第四章-直接还原流程(上)

第四章直接还原流程4.1重点流程MIDREX4.1.1流程概述MIDREX法是Midrex公司开发成功的。较大影响的是1984年Korff工程公司推出的海绵铁热压技术。MIDREX基本流程和主体设备在目前已经投产的工业装置中没有明显的变化。还原气由天然气经催化裂化制取，裂化剂采用炉顶煤气。还原气含CO及H2共95％左右，温度为850～900℃。CH4+H2O=CO+3H2;CH4+CO2=2CO+2H2MIDREX竖炉属于对流移动床反应器，分为预热段、还原段和冷却段三个部分。预热段和还原段之间没有明确的界限，一般统称还原段。炉顶煤气冷却，针对含硫较高的矿石。4.1.2MIDREX原料原料要求S、Ti要求严。S≤0.01％(炉顶煤气冷却≤0.02)。TFe和脉石。→渣量矿石还原性适应性强。高温性能。高温抗压、还原粉化原料种类。早期基本使用全球团矿冶炼，目前将其他矿种与球团矿混合使用。混用比例以综合金属化率不低于92％及不产生大量粉尘为原则。天然块矿使用比例一般在20～60％之间。4.1.3还原竖炉基本结构及运行情况炉料→料斗→炉料分配器→还原段→冷却段→输送装置（上输送机→中输送机→下输送机）→排料装置（下气封→摆式卸料机）4.1.4气封系统采用气封技术防止炉顶煤气和冷却气的逸出。密封气由转化炉燃烧尾气经净化和加压得到。气封的重点部位是炉顶和炉底。其它可能漏气的透孔也采用气封，包括阀门、一次测量仪表和烧结物破碎机的传动轴等。密封气的压力通过压差调节器(PdC)控制到较密封点炉内压力约高500Pa。4.1.5还原段竖炉还原段外部是钢壳，内衬保温层和耐热层。竖炉直径：还原段直径。还原气→围管→喷嘴→炉内。还原段的大部分区域温度约为820℃。铁氧化物在与还原气的对流运动中一般要还原至Rm92％。矿石在还原段中的停留时间约为6h。炉内温度使用热电偶监测，分三组。各组热电偶所测温度值差别过大可反应气流情况，可以发现结瘤、管道等问题。4.1.6冷却段从还原段出来的海绵铁温度高达800℃以上，必须冷却。冷却段是炉内构造最复杂的区域，主要装置是一套冷却气系统，它由一个冷却气洗涤器、一个加压机、一个脱水器、一个冷却气分配器和一套复杂的臂路组成。约40℃的冷却气→总管→分配器→与炉料对流向上运动→冷却气搜集罩→出口管道→煤气洗涤器→加压脱水→分配器。圆锥体的作用：下降的悔绵铁被迫离开中心区；减小分配器对海绵铁下降运动的阻力；加强冷却效果。海绵铁输送机(一组叶式烧结物破碎器)的作用：控制物流和破碎烧结物。冷却段装有3个，分别称为上输送机(3个)、中间输送机(3个)和下输送机(1个)。破碎机的负作用：破坏未发生粘结的球团矿，产生粉末。当叶片的线速度等于球团矿的下降速度时，可使这种破坏作用降低到最小限度。因此，破碎机的转速采用无级可调的控制方式。4.1.7MIDREX装置与能耗MIDREX是目前最完善的直接还原工艺。自20世纪50年代末实现工业化以来，已形成不同规模的标准化设计：100型：年产海绵铁16.5万t400型：年产海绵铁45万t600型：年产海绵铁67.5万t1000型：年产海绵铁100万t其中使用最广泛的是400型的设计方案。MIDREX技术发展的主要目标是竖炉大型化、减少转化炉数目和提高尾气余热利用率。使用第二代转化炉的MIDREX装置综合能量利用率，较第一代装置约高出6.3％。主要原因是由于第二代上艺使用一个换热器依次对助燃空气和原料气进行预热，充分利用了烟气中的余热。其次第二代转化炉将催化反应管直径从250mm减小到了200mm，可提高转化炉的热效率。4.1.8MIDREX重要工艺参数利用系数。还原段为8，还原段与预热段为7.38，全炉为4.8。MIDREX竖炉采用常压操作。炉顶压力约为40kPa，还原气压力约为223kPa。MIDREX的技术经济指标受原料性质的影响很大。标准流程的代表性操作指标如下：4.1.9流程分支MIDREX有三个流程分支：EDR、炉顶煤气冷却和热压块。炉顶煤气冷却流程是针对含硫较高的铁矿而开发的，它的特点是采用净炉顶煤气作冷却剂。完成冷却过程后的炉顶煤气再作为裂化剂与天然气混合，然后通入转化炉制取还原气。两个流程的区别不大，在生产过程中可作为两种不同的操作方式以适应不同硫含量的矿石。炉顶煤气的硫中，约30～70％可在冷却过程中被海绵铁脱除。在海绵铁含硫不超标的前提下，煤气中含硫气体约可降至10×10-6以下。炉顶煤气冷却流程的气路大致形成一个单环，标准流程的气路则形成双环。因此，有人将炉顶煤气冷却流程称为单循环操作方式，标准流程称为双循环操作方式。热压块流程与标准流程的差别在产品处理。完成还原过程后的海绵铁在标准流程中通过强迫对流冷却至接近环境温度。热压块流程则没有这一强迫冷却过程。而是将海绵铁在热态下送入压块机，压制成90mm×60mm×30mm的海绵铁块。热压块流程：竖炉中海绵铁(约700℃)→中间料仓→螺旋给料机→热压机→串状海绵铁→破串机破碎→压块→冷却槽水浴冷却→海绵铁压块产品。未压块海绵铁压块海绵铁4.1.10MIDREX工艺新技术氧化球团预涂层处理。可以使操作温度更高，提高生产率，同时防止粘结。还原气体的温度提高到了900℃以上。还原气体的温度升高了100℃多度，而竖炉炉料的温度只上升了40℃。所有这些改进都对主要投资成本没有影响，且对典型的Midrex直接还原殴备没有原则性改动。吹氧增产技术（OXY+®）。与氧气燃烧引起的还原气体质量下降相比，升高还原气体的温度具有明显的生产优势。热连接技术为利用重力把700℃以上热直接还原铁从Midrex竖炉送至邻近电炉提供一种简单、可靠、经济的方法。该方法能提高电炉的高质量钢材生产率，降低电耗。4.2BL流程BL流程直接还原流程是宝山钢铁(集团)公司(B)和鲁南化肥厂(L)联合开发的。流程的最大特点是使用非焦煤制取还原气，使竖炉海绵铁生产脱离了天然气资源的限制。对于缺乏廉价天然气资源的地区具有极大的吸引力。流程由造气、还原气加热、还原和尾气清洗四大系统组成。4.2.1造气系统BL流程使用非焦煤制取还原气。造气采用德士古工艺：水煤浆＋工业纯氧(气化剂)→造气炉→荒煤气→清洗(去水蒸气和CO2)→净煤气(基本还原气)。此工艺中，可利用荒煤气所含的物理热和化学能，将H2O转化成H2。因此，该工艺所使用的还原气xH可凋范围极大可在基本还原气的基础上随意提高还原气含氢量。基本还原气配入所需氢气后即为冷还原气，冷还原气经专用管道通往还原气加热系统。4.2.2还原气加热系统还原气加热系统的主要设备是两台还原气加热炉。还原气加热炉的构造与高炉用石球式热风炉相似。加热炉采用一烧一送的工作方式。加热炉燃烧气可采用还原尾气或民用煤气。燃烧废气主要由CO2、H2O、N2和少量其他气体组成，通过烟囱排入大气。冷还原气通过加热炉后被加热至900℃左右。可通过混气阀兑入适量冷还原气，将还原气温度调节至所需要的水平。具有合适温度的还原气通过热还原气管道送至还原系统。4.2.3还原系统还原系统的主体设备是一个竖炉。竖炉以球团矿或天然块矿为原料。在下降过程中，炉料完成预热和还原，至还原气进口下方200mm处已形成预期的海绵铁。冷却气采用加热炉燃烧气。由于冷却段加装了水冷炉壁，在一般的生产强度下不必通入冷却气即可满足冷却需要。只有在较高的强度下才需要通入少量冷却气。接近环境温度的海绵铁依次通过炉底两个并列的排料上密封阀排入两个海绵铁料仓。然后定时通过两个下密封阀排出炉外。4.2.4尾气清洗系统还原尾气和冷却尾气进入尾气清洗系统后分别通过一个洗涤塔，将粉尘洗净。然后再分别通过一个脱水器，将机械水分离出来。净冷却尾气和净还原尾气应当根据具体成分统一或分别予以回收。4.2.5原燃料性质工业试验共使用了四种铁矿：巴西CVRD球团(巴西球)，瑞典球团(瑞典球)，澳大利亚纽曼山块矿(澳洲块)，巴西MBR直接还原块矿(巴西块)。基本还原气中CO和H2约占总量的95％。此外还有0.8％左右的CH4和微量的含硫气体，其余基本是CO2。冷还原气在加热过程中会发生水煤气反应，使成分稍有变化。其他还原气是在基本还原气的基础上配加纯氢形成的。工业试验共使用了10种成分的还原气，热还原气性质见下表。4.2.6主要工艺参数BL法工业试验的最显著特点是还原气成分范围宽，xh值覆盖了0.4～0.9的区域。4.3其它竖炉直接还原流程4.3.1HYL-Ⅲ流程HYL-Ⅲ流程是在墨西哥的蒙特利尔开发成功的，其前身是间歇式固定床罐式法(HYL-Ⅰ、HYL-Ⅱ)。也体现了由间歇运行到连续运行的进步趋势。还原气以水蒸气为裂化剂。以天然气为原料通过催化裂化反应制取。可使用球团矿和天然块矿为原料。料速通过卸料装置中的蜂窝轮排料机进行控制。可将冷还原气或天然气等作为冷却气补亢进循环系统。海绵铁在冷却段中温度降低到50℃左右，然后排出竖炉。与MIDREX流程相比，HYL-Ⅲ具有下列特点：(1)采用高压操作。炉内最高压力达600kPa。(2)以水蒸气为裂化剂，不存在裂化剂引起催化剂硫中毒的问题。因此对矿石含硫没有特殊限制。(3)竖炉运转失常时不影响还原气转化炉的工作。(4)在对设备不做大改动的前提下可改换转化炉工作方式。4.3.2ARMCO流程该流程配套还原气转化炉有两台，每台能力为需气量的60%。当一台转化炉发牛故障时可利用另一台维持生产。造气原料为天然气。裂化剂水蒸气利用转化炉烟气余热制取。从转化炉排出的新鲜还原气温度约为900℃，150kPa。成分为：H270％，CO20％，H207％，C023％，CH4少量。新鲜还原气须配入经过加压的净炉顶煤气，将温度调节到760～780℃才能通入还原竖炉使用。ARMCO使用80％的球团和20％的巴西块矿。球团矿粒度为5～20mm，成分见下表。成品金属化率约94％，气耗13.4GJ/t，电耗39kWh/t。4.3.3PUROFER流程的主要特点在制气单元。PUROFER流程可利用天然气、焦炉煤气或重油制备还原气。产品在热态下排出，直接入电炉，并备有热压机，以便在特殊需要时生产热压团块。制气单元配备两个像热风炉那样交替工作的转化炉，分别烧炉和进行还原气转化。转化炉中充填有催化剂。该工艺主要由重油气化、还原气净化、还原气预热和竖炉还原四部分组成。4.3.4WIBERG流程1932在瑞典开发成功。由于生产力太低，目前已无该工艺流程生产厂。流程的主要装置是一个造气炉、一个还原气脱硫炉和一个还原炉。3个反应炉都是竖炉。造气炉装有上下两组电极，内部填充焦炭或木炭，电弧加热。还原竖炉尾气加压后加水蒸气作为气化剂由炉顶通入造气炉，形成自上而下的气流。在流动过程中，气流中的氧化性气体得到还原，形成粗还原气。粗还原气由造气炉底部引出，温度约为1100℃，CO和H2总量约为96％。消耗掉的燃料自炉顶密封料斗补充，灰分自炉底排出。脱硫炉使用白云石或石灰石作为脱硫剂。粗还原气自下部送入脱硫炉，在流动过程中完成脱硫反应，温度也降低至945℃左右，形成还原气。还原气自脱硫炉上部排出，通往还原炉。还原气自炉底通入还原竖炉，穿过矿石料柱向上流动，将矿石还原成海绵铁。在炉身高度的约2／3处，设有一个循环气排出口。约65％的煤气量由此口排山，作为气化剂送往造气炉，剩余的煤气继续向上流动，参加高价铁的还原反应。通过还原带后的煤气当中，一部分作为过剩煤气排出竖炉。其余的与助燃风进行燃烧反应，加热入炉矿石。4.3.5PLASMARED流程PLASMARED是WIBERG的改良流程，于1981年投入使用。该流程与WIBERG流程的区别主要在造气部分应用了等离子技术，从而大大提高了装置的生产能力。流程不设还原气脱硫炉。等离子烧嘴装设于造气炉顶端。炉顶煤气部分经除尘且清洗CO2后，在等离子烧嘴内加热至4000～5000K，形成等离子气。循环炉顶煤气大部分则作为气化剂与造气燃料一起在烧嘴前方喷