气基竖炉直接还原工艺发展现状及展望

钢铁工业碳减排是我国达成“碳达峰”、“碳中和”目标的工作重心,发展气基竖炉直接还原技术对实现我国钢铁工业低碳转型意义重大。本文介绍了Midrex、HYL-Ⅲ、Energiron-ZR等典型的气基竖炉直接还原工艺流程及其技术特点,总结了我国当前气基竖炉直接还原发展现状,并对气基竖炉直接还原工艺的发展方向进行展望,提出提升竖炉产能、确保竖炉长效运行、开展全氢直接还原竖炉研究的建议,以期为我国钢铁工业低碳冶金技术发展提供参考。

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。

焦炉煤气重整-气基竖炉工艺能耗分析

低杂质海绵铁(DRI)是冶炼高品质钢的必备原料,然而我国DRI年生产能力目前不足60万吨,远不能满足特钢生产的需求。气基竖炉直接还原技术成熟,其单炉DRI年产能可达到250万吨,但它一般需要天然气作还原剂,故其在我国发展受到气源的限制。我国焦炉煤气资源丰富,使用焦炉煤气生产DRI,既解决了气源的问题,又能高效提高我国DRI产量。本文将焦炉煤气重整-气基竖炉工艺与使用天然气的传统MIDREX工艺进行对比,从气体用量、气体组成及工序能耗等方面进行比较,分析焦炉煤气重整-气基竖炉工艺的可行性,同时也为我国焦炉煤气竖炉工艺的发展提供工艺参数。分析结果表明,焦炉煤气重整-竖炉工艺焦炉煤气总用量为599.70?Nm3/t-DRI,总能耗为2668297?kcal/t-DRI。与传统天然气重整-气基竖炉工艺相比,新工艺总能耗低10.0%,其中重整工序能耗低30.0%,具有较大优势。

国内铁精矿粉制备气基竖炉专用高品位球团矿

随着钢铁行业碳减排压力的增大,气基竖炉-电炉短流程工艺的应用可有效降低碳排放,高品位球团矿作为气基竖炉冶炼原料,其制备过程及特性研究尤为重要。本文使用国内6种不同的铁精矿粉制备高品位球团矿,阐述了球团矿的制备过程,研究了球团矿的性能。结果表明:最佳配矿方案为70%矿粉1+30%矿粉2,此配矿生球抗压强度为11 N/球,落下强度为3.1次/球;配矿球团矿w(FeO)为1.00%,铁精矿成品球团矿w(FeO)≥0.59%,亚铁含量较低,氧化充分,球团矿质量受控;配矿成品球团矿的抗压强度达到3031 N/球,铁精矿成品球团矿抗压强度≥3200 N/球,质量满足生产要求;还原性指数≥4.000,还原膨胀指数≥7.45%,LTD_(+6.3)≥97.00%,LTD_(UP)均为100%,还原性能良好。通过对现有设备的技术改造及配矿方案的优化,使用国内铁精矿粉可以制备出满足气基竖炉生产标准的优质高品位球团矿。

气基竖炉直接还原球团技术的发展

论述了球团矿质量对气基竖炉直接还原生产和DRI质量的影响以及DRI质量对炼钢生产的影响。介绍了提高气基竖炉直接还原工艺用球团矿质量的技术，包括降低SiO2含量、降低粘结趋势、提高还原性和提高大粒度（12．5-16．0mm）球团比率等措施及其发展。指出若把低TFe、高脉石含量的高炉用球团矿直接用于气基直接还原竖炉，至少应该采用球团涂层技术；如果球团矿脉石含量较高，需要借助工业试验进行综合分析以确定其经济性。

煤气化气用于气基竖炉生产DRI技术的进展

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要求得更严格一些。Lurgi法制得的煤气化气经过脱CO2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。

气基竖炉直接还原铁过程硫平衡分析

直接还原铁技术与传统的长流程高炉炼铁相比具备流程短、污染小、且不受炼焦煤短缺影响的优点,其中气基法的发展越来越受到重视,本文主要分析了气基竖炉直接还原铁过程中的硫平衡,为环境影响评价工作带来相应的指导,对该类项目的废气污染防治措施提供技术参考。

气基竖炉炉顶煤气循环工艺的理论分析

针对竖炉生产中存在的煤气还原势化学能未能充分利用的问题,提出3种竖炉炉顶煤气循环新工艺(top gas recycling,TGR)。基于物料平衡和热平衡建立了竖炉的静态工艺模型,对其进行了数值求解模拟和分析。结果表明,对于提出的工艺TGR1、TGR2、TGR3,煤气需求量分别减少63.77%、57.13%、55.85%,显热需求也呈现出相同趋势;但对于循环竖炉工艺而言,循环煤气重整和升温需要额外耗能,从而系统总能耗分别上升了5.68%、7.27%、17.12%,其中,TGR1流程CO2排放量最低,较传统竖炉降低15.35%,TGR2、TGR3流程CO2排放量分别上升0.16%和3.15%。

天然气部分氧化-气基竖炉流程的模拟研究

建立天然气部分氧化转化炉与气基竖炉联产直接还原铁流程的模型,进行热合成气与循环炉顶气混合进竖炉、冷合成气与循环炉顶气混合加热进竖炉两种工艺流程的稳态模拟对比。两个工艺相比,前者热损失小,但还原气中有效气体含量低;后者热损失大,但还原气中有效气体含量高,有利于竖炉内的还原反应。

气基竖炉直接还原工艺发展现状与展望

与高炉炼铁工艺相比,气基竖炉直接还原工艺不使用焦炭等化石燃料,具有还原气体富氢率高、流程短、对环境污染小的优势。结合现阶段气基竖炉发展现状,从国内外气基竖炉直接还原工艺生产情况、工艺流程及发展现状进行阐述。认为:①氢的来源是目前限制气基竖炉直接还原发展的主要环节;②国内外主要通过煤制气、焦炉煤气、电解水制氢等手段解决气源问题,并由此衍生出以H,为主要气源的氢基竖炉直接还原工艺;③不同气源的直接还原工艺操作和理论体系差异较大,加上基础理论问题呕待解决,全球气基竖炉直接还原工艺发展仍有很长的路要走。

气基竖炉直接还原数值模拟分析

针对气基竖炉直接还原过程无法直接观察还原反应运行程度的难点,基于三界面未反应核模型,在忽略模型球团内部温度及假设球团还原反应的热效应完全发生在固相的条件下,建立了气基竖炉直接还原模型,对铁氧化物价态转变进行了数值模拟和验证。结果表明,由于所建立的气固模型包含3个界面,随着铁氧化物的逐级还原,每个界面的反应半径最终趋于0,而还原反应速率随着竖炉深度的增加呈现出先升高后降低的趋势。球团在竖炉内下降到3 m深度时,出现半径为15 mm的FeO反应界面,此时球团还原率约为28%。随着球团继续在竖炉内下行约2 m到达5 m的深度时,Fe_(3)O_(4)的界面半径减小为0,此时铁氧化物完全转变成了浮氏体形态,球团还原率约为34%。通过改变不同的工艺参数进行模拟可以发现,还原球团金属化率和还原率随着气体温度的升高而增大。当气体温度以50℃、还原气体流量以5040 m^(3)/h梯度增大时,其对应的球团金属化率分别增大8%和4%左右。相比之下,球团金属化率受下料速度的影响远超过气体温度和还原气体流量,具体表现为,当下料速度增大0.02 t/h时,金属化率降低约0.07%。而当球团粒度减小时,金属化率会表现增大的趋势,球团粒度减小1 mm,球团金属化率增大2.23%。

气基竖炉直接还原过程及性能的研究进展与展望

气基竖炉直接还原具有还原气体富氢率高、流程短、对环境污染小等特点,是实现“以氢代碳”降低钢铁冶金碳排放的重要路径。随着还原气源由天然气转向焦炉煤气、煤制气、化工副产H_(2)等,更多的灰氢、蓝氢、绿氢制备技术为气基直接还原的全球化发展奠定了基础。结合中国资源现状,分析焦炉煤气零重整竖炉氢冶金技术还原铁氧化物的过程,并结合国内外研究现状综述了气基竖炉还原过程球团性能变化,分析了竖炉运行状态,获得了不同还原气体组成对气基竖炉还原热力学、动力学、还原性能、竖炉运行状态的特点,得到控制较低的气体压力和较高的温度有利于焦炉煤气零重整工艺条件下铁氧化物的还原。适当增加还原气体中φ(H_(2))/φ(CO)有助于降低球团还原膨胀率、改善还原过程球团抗压及高温热结性能,但还原过程受众多因素影响,还原速率并不简单正比于还原气中H_(2)含量。结合还原气体组成对竖炉内流分布、温度分布、压力分布等运行状态的影响进行研究,得到在调节气体组成的同时需要调整温度制度、操作压力,并且合理的气体组成不仅需要考虑铁氧化物的还原速率,还需要结合球团还原性能和竖炉运行状态综合考虑。综述分析结果为中国气基竖炉的实施提供了理论基础。

气基竖炉直接还原炼铁技术的发展

在分析国内外直接还原铁市场的基础上,探讨了气基竖炉直接还原炼铁技术发展的市场空间。在中国钢铁行业结构调整过程中,气基竖炉技术由于具有节能环保和产品优质的优势,将会成为我国非高炉炼铁发展最重要的方向。从原料、产品、工艺特性、机械设备等方面对MIDREX和Energiron 2种气基竖炉工艺进行了综合比较,探讨了其各自的优缺点。随着技术进步以及全球经济、资源、能源条件的变化,气基竖炉技术正朝着设备大型化、气源多样化、矿源扩大化的方向发展。

气基竖炉直接还原炼铁流程重构优化

直接还原铁比较纯净、成分稳定,是电炉炼钢的优质原料。中国焦化行业产生大量焦炉煤气,适宜发展以焦炉煤气为还原气的竖炉直接还原炼铁流程,现有工艺主要有Midrex工艺和HYL-ZR工艺。为了解决Midrex工艺和HYL-ZR工艺所存在的问题,通过流程功能分析,提出气基竖炉直接还原重构优化流程,主要工序包括焦炉煤气压缩、TSA预处理、PSA脱碳、PSA提纯CH_(4)、富氢气加热、竖炉直接还原炼铁等。该流程不仅净化焦炉煤气,而且可分离CH_(4),使还原气中H_(2)与CO的比例达到8,并省去CH_(4)重整环节,提高炉内直接还原效率。该流程前端与焦化工序连接,后端与电弧炉连接,不仅有利于钢铁联合企业资源优化配置,而且可以生产天然气,提高能源利用效率。

气基竖炉用含钒钛海滨砂矿球团直接还原试验研究

为了探索含钒钛海滨砂矿用于气基竖炉还原的可行性,以该砂矿为原料造球,在1 250℃焙烧20 min制得氧化球团的抗压强度为2 099 N/个,还原性指数77.8%,低温还原粉化指数(+3.15 mm)92%,还原膨胀指数7.5%,还原粘结性指数10.4%。氧化球团950℃还原180 min,H2/CO为1.5时球团还原率89.4%,H2/CO为6时球团还原率92%,100%H2时球团还原率96%。氧化球团各项性能指标良好,能够满足气基竖炉工艺的要求。

基于LCA的煤制气-气基竖炉-电炉短流程和高炉-转炉流程环境影响分析

随着中国煤制气技术的日趋成熟及废钢产生量和累积量增多,基于煤制气的气基竖炉-电炉短流程是钢铁工业低碳绿色发展的重要方向。基于GaBi7.3软件分别对煤制气-气基竖炉-电炉短流程和高炉-转炉(BF-BOF)长流程进行生命周期评价(LCA),对比了短流程及长流程的环境性能优劣。结果表明,煤制气-气基竖炉-电炉短流程和BF-BOF流程LCA结果分别为1.83×10^-11和9.31×10^-11,短流程LCA结果仅为长流程工艺的20%左右。相比BF-BOF流程,短流程吨钢能耗、CO2排放可分别减少60.64%和55.65%,SO2、NOx以及粉尘排放量分别减少74.0%、22.7%和15.9%。综合可知,煤制气-气基竖炉-电炉短流程环境影响远小于传统长流程。

高磷鲕状赤铁矿气基竖炉直接还原试验

针对高磷鲕状赤铁矿无法高效利用的现状,采用XRD和SEM对高磷鲕状赤铁矿矿物的组成及矿相结构进行研究分析,提出采取气基直接还原工艺来处理此类矿石。系统研究与分析了还原温度、还原时间、还原气氛和还原气量等因素对高磷鲕状赤铁矿直接还原过程中金属化率的影响规律。研究结果表明,在还原温度为1 100℃、还原时间为4 h、还原气体中φ（H_2）∶φ（CO）为1∶1、还原气体流量为2 600 m^3/h的条件下,金属化率可以达到92.10%。

气基竖炉工况焦炉煤气甲烷改质行为试验

利用焦炉煤气＋气基竖炉生产优质海绵铁，可延伸焦化行业产业链，同时可促进中国废钢／海绵铁电炉短流程发展，改变钢铁行业能源、产品结构。针对典型焦炉煤气，通过基础性试验研究了在气基竖炉工况下，温度、H2O和CO2配比，高温海绵铁载体对焦炉煤气中甲烷改质行为的影响。研究结果表明，提高温度有利于焦炉煤气中甲烷的改质反应，1000℃时改质后有效还原气体体积分数最高可达80％；热态海绵铁对焦炉煤气改质有催化促进作用，可提高CO2参与改质反应比例至84．9％、H2O参与反应比例至100％；CO2配人体积分数2％～6％、H2O配人体积分数4％～10％为促进甲烷改质反应的适宜范围。

氢气气基竖炉-电炉短流程环境影响分析

氢冶金是中国钢铁行业实现低碳绿色化转型升级的有效途径之一,基于煤制氢技术的气基竖炉-电炉短流程是一种典型的氢冶金工艺,具有广阔的发展前景。采用生命周期评价法(LCA)对煤制氢-气基竖炉-电炉短流程环境影响进行了分析,并对比研究了短流程与传统高炉-转炉(BF-BOF)长流程的环境性能。结果表明,煤制氢-气基竖炉-电炉短流程LCA结果为2.56×10^(-11),其中GWP100(全球变暖潜值)和POCP(光化学臭氧合成潜值)分别贡献54.16%和36.76%;煤气脱碳和电炉电能消耗是造成碳排放和能源消耗的主要原因;短流程整体评价结果仅为BF-BOF流程的27.41%,吨钢CO2排放和能耗可分别减少53.75%和47.45%,环境性能明显优于传统长流程。