氢基竖炉最佳开炉条件的数值模拟研究

利用组分输运模型对不同孔隙度、入口温度、H2含量条件下氢基竖炉开炉5 h的升温情况进行了模拟研究。结果表明,当还原气体组分及入口温度保持不变时,随着孔隙度的增大,炉内中心温度总体呈现升高的趋势;当孔隙度与入口温度保持不变时,炉内中心温度随着还原气体中氢气含量的增高而降低;当孔隙度与还原气体成分保持不变时,炉内中心点温度随着入口温度的上升而升高。氢基竖炉的最佳开炉条件为孔隙率0.40~0.42、还原气体中H_(2)和CO体积占比为40%和60%、入口温度1173 K。

低碳氢冶金炼铁技术进展及包钢氢能炼铁技术途径探讨

钢铁工业是国民经济发展的支柱型产业,钢铁工业的节能降碳是实现国家“碳达峰、碳中和”发展目标的重中之重。文章简要介绍了主流低碳氢冶金炼铁技术的种类及特点,阐述了国内外低碳氢冶金炼铁技术的进展及现状。高炉富氢还原技术和氢基竖炉直接还原技术是最主要的低碳氢冶金炼铁技术。其中,高炉富氢还原技术降碳能力有限,可作为钢铁行业短期低碳氢冶金炼铁技术的发展方向,如结合碳捕集利用封存(CCUS)技术,可进一步降低CO_(2)排放量。氢基竖炉直接还原技术从源头上摆脱了化石能源的应用,与传统“高炉-转炉”生产流程相比,可降碳80%以上,是钢铁工业工艺技术变革必然发展趋势。包钢积极响应国家绿色低碳发展战略及内蒙古五大任务,积极布局绿色低碳氢能炼铁技术于白云鄂博中贫矿的氢基矿相转化、高炉富氢还原及氢基竖炉直接还原技术,钢铁生产过程低碳绿色化明显提高。

氢基竖炉直接还原工艺发展现状及思考

介绍了竖炉直接还原工艺Midrex和HYL/Energiron的基本流程及近年来各工艺的直接还原铁产量,并对比分析了两种工艺的装置、原料和工艺特性。阐述了目前全球钢铁企业在该领域的技术研发和项目投资情况,同时指出氢基竖炉直接还原技术的发展与球团矿品位、氢还原反应过程吸热、大规模绿氢制备技术以及绿氢制备成本等问题息息相关。选择符合我国国情的氢基竖炉直接还原技术,是我国钢铁行业低碳可持续发展的重要方向。

模拟氢基竖炉工况条件下铝硅质耐火材料的结构与性能演变

基于H_(2)/CO混合气强还原服役环境,本工作模拟常压氢基竖炉服役工况,研究典型的铝硅质耐火材料经还原处理后性能变化规律及失稳机制。结果表明,在V(H_(2))∶V(CO)=5∶2的条件下,热处理温度由450℃升高至950℃,混合气体对铝硅质耐火材料的还原能力逐渐增强。现有条件下,铝硅质耐火材料失稳的两个关键因素在于Fe_(2)O_(3)含量以及磷酸盐结合剂:1)当铝硅质耐火材料中Fe_(2)O_(3)含量较高时,在H_(2)/CO气氛下,Fe_(2)O_(3)极易被还原为单质铁。同时,这种情况会导致铝硅质耐火材料发生一定程度的体积变化和显著的力学性能下降。2)磷酸盐结合铝硅质耐火材料也面临磷酸盐挥发,导致显气孔率提高,结构稳定性降低。然而,研究还发现磷酸盐结合刚玉-莫来石砖中Fe_(2)O_(3)含量较低且伴生一定含量的TiO_(2)时,材料具有较好的抗H_(2)/CO气还原能力。通过比较铝硅质耐火材料在CO气氛和H_(2)/CO气氛下力学性能,发现V(H_(2))∶V(CO)=5∶2气氛下在850℃热处理3 h比CO气氛下500℃热处理100 h具有更强的还原能力。

氢冶金工艺及氢基竖炉用耐火材料研究进展

在倡导节能减排的双碳目标背景下,钢铁行业氢冶金相关工艺技术正不断进步。随着氢还原竖炉冶炼工艺的发展和推广,对于氢基竖炉用耐火材料的性能提出了新的要求,相关研究受到了广泛关注。综述了氢冶金相关原理及工艺技术的研究发展现状,介绍了H2气氛下耐火材料的服役行为和氢基竖炉用耐火材料的研究进展,展望了氢基竖炉用耐火材料的研究趋势和未来发展方向。

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。

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%。

张宣科技氢基竖炉提质降耗的措施

张宣科技氢基竖炉投产初期,COG单耗较高,DRI金属化率不稳定、含碳量较高、抗压强度偏低,储运和使用过程中DRI产生粉末较多,且由于DRI结构疏松、气孔率高,易发生再氧化。通过采取提升球团矿质量、适当提高竖炉进口温度、合理调控还原循环气体成分及钝化储存等措施,提质降耗取得显著成效。2023年10月-2024年2月,氢基竖炉平均COG单耗降低166m^(3)/t,矿比降低至1368kg/t,DRI金属化率提高0.59个百分点,一级品率明显提高;DRI含碳量稳定,抗压强度超过800N/个球,脱氧泥产生量降低6.1kg/t,含粉率降低2.43个百分点。

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。

张宣科技氢基竖炉提高煤气利用率的措施

对张宣科技氢基竖炉提高煤气利用率的措施进行了总结。针对竖炉COG单耗高,煤气综合利用率低的状况,通过采取提高球团矿质量、提高氢基竖炉进口温度、合理调控还原循环气体中H_(2)O和CO_(2)含量、控制合理的还原制度、优化自动控制程序、提高作业率等一系列措施,氢基竖炉技术经济指标显著改善。开机复产过程由10h缩短至3h,DRI日产量增加300dCOG单耗降至560m^(3)/t以下,矿比由1.400降至1.352以下,DRI合格率提高至100%,H,利用率提高至18.5%~19.5%,C0利用率提高至33.5%~34.5%,煤气综合利用率提高至30%~31%。

氢基竖炉用球团生产工艺优化

竖炉用高质量球团是当前研究热点,回转窑球团产线中链篦机-回转窑-环冷机各部温度优化控制是提高球团产质水平的重要环节。介绍了链篦机-回转窑-环冷机设备优化过程以及造球工艺优化措施。首先在生产工序中缩短了干燥段,延长了预热段,同时改善了环冷机热量流通,为更好的氧化焙烧奠定了基础;在造球流程改造中,将造球盘角度统一调整为46°,旋转刮刀的转速均调整为10 r/min,旋转刮刀与底衬的距离调整为30~40 mm,造球盘落料点较之前向盘内延伸100 mm,小皮带下料点到边板距离达到43 cm,最终成球效果得到明显提升。对比工艺改进前后生产球团,其还原性能有所提升,还原膨胀及低温还原粉化指数均有所改善,其还原性能有所提升,还原膨胀率有所降低,其中1号球团还原膨胀率由12.34%降低到了7.82%,低温还原粉化指数改善明显,LTD+6.3均提高了20%左右。同时造球工艺优化为我国氢基竖炉用优质铁精矿球团提供了帮助。

程潮磁铁精矿磁悬浮精选机提精降杂试验研究

为使程潮选矿厂的精矿球团满足氢基竖炉对品质的要求,在对现场精矿进行详细分析的基础上,采用悬浮磁精选机进行了精选试验。结果表明,试样不磨矿,直接进行2段悬浮磁精选机精选,可获得品位为68.63%、回收率为96.51%的精矿,并产生品位为36.11%、回收率为3.49%的精选尾矿;试样在磨矿细度为-37μm占75%、上升水流为12 L/min、磁场强度为8.8 kA/m情况下进行2段悬浮磁精选机精选,可获得品位为68.71%、回收率为98.81%的精矿,品位为18.38%的尾矿经磁选管再选可降至14.62%,获得的品位为51.06%、流程回收率为0.34%的低品位精矿可返回再磨作业。虽然2个流程均能获得符合目标要求的精矿,但有预先磨矿的流程不仅精矿品位略高,且回收率高2.3个百分点,因此,该流程有一定的优越性。

湛钢绿色低碳炼铁技术进步

湛钢积极践行绿色低碳炼铁技术发展理念,以“简单、高效、低成本、高质量”为原则,以“打造世界最高效率的绿色碳钢制造基地”为目标。在铁前系统超低排放技术方面,大力推广烟气净化新技术在烧结、球团、炼焦、高炉等工序的应用,并进行超低排放技术改造,取得了较好的成绩;在铁前系统清洁生产技术方面,实现了“100%固废不出厂”;在低碳冶金新技术方面,积极推进氢基竖炉建设,以ENERCIRON-ZR技术为基础进行创新开发,实现H、COG、NG等多种气体使用比例的灵活调节,同比高炉工序,碳减排率可达到60%以上。

一种氢基竖炉直接还原炼铁装置的研发与设计

传统的炼铁装置大多需要使用到焦炭这一不可再生能源,焦炭在燃烧时会产生污染环境的硫化物等污染物,为从根本上解决环境污染问题,结合我国高炉炼铁生产现状,从关键节能降碳技术创新、能源高效回收利用、突破性的低碳新技术等方面入手,研发一种氢基竖炉直接还原炼铁装置,并提出设计方案。

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。

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。

二氧化碳脱除在氢基竖炉中的应用

通过确定贫液浓度及温度合理控制范围,定期检验贫液性能,确保最优脱除效果;多重过滤去除贫富液杂质,防止设备堵塞;合理设置消泡剂加入点及精准掌握加入时机,减少泡沫产生消除液泛现象;利用炉顶煤气余热产生的蒸汽作为贫液再生能量,在系统中增加贫富液换热器和再沸器降低能耗等一系列有效技术及控制措施,实现了氢基竖炉循环气中CO_(2)的有效脱除和能耗降低,为实现氢基竖炉顶气循环利用及氢冶金高效生产奠定了基础。

中国宝武在低碳炼铁领域的技术布局

从2015年开始,中国宝武就进行了在低碳冶金方面的技术布局,相继在上海、湛江和乌鲁木齐建立了低碳冶金创新基地,并于2021年11月发布了有初步试验成果的碳中和冶金技术路线图。宝武低碳冶金相关技术可以分为两条主要工艺路径:一是,以富氢碳循环高炉为核心的高炉低碳工艺路径;二是,以氢基竖炉为核心的氢冶金工艺路径。这两条工艺路径加上碳资源综合利用、冶金电气化等技术,形成了系统性的宝武低碳炼铁技术。