煤气化气用于气基竖炉生产DRI技术的进展

2010年6 月钢铁研究June 2010●50●第38卷第3期Research on Iron &. SteelVol. 38 No, 3煤气化气用于气基竖炉生产DRI技术的进展胡俊鸽' ,高战敏?(1.鞍山钢铁股份公司技术中心,辽宁鞍山114009;2.鞍山钢铁<集团)公司矿山设计院,辽宁鞍山114009)摘要:介绍了煤气化气用于Midrex和HyL技术的发展和工业化应用现状。同时介绍了煤气化气技术的工业化现状及不同工艺的特点,对适用于Midrex和Hyl.工艺的煤气化技术进行了分析。Midrex与HYL技术都对煤气化气有一-定要求.相比来说,HYL要求得更严格-些。Lurgi 法制得的煤气化气经过脱Ch后可直接用于Midrex和HYL竖炉;用Texaco.Undok和Shell技术制得的煤气化气都需经过处理和转换才可用于Midrex和HYL竖炉。关键词:煤气化气;气基竖炉;DRI;还原剂中圈分类号:TF554文献标识码:A文章编号: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因为传统气基竖炉直接还原工艺以天然气为1煤气化气用于 Midrex技术的进展基础,使其推广应用受到了限制,只在天然气丰富的国家和地区才得以工业化应用。近年随着技术-般情况下,Midrex使用天然气作还原气源的发展,以COREX输出煤气、煤气化气和焦炉煤进行生产。因很多地区缺少天然气,所以很受限气等作还原气源进行直接还原铁生产的技术被提制。目前在全世界60多个Midrex模块中,有一出,并逐渐成熟。尤其是以煤气化气为还原气源例特殊情况,南非萨尔达那把COREX与Midrex技术的开发,对那些缺少天然气,又不具备用焦炉工艺配合使用,COREX工艺产生的煤气经过脱煤气等为还原气源条件的地区或者钢铁企业,具除CO2后可以作为Midrex工艺的还原气体。在有很重要的意义。COF中国煤化]FXOREX熔融气化炉=e水。:TY^HCNMHG作者筒介:胡俊鸽(1966- ),女.高级工程师.主要从事炼铁工艺和设备的研究.第3期胡俊鸽,等:煤气化气用于气基竖炉生产DR1技术的进展●51●近年来,由于对DRI的需要,使用煤气化器比设计为0.5~4.0。如果煤气化技术能产生符合与Midrex连接的概念被提了出来。煤气化装置要求的气体,就不需要转换装置来改变气体成分;的主要目的是产生Midrex工艺所需要的还原气如果q(H2 )太低,则需要进行气体转换。体。还原气体主要参数包括H2与CO的总体积南非萨尔达那的COREX与Midrex配合装分数p(H2)/q(CO)比、p(H2 + CO)/q(H2O+置中，COREX输出气体的φ( H2 )/q(CO)和COr)之比等。为了高效生产DRI, Midrex工艺φ(H2 +C0)/q(H2O+CO2)之比都较低,见表1.要求气体中H2与CO的总体积分数大于90 %,因此,必须选择CO2去除装置,南非COREX/φ(H2 +CO)/q(H2O+CO2)之比至少为10。一Midrex配合装置中选用了VPSA 来提高输出气般情况下,Midrex生产厂都把φ( H2 )/q(CO)之体的质量。表1 Corex 工艺输出煤气的成分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南非萨尔达那的COREX炉每生产1 t铁水传统HYLM T艺中使用天然气,天然气在重产生热值为7 350 kJ/m3 (p(C0+ H2)>65 %)的整器中裂解通常需添加水蒸汽。为获得φ(H2)输出气体2000 m',在去除CO2之后，只有在较高的还原气体,需要脱除CO2。HYLM工艺的q(H2 +C0)≥90 %时,输出煤气才能用来生产直1个主要优点是还原气体的产生和直接还原部分接还原铁。萨尔达那厂Midrex 装置的作业率约是独立的,在选择还原气体方面具有极大的灵活为90%,年产DRI量为75万t,DRI金属化率约性。目前的HYL.M技术可选择氢气.传统的重整为92 % ,w(C)约为1.6 %。气体、煤的气化气体焦炉煤气、碳氢化合物气体、2煤气化气用于希尔(HYL)直接还原工COREX排出气体等作还原气源。HYL叮工艺对还原气的要求如下:q(H2)在74.1 %以上，艺的进展φ(H2)/q(CO)之比为5.7,p(H2 +CO)/q(H2O2.1 HYLI工艺使用煤气化气+CO2)之比为18. 53(见表2)。表2 HYLM 工艺使用Coh脱除装置后所用气体的参数重整气/还原气/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 使用煤气化气的HYL ZR和HYL在ENERGIRON反应竖炉内部,会发生一ENERGIRON工艺些部分氧化和重整反应,生成还原铁氧化物所需为了降低总的投资成本,降低操作和维护成的还原气体H2和CO。本,希尔公司在HYL.I基础上,开发了ZR工艺。ENERGIRON还原气体源可以是含有一定.ZR工艺与传统HYLII相比,不需要重整装置。量碳氢化合物(如CH等)的任何气体,如天然还原气体在还原反应竖炉内,经过不完全燃烧,以气焦炉煤气、COREX熔融还原炉气体、煤气化及经过金属铁的催化作用进行现场重整而生成，气等。因此，ENERGIRON要求还原气体源中必从而对铁矿石进行还原。须含有一定量的CH,等气体。如果煤气化气中Tenova HYL与Danieli & Co又在ZR工艺含有一定量的CH,经脱CO2处理后就可直接供基础上,共同开创了1个技术品牌ENERGI-还原竖炉使用。R0N,该技术具有较高灵活性，可以满足客户根ENFRGIRON枯术在伸用含CH的煤气化据原料、燃料、能源供应和产品规格所提出的各种气等中国煤化工做任何改动。需求。有以下标准模块: 20(Micro-module)、50它可通1YHCNMHG体(自身重整)(Mini- module) .80、120、160、200万t /a。来提高还原效率。在反应器下部,CH与反应器●52●钢铁研究第38卷中的固体金属铁接触,由于催化作用进行重整。浆气化技术,是目前商业业绩最多的气化工艺。竖炉炉顶煤气中含有H2((g)和CO2,经过Texaco炉气化压力较高,工业装置气化压力在脱除后添加到还原气体中。还原气体在竖炉中发2.7~6.5 MPa范围内,个别达到8.4 MPa.气化生部分氧化而使温度达到1000C以上,为CH温度维持在1 300~1 400 C ,合成气质量较好,气重整和金属铁渗碳提供所需的能量。竖炉反应器化指标较为先进,其有效气体φ(C0+ H2)约为中发生复杂的吸热反应,使温度降到约820C,不80 %,p(C0)约占49 %,φ(H2)约占31 %)，会使铁矿球团发生粘结现象。印度金达尔于p(CH)<0.1 %,p(CO2)约占18 %,碳转化率2008年开始了使用鲁奇煤气化气作还原剂的95 %~98 %,冷煤气效率70 %~76 %。由于水.HYL ENERGIRON直接还原项目的建设,年产煤浆中含有35%~40%的水分,因而氧气用量能170万t,DRI的金属化率为94, 0 %,w(C)为较大。进料采用75 %以上的小于0.074 mm煤粉2.5%。制成的水煤浆,煤浆中煤粉质量分数为65%~在HYL工艺与鲁奇煤气化工艺连接时,合70%。理论上Texaco可用于各种煤的气化，但成气消耗为849 m2/t DRI,合成气温度为40 C,经验表明最适宜的煤种应是灰熔点为1300C左压力为2.75 MPa。循环气量为1 800 m3 ,进EN-右、灰分低于20%的煤种;气化炉单炉投煤量一ERGIRON装置的气体成分[2]为:q(CO2)为4 %,般为1 000 t/d,最大可达2 000 t/d.φ(H2)为39 % ,q(CH, +C, H,)为10 %,p(CO2)我国已有山东鲁南、上海焦化、陕西渭化、安.为26 %,p(H2 O)为0.3%,φ(N2)为0.2 %,徽淮化、金陵石化、南化公司等近30套装置投运，φ(H2 +CO)/q(CO2 + H2O)为2.4.有些已具有10多年的工业化经验,到目前为止运行基本良好。但由于水煤浆中含有40 %的水,使3煤气化技术的工业化现状其热值降低,因而对煤质的限制比较严格,成浆性目前国内外开发的煤气化技术有多种,其中差、灰分较高、灰熔点高的煤,经济性较差。有代表性的大型工业化工艺主要有鲁奇法(Lur-3.3 Shell 煤粉气化炉gi).恩德法(Undok).德士古法(Texaco).壳法Shell气化炉是20世纪70年代由Shell公司(Shell)等。开发的干式供料气化炉,纯氧作气化剂。荷兰比3.1 Lurgi 煤气化技术.赫讷姆大型煤气化联合循环发电装置(IGCC)单Lurgi 气化技术是1种固定床加压气化技术，机规模2 000 t/d的气化炉已商业化运行。不仅Lurgi气化炉是目前世界上建厂数量较多的,运行可使用包括劣质的次烟煤、褐煤、烟煤和石油焦等中的气化炉达数百台。Lurgi 炉生产能力大,碳转不同种类的煤,还可用于生物燃料和废弃物等的化率高达99.9 %,以粒度8~ 50 mm、活性好、不粘气化。Shell 气化炉特点包括:采用粉煤供料;单结的烟煤或褐煤为原料,在固定床中用氧与蒸汽连机规模1 000~4 000 t/d;气化火焰中心温度随煤续气化生产煤气,气化压力2.0~3.0 MPa,气化温种不同约在1 400~2 200 C之间;冷气效率80 %度900~1 050 C ,单炉投煤量- -般为1000 t/d(最~83 %,碳转化率可达98 %以上。煤气中大可达1 920t/d)。气化烟煤时,粗煤气中:p(CO)φ(CH,)极小,不含重烃,有效气体q(CO+ H2)可为15 % ~25 % ,q(2)为24 %~34 %,q(H2)为达90 %以上(一般q(H2)为27 %、p(CO)为34 %~40 %;q(CH)为9 %~13 %,炉顶煤气温63 %),p(CO2)约占10%。国内从2006年开始度250~350 C。冷煤气效率高(约89 %),且由于先后有岳阳洞氮、湖北双环等10余家企业引进了气化炉煤气出口温度低,对煤气冷却及净化系统的16台该气化炉。材料要求也低。单炉产气量达到90 000 m2/h。我与水煤浆气化炉相比,氧耗可降低15 %~国山西的天脊化肥集团公司、云南解放军化肥厂用20%,从而降低了配套空分装置的投资和运行费该炉生产合成气。Lurgi 炉生产的煤气中含有较多用;单炉生产能力大,设备单位容积产气能力较CH,且含焦油、酚等物质,粗煤气净化和焦油处理高;在中国煤化工小,结构紧凑，单元不可避免。占地化在高温下进3.2 Texaco水煤桨气化技术行，TDHC NM HGI得极其充分，Texaco炉是美国Texaco公司开发出的水煤影响环境的副产物很少,环境效益好。第3期胡俊鸽,等:煤气化气用于气基竖炉生产DRI技术的进展●53●由于省去了煤粉制浆T序,Shell对煤种没有原工艺的要求,但煤气中φ(H2 )/q(C))之比仅为制浆性的要求,因此煤种适用性更广。shell 炉最0.4左右,因此也必须进行00转换。恩德煤制气大缺点是投资高,设备造价过高.配套的干燥、磨经脱Ch处理可直接用于Midrex 竖炉;但若用于煤、高压氮气及回炉激冷用合成气加压所需的功希尔竖炉,需进行CO转换。耗较大。实际上,Lurgi法和Undok法已分别被印度3.4 Undok煤气化技术金达尔和中国海城市东四型钢有限公司选用,分Undok炉是1种流化床煤气化炉,在接近常别作为希尔ENERGIRON和HYLII直接还原的压下运行。其对褐煤、长焰煤,不粘煤.弱粘煤等煤制气工艺。均可进行有效气化。对煤质要求:灰分质量分数但从资源限制、生产能力、消耗指标及环保等小于40 % ,水分质量分数小于8 %,粒度小于10方面来看,Lurgi却是4种煤气化技术中先进性.mm。根据所产煤气的用途和要求,气化剂可以最差的1种工艺。Texaco 和恩德法设备国产化有空气加水蒸汽、富氧空气加水蒸汽、纯氧加水蒸率较高,因此投资和运行成本.上具有优势。从发汽等几种选择。展观点来看, Shell技术具有较大发展潜力,但目单机规模为500~2 000 t/d,单炉产粗煤气有前设备投资成本较高。5 00.1 000.2 000.4 000 m2/h等炉型。冷气效5结论率70 %~75 % ,生成气中q(H z+C0)大于80 %。4适用于气基竖炉直接还原的煤气化技无论是Midrex,还是HYL技术,都可以使用煤气化气来生产直接还原铁,并且都已获得了工术分析业化应用。Midrex 与HYL技术都对煤气化气从对竖炉气基直接还原工艺的分析发现,对有一定要求,相比来说,HYL要求得更严格- -些。于HYL ZR或者HYL ENERGIRON工艺,只能在已大型T.业化的煤制气技术中,应用最广和最使用煤气化气中含有一定量的CH,的气体。如具发展潜力的有Lurgi. Texaco. Undok和Shell果煤气化气中含有一定量的CH,经脱CO2处理技术。Lurgi法制得的气经过脱COr后可直接用后就可直接供还原竖炉使用。对于HYLI工艺,于Midrex和HYL竖炉。Texaco 和Undok法煤要求φ(H2 )在74.1 %以上,p(H2 )/p(CO)之比制气经脱COr处理后可用于Midrex。对于HYL为5.7,φ(H2 + CO)/q(H2 0+ CO2)之比为.竖炉,用Texaco. Undok和Shell技术制得的气18. 53;如果H2体积分数较少,则需经催化转换反体都需经过处理和转换才可使用。这几种煤制气应进行调整(CO+ H2(→H2 + H2O),把大部分法比较来说, Texaco. Undok在投资上具有优势，CO转化为H2后才能供竖炉直接还原使用。对Shell具有发展潜力。于Midrex工艺,其还原气体对H2体积分数的要求不是那么苛刻，只要满足气体中H2与CO的总[参考文献]体积分数大于90 %、p(H2 + CO) /q(H2 0+CO2)之比至少为10以及p(H2)/q(CO)之比为[1] 钱晖,周渝生编译. HYLI直接还原技术[J].世界钢铁，2005,(1);16-21.0.5~4. 0即可。对前面所述4种煤气化技术进行比较[+6],鲁[2] 周渝生,钱 晖,张友平,等.非高炉炼铁技术的发展方向和策略[]世界钢铁,2009,(1)1-8.奇法所制气中,(CH )较高,其次是Undok法。从[3]程林生. 国内外煤气化炉的特点及在煤化I领域的应用煤气成分来看, Lurgi是最适合于直接还原的制气[].山西化T.2008,(4).26 29.技术,经过脱CO2后可直接用于竖炉。用Texaco[4] 罗承先,周韦慧煤的气化技术及其应用[J].中外能源，2009.(1):28-35.煤气生产直接还原铁,经过脱Ch处理后可直接用[5]周永顺. 恩德粉媒气化技术及其应用[J].工业动力.2008,于Midrex竖炉;但若要用于希尔竖炉,除了要对煤(2):26-33.气进行脱碳处理外,还需要对煤气中的CO进行变[6]中国煤化工 酉部煤化工，200换以增加还原气中的q(H2)。Shell 煤制气得到的煤气中有效气成分是3种气化T.艺中最高的,理想MYHCNMHG状态下无需脱Cr煤气的还原势就已接近直接还(收稿日期:2009-10-14)