合成甲醇尾氣直接還原工藝可行性研究

2019-03-11 15:50:03 作者:huangj 來源: 瀏覽次數:0 網友評論 0

國內由于天然氣資源相對貧乏,氣基直接還原工藝的發展一直受到極大的制約。近幾年,隨著國內煤制氣工藝日益成熟,基于合成氣Syngas的氣基直接還原技術逐漸受到關注和重視。
   范小剛1,閆朝付1,郭新宇2,陳補生2

  1.中冶南方工程技術有限公司 2.江蘇煤化工程研究設計院

  1 前言

  直接還原鐵生產是在不熔化、不造渣的條件下,鐵礦石在軟化溫度以下保持固體形態,礦石中的鐵氧化物經還原獲得固態金屬鐵的方法。

  直接還原工藝分為煤基和氣基兩大類。氣基直接還原鐵生產工藝是使還原氣體通過一個裝有散粒鐵礦石的移動床,用化學還原方法,將鐵礦石中的氧去除,從而生產出金屬化率較高的直接還原鐵(DRI)。

  國外的生產實踐及發展經驗表明,利用氣基豎爐法是迅速擴大DRI生產的有效途徑。氣基直接還原豎爐具有還原速度快、產品質量穩定、自動化程度高、單機產能大、技術成熟、單位產能投資低、工序能耗低和環境負荷低等優勢。

  國內由于天然氣資源相對貧乏,氣基直接還原工藝的發展一直受到極大的制約。 近幾年,隨著國內煤制氣工藝日益成熟,基于合成氣(Syngas)的氣基直接還原技術逐漸受到關注和重視。

  2 氣基直接還原技術發展現狀

  目前,世界范圍內氣基豎爐工藝的DRI產量約占總產量的80%,在直接還原工藝中處于主導地位。2016年全世界直接還原鐵(DRI)產量達7260萬噸,大型豎爐直接還原法生產的DRI的占比超過79%。MIDREX和ENERGIRON(HYL-III)法是開發運行非常成功、推廣應用最廣泛的氣基直接還原工藝,二者產量之比約為8:2。

  上世紀80年代,第一代大型MIDREX和HYL-III產能達到0.8Mt/a以上,余熱回收設備的強化、天然氣重整技術的改良、HBI等關鍵技術的開發應用,促進了直接還原豎爐技術提升。2009年以來,MIDREX和HYL-III都開發建設了年產80~160萬噸DRI的豎爐生產裝置,天然氣豎爐生產設備進入了大型化第二代。 到2013年美國紐科NUCOR年產250萬噸DRI豎爐投產,及2014年印度金達爾JPSL年產200萬噸DRI豎爐投產,氣基豎爐直接還原生產設備進入了大型化的第三代。

  2.1合成氣-氣基豎爐直接還原

  傳統的氣基豎爐直接還原以天然氣為能源,僅適用于天然氣資源豐富的地區。為了在天然氣資源不足的地區適應其它能源,MIDREX和DANIELI各自推出了基于合成氣的豎爐直接還原工藝,為發展氣基直接還原開辟了非天然氣能源的新途徑。

  MIDREX的MXCOL工藝,可應用各種合成氣Syngas,包括煤制合成氣、焦爐煤氣COG等,其中焦爐煤氣COG采用非催化部分氧化重整技術。典型的MXCOL直接還原采用爐頂煤氣循環工藝(見圖)。爐頂煤氣凈化之后,一部分煤氣經過工藝氣體壓縮機加壓,送到CO2脫除系統脫除CO2;另一部分煤氣送到工藝還原氣加熱爐,作為燃料。凈化后的爐頂煤氣與干凈的補充合成氣Syngas組成工藝還原氣,經過加熱爐升溫至900℃左右,進入氣基豎爐,還原鐵氧化物。在氣基豎爐內部,還原氣上行過程不斷與下行的爐料交換熱量,還原后的尾氣從豎爐頂部排出,再次循環。

  MIDREX豎爐內在還原帶下部設有3軸破碎裝置,避免爐料粘接影響下行。MIDREX豎爐的生產率由豎爐底部排料速度進行控制。含鐵氧化物爐料從豎爐頂部裝入,靠重力下行至豎爐底部,以成品DRI排出豎爐。MIDREX豎爐操作壓力0.2-0.3Mpa,進入豎爐的還原氣溫度與氣體成分有關。原料在預熱還原帶被上行的熱還原氣預熱及還原,原料中的含鐵氧化物在固體狀態下被還原成金屬鐵,金屬化率可達92%,DRI含碳量與氣體成分有關。典型的MXCOL工藝流程(Syngas)如下圖所示。

 

  DANIELI的ENERGIRON-ZR零重整工藝,可應用合成氣Syngas、天然氣NG、重整氣Reformed gas、焦爐煤氣COG等。典型的ENERGIRON-ZR直接還原也采用爐頂煤氣循環工藝。由于從豎爐頂部排出的煤氣溫度較高,爐頂煤氣先經過余熱回收裝置回收熱量,再循環利用。脫除CO2的煤氣與補充的合成氣Syngas組成工藝還原氣,經過濕度調節之后,先在加熱爐升到一定溫度(與氣體成分有關),再經加氧提溫工藝將還原氣溫度提高到900℃~1000℃,送進豎爐。

  DANIELI豎爐內沒有爐料破碎裝置,為了防止爐料粘接,DANIELI通常對氣體成分有一定的要求,即還原氣中的氫氣含量具有較高比例。DANIELI豎爐操作壓力通常為0.5-0.8Mpa。在高壓工況條件下,DANIELI豎爐生產效率高,爐料停留時間少,氣體的流量和流速小。典型的ENERGIRON-ZR工藝流程(Syngas)如下圖所示。

  在合成氣Syngas-豎爐直接還原領域, MXCOL工藝擁有三項應用業績,EERGIRON-ZR沒有應用業績。1999年,MIDREX首次采用合成氣用于生產DRI的工藝在南非SALDANAH廠,使用COREX輸出的煤氣,產能80萬t/a。2014年,印度金達爾JSW的DRI工廠,使用合成氣,產能120萬t/a;印度金達爾安古爾JSPL的DRI工廠,使用煤制氣(加壓魯奇爐),產能180萬t/a。

 

  2.2氣基豎爐直接還原鐵在國內的發展

  我國天然氣資源短缺,可用于直接還原的高品位塊礦和球團也匱乏,迄今尚沒有直接還原氣基豎爐的工業化生產裝置。

  近年來,我國鋼鐵、化工工作者對煤制氣、豎爐直接還原鐵生產進行了調查、研究工作,取得了大量的數據,為我國采用煤制氣-豎爐直接還原技術奠定了良好的基礎。業內專家和企業普遍認為煤制氣-豎爐直接還原將成為我國直接還原鐵生產的主要途徑。但是,在煤制氣方法的選擇、煤種的選擇、豎爐工藝的選擇、煤制氣與豎爐的銜接、煤氣的加熱、及相關裝備等方面,需要進行深入研究和探討。

  山西中晉太行礦業有限公司和中國石油大學合作開發的焦爐煤氣干重整制還原氣工藝與德國MME公司PERED豎爐工藝結合,于2017年4月開工建設一條30萬噸/年焦爐煤氣直接還原鐵生產線。PERED是在MIDREX早期工藝基礎上發展和衍生的豎爐直接還原工藝。

  2018年4月18日,東北大學與遼寧華信鋼鐵共性技術創新科技有限公司在遼陽市簽署合作協議,推動“遼寧鋼鐵共性技術創新中心”實質性建設,啟動建設全國低碳煉鐵精品煉鋼示范基地,建設年產1萬噸DRI中試裝置和10萬噸級精品鋼示范工程,對煤制氣-氣基豎爐直接還原工藝流程技術開展探索、研究、試用和完善。

  2.3 合成氣-氣基豎爐直接還原

  在過去20年間,潔凈煤氣化技術產業化在中國取得了極大發展,國內已經建成運行了上百套各種各樣的加壓煤制合成氣工藝裝置,這是我國發展大型直接還原新工藝的良好基礎。而各種煤氣化技術的生產裝置能否用于生產直接還原鐵,關鍵問題之一是煤制合成氣的單位投資、能耗、成本能否大幅度降低。隨著中國煤制氣技術發展成熟,煤制氣已經廣泛應用于合成氨,合成甲醇、二甲醇,人造油、LNG等行業。我國已經具備發展氣基還原鐵生產的資源條件。

  當前,國內一些煤炭資源豐富的地區,打算采用潔凈煤氣化技術,發展以合成氣制備清潔能源產品,其中包括達到國V標準的清潔車用燃料,不含硫、氮、PM2.5以上粉塵的工業燃氣,清潔電力和集中供暖等。如果能夠將合成甲醇尾氣這類潔凈的合成氣,用于氣基豎爐直接還原鐵生產,將成為實現煤炭清潔高效利用的最佳方式。

  隨著我國“甲醇經濟”戰略創新路線的深化實施,甲醇燃料和甲醇汽油未來具有廣闊的發展空間,合成甲醇尾氣-氣基豎爐直接還原技術的市場潛力不容小覷。

  3 基于合成甲醇尾氣的氣基直接還原鐵工藝可行性研究
……

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