如何构建低能耗的炼铁工艺流程

由于进入预还原竖炉的煤气温度低,还原动力学差,导致吨矿气量消耗大,熔融气化炉要完成3项任务: 

①继续还原竖炉出来的中等金属化率球团; ②熔化炉渣和球团; ③产生竖炉预还原所需要的煤气成分及煤气流量。

目前COREX的吨铁综合燃料比约为1000kg,远高于高炉流程,在能耗、排放等多方面,目前还无法与高炉流程竞争。

 1.1.4 COREX流程的环保性 COREX在宣传环保优势时,忽略了自身需要的焦炭、烧结矿、氧化球团的环境负荷情况。炼铁环保中,焦化、烧结(球团)是废气、粉尘排放的主要源泉。如果单拿COREX与高炉主体相比,在SOx、NOx 上COREX并不占优势(见图3),相反COREX本体的燃料比高于高炉, CO2 排放(2800kg/t)也远高于高炉本体(1400kg/t)。 

1.1.5 COREX的经济性 C- 3000设备的利用系数低,吨铁固定投资相当高昂,包括大型制氧机、煤气增压机等。奥钢联在对外宣传时,省去了COREX流程的原料(氧化球团、烧结等)和焦化投资,仅以单体C- 3000反应器与高炉炼铁流程相比较,有失公允。C- 3000的操作成本也是相当高昂的:燃料比过高,并且都为价格高昂的优质焦炭与块煤,另外,还要消耗550Nm3/t的氧气。C- 3000当然还产生大量优质煤气,可以发电或用于其它用途。但是其发电效益不明朗,正常火力发电使用质量一般的电煤,而用C- 3000的尾气发电,用的是价格高昂的焦炭和优质块煤。

 1.2 FINEX流程 1.2.1 FINEX工艺预还原流化床反应器过于复杂 早期的FINEX为3个流化床串联而成,其中一个为换热用的,另两个用于流化床还原。由于还原速度慢,演变成4级流化床,其中一个为换热用的, 3个用于流化床还原。如此庞大的预还原装备,导致固定投资较高,比高炉方案总投资约高20%(不包括焦化)。比高炉炼铁多的几大项包括制氧、尾气脱除CO2、煤气循环增压机、热压块等。 

1.2.2 FINEX工艺离不开焦炭 FINEX的熔融气化炉是从COREX移植过来的,保留了COREX熔融气化炉的特点。因此 FINEX的熔融气化炉也存在焦床,也要使用部分焦炭,吨铁焦炭量在200kg左右。因此, FINEX流程也包括焦化工序,相应的固定投资、能耗指标、污染指标也应计算在FINEX流程内。

 1.2.3 FINEX对煤种与矿种的要求较高 FINEX对煤种的要求较高,必须使用价格昂贵的优质煤,目前也在尝试煤粉喷吹,以降低优质块煤的使用量。FINEX采用鼓泡流化床,粒度控制在1～10mm,小于150μm的矿粉不能使用,即我国特有的精矿粉不能用于FINEX流程。

 1.2.4 流化床粘结问题 流化床还原温度较高(800～850℃),将会出现粉料的粘结问题,从而影响操作的连续性和稳定性。温度高于850℃粘结问题更加严重,而低于800℃,反应速度过慢。在目前的还原温度条件下,流化床设备利用率很低(约013 t/ (m3·d)),比COREX工艺的设备效率还低。

 1.2.5 FINEX的能耗、环保性 由于流化床效率低, FINEX工艺的气体利用率不高(预还原耗气量为2000Nm3/t,高于COREX预还原竖炉的1800Nm3/t),如此高的耗气量,迫使FINEX采用尾气变压吸附和煤气增压方式,将尾气中的CO、H2 循环使用,以降低煤气消耗量。因此FINEX的燃料比要低于COREX流程,但FINEX存在制氧、热压块、变压吸附、煤气增压等耗电大户,这方面数据FINEX尚未公开。目前FINEX还在进行工业试验,具体使用多少焦炭,还是未知数。可以预见, FINEX工艺的实际能耗与环保指标应高于目前对外宣传数据。

 1.3 HISMELT流程 1.3.1 吨铁矿比高 HISMELT的铁浴炉渣金反应激烈,渣中混有大量金属,虹吸式出铁使得渣金分离时间短, 大量金属铁无法分离;采用二次氧化方式,渣中含有5%左右的FeO;流化床预热器散落粉尘。Hismelt吨铁消耗矿量达到2000kg以上(见图7),远高于高炉所需铁矿1500kg水平。

 1.3.2 煤耗高 铁浴炉的二次燃烧的热效率只有50%,大量的热量被高温废气带走。加之,吨铁矿比高,导致吨铁煤耗量平均大于1000kg(见图8),比Hismelt宣传的610kg高出50%。 

1.3.3 耐火材料、喷枪寿命短 铁浴炉特殊的还原与氧化气氛,使得炉衬寿命很短。设计18个月的炉衬,实际只使用了2个多月,而更换一次炉衬还需停炉20多天。耐材不仅影响成本,而且在生产中,造成前后生产的波动,问题非常严重。在铁浴炉内顶枪、矿粉喷吹、粉煤喷吹不仅受到激烈的高氧化性的炉渣与铁水侵蚀,内在的高温气体、矿粉摩擦也恶化喷枪工作环境。频繁更换有碍生产连续性。 

1.3.4 煤气质量差 铁浴炉产生2800Nm3/t的1000℃低热值、低压力废气,无法利用。用于发电,必须添加天然气,用于预热,压力不足,必须额外添加换热器与增压机,流程复杂。

 1.3.5 流化床预热不过关 流化床预热是HISMELT近几年新增的工序环节。两年来的试验表明:流化床预热的各个部分都出过问题,影响作业率。HISMELT厂原本直接使用铁浴炉煤气预热矿粉,但是由于铁浴炉压力很低,根本无法直接使用。 

2 直接还原 2.1 气基直接还原工艺 2.1.1MIDREX MIDREX直接还原工艺是Midrex公司开发成功的。它属于气基直接 还原法, 以天然气经催化裂解后得到的气体( 主要成分H2、CO) 为还原剂, 在800~ 900 e 还原铁矿得到海绵铁。MIDREX法具有工艺成熟、操作简单、生产率高、热耗低、产品质量高等优点, 因此在直接还原工艺中占统治地位。 但是MIDREX也存在一定的局限性, 首先是它要求有丰富的天然气资源作保障; 其次MIDREX的反应温度低, 反应速度较慢, 炉料在还原带大约停留6h, 在整个炉内停留时间在10 h左右。另外MIDREX工艺要求铁矿石粒度适宜且均匀, 粒度过大会影响CO和H2 的扩散使反应速度降低；粒度过小, 透气性差, 还原气分布不均匀, 一般小于5mm粉末的含量不能大于5%。同时对于铁矿石的品位要求也高, 这是直接还原生产海绵铁的通病, 对于矿石中的S和Ti 的含量要求很严。 

2.1.2 HYL-Ⅲ工艺 HYL- 工艺的基本原理是在固定床用还原气体来还原铁矿石。通过的还原气碳氢化合物( 天然气或焦炉煤气)，是经过不完全燃烧及还原反应器内金属铁的催化作用在现场重整而生成的。该工艺流程包括以下特点：还原气体的不完全燃烧；反应炉还原区域底部的煤气重整；反应气体成分可调。

 2.1.3FASTMET工艺 与其他直接还原工艺相比，FASTMET 工艺具有以下特点: ∀以煤粉为还原剂,摆脱了天然气地域分布不均的限制，对煤质的要求也不那么严格，故其应用地域广泛；主要设备为环形转底炉，该工艺设备简单，投资省，能耗较低；对炉料的强度要求不高；炉料在转底炉内停留时间短( 约20min)，操作容易。