性，本文倾向于选择壳牌煤气化工艺。4直接还原工艺的比较和选择2010年全球DRI产量首次突破7000万吨，其中以Midrex和HYL/Energiron为代表的气基竖炉法生产的DRI所占比例超过73%[3]。与其它炼铁工艺相比，气基竖炉法的显著优点是单套设备产量大、能耗低、排放低（见表3），所以始终占据着直接还原技术的主流。表3主要炼铁工艺的设计能力和能耗比较Table3Comparisonofcapacityandenergyconsumptionofdifferentironmakingprocesses工艺名称还原剂反应器类型能耗GJ/t产品单炉产能万t/a产品形态MIDREX天然气竖炉10180TFe≥90%DRIHYL/Energiron天然气竖炉10190TFe≥90%DRI转底炉处理钢铁厂尘泥煤/天然气转底炉1214-40TFe≥65%DRI流化床FINMET天然气流化床13150TFe≥91%HBI转底炉生产粒铁ITMK3煤/天然气转底炉1514-30TFe≥93%粒铁高炉炼铁流程焦炭/煤粉高炉16400TFe≥93%热铁水COREX熔融还原块煤/焦炭预还原炉-熔化气化炉16.5120TFe≥93%热铁水SL/RN回转窑煤回转窑2015TFe≥90%DRI隧道窑煤隧道窑25-301-4TFe≥80%DRIMIDREX和HYL/Energyiron最初都是以天然气重整获得还原气体。由于选择了不同的天然气重整路线，两种工艺进入竖炉的还原气体成分有较大差别。MIDREX采用天然气与富含CO2的竖炉炉顶气重整，重整后得到的还原气体中CO含量较高，还原气的H2/CO在1左右；HYL采用的是天然气与水蒸汽重整，重整后得到的还原气体中H2较高，还原气的H2/CO大于2。众所周知，CO与Fe2O3、FeO的反应是放热反应，而H2与铁矿石的氧化还原反应是吸热反应。当CO浓度较高的MIDREX还原气体进入竖炉时只需加热到850℃，而H2浓度较高的HYL/Energyiron还原气体进入竖炉的温度则要加热到930℃。除了还原气的成分、温度之外，MIDREX和HYL/Energyiron之间的最大差别还包括竖炉的操作压力，前者的压力较低，只有0.2~0.3MPa，后者的压力较高，可以达到0.5~0.8MPa。从技术的先进性和可靠性来说，MIDREX和HYL/Energyiron均可选作与煤制气组成联合工艺生产DRI。本文将选择HYL/Energyiron主要是基于以下考虑：（1）HYL/Energyiron工艺的反应器压力较高，还原气体在竖炉中的流速较低，与球团或矿石的接触时间较长，利于提高还原效率，在同等产量规模下设备的体积更小；（2）HYL/Energyiron竖炉和天然气重整是两个独立的单元，不像MIDREX二者是耦合在一起的，因此只要将天然气重整单元替换成煤制气单元就可以与原先的竖炉相连，竖炉系统基本不用修改或重新设计，能够降低联合工艺的技术风险；（3）以H2为主的还原反应是吸热过程，可以避免因CO还原反应放热而使竖炉内局部温度过高引起的炉料粘结，炉内没有MIDREX炉必须设置的破碎装置等活动部件。5煤制气生产直接还原铁的联合工艺流程联合工艺采用壳牌煤气化炉和HYL/Energyiron直接还原竖炉，通过成熟技术将二个单元连接起来。中间的连接过程完成煤气成份、温度和压力的调整，使之满足竖炉对还原气的工艺要求。联合工艺流程如图2所示。图2煤制气生产直接还原铁联合工艺流程Figure2Schemeofdirectreductionprocesscombinewithcoalgasification首先，干煤粉与纯氧在壳牌气化炉内发生气化反应，气化炉压力4.0MPa，气化温度1500℃。高温煤气经废热锅炉换热、湿洗除尘后成为净煤气（○1），含尘小于1mg/Nm3，压力降至3.7MPa，温度降至170℃。接下来净煤气进入耐硫变换