焦炉煤气竖炉法生产DRI的煤气用量及利用率计算

基于MIDREX 工艺的焦炉煤气竖炉法生产DRI的

煤气用量及利用率计算

梁之凯1)，许景利1)，田新琰1)，季爱兵1)，黄柱成2) （1.江苏省冶金设计院有限公司，南京210000；2.中南大学资源加工与生物工程学院，长沙410083）

摘要：海绵铁以其成分稳定、有害元素含量低等特点，成为冶炼优质钢和特种钢的必备材料。近年来，我国DRI生产能力不足60 万吨/年，远不能满足特钢生产的需求。气基竖炉可以迅速扩大DRI 产量，但它需要天然气作还原剂，故其在我国发展受到气源的限制；近年研发使用焦炉煤气生产DRI，既解决了气源的问题，又能高效提高我国DRI 产量。目前该工艺将走向工业化，因此需要科研工作者们深入研究。本文将焦炉煤气应用于MIDREX竖炉工艺，基于理论计算，探讨焦炉煤气-MIDREX 竖炉生产DRI 的煤气用量以及煤气利用率，为我国气基竖炉工艺的发展提供工艺参数。

关键词：焦炉煤气；竖炉DRI；煤气用量；煤气利用率

COKE OVEN GAS CONSUMPTION AND ITS UTILIZATION RATIO ON REDUCTION PROCESS IN MIDREX SHAFT FURNACE

LIANG Zhi-kai1)，XUJing-li1)，TIAN Xin-yan1)，HUANG Zhu-cheng2)

(1. JSMDI，Nanjing 210000；2. Central South University, Changsha 410083)

Abstract: Sponge iron is an essential material for smelting quality and special steel, because of its stable compositionand low content of harmful elements. DRI production capacity is of less than 600 thousand ton per year in China recently,which can’t satisfy the demand of special steel production. Gas-based shaft furnace which NG is needed as a reducingagent can rapidly expand the production of DRI; therefore its development is limited by a gas source in our country. Atpresent, study on producing DRI by COG doesn ’t only solve the problem of gas, but also expand DRI productionefficiently. At present, the process will be towards industrialization, thus requiring further study by scientific researchworkers. In this paper, COG was applied to MIDREX shaft furnace process, the gas consumption and utilization ratio ofCOG in MIDREX shaft furnace is discussed through theoretical calculation, in order to provide technological parameter for the implementation of this process.

Key words: coke oven gas; gas-based shaft furnace DRI; gas consumption; gas utilization ratio

前言

2000年以来，我国已经成为世界钢铁大国，但至今仍不是钢铁强国，主要是因为我国的钢铁产品在国际上缺乏竞争力，每年还要从国外进口千余万吨优质钢及特种钢。海绵铁以其成分稳定、有害元素含量低等特点，成为了冶炼优质钢和特种钢的必备材料。近年来，我国每年进口DRI达200 余万吨，而我国DRI生产能力不足60 万吨/年，不能满足需求。因此，我国要走向钢铁强国，就必须发展立足我国资源特征的直接还原铁工业[2]。

国外直接还原铁生产经验表明，发展气基竖炉工艺是迅速扩大DRI产能的有效途径。它具有生产技术成熟、设备可靠、单位产品投资少、生产率高等优点，具有很强的竞争力。但是，它需要采用天然气作还原剂，故其发展受到气源和地区的限制。因此，我们需要勇气打破传统观念，利用我国的资源特征，积极开展气基竖炉的有关研究[1-3]。

我国焦炉煤气资源丰富，2010 国内生产焦炭3.87 亿吨，可产生焦炉煤气840亿m3，按45%自用，尚可对外提供煤气约462 亿m3。近年来，我国没有利用而“点天灯”或直接排入大气的焦炉煤气量达100多亿m3[1-4]。焦炉煤气含H2近60%、CO 6%～10%，并含有25%左右的CH4，如果将其进行重整，所得还原气成分可与MIDREX 或HYL 工艺气成分相类似，可用于生产DRI。以每年可利用100 亿m3焦炉煤气量计算，根据本次计算结果，约可生产DRI 1850万吨，以40万t/a的生产规模计，相当于46座气基还原竖炉，这将大幅改善我国DRI供给不足

的情况，同时可优化调整我国钢铁产业结构。

本文基于MIDREX 工艺，采用焦炉煤气替代天然气生产DRI，探讨焦炉煤气竖炉法生产DRI 的用气量及利用率，为将来该工艺的实施提供工艺参数。

1 使用非天然气的气基竖炉工艺

1.1 MXCOL工艺

MIDREX 公司开发了利用低成本能源的MXCOL 工艺，该工艺可以使用煤制气、COREX 还原尾气、转炉煤气以及焦炉煤气等。图1为MXCOL工艺利用不同煤气时的工艺流程图。

该流程中由制气炉中出来的还原气体要经过气体洗涤和成分调整系统，并在加热炉加热到适当的温度后通入竖炉中，炉顶煤气可循环利用[10]。

印度在2008 年开始投资建设年产180 万t 的煤制气（LURGI）—MIDREX 竖炉生产线。而COG—MIDREX 竖炉生产线尚未工业化，在理论研究中，赵宗波等人[4]对将焦炉煤气直接替换图1中的煤制气进行了理论焦炉煤气用量计算。假设焦炉煤气中CH4和C2H6在竖炉内全部裂解时，每吨DRI 需要理论焦炉煤气量484m3，但是由于反应是强吸热反应，需要外加热源。为避免CH4和C2H6参与还原的强吸热反应，在焦炉煤气中补充氧气，考虑实际生产中炉顶煤气利用率38%，计算出每吨DRI需要理论焦炉煤气量1063m3，可以满足焦炉煤气竖炉法生产DRI工艺。而COG-气基竖炉工艺中诸如探讨重整炉在该工艺中使用的必要性等等问题，也需要我们科研工作者不断地深入研究[5-8]。

1.2 HYL/ENERGIRON 工艺

Tenova HYL、Techint和Danieli联合推出了HYL/ENERGIRON 新技术[25-26]。该工艺可以使用：氢气、焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气和煤制气等。其工艺流程图如2 所示。

从图可以看出，它不需要外部重整炉设备，通过在自身还原段中生成还原气体。还原气体通入加热炉中加热到950℃，在通入竖炉之前通入适量氧气，提供甲烷重整和金属铁增碳所需的热量。煤气的燃烧使得温度上升到1085℃左右，由于富氢还原反应吸热，可使还原区温度降至820℃左右，因此铁矿石不会粘结[10]。

该工艺认为可以使用氢气、焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气、煤制气和天然气等还原性气体，但目前仍未见到COG—HYL/ENERGIRON 竖炉的工业化应用。

2还原气用量及利用率计算

2.1 计算条件

本文以DRI 产量为80 万t/a 的COG-MIDREX 竖炉直接还原铁厂为例，进行计算。表1 为国外某MIDREX 竖炉使用的瑞典LKAB 球团矿的化学成分。

主要的计算条件设定如下：

（1）该直接还原铁厂年作业时间为7440h；

（2）设定循环用炉顶气的比例为70%；

（3）设定CH4在重整炉内转化率为90%；

（4）假定焦炉煤气中C m H n为C2H6，重整炉内C2H6先生成CH4再进行重整反应；

（5）设定重整炉内CH4与CO2和H2O反应的比例分别为90%、10%；

（6）CH4在竖炉内的重整率为20%；

（7）DRI的金属化率为94%，碳含量为1.5%。

2.2 煤气利用率计算

（1）根据氧化球团的化学成分和产品DRI的金属化率、含碳量条件，可计算出DRI的化学成分，如表4 所示。