氢基竖炉直接还原技术减污降碳分析

氢冶金技术是钢铁行业实现绿色低碳发展的重要路径之一,尤其氢基竖炉直接还原技术已成为国内外钢铁企业低碳转型的重要方式。文章主要综述了氢基直接还原技术应用现状,并着重分析了氢基竖炉直接还原技术的能源消耗、碳排放和典型污染物排放。研究表明,基于天然气、焦炉煤气竖炉直接还原技术吨铁能耗分别为358~395和427 kgce/t,吨钢碳排放较高炉流程下降40%~50%,吨钢颗粒物、SO_(2)、NO_(x)较高炉长流程分别下降26.3%、41.1%、43.2%;基于绿氢竖炉直接还原技术在减污降碳效应上优于天然气/焦炉煤气竖炉直接还原工艺。建议行业加大氢冶金及上下游相关技术装备研发攻关,提升能源资源保障能力和核心技术供应能力,支撑我国钢铁行业绿色低碳转型。

料斗倾角对气基竖炉布料过程中物料流动及分布的影响

球团矿离开料斗时的颗粒偏析会影响其在气基竖炉内的分布,分布不合理将影响还原气的利用率建立20°~70°倾角的料斗、导料管、溜槽、气基竖炉三维模型,基于离散元法研究物料从料斗到气基竖炉布料过程中的流动和分布结果表明:排料时,20°~25°倾角的料斗内炉料流型均为整体流,30°~55°倾角的料斗内炉料流型均为混合流,60°~70°倾角的料斗内炉料流型均为漏斗流漏斗流促使料层形成快速流动的中心通道,大颗粒会更早地离开料斗进入炉内,在落点区域堆积,导致料斗内大颗粒负偏析、竖炉内落点区域大颗粒正偏析20°~35°倾角的料斗布料后,炉内孔隙率偏差分布在000383~000468,倾角增大,孔隙率偏差增大改变炉料-料斗静摩擦系数、炉料批重、料斗半径等参数,发现料斗倾角是影响布料过程和结果的主要因素,孔隙率偏差仍随料斗倾角的增大而增大。

氢基竖炉直接还原技术研究现状及展望

概述了国内外氢基竖炉直接还原工艺的发展现状,总结分析了在我国资源及能源条件下气基竖炉直接还原技术发展需要解决的关键问题,包含氢基竖炉专用氧化球团制备技术、氢基竖炉高效直接还原技术、绿色高效制氢技术。基于钢铁生产全流程考虑矿粉磨选工艺的投入,生产全铁品位高于65%,S、P含量低的纯铁精粉球团,可解决我国直接还原铁优质原料缺少的技术难题;或在氢基竖炉炉料中加入块矿、高炉用球团矿,是直接还原技术发展的方向;在高温还原气制备过程中,积碳导致堵塞设备、管道和阀门等风险,需密切关注;绿色高效制氢技术中,风电制氢技术(PEM)成本将会大幅下降,具有明显市场竞争优势。大幅度降低绿氢的制备成本,将是未来气基竖炉直接还原技术发展的主要推动力,利用过剩的焦炉煤气、石化行业副产氢气资源和局部地区相对丰富的天然气资源生产直接还原铁,为实现气基竖炉向全氢还原过渡提供重要支撑。

氢基竖炉直接还原提产降耗生产实践

张宣科技氢冶金技术HyMEX以H 2含量60%的焦炉煤气为气源,成为全球首创的“焦炉煤气零重整竖炉直接还原”工艺技术,该技术的核心是焦炉煤气零重整工艺,入炉工艺气H 2含量超过以天然气为气源的Midrex和HYL/Energiron工艺,使气基直接还原转变成以氢为主的氢基直接还原,推动了我国钢铁行业由“碳冶金”向“氢冶金”转变。为提高氢基竖炉产量,降低能耗,从生产过程中出现的问题和影响球团矿还原的各个环节及能量利用效率等角度出发,探究了提产降耗措施。通过降低球团矿成分标准偏差、改善球团矿粒级组成、改善球团矿涂覆效果,提升球团质量;将工艺气入竖炉温度提高到1030℃;通过降低还原循环气体氧化度、尾气分流、补充焦炉煤气、增加加湿操作,优化调控竖炉内还原气氛;提高尾气利用率及作业率等措施,实现了提产300 t/d、焦炉煤气单耗降低133 Nm^(3)/h的目标,为后续进一步提产降耗奠定了坚实的基础。

张宣科技氢基竖炉生产工艺特点

张宣科技氢基竖炉在全球率先采用焦炉煤气COG生产直接还原铁DRI,设计矿比1.350,DRI含C<3.0%、金属化率≥92%,COG单耗低于650m^(3)/t,利用系数3.50t(m^(3).d),年产量55万t/a。以宣钢焦化厂副产品COG作为气源,还原气先经加热炉一次加热至920~960℃,再经燃烧室喷氧二次加热至1000~1050℃,然后被送入竖炉内还原高品质球团矿,生产的DRI经冷却,低于60℃后排出竖炉冷却器。氢基竖炉生产工艺主要具有H_(2)直接还原为主、工艺流程简单、原料适应性强及产品多样化、氢能利用率高等特点,与相同产量的高炉相比,CO_(2)排放量减少70%,粉尘排放量减少90%,SO_(2)排放减少50%。

张宣科技氢基竖炉示范工程工艺设计特点

对张宣科技氢基竖炉示范工程工艺设计特点进行了总结。氢基竖炉全部以焦炉煤气为气源,焦炉煤气在竖炉内实现原位重整,CH_(4)催化裂解为CO和H_(2),H_(2)/CO比可达8以上,是目前工业化生产H,比例最高的直接还原工艺。竖炉工艺气循环采用MDEA脱除CO_(2)技术,实现炉顶煤气循环使用,可在提高还原效率、增加产量的同时,进一步减少碳排放。氢基竖炉通过采用喷钝化剂减少还原过程球团矿黏结,喷硫化物保护加热炉高温合金管,喷氧部分燃烧工艺气等“三喷”技术,不仅解决了操作安全问题,还有效提高了操作温度和反应效率,降低了系统能耗。

张宣科技氢基竖炉开炉操作

对张宣科技氢基竖炉开炉操作实践进行了总结。氢基竖炉采用焦炉煤气COG作为气源,开炉前,重点保证高品质球团矿稳定供应、系统分级试压检漏消除漏点、建立塔器液位及循环;2023年5月10日点火开炉,开炉过程中,主要做好启动COG压缩机、加热炉点火升温、装排料、引送高压COG、并入CO_(2)脱除系统、启用喷氧系统等工作,并进行加风强化和控制DRI化学成分操作。5月20-21日,DRI含C量下降至3%左右,达到炼钢电炉的配加要求,且DRI金属化率提升至94%以上,达到设计水平。

张宣科技氢基竖炉无喷氧生产的变化及应对措施

张宣科技氢基竖炉氧气系统检修,不能实施喷氧部分燃烧。竖炉进口温度由1020℃下降至933℃,炉内热量收入减少,还原段温度下降,CH_(4)重整减少,H_(2)含量下降,煤气利用率下降,DRI日产量、金属化率降低,COG单耗、DRI含碳量升高。通过提高加热炉出口温度、提高循环气体流量、增加循环气体湿分等措施,取得了一定的效果,降低了氢基竖炉技术经济指标的劣化程度。无喷氧生产实践表明,高压COG直接补充至还原回路的措施是不可取的,对提高循环气体中H_(2)、CO含量作用甚微,而提高底气流量补充至还原回路是有效措施。

无喷氧条件下氢基竖炉的生产

张宣科技氢基竖炉在无喷氧条件下生产时,由于没有喷氧部分燃烧的热量补充,竖炉入口工艺气温度下降了90℃,CH_(4)重整效果变差,工艺气中H_(2)和CO含量大幅度降低,CH_(4)含量大幅度升高,工艺气还原能力减弱,还原效果变差,导致DRI产量、金属化率、抗压强度下降,焦炉煤气单耗和DRI含碳量升高。通过采取一系列措施,在保证不触发加热炉连锁停机的前提下尽可能提高加热炉出口温度,加热炉出口温度控制较喷氧正常生产时提高了15℃,尽可能维持竖炉还原区较高温度及热量水平,保证CH_(4)重整效果;通过降低装、排料速度,提高炉顶温度控制水平,顶温控制较正常生产时提高了50℃,延长了原料还原停留时间,保证还原效果;提高加湿率,控制DRI含碳量。生产的DRI产量虽有所降低,焦炉煤气单耗升高,冶炼经济性下降,但DRI金属化率93%以上、含碳量4%以下、抗压强度大于600 N/球,完全满足电炉炼钢的配加要求。

气基直接还原铁还原气生产技术研究

从原料组成和物料平衡分析和模拟计算了以各种含甲烷工业气体和不同品质煤炭为原料制取高品质气基直接还原铁还原气的可行性。结合工业实践数据的分析表明,无论是富氢的含甲烷原料气,还是富碳的沼气,都可以经干重整或双重整一步直接转化制得竖炉工艺所需的直接还原铁还原气。以不同煤阶的煤炭为原料,采用氧气气化,同时必须采用补氢或水气变换进行原料气组成的调节和相应的预处理,才能满足竖炉工艺直接还原铁对还原气的要求。

氢基竖炉反应器还原域数值模拟研究

随着氢能源在冶金化工生产过程中广泛应用和氢冶金技术的快速发展,氢基竖炉直接还原铁已成为国内外绿色低碳冶金新技术领域的研究热点,然而,氢基竖炉内存在物理能和化学能严重不匹配、气体利用率低、炉顶还原势高等问题,针对上述问题,就氢基竖炉反应器还原域传输特性行为,通过还原理论分析、静态模型结合数值模拟的方法,在还原需气量、反应器内还原气运动规律以及其内温度分布方面展开了相关研究,相关模拟研究结果可为氢基竖炉反应器的设计和操作优化提供参考。

还原气氛和脉石成分对氧化球团还原膨胀的影响

以Fe2O3粉为原料,分别配加SiO2,CaO及MgO制备氧化球团,系统研究了H2和CO两种还原气氛及不同脉石成分对氧化球团还原膨胀的影响,并进行了理论分析.研究表明,还原气氛中H2含量的增加,有利于降低球团的还原膨胀率,还原后球团晶体结构完整,品质较好;Fe2O3球团中配加少量CaO,有利于焙烧时产生少量液相而改善球团的冶金性能,但CaO含量不宜过大;在保证产品质量前提下,适当控制球团矿品位,含有少量SiO2等脉石杂质,有利于焙烧时产生渣相连接,提高球团的强度,降低还原膨胀率;球团中添加MgO有利于形成稳定的晶体结构,从而改善球团的性能.

含煤球团的冶金特性

采用热天平装置及单个球团加热的方法,测定了含碳球团的还原速度。研究了加热温度、球团配碳量、炉气组成、添加剂、原料种类等对含碳球团的还原速度和金属化率的影响及球团的冶金特性。实验结果表明:含碳球团的软化和熔化温度较高,含碳15％以上的球团在1000～1350℃加热时,在含CO_2较高的高温炉气中也能够实现快速自还原,达到较高的金属化率。该球团的金属化率随加热温度提高而增加。研制出一种含煤25％的冷固结铁矿球团,其单个干球抗压强度已达1000N以上,有良好的冶金性能,可用于竖炉型炼铁设备作冶炼铁水的原料,还原剂焦碳也可用非焦煤代替。

直接还原竖炉氢气利用率的数值分析及优化

在氢气直接还原铁竖炉内氢气的利用率较低,故在竖炉上部增加吹氧装置来实现炉内物理能和化学能的最佳利用,提高氢气利用率。通过计算流体力学软件模拟氢气竖炉和吹氧竖炉还原段的温度场、气体分布,计算出炉内能量的消耗。结果表明,在还原段上部7 m处吹氧,每还原出1 t铁的吹氧量为26.78 Nm3,吹氧竖炉与氢气竖炉相比:氢气利用率提高33.43%,氢气用量减少22.08%,炉顶气还原势降低61.84%,能耗减少14.72%,吹氧周围及上部炉料温度有所升高。

基于Energiron的球团矿气体还原动力学及其机理

基于Energiron工艺,采用线性拟合、相关系数对比、扫描电镜能谱分析（SEM-EDS）等研究方法,考察酸性氧化球团矿在特定还原气氛下的气基还原过程。研究结果表明：反应过程可分为3个阶段,第1阶段（0~5 min）控速环节为界面化学反应,表观活化能为28.8 k J/mol;第2阶段（5~28 min）为界面化学反应和内扩散混合控速;第3阶段（28~34 min）控速环节为内扩散;同时得出不同温度下的有效扩散系数Deff和反应速率常数krea,拟合出krea与温度T的关系式;最后给出内扩散阻力和界面化学反应阻力随时间的变化趋势。

氢还原竖炉的模拟分析

利用一组物料、热量守衡式及其他有关约束关系,建立了氢还原竖炉模拟模型,可定量考察消耗量、生成量和氮气、CO兑入成分、DRI金属化率、入炉煤气温度等的关系。模拟结果表明:兑入CO可使入炉煤气量从纯氢还原的1 650N·m3左右下降到1 200N·m3左右;当CO和H2的体积之比V(CO)/V(H2)约为0.6时,氮气兑入量约为0,竖炉能量利用最佳;当V(CO)/V(H2)体积比为0.3时,最佳氮气兑入成分约为11%;纯氢还原最佳氮气兑入成分约为25%;兑入氮气可以减少入炉氢气的量,但不能减少入炉气体的总量。对氢还原竖炉模拟结果可为其工艺设计、操作和节能等提供参考信息。

富氧煤气化直接还原竖炉新工艺研究

以固体气化煤为燃料，富氧加湿的高温鼓风为气化剂，制取合格的高质量煤气输入还原竖炉，含铁原料在竖炉内的高温煤气作用下转化为直接还原铁。本文介绍了这一工艺流程及其特点，并通过论证说明该工艺的关键技术成熟，工艺方案可行。

竖炉生产直接还原铁过程的数值模拟

采用基于气相和固相的质量和能量的竖炉一球团（块矿）法直接还原炼铁的一维数学模型．含铁原料的还原采用三界面未反应核模型，并考虑了热量损失，得到了各物质的组成和温度在炉内的分布．以Gilmore厂Midrex作为对象进行模拟，模型结果与生产数据相符，验证了模型的准确性．模拟结果表明：Midrex竖炉的绝大部分区域内气利和固相的温度基本保持在还原煤气的入口温度．对高度为9．75m的Midrex竖炉，炉内绝大部分为浮氏体的还原，含铁原料运行约0．5m即可完全变成磁铁矿，运行约2m即可完全变成浮氏体．在竖炉7．0～9．75m深度范围内，随着还原气的上行，H2的体积分数迅速减少，而CO的体积分数变化不大．在竖炉2．0—7．0m深度范围内，H2和CO的体积分数缓慢降低，在竖炉0～2．0m深度范围内，H2和CO的体积分数显著降低．

两种还原气条件下球团矿竖炉还原过程的动力学研究

应用未反应核模型研究了两种还原气条件下球团矿竖炉直接还原过程的动力学行为。结果表明 ,在氢碳比等于 0 8和 1 6的还原气条件下 ,球团在BL法竖炉还原的动力学条件相同 。

张宣科技1#氢基竖炉提产降耗实践

氢基竖炉是用焦炉煤气还原球团矿生产直接还原铁(DRI)的工艺技术,原料是球团矿和焦炉煤气。河钢集团张宣科技氢冶金公司1~#氢基竖炉投产以来,生产不稳定,停机率偏高,日产量为1200 t/d,焦炉煤气单耗为850.85 m^(3)/t,产量低、工序能耗高的问题一直困扰企业。为提高DRI产量、降低能耗,从生产过程中存在的问题、影响球团矿还原的相关因素以及影响能量利用效率等方面分析,理论结合生产实际,制定了提产降耗措施。通过提高入炉球团矿质量、稳定竖炉进口温度、改善还原循环气体的性能、稳步提高循环气量以及完善设备功能等措施,取得了显著的成效。