非焦煤炼铁工艺及装备的未来(2)——气基直接还原炼铁工艺及装备的前景研究(下)

郭汉杰 孙贯永

(1:北京科技大学冶金与生态工程学院 北京100083;2:北京市重点实验室高端金属材料特种熔炼与制备中心 北京100083)

1 前言

竖炉气基直接还原占据着海绵铁生产的绝大比例，其工艺原理被普遍接受［1］，但其还原气的制备决不可忽视。竖炉直接还原造气问题上，主要是利用电、氧气、蒸汽对天然气、非焦煤或焦炭进行气化，生产供竖炉用还原气。WIBERG法造气炉采用电弧加热，可对焦炭和块状非焦煤进行气化，该流程已经不再使用［2］，其实气化焦煤本身就是一种资源的浪费，也失去了直接还原的意义。PLASMARED使用等离子技术，可对多种燃料进行气化［3］，单从原理上说，它可以综合利用各种低等能源，是有前途的方法，但关键是装备的开发。FINSIDER法采用氧气和非焦煤制取还原气，毫无疑问，是最吸引力的方法［4］。

必须指出，正在开发的气基直接还原另一个重要分支是流化床法。从1951年，第一套日产50t的流化床H-IRON直接还原装置投入运行。另一套H-IRON装置于1962年投产，能够日产120t。1979年，一个流化床流程HIB法以更大的规模实现了工业化，能力为100万t/a。对流化床直接还原影响最大的是FIOR法的工业化，该流程与1976年在委内瑞纳建成第一套年产40万t海绵铁的工业装置。由于粉状海绵铁不易存储与运输，所以采用热压工业将其加工成团块出售。团块的性能优良，故热压工业后来也被较多竖炉工艺所采用。目前FIOR法已被FINMET法取代，FINMET是第四大直接还原流程［5］。另外，流化床气基直接还原作为第一段还原，被FINEX、HIsmelt等熔融还原采用，是未来很有前景的工艺。但作为终还原工艺，由于流化床海绵铁产量相对竖炉海绵铁较小，目前在大生产状态下还没有进一步发展，限于篇幅，这里不做更多介绍。

发表在冶金设备2015年第3期的文章中，已经介绍了MIDREX的工艺过程和设备运行，该篇主要介绍另一个在世界范围发展很快的HYL-Ⅲ以及其“升华版”Energiron工艺。

2 HYL-Ⅲ工艺

2．1 HYL-Ⅲ工艺发展历程

HYL-Ⅲ是Hojalata y Lamia S．A．(Hylsa)公司早在1960年在墨西哥的蒙特利尔就已开发成功的［6，7］。这一工艺的前身是该公司早期开发的间歇式固定床罐式法(HYL-Ⅰ、HYL-Ⅱ)。1975年，一座日产25t的中间试验装置投人运转。1980年，将一套1960年建成的固定床装置改造成年产25万t的HYL-Ⅲ装置并投入运行。1983年，又将一套1974年投产的固定床改造成年产50万t的竖炉。用HYL-Ⅲ代替HYL-Ⅰ、HYL-Ⅱ体现了还原反应由间歇运行到连续运行的进步趋势［8，9］。

2．2 HYL-Ⅲ工艺流程

新研制成的HYL-Ⅲ法已由一座竖炉取代了四座反应罐，能够连续生产，不仅产量高，而且可以使用天然气，煤和油的气化或焦炉煤气，可以使用球团或块矿，产品海绵铁质量稳定。金属化率可控制在83% ～92%，产品可直接加入电炉，不需要再筛分或压块。转化炉寿命可长达十年。采用计算机控制设备的运行生产。图1为HYL-III直接还原工艺流程图。

图 1 HYL-ⅠⅠ直接还原工艺流程图

还原气以水蒸气为裂化剂(而MIDREX以含CO与H2约70%的炉顶煤气作为裂化剂)，以天然气为原料通过催化裂化反应制取［10，11］。还原气转化炉以天然气和部分炉顶煤气为燃料。燃气粗余热在烟道换热器中回收，用以预热原料气和水蒸气。从转化炉排出的粗还原气首先通过一个热量回收装置，用于水蒸气的生产。然后通过一个还原气洗涤器清洗冷却，冷凝出过剩水蒸气，使氧化度降低。净还原气与一部分经过清洗加压的炉顶煤气混合，通入一个以炉顶煤气为燃料的加热炉，预热至900℃ ～960℃。

由加热炉排出的高温还原气从竖炉的中间部位进入还原段。在与矿石的对流运动中，还原气完成对矿石的还原和预热。然后作为炉顶煤气从炉顶排出竖炉。炉顶煤气首先经过清洗，将还原过程产生的水蒸气冷凝脱除，提高还原势。并除去灰尘，以便加压门清洗后的炉顶煤气分为两路。一路作为燃料气供应还原气加热炉和转化炉;另一路加压后与净还原气混合，预热后作为还原气使用。

可使用球团矿和天然块矿为原料。加料和卸料都有密封装置。料速通过卸料装置中的蜂窝轮排料机进行控制。在还原段完成还原过程的海绵铁继续下降进入冷却段。冷却段的工作原理与MIDREX类似。可将冷还原气或天然气等作为冷却气补充进循环系统。海绵铁在冷却段中温度降低到50℃左右，然后排出竖炉。

HYL-Ⅲ法的技术指标通常是:直接还原铁平均金属化率为90．9%，平均含碳量为1．9%，最低能耗10．4 ～11．29GJ/t、电耗为 90kW·h/t。

2．3 HYL-Ⅲ工艺特点

MIDREX与HYL-III作为气基还原两大主要工艺，可从HYL-III的工艺特点看出它们的区别。

2．3．1 制气部分和还原部分相互独立

MIDREX与 HYL-III的最大区别之一是，MIDREX竖炉炉顶气与天然气混合，共同进入重整炉制取还原气，还原竖炉和制气设备是相互联系，互相影响的［12，13］。而HYL-Ⅲ竖炉炉顶气经脱水和脱二氧化碳后，直接与重整炉内出来的气体混合制成还原气，还原设备和制气设备相互独立［14，15］。因此概括起来，HYL-Ⅲ工艺具有以下特点:

1)HYL-Ⅲ竖炉选择配套的还原气发生设备有很大的灵活性，除天然气外，焦炉煤气、煤发生气、COREX尾气等都可成为还原气的原料气;

2)重整炉处理气量变小，每吨海绵铁仅为475m3，这使HYL-Ⅲ工艺重整炉体积小，造价低。而MIDREX工艺重整炉处理气体体积为每吨海绵铁1810m3;

3)可以处理硫含量较高的铁矿。而MIDREX竖炉对铁矿的硫含量有一定限制，否则含硫炉顶气进入重整炉将造成裂解催化剂失效［16］。

4)竖炉运转失常时不影响还原气转化炉的工作。

2．3．2 以水蒸气为裂化剂还原气中氢气含量高

HYL-Ⅲ通过天然气和水蒸汽在重整炉中催化裂解生产还原气，因此还原气中氢含量高，H2/CO 为5．6 ～5．9，使 HYL-Ⅲ竖炉中还原气和铁矿石的反应为吸热反应，入炉还原气温度较高，为930℃。而MIDREX工艺主要是天然气和竖炉炉顶气裂解制取还原气，还原气中氢含量相对较低，H2/CO为1．55，使MIDREX竖炉中还原气和铁矿石的反应是放热反应，还原气温度不能太高，为840℃。

HYL-Ⅲ可以使用块矿、氧化球团，对铁矿石的化学成分没有严格的限定［17，18］。可允许提高操作温度，是生产率提高:将5% ～10%块矿与球团混合使用，可将操作温度提高到960℃，由于H2含量高，不产生严重结块。

以水蒸气为裂化剂，不存在裂化剂引起催化剂硫中毒的问题。因此对矿石含硫没有特殊限制。

2．3．3 高压操作

HYL-Ⅲ还原竖炉工作压力为0．4～0．6MPa，由于采用高压操作，竖炉炉顶和炉底均采用球阀密封［19］。为了实现全密封操作，炉顶和炉底均设有间歇式工作的压力仓。如图2所示MIDREX竖炉与HYL-Ⅲ竖炉结构示意图。铁矿石首先通过炉顶料仓加入炉顶压力仓中，然后将铁矿石再加入碟形仓中，压力仓上下球阀切换开闭，保持煤气不外漏，通过碟形仓下的四个布料管将铁矿石加入炉内。由于采用了碟形仓，可使铁矿石连续加入炉中。生成的海绵铁通过炉底旋转阀排入炉底两个料仓中，两个压力仓切换使用，可实现竖炉连续排料。而MIDREX竖炉操作压力为0．23MPa，炉顶和炉底依靠加料管和排料管的料封作用及补充氮气来封锁煤气［19］。

由于高温、高压、高氢的特点，使得HYL-Ⅲ竖炉中铁矿石的还原速度加快，竖炉生产效率提高。同MIDREX竖炉相比，同样炉容的条件下，HYL-Ⅲ竖炉海绵铁产量更大。

图2 MⅠDREX竖炉与HYL-Ⅲ竖炉结构示意图

图3 HYL法反应炉结构图

2．3．4 炉身结构简单

HYL-Ⅲ竖炉内部是空的，只在炉底排料口处设有两根液压松料杆，以保证排料顺畅。而MIDREX竖炉结构复杂，炉内设有冷却气体分配器和海绵铁破碎器。如图3所示为HYL反应竖炉结构图。

2．3．5 部分氧化法技术

拥有HYL-Ⅲ技术的工厂总是希望提高还原气温度来增加产量，通过部分氧化法可实现提高还原温度的目的。所谓的部分氧化法是在还原气加热炉和竖炉间的管道中喷入氧气，还原气部分氧化并放出热，从而使还原气温度提高。部分氧化反应如式1－3所示:在墨西哥蒙特雷2M5/3M5厂采用部分氧化法使还原气温度从935℃提高到957℃［21］。但必须指出，部分氧化法虽然使还原气的温度得以提高了30K左右，但牺牲了还原气的有效浓度，孰轻孰重，还需要实践检验。

2．3．6 海绵铁热送系统

海绵铁热送系统如图4所示。热的海绵铁从竖炉中生产出来后，通过加热的氮气全密封输送到电炉料仓，海绵铁通过料仓给料器加入电炉，输送氮气则经洗涤后返回输送系统。若电炉不需要海绵铁时，海绵铁可离线冷却或进行热压块处理。通过采用气力热送系统，大大降低了电炉的能耗。墨西哥希尔萨公司在蒙特雷新建的Hylsa4M厂，其直接还原装置具有海绵铁(HYTEMP IRON)气力输送系统，该系统于1998年3月投入生产。

图4 HYTEMPⅠRON气力输送系统

2．3．7 海绵铁热压系统

图5 热压块铁系统

工艺生产的冷直接还原铁是特性稳定的产品，进行适当处理后可以作较长时间的储存和远距离输送。然而，由于商业性直接还原厂生产的产品是专供出口海外和远距离运给使用厂家，所以对于那些没有特殊处理和储存的中小冶炼厂家的用户，建议采用热压块，如图5所示。该热压块铁的有关技术参数如下:堆密度2．4 ～2．6t/m3，密度5．0t/m3，尺寸110 ×60 ×30mm，重量0．5kg。

2．3．8 炉顶气脱CO2处理

采用一种脱除H2O及CO2的处理炉顶返回煤气的方法［22］，工艺流程如图6所示，减少了裂化煤气的负担，也有利于减少催化剂中毒，可延长天然气催化裂化反应器的使用寿命，将天然气补充道循环冷却气中，在冷却带上段被高温海绵铁加热，并在新生海绵铁催化剂的作用下裂解转化，这样既可加速海绵铁冷却，缩短海绵铁在冷却带的停留时间，又可以减少冷却气量，还可允许在提高作业温度下操作，把结块减少到最低程度，产品含碳量高，性能稳定，不易气化生锈;竖炉运转失常时，不影响还原气转化炉的工作。

图6 HYL-Ⅲ炉顶脱CO2工艺流程图

2．3．9 海绵铁金属化率和含碳量可控

HYL-Ⅲ产品的金属化率和含碳量可单独控制。由于还原和冷却操作条件分别得到控制，所以可单独对产品的金属化率和碳含量进行调节，直接还原铁的金属化率能达到95%，而含碳量可控制在1．5% ～3．0%的范围。

2．3．10 高压蒸汽发电

HYL-Ⅲ可以将天然气重整装置所产生的高压蒸汽进行发电，将能源的利用发挥至极致。如图7所示。

3 Energiron工艺

3．1 Energiron工艺流程

图7 余热回收发电系统

图8 ENERGⅠRON工艺流程图

1)在 HYL-Ⅲ工艺的基础上，由达涅利和TenovaHYL 共同研究开发了 Energiron 工艺［23，24］，第一座于2009年12月在阿联酋Emirates(ESI)钢铁公司投产［25］。其单个反应器的年产可从20万吨到200万吨不等，能够冶炼各种不同原材料，如100%球团、100%块矿或者是两者混合铁料。该工艺的特点是可以保证单独控制DRI的金属化率和碳含量，特别是碳含量随时调整，调整范围1% ～3．5%，从而满足电弧炉(EAF)炼钢的需要［26］。工艺流程如图8所示［27］。

2)由于较高的工艺灵活性，Energiron直接还原厂可以设计成采用以下还原气体:

(1)天然气:这种情况下，通过外部或“就地”重整过程将烃转换成所需的还原气体H2和CO;

(2)从气化或其它炼铁厂(如Corex、Finex)产生的合成气:煤经过气化生产出还原气体(CO、H2和CH4)，工艺流程如图9所示［28］;

(3)焦炉煤气(COG)，工艺流程如图10所示［28］。

图9 煤气化与Energiron工艺结合示意图

图10 焦炉煤气与Energiron结合工艺示意图

3)当使用外部重整器生产还原剂(H2和CO)时，湿的重整气体首先在一个急冷塔中干燥，接着注入工艺回路中，在回路中它与来自于反应器的循环气体混合。所产生的还原气体经加热进入工艺气体加热器内，随后输送到反应器配气环路。当反应器使用合成气、COG或直接使用天然气时，采用相同方案，即根据具体应用调整设备的相对尺寸。

4)在加热器和反应器之间的管路中注入氧气，目的是提高待使用的可用化学能，从而提高碳含量或者促进铁矿石还原。流出反应器的尾气需要处理，以净化尾气并清除还原反应过程形成的氧化剂成分(H2O和CO2)。因此，尾气流经尾气同流换热器(热能得以回收并送往工艺气体加热器用来加热原料气体)、洗涤和急冷系统(清除气体中的灰尘并将之冷却下来以消除其中的水分)。接下来，经过处理的气体被压缩进入工艺气体，通过气体和液体溶液的接触得到净化。因此，离开吸收器的气体不含氧化剂成分，并且它的还原能力得到完全恢复，与重整气体混合，流经工艺气体加热器，结束工艺循环。自然地，CO2吸收器在清除CO2的同时也吸收H2S，结果获得几乎无硫的工艺气体，从而最终使生产出的DRI中硫残余量最低。

5)反应器可以设计成利用相同的工艺布置生产热或冷的DRI:

(1)热的DRI可以经压缩生产成HBI(用于长距离运输的典型商品)或通过Hytemp®气动传输系统直接送往EAF(或一个外部冷却器)。

(2)在常温下，直接从反应器排出的冷DRI送往堆料场。此时，将大约40℃的冷却气体通入炉身下锥形段，冷却气体逆着DRI移动床移动方向向上流动。随后，冷却气体从炉身上锥形段排放，再重新循环进入竖炉前(被压缩后)利用冷却水进行冷却、洗涤。

(3)另外，通过专利产品—双反应器的使用［29］，可从同一竖炉卸出冷 DRI与热 DRI。

还原反应器的设计要使工作时炉内气体和固体流动分布尽可能有利于还原反应进行。专门设计的流动送料机完全由达涅利公司开发，目前安装在阿布扎比 ESI的首座 Energiron厂。该流动送料机是实现热卸料反应器内气体和固体流动完美分布的一个关键因素。流动送料机的密封装置设计成在气压大于0．6MPa下工作。

3．2 Energiron工艺特点

与HYL-III比较，Energiron在其基础上增加的环节所体现的工艺特点有如下几个方面。

3．2．1 气动传输系统

在一个集成熔炼车间的Energiron直接还原厂，可以通过Hytemp®气动传输系统将热DRI产品直接送往EAF(或者当必须生产冷DRI时送往外部冷却器)。

采用Hytemp®气动传输系统，从反应器卸出的温度大约在600℃的产品，通过运载气体输送到EAF的缓冲料仓内，工艺过程如图11所示。该运载气体与热DRI相容，以避免DRI质量的下降。这样，热DRI的热量被重新利用，熔炼车间由此产生直接效益，表示为电耗和出钢时间的缩短。作为一个例子，如在阿布扎比ESI熔炼车间，当使用热DIRI时，记录结果显示电耗减少量为120kW·h/t钢水。外部DIRI冷却器只有在熔炼车间停工期内才使用，保证了工厂连续、平稳的运行。

图11 把热态直接还原铁运往电弧炉的HYTEMP®系统

3．2．2 高级自动化系统

1)Energiron直接还原工艺(DRP)包括许多不同的、复杂的物理化学过程，这些过程必须得到优化，以保证在各种气相、液相和固相之间所希望的化学反应、热和质量交换的发生。基于这一原因，Energiron DRP工艺配备有一套自动化系统(L1和L2)，系统使用了过程控制器、软件诊断、高利用率和故障保护领域的最新技术［30］。

2)L1控制系统:一个用于车间每一大区和专用人机界面的控制器，可以实现对所有设备和系统的远程控制。在阿联酋钢铁公司运行的 Energiron DRP通过分在5大区的一套西门子PCS7系统控制:

(1)还原区(反应器塔、冷却器塔、Hytemp®塔、压缩机、PTS系统、加热器);

(2)重整器、蒸汽系统和CO2吸收器;

(3)材料处理(铁矿石和冷DRI);

(4)水处理厂;

(5)安全测量系统(SIS)。

3)新L2工艺控制系统是一项先进技术，它包括几个数学和经验功能模块，目标是稳定及优化工艺过程，通过尽可能接近最佳条件运行来实现，结果是使工艺变量的标准偏差最小，目的是获得最高的生产质量、收得率和生产效率。在高级控制系统内，许多“虚拟变量”(短的模拟过程)添加到传统的一般由L1控制回路管理的现场测量中，目的是执行一些局部的优化功能。这一功能是通过采用一个在线运行的半经验模型实现的。由PLC产生的测量信号采用物理方程进行处理，所有的测量工艺数据，连同由系统计算出的无法测量值，为工艺过程呈现一个完整的状态信息。

4)L2的主要功能

(1)工艺条件的监测与智能控制:由现场测量设备获取的测量数据经过收集、加工处理，以监测工厂各段的设备效率、运行条件以及产品质量(生产率、碳含量、金属化率、DRI温度等)。

(2)“气体分析”法预报产品质量:该分析法提前几个小时预报产品的参数:预期金属化率、预期碳含量、热DRI温度等。在线观测和处理工艺数据以确定反应器内的当前工作状态，并发现工厂的任何额外生产能力。

(3)测量设备诊断:通过对所选的孤立系统上的自由度变化的诊断，软件能预测可能发生的过程不一致性。由于这一原因，上述分析的最初结果是监测现场安装设备产生的错误响应。

(4)设备效率诊断:通过大量的与个别设备有关的变量和方程来呈现气体处理和其他工艺过程，所以可对这些状态进行监测。监测每一设备的单个和更多传感元件是可能的(如催化床的状态)。

(5)由运行指标进行工艺优化:整个车间状态处在连续控制下，从而优化生产，降低消耗。已经建立起几个指标(如能量产额、等效金属化率、最小碳含量等)，以使工厂的生产绩效更加合理，并恰当地评价过程产出。

(6)工艺和设备异常行为预警:监测并发现异常工艺条件，可防止主设备的危险运行。操作员可借助HMI发现可能出现的问题。这种方式在工厂的所有瞬变条件下都是极其重要的，这是由于在瞬变条件下，工艺变化在极短时间内发生，不会总能直接可观察到，只有通过安装在现场的测量设备提供的原始数据进行预警。

3．2．3 Energiron 工艺环境设计

Energiron直接还原厂可以选择性捕集还原过程产生的CO2。从其典型的能量平衡分析中可以看出，大约仅有30%碳输入总量是作为工艺气体加热器产生的废气被排放，大约70kgC(或250kgCO2)/tDRI被选择性清除并封存，或者作为产品销售给下游用户(食品、饮料行业或化肥/化学工业)。

Energiron DRP也产生低的NOx排放，特别是由于不需要将进入重整器或加热器内的助燃空气预热到高温，因此，自然抑制了NOx的生成。

最后，Energiron DR厂可以按零补充水需求设计，这是可能的，主要因为水是作为该工艺中还原反应的副产品产生，并从气流中浓缩及清除出来。结果，采用一个基于使用海水/河水的闭式水系统换热器代替传统的冷却塔，避免水蒸发进入大气，不需要补充新水，实际上还会剩下少量水。对水资源昂贵或根本就无法获取水的地区，这一特点尤其具有吸引力。

3．2．4 Energiron 工艺最新进展

Energiron DRP工艺正在进行不断的完善，据悉其最新进展有:

1)Energiron DRP工艺中，由煤气化厂或其他合成气源供应的经过净化的合成气，作为补充气加入到还原回路中;

2)Energiron DRP工艺，从已用的废气中选择性清除CO2量最大，这种情况下进入工艺过程的输入总碳量中不到30%是通过废气无选择性地排放出去。

这种已经获得专利的工艺布置，将进一步完善以提高选择性CO2吸收，理论上可达到100%。

4 MⅠDREX法与HYL-Ⅲ法比较

对MIDREX法与HYL-Ⅲ法进行工艺特点对比，如表1所示。

表1 两种气基直接还原工艺的基本特点

从表1的对比中可以看出:

1)MIDREX法操作压力约为230kPa，而HYL-Ⅲ法为高压。操作压力决定了设备的耐压情况，一般认为高压设备的投资和维护成本更高。

2)从还原气的特点分析，MIDREX法还原气中 H2/CO 约为 1．1 ～2．5，而 HYL-Ⅲ法约为 5．6～5．9。这已经体现了两种方法带来的设备和工艺的巨大区别由此产生。首先由于CO还原铁氧化物的是微放热反应，H2还原反是吸热反应，应当CO含量比例较大时，反应放热较多，容易造成球团局部粘结，相应的MIDREX法还原气温度较低，HYL-Ⅲ法还原温度较高。

不要小看HYL-Ⅲ与MIDREX在还原气成分相比这么点细小的变化，其背后隐含的极深的物理化学的原理优势。从“叉子曲线”和反应动力学两个方面可以看出，HYL-Ⅲ工艺由于其中的H2含量占到80%以上，还原温度升高到960℃，就热力学而言，平衡气氛中H2含量就会很低，换句话说，H2的循环利用率在70%以上(而MIDREX可能只有30%左右);就动力学而言，由于温度提高120K，反应速率有可能提高一倍左右。还原剂利用率和反应速率的双双提高，极大影响了装备的改革，理论上说，同样的还原铁产量情况下，气体整合装备和竖炉炉体有可能只要MIDREX的一半左右就可以了。

3)两者都要求铁素原料品位越高越好，但HYL-Ⅲ法由于采用水蒸气作为裂解气，不担心气体重整催化剂硫中毒，可以适当放宽原料硫含量。

4)从耗能来看，两者气体还原耗能相差不大，HYL-Ⅲ法的电耗相对较低些。这也符合物理化学原理。从这点可以看出，能耗相同，工艺实现的途径是不一样的，最终决定了投资大小。

5 结论

通过对HYL-Ⅲ以及Energiron工艺的分析并与MIDREX工艺对比，可以得到以下结论:

1)以HYL-Ⅲ和MIDREX为代表的气基竖炉直接还原炼铁工艺已经相当成熟，在开发适合我国的直接还原技术时，可以借鉴，少走弯路。

2)HYL以水蒸气裂化天然气，既可以增加还原气氢气比例，从而带来工艺上的重大变革，除了可以提升反应温度，更可以放宽原料硫含量的要求外，还原气的利用率和反应速率得以大幅提高，一举多得。但其高压操作的特性，增加了投资和维护成本。

3)HYL/Energiron运用气动输送技术，高级自动化技术，CO2吸收技术等提升工艺的可靠性和环境友好性，值得借鉴。

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