周渝生,儲滿生

　　東北大學

　　1 概述

　　發展直接還原鐵是我國鋼鐵工業實現可持續發展,適應日益提高的環境保護要求及提高鋼鐵產品質量的重要途徑。目前，我國的鋼鐵蓄積量已經達到100億噸以上，可以預見，不久以后我國鋼鐵工業使用廢鋼的比例將快速上升，對純凈的鐵源直接還原鐵的需求將會有爆發性增長。 受到資源的制約,我國直接還原鐵產量接近于零。 2019年全世界大型豎爐直接還原法生產的DRI所占比例超過73%，而中國仍然為零。回轉窯直接還原鐵生產技術缺乏市場競爭力。我國雖然已經建成了多座回收處理鋼鐵廠含鐵塵泥的轉底爐，但轉底爐生產的產品金屬化率偏低，一般僅適合供給高爐和轉爐循環利用。

　　與其它煉鐵工藝相比，氣基豎爐直接還原法的顯著優點是單套設備產量大、不消耗焦煤，節能、環境友好、低能耗、低CO2排放，是直接還原無焦煉鐵技術的主流。是產品質量優良的低碳綠色先進煉鐵技術，應該成為我國直接還原煉鐵技術的主要發展方向。

　　在過去30年間，煤氣化技術的產業化取得了極大發展，各類型的煤氣化技術的生產裝置都在中國運行。目前在南非撒旦那（saldahna）有一套產能為DRI 80萬t/a的MIDREX豎爐已經生產了8年,它是世界上唯一利用COREX輸出的含CO達80%的煤合成氣生產直接還原鐵的豎爐。印度京達爾公司也在與達涅利公司合作,建設了DRI 170萬t/a煤制氣-MIDREX豎爐直接還原工程。建設大型豎爐直接還原與煤制氣豎爐聯合工藝，關鍵是煤制合成氣的成本能否大幅度降低，在非煉焦煤、天然氣和焦爐煤氣較便宜的地區和企業，均可采用此項技術。加壓煤制氣工藝是我國今后發展大型直接還原新工藝的基礎條件，采用現有成熟的煤氣化裝置和豎爐，應用現有MIDREX、HYL-Ⅲ、PERED豎爐直接還原技術,可將二者連接起來,形成大型煤制合成氣生產直接還原鐵的聯合工藝。在新疆、內蒙等缺乏焦煤而非焦煤資源豐富而且廉價的地區，大型煤制氣-豎爐海綿鐵聯合流程具有很強的競爭力。由于缺乏天然氣資源，我國迄今尚沒有建設技術成熟、節能的大型氣基直接還原豎爐煉鐵工業生產裝置，缺乏對成熟的大型氣基直接還原豎爐煉鐵生產技術的應用經驗，目前在山西省正在建設焦爐煤氣豎爐直接還原工程。

　　中國的能源結構適合發展以煤氣化為氣源的直接還原煉鐵工藝。采用最新一代的潔凈煤氣化技術的大型豎爐直接還原工藝技術是目前最節能、低排放、高效率的大型化先進煉鐵工藝，流程中可避免環境污染最嚴重的燒結和焦化工序，在能耗及排放方面聯合工藝與高爐流程相比具有明顯的優勢。是我國直接還原產業的發展方向。

　　2 HYL-Ⅲ豎爐直接還原技術

　　2.1 概述

　　HYL工藝的開發始于上世紀五十年代，當時的HYL-I工藝采用間歇式反應器。1957年第一座HYL-I生產裝置在Monterrey建成，年產海綿鐵（DRI）10萬噸。間歇式反應器的能耗相當高，約為17～19GJ/tDRI。1980年，HYLSA.公司在墨西哥Monterrey的直接還原廠開始采用HYL－Ⅲ豎爐移動床工藝取代原先的HYL-I間歇式反應器生產DRI，HYL－Ⅲ繼承了HYL-I的一些成功技術，如還原氣發生裝置、以氫氣為主的還原氣及高溫、高壓還原技術等。

　　此后，MAN GHH AG、Ferrostaal AG和HYLSA.聯合建設了一個年產200萬噸DRI的直接還原生產廠IMEXSA，這也是HYL-Ⅲ工藝首次在HYLS.A.之外投入商業化生產。該廠于1989年2月順利通過了投產考核期。

　　目前世界上采用HYL工藝生產海綿鐵或熱壓鐵塊的工業裝置共有19套，年產量達到1365萬噸（見表2-1）。

　　HYL－Ⅲ的能耗已可以降低到約為10.46～9.74GJ/tDRI。

 

　　2.2 HYL-Ⅲ工藝的豎爐反應器

　　HYL-Ⅲ的反應器豎爐結構如圖2-1所示。HYL-Ⅲ的含鐵原料可以是球團礦或球團礦/塊礦的混合物，而且原料的適用范圍較寬。

　　HYL-Ⅲ反應器的一個顯著特點是工作壓力在0.55MPa以上。所以它的裝料系統帶有一個鎖定裝置以維持豎爐壓力，含鐵原料通過四根直立管加到料線上。

　　加熱到930℃以上的還原氣由環形的耐材管噴入豎爐的還原區，與鐵礦石逆流接觸，將鐵礦石還原成DRI。爐頂氣的出口溫度為400～450℃。

　　高溫、高壓及高濃度的氫氣保證了非常高的還原速度，豎爐橫截面的還原效率達到3.5～5.0tDRI/(h*m2)。

　　固相DRI經過還原區后進入一個等壓區。對于氣相而言，上部是還原區，下部是冷卻區。等壓保證了固相可以均勻地通過還原區。

　　在反應器下部的圓錐形冷卻段，海綿鐵DRI由底部通入的含甲烷的冷卻氣逆流冷卻并滲碳。DRI產品逐漸冷卻到50℃左右后經過一個旋轉閥以一定的速度排出，排出的DRI進入壓力料倉，壓力料倉有兩個，可以交替使用。壓力倉的維壓裝置與爐頂加料倉相似。

 
　　圖2-1 HYL-Ⅲ直接還原豎爐

　　2.3 還原煤氣循環（圖2-2）

　　離開反應器的爐頂煤氣經噴水洗滌器后溫度降到40℃左右，水洗可以除去煤氣中的粉塵和反應生產的水。凈化后的煤氣有三分之二左右被循環使用，另外三分之一作為尾氣外排以避免反應生成的CO2或重整工藝帶入的N2循環累積。因為尾氣中不僅含CO2，還含一定量的CO和H2，所以循環氣中必須不斷補充新的還原氣，以保證循環氣中的還原組分大于DRI還原所需的量。尾氣可作為還原氣加熱或重整單元的燃料氣。

　　進入豎爐的還原氣由爐頂循環氣和補充的新鮮還原氣混合組成，混合氣的氧化度η控制在13~17%。氧化度η的計算公式如下：

　　還原氣進入豎爐之前經預熱器和加熱器被加熱到930℃。

 
　　圖2-2 HYL-Ⅲ直接還原工藝

　　2.4 冷卻氣循環
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