甲烷改質(zhì)生產(chǎn)海綿鐵技術(shù)分析

摘要：直接還原豎爐方法是目前海綿鐵生產(chǎn)的主流工藝，通過(guò)對(duì)甲烷改質(zhì)獲得適合豎爐的還原氣，可以解決天然氣對(duì)海綿鐵工藝的束縛，滿足不同地區(qū)海綿鐵市場(chǎng)的需求。本文比較分析了國(guó)內(nèi)外各工藝的技術(shù)特點(diǎn)，HYL技術(shù)工藝成熟，但是豎爐壓力高，工藝和設(shè)備投資較高；MIDREX豎爐采用豎爐外重整方法，需要建立單獨(dú)的催化設(shè)備，占地面積大且投資高；中冶賽迪研發(fā)的低壓豎爐工藝可以適應(yīng)多種還原氣體，具有較廣的適用范圍，適合我國(guó)的資源特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：甲烷 海綿鐵 改質(zhì)

中圖分類號(hào)：TF702.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（b）-0078-02

直接還原鐵技術(shù)作為典型的非高爐煉鐵工藝，具有不使用焦煤、環(huán)境友好及節(jié)能減排效果明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于改善鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量具有重要作用。由于廢鋼-電爐煉鋼流程的能耗、CO2排放均低于傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐流程，是鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重要方向。目前，我國(guó)電爐鋼產(chǎn)量占粗鋼產(chǎn)量的10%左右，但由于廢鋼短缺、質(zhì)量差，因而對(duì)優(yōu)質(zhì)DRI的需求旺盛。根據(jù)我國(guó)廢鋼應(yīng)用協(xié)會(huì)估計(jì)，我國(guó)目前市場(chǎng)對(duì)海綿鐵的需求約為1500～2000萬(wàn)t/a，而目前我國(guó)直接還原鐵產(chǎn)量不足60萬(wàn)t，因此直接還原鐵在我國(guó)具有廣闊的市場(chǎng)需求[1]。

直接還原鐵技術(shù)主要有氣基豎爐和煤基回轉(zhuǎn)窯兩種方法。由于煤基回轉(zhuǎn)窯法具有能耗高、反應(yīng)速度慢、溫度不易控制等固有缺點(diǎn)，發(fā)展緩慢，目前氣基豎爐工藝占主導(dǎo)地位，其產(chǎn)量占直接還原鐵總量的75%左右。

目前，已投產(chǎn)的氣基豎爐主要包括Midrex豎爐和HYL豎爐兩種，還原氣體以天然氣為主，僅南非SALDANHA廠的Midrex豎爐采用的是COREX煤氣[2-3]。鑒于我國(guó)天然氣資源缺乏，采用天然氣生產(chǎn)海綿鐵工藝并不適合我國(guó)國(guó)情，開發(fā)適合我國(guó)資源特點(diǎn)的海綿鐵還原氣體具有重要的意義。甲烷改質(zhì)技術(shù)使富甲烷煤氣在一定條件下轉(zhuǎn)化為CO和H2，用作海綿鐵的還原氣體，此技術(shù)可以適應(yīng)于天然氣匱乏的國(guó)家和地區(qū)，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 甲烷改質(zhì)生產(chǎn)海綿鐵技術(shù)

甲烷改質(zhì)生產(chǎn)海綿鐵工藝是以富CH4煤氣為原料氣，高溫條件下進(jìn)入豎爐還原鐵礦石生產(chǎn)海綿鐵的方法。一般情況下，原料氣中的CH4在高溫和還原出的金屬鐵的催化作用下改質(zhì)生成CO和H2，可以補(bǔ)充還原鐵礦石損失的還原氣；還原后的爐頂氣經(jīng)除塵、降溫、脫碳后與補(bǔ)充的原料氣混合再次進(jìn)入豎爐。主要的改質(zhì)反應(yīng)如下：

CH4+H2O=CO+3H2

CH4+CO2=2CO+2H2

3Fe+CH4=Fe3C+2H2

甲烷改質(zhì)生產(chǎn)海綿鐵工藝流程一般都包括還原豎爐、爐頂煤氣處理系統(tǒng)、煤氣加熱系統(tǒng)和海綿鐵冷卻循環(huán)系統(tǒng)幾部分，由于還原氣內(nèi)甲烷的改質(zhì)方式、原料氣的加熱方式的不同，豎爐的工藝各有特點(diǎn)。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 HYL Energiron工藝

HYL/HYL Energiron技術(shù)最初是由墨西哥希爾公司開發(fā)，與2006年被Techint Group并購(gòu)，之后又與Tenova和達(dá)涅利公司聯(lián)合組成了Energiron公司，在HYL-ZR基礎(chǔ)上形成了新的HYL Energiron。此技術(shù)主要是通過(guò)在豎爐內(nèi)的還原段中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)重整，與之前HYL-III相比，無(wú)須使用外部重整爐或還原氣體生成系統(tǒng)[4]。HYL Energiron技術(shù)對(duì)還原氣適應(yīng)性好，可以在其工藝和設(shè)備無(wú)需改動(dòng)的情況下，使用焦?fàn)t煤氣（COG）、高爐煤氣（BFG）、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煤氣（BOFG）或煤制氣（Coal Gasification）代替天然氣，將煤氣中的CH4進(jìn)行熱裂后獲得含H2和CO，作為還原氣體生產(chǎn)海綿鐵。

HYL Energiron采用的是高壓豎爐（>0.65MPa）重整的工藝，鑒于匹配豎爐壓力較高，存在高壓設(shè)備和高壓密封等問(wèn)題，同時(shí)對(duì)H2/CO比和溫度要求較為嚴(yán)格，通常要求還原氣溫度>1050℃、H2/CO≥4，整個(gè)工藝路線的投資、運(yùn)行費(fèi)用較高。

2.2 Midrex工藝

Midrex技術(shù)最初由美國(guó)MIDREX公司開發(fā)，于1984年被日本神戶鋼鐵公司并購(gòu)。MIDREX工藝在使用天然氣為還原劑的情況下，能耗為9.61GJ/t，一些爐子利用系數(shù)達(dá)到15.2T/m3.d。目前，印度JSPL正在建1座年產(chǎn)能為180萬(wàn)噸的爐子，使用魯奇煤氣化技術(shù)。

MIDREX采用的是低壓豎爐（0.1MPa）和天然氣爐外重整的方法，重整爐部分占地、投資、運(yùn)行費(fèi)用較高。

2.3 CISDI 工藝

中冶賽迪公司（CISDI）早在70年代就天然氣直接還原生產(chǎn)海綿鐵技術(shù)進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)多年的不斷探索，CISDI立足國(guó)內(nèi)能源結(jié)構(gòu)，對(duì)我國(guó)電爐短流程鋼廠、鋼鐵聯(lián)合企業(yè)及礦產(chǎn)加工企業(yè)，分別提出了利用天然氣、焦?fàn)t煤氣、煤造氣等富CH4煤氣生產(chǎn)海綿鐵工藝。另外，CISDI將直接還原技術(shù)和電爐熔分技術(shù)相結(jié)合，為解決釩鈦礦的資源綜合利用提供了新的途徑。

CISDI豎爐采用低壓豎爐（0.1～ 0.3MPa），與國(guó)內(nèi)其它采用爐外催化重整的技術(shù)路線相比，不僅放寬了對(duì)H2S含量的限制，而且對(duì)H2/CO無(wú)嚴(yán)格要求，可根據(jù)原料氣中CH4的具體含量，采用相適應(yīng)的H2O/CO2配比和反應(yīng)溫度，相比國(guó)內(nèi)外對(duì)H2/CO要求嚴(yán)格的豎爐直接還原技術(shù)，流程和能耗上的優(yōu)勢(shì)十分明顯。

3 技術(shù)分析

采用甲烷改質(zhì)生產(chǎn)海綿鐵工藝具有工藝簡(jiǎn)單、能耗和投資運(yùn)行費(fèi)用較低、環(huán)境污染大幅度降低的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3.1 提高煤氣利用價(jià)值

我國(guó)是世界焦炭生產(chǎn)和消耗大國(guó)，焦炭產(chǎn)量共計(jì)約3.55億t，占世界焦炭產(chǎn)量的66%，其中獨(dú)立焦化廠共生產(chǎn)焦炭2.2億t，鋼鐵企業(yè)自產(chǎn)焦炭1.35億t左右，一共生產(chǎn)COG近1400×108m3，除鋼鐵聯(lián)合企業(yè)和城市煤氣等工業(yè)和民用燃?xì)馔?，每年可有?00×108～500×108m3的COG可作資源型開發(fā)利用。同時(shí)，由于獨(dú)立焦化廠在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、環(huán)境污染等方面的缺陷十分明顯，其利潤(rùn)和發(fā)展均受到較大的限制，提高產(chǎn)業(yè)集中度和延伸產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)仟?dú)立焦化廠發(fā)展的必然選擇[5-6]。針對(duì)獨(dú)立焦化廠，采用甲烷爐內(nèi)改質(zhì)直接還原技術(shù)，回收利用多余的COG，生產(chǎn)附加價(jià)值較高的優(yōu)質(zhì)海綿鐵，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)十分明顯。而且，隨著蓄熱式技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼鐵聯(lián)合企業(yè)逐漸利用高爐煤氣（BFG）替代COG作為燃料氣，富余出的COG采用甲烷爐內(nèi)改質(zhì)直接還原技術(shù)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)海綿鐵，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)均較為明顯。

3.2 工藝流程簡(jiǎn)單

利用富余工業(yè)氣體生產(chǎn)海綿鐵，省去了前端的制氣工序，工藝流程大為精簡(jiǎn)。由于目前世界上尚沒(méi)有以焦?fàn)t煤氣、煤層氣等煤制氣為原料的豎爐裝置投產(chǎn)，一些相關(guān)的工藝設(shè)置均存在工藝復(fù)雜、還原氣H2/CO要求高、工藝制約環(huán)節(jié)多等不足。因此，簡(jiǎn)化工藝流程，減少制約因素是當(dāng)前我國(guó)氣基豎爐直接還原技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

發(fā)展甲烷改質(zhì)生產(chǎn)海綿鐵生產(chǎn)工藝，可以突破天然氣資源的區(qū)域局限性，滿足海綿鐵的廣大市場(chǎng)需求；工藝本身受豎爐壓力、還原氣成分、投資運(yùn)營(yíng)成本等多種因素的影響，目前CISDI開發(fā)的低壓豎爐工藝更適合我國(guó)的國(guó)情。

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