【導讀】HFEC100萬噸/年直接還原鐵項目可行性研究報告

　　

【正文】 [3 ] 技術較復雜 17 送料系統(tǒng) 較復雜 復雜 [4 ] 復雜 [4 ] 18 國產(chǎn)化程度 全部國產(chǎn)化 主要部件目前全部依賴進口 主要部件依賴進口 19 運行情況 自 93 年引進及國產(chǎn)化的多套均正常運行 目前尚在試運行中 目前尚 無工業(yè)化運行裝置 注： [1] 有個別廠家使用 或 氣 化壓力； [2] 按年產(chǎn) 20 萬噸氨計， Shell（無備用爐）投資較 Texaco（有備用爐）多 15~20%； [3] 包括設備制造、操作控制； [4] 干粉煤制備及高壓氮密相輸送粉煤技術復雜； 綜合以上比較，本項目采用 國內(nèi)的非熔渣 熔渣的 水煤漿氣化技術制煉鐵用還原氣。 HFEC 100 萬噸 /年 直接還原鐵項目 可行性研究報告 19 氣化爐的規(guī)格主要有 φ3200 和 φ2800兩種，一般情況下，同一種爐型，由于氣化壓力降低，每增加 1 臺爐子，投資要增加 30%。根據(jù)還原氣用量及不同爐型的投資估算，同時考慮對凈化投資和運行費用的影響，確定本項目采用 φ2800、 氣化爐 4 臺， 三開一備 。 變換及脫硫脫碳 由于還原鐵裝置要求還原氣成份 H2 /CO=~，因此氣化來的粗煤氣要進行變換。 CO 變換有耐硫變換和非耐硫變換之分，非耐硫變換氣體要先脫硫，由于脫硫工藝要求在常溫下進行，故流程會出現(xiàn)“冷熱病”，進入變換需補加蒸汽，增加消耗。而采用耐硫變換時，由于水煤漿氣化粗合成氣經(jīng)洗滌后含塵量 1～ 2mg/m3（標），并被水蒸汽飽和，水氣比約 ，直接進入變換，不需再補加蒸汽；流程短，能耗低，故水煤漿氣化配耐硫變換是最佳選擇。同時在變換爐的上段設有預變換，用于 除去氣體中雜質(zhì)及防止變換催化劑中毒。變換產(chǎn)生大量的工藝余熱用于產(chǎn)生蒸汽及預熱鍋爐給水。 水煤漿氣化工藝生產(chǎn)的粗煤氣除含 CO、 H CO2 外，還有少量 H2S、 COS、CH N Ar 及微量的氯，氨等成分。 從國內(nèi)外煤氣化裝置中所采用的脫除酸性氣體的工藝來看，低溫甲醇洗和NHD 較常見。 低溫甲醇洗工藝是采用冷甲醇作為溶劑脫除酸性氣體的物理吸收方法，主要有德國林德公司的低溫甲醇洗工藝脫硫脫碳工藝和魯奇公司的低溫甲醇洗脫硫脫碳工藝。該技術成熟可靠，能耗較低，氣體凈化度高，可將 CO2 脫至 10ppm 以下， H2S 小于 。而且溶劑吸收能力大，循環(huán)量小，能耗省，溶劑價格便宜，操作費用低。該法缺點是在低溫下操作，設備低溫材料要求較高，整個工藝投資較高。 大連理工大學從 1983 年開始進行低溫甲醇洗的工藝過程研究 ,在中石化和浙江大學的協(xié)助下 1999 年該項研究通過了中石化的鑒定， 20xx 年獲得了中石化科技進步三等獎，并且獲得了國內(nèi)兩項專利申請。經(jīng)改進后該技術采用六塔流程，與林德工藝相似，設備投資比林德工藝低 ~10%。 NHD 同低溫甲醇洗一樣，同屬物理吸收，其對 CO H2S 等均有較強的HFEC 100 萬噸 /年 直接還原鐵項目 可行性研究報告 20 吸收能力，但對 COS 的吸收能力較弱。 NHD 凈化可將 CO2 脫至 %以下，H2S 小于 1PPm。 NHD 溶劑吸收能力比甲醇低，因而溶劑循環(huán)量大，且溶劑價格較高，因而操作費用較高。該法的優(yōu)點在于設備無腐蝕，可采用碳鋼設備，整個裝置投資較少。 兩種工藝的比較見表 4－ 2。 表 4－ 2 NHD 和低溫甲醇洗工藝技術比較表 序號 項 目 低溫甲醇洗 NHD 1 吸收環(huán)境 50 ℃ 5℃ ~0℃ 2 溶劑循環(huán)量 小 大 3 凈化度 CO2 20106 H2 S106 CO2 % H2 S5106 4 制冷消耗 高 低 5 溶劑熱穩(wěn)定性 好 好 6 價格與來源 市場供應多，價格低 市場供應多，價格較高 7 其他說明 粘度小、吸收易達到平衡 粘度大、傳質(zhì)差 8 工藝技術的成熟性 成熟 成熟 9 影響投資因素 設備多、部分材料、機泵需引進 軟、硬件費低 10 操作與投資 操作費用少、投資高 操作費用高（ 10%） ,投資低（ 40%） 對煉鋼用還原氣來說，由于對 CO2 和 H2S 的凈化要求較合成氣低，溶劑循環(huán)量會有所減少。綜合以上，本項目采用 NHD 凈化工藝。 硫回收 克勞斯（ Claus）法硫回收技術是目前煤制 氣、煉廠氣、天然氣加工副產(chǎn)酸性氣體及其它含 H2S 氣體回收硫的主要方法。 典型的克勞斯裝置通常由一個燃燒段和隨后的二個或三個催化轉(zhuǎn)化段組成 , 燃燒段由帶有燃燒室的燃燒爐和廢熱鍋爐組成 , 在燃燒段 , 克勞斯原料氣中 1/3 的硫化氫按照下面的化學反應式燃燒生成二氧化硫 , 根據(jù)克勞斯平衡反應 , 二氧化硫與剩余的硫化氫反應生成單質(zhì)硫 : HFEC 100 萬噸 /年 直接還原鐵項目 可行性研究報告 21 H2S+3/2O2 SO2+H2O (a) 2H2S + SO2 3S + 2H2O (b) 在燃燒室典型的 1200℃ 溫度條件下 , 硫的轉(zhuǎn)化率為 60~70%, 由于原料氣中含有 CO NH3 和烴類等雜質(zhì) , 因此在燃燒段可產(chǎn)生許多副反應 , 反應后的氣體離開燃燒室 , 進入廢熱鍋爐冷卻至 160℃ 左右 , 回收熱量產(chǎn)生蒸汽 , 以冷凝分離液硫 , 工藝氣再經(jīng)加熱后 , 將在有克勞斯催化劑的反應器里利用催化劑使克勞斯平衡反應向生成硫的方向進行 , 以進一步提高硫的轉(zhuǎn)化率?？藙谒狗磻斡晒に嚉饧訜崞?、催化反應器和硫磺冷凝器組成。硫磺在克勞斯反應器后冷凝分離 , 未反應的氣體進入下一個催化反應段繼續(xù)反應和生成硫 , 其反應過程如下 : 2H2S + SO2 3S + 2H2O (c) 對于硫化氫含量高的富酸性氣 , 設有二個反應段的克勞斯裝置理論上的回收率為 96%, 設有三個反應段的克勞斯反應段的克勞斯裝置理論的上的硫回收率為 98%, 但在實際上 , 由于受到各種條件的限制 , 硫的回收率只能達到 94~97%。而硫化氫含量低于 25%V 左右的酸性氣，硫回率將更低。 對于硫化氫含量低的富酸性氣 ,可采用絡合鐵法。其溶液的活性及穩(wěn)定性好，正常情況下無 Fe(OH)3 沉淀，沒有堵塔危險。溶液極易再生，生成硫的顆粒大，易于分離。另外，脫硫溶液無毒，對 環(huán)境污染少；溶液配置簡單，原料價廉易得；溶液中付反應生成物增長速度慢。 由于絡合鐵法流程簡單、設備少、占地少、投資省，該法也是較普遍采用的氧化脫硫方法，國外應用較普遍，我國蘭州化肥廠、騰縣化肥廠等用此法脫硫，并進行硫回收。 綜合以上，本項目采用絡合鐵法脫硫。 直接還原鐵方案 直接還原工藝用于將球團礦或塊礦形式的鐵氧化物轉(zhuǎn)換成適于煉鋼的高度還原產(chǎn)品。為實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換，還原工藝利用連續(xù)流動的還原氣體用化學方法從鐵氧化物中提取氧。還原過程在低于給料熔融溫度的條件下進行。將還原氣（氫、一氧化碳和其它成分的 混合物）以可控的成分和溫度引入到還原反應器內(nèi)。還原HFEC 100 萬噸 /年 直接還原鐵項目 可行性研究報告 22 氣沿反應器向上流動，將下降的鐵氧化物加熱到還原溫度。氫氣及一氧化碳從鐵氧化物中提取出氧，得到高純度還原產(chǎn)品。 直接還原溫度控制在 850950℃。 還原區(qū)發(fā)生的基本反應如下： 3 Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2 3 Fe2O3 + H2 2 Fe3O4 + H2O Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2 Fe3O4 + H2 3 FeO + H2O FeO + CO Fe + CO2 FeO + H2 Fe + H2O 3Fe + 2CO Fe3C + CO2 3Fe + CO + H2 Fe3C + H2O 3Fe + CH4 Fe3C + 2H2 在氣基直接還原工藝中，豎爐法的 MIDREX 和 HYL占有絕對優(yōu)勢，具有工藝技術成熟可靠、投資少、生產(chǎn)率高（容積利用系數(shù)可達 8～ 12t/m3178。 d1）、單爐產(chǎn)量大（最高達 180 萬 t/年）等優(yōu)點。目前， MIDREX 和 HYL豎爐生產(chǎn)技 術經(jīng)過不斷完善，已實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。 Midrex 法 Midrex 法為美國米德萊克斯 (Midrex)公司所發(fā)明 ， 是目前普遍使用的生產(chǎn)方法。據(jù)統(tǒng)計，其生產(chǎn)量 20xx 年為 2684 萬 t，占直接還原法產(chǎn)量的 66％以上。氣基 Midrex 法是具有 代表性的氣基豎爐法，它由供料系統(tǒng)、還原豎爐、煙氣處理、天然氣重整爐組成。 Midrex 法的一次能源是天然氣，通過天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化反應將其轉(zhuǎn)化成 CO 和H2。爐料從爐頂通過布料器 (或多個加料管 )合理地布入爐中，在還原區(qū)與 CO 和H2 進行還原反應， 最后產(chǎn)品由爐底排出。 直接還原后的廢氣中仍含 有大量的 CO和 H2(約 70％ )， 通過洗滌器重新返回到重整爐， 重整后 進入豎爐循環(huán)使用。 HFEC 100 萬噸 /年 直接還原鐵項目 可行性研究報告 23 Midrex 豎爐法是 1968 年由美國提出， 1969 年第一次建廠，而后迅速發(fā)展起來。 Midrex 豎爐法特點是設備緊湊，充分利用余熱，生產(chǎn)率高，但對礦石和 還原 氣的含硫量要求嚴格。 HYL 法 希爾法 (HYL 法 )為墨西哥鍍錫板和薄板公司的發(fā)明， HYL 是這家公司英文縮寫。 20 世紀 70 年代墨西哥在固定床 HYLI 法基礎上發(fā)展為 HYLⅢ式豎爐，應用相當廣泛，約占世界直接還原鐵產(chǎn)量的 17％。 HYL 法 工藝 爐料（鐵礦石球團）自反應器頂部加入， 還原氣由中部還原區(qū)進入。從上至下，還原分四個階段進行：第一為加熱和初還原階段；第二為主還原階段；第三為冷卻和滲碳階段；第四為卸料階段。其特點是對 CO 和 H2 比例要求不嚴格。 從發(fā)展的角度 來看， Midrex 技術工藝 的市場占有率在相當長的一段時間內(nèi)仍將占據(jù)統(tǒng)治地位。綜合考慮設備費、專利費、運行費、工藝成熟性和技術易得性，該項目擬 采 改進的 Midrex 法 。 鐵浴爐鐵水方案 鐵浴爐工藝方案 鐵浴爐生產(chǎn)工藝是一個正壓操作的直立的縮口的熔煉容器，由耐火材料爐襯砌筑而成的爐膛和水冷爐頂結(jié)構構成。耐火 材料爐膛包括鐵水熔池，熔渣浮于鐵水之上。入爐原料 (煤，焦粉，礦粉，熔劑 )用氮氣從安裝在側(cè)面的盆腔同時吹入熔池。原料主要是從爐身上部加入的直接還原鐵，含鐵污泥干燥后從爐身側(cè)部的槍噴入爐內(nèi)。熔劑主要是粉狀氧化鈣、氧化鎂等。氧化鈣調(diào)節(jié)堿度和脫硫效果，氧化鎂調(diào)節(jié)渣的流動性。煤和焦為發(fā)熱劑和還原劑。鐵熔池上面，分散著隨煤加入的碳素發(fā)生氧化反應，與含鐵原料發(fā)生氧化反應，生成一氧化碳，煤炭里面的揮發(fā)份分解產(chǎn)生氫氣。隨著一氧化碳、氫氣、氮氣載體從熔池快速逸出，金屬和爐渣射流從頂部噴入，從熱風爐送過來的 1200℃的熱空氣通過 水冷噴槍從頂部鼓入，一氧化碳和氫氣在熱空氣中快速燃燒，高溫金屬和熔渣落回到熔池。 金屬和熔渣射流覆蓋在水冷壁表面，減少能量損失，保護水冷壁，有點類似于轉(zhuǎn)爐的濺渣護爐。過程產(chǎn)生的煤氣從爐頂先經(jīng)過熱旋風粗除塵，粗除塵顆粒返回鐵浴爐作原料，半凈熱煤氣由一座水冷洗滌裝置冷卻和凈HFEC 100 萬噸 /年 直接還原鐵項目 可行性研究報告 24 化，一部份用于熱風爐燒爐用，一部份用于豎爐還原氣加熱爐作燃料，一部份供球團、鍋爐使用，富余的煤氣降溫進煤氣管網(wǎng)。渣鐵產(chǎn)品連續(xù)地通過直立縮口的熔煉容器的避渣器，進入渣腔分離。 焦碳在冶煉的過程主要是還原劑和發(fā)熱劑，因而對強度要求不高，三級冶金焦 可滿足工藝的要求，同時因焦比低大大降低了冶煉成本。但對焦碳和煤的入硫總量要控制，否則下道工序難以控制質(zhì)量，本方案焦碳為外購或唐鋼供應。鐵浴爐可冶煉高磷礦。如果下道工序要精煉，則必須脫硫脫磷。 生產(chǎn)過程產(chǎn)生的爐渣可以作為原料供水泥或建筑材料。 鐵浴爐的原料為直接還原鐵，也可以是扎鋼皮或含鐵污泥。大大地擴展原料的來源，能利用大多數(shù)的鋼鐵產(chǎn)品廢棄物，促成鋼鐵生產(chǎn)的零污染。 短流程和快速恢復的鐵浴爐流程，可以迅速簡單地改變原料類型或產(chǎn)品。其操作的彈性，可以根據(jù)市場變化，迅速調(diào)整原料成本。 鐵浴爐停產(chǎn)時，豎爐的產(chǎn)品做 成熱壓塊 HBI 轉(zhuǎn)入料倉儲運。料倉中的HBI 也可在生產(chǎn)時少量配比加入鐵浴爐，但配比不能超過 4%，料倉中的HBI 因密度較大，不能浮在渣液表面直接吸收爐膛燃燒熱，同時因料倉 HBI為致密冷料，反應速度慢，降低了生產(chǎn)效率，增加了能耗。 鐵浴爐工藝設備 鐵浴爐兩臺爐缸為水冷綜合爐底，爐底水冷管上砌兩層半石墨高導熱碳磚，兩層微孔熱壓焙燒碳磚和兩層剛玉磚。爐缸側(cè)壁為冷卻壁加半石墨磚綜合結(jié)構，爐腹為氮化硅結(jié)合碳化硅磚砌筑外加冷卻壁結(jié)構，錐臺部份磷酸浸漬粘土磚加水冷壁，熱風從頂部水冷槍噴入，熱煤氣通過上升管進入 熱旋風粗除塵。 礦槽為混凝土結(jié)構，所裝物料為熱壓塊、球團礦、小塊焦、塊礦。 煤粉制備系統(tǒng)包括中速