簡介
海綿鐵(DRI) 又稱直接還原鐵, 主要代替廢鋼用於電爐煉鋼。近年來, 由於廢鋼短缺, 海綿鐵生產越來越受到重視, 其產量已從1970 年的80 萬t 逐漸增加到1996 年的3 330 萬t。世界上海綿鐵生產工藝超過40 種, 其中工業套用達20 種之多。
在海綿鐵生產工藝中, 氣基豎爐法( 即M IDREX 工藝、HYL Ⅲ工藝) 占絕對優勢, 世界上多於84 % 的海綿鐵是由氣基豎爐法工藝生產的。而M IDREX 工藝在氣基豎爐法中占了主導地位。近幾年HYL Ⅲ工藝在悄悄崛起, 其海綿鐵產量每年都在增加。隨著HYL Ⅲ工藝的發展, 相信不久的將來, 會動搖M IDREX 工藝的主導地位。
希爾(HYL ) 工藝的發展狀況
希爾法海綿鐵生產技術屬墨西哥希爾薩公司所有, 它是用天然氣和水蒸汽製取還原氣, 然後還原氣在豎爐中將鐵礦石還原成海綿鐵。最初的希爾薩海綿鐵生產技術稱為HYL Ⅲ 工藝, 是固定床直接還原設備的典型代表。1957 年希爾薩公司在墨西哥蒙特雷建成世界首家工業性直接還原廠——Hylsa 1M廠, 此後巴西、委內瑞拉、印度尼西亞等國相繼引進該直接還原技術。70 年代, 在美國M IDREX 公司的逆流式移動床直接還原工藝成功地投入工業套用以後, 希爾薩公司在HYL É 工藝的基礎上開發出高壓逆流式移動床直接還原反應器, 即HYL Ⅲ豎爐。
1980 年希爾薩公司在蒙特雷建成第一套工業規模的HYL Ⅲ工藝裝置並投入生產。隨著HYL Ⅲ豎爐的日益完善和成熟, HYL Ⅲ海綿鐵生產技術在世界範圍內得到推廣和套用。
1997 年世界海綿鐵總產量大於3 500 萬t, 其中希爾工藝生產的海綿鐵為954 萬t (HYL Ⅲ工藝生產的海綿鐵占了72 % ) , 比1996 年增加了417 % ,至此由希爾工藝生產的海綿鐵的量累計超過111 億t。
HYL Ⅲ海綿鐵生產工藝流程
HYL Ⅲ海綿鐵生產工藝流程可以分成兩個部分, 制氣界區和還原界區。制氣界區包括還原氣的產生和淨化, 還原界區包括還原氣的加熱和鐵礦石的還原。制氣界區中, 水蒸汽和天然氣混合後在重整爐中催化裂解, 產生以氫氣、一氧化碳為主的合成氣,經脫水後送進還原界區。裂解反應為：
CH4 + H2O = CO + 3H2
CO + H2O = CO 2 + H2
在還原界區中, 豎爐爐頂氣經脫水和脫二氧化碳後, 與來自製氣界區的氣體混合形成還原氣, 共同進入還原氣加熱爐。加熱後的還原氣從豎爐還原段底部進入爐內, 自下而上流動, 鐵礦石從豎爐爐頂加入, 自上而下運動。還原氣和鐵礦石在逆向運動中發生化學反應, 產生海綿鐵。即：
3CO + Fe2O 3 = 2Fe + 3CO 2
3H2 + Fe2O 3 = 2Fe + 3H2O
HYL Ⅲ工藝生產的海綿鐵有三種:不經冷卻排出爐外後, 直接進入熱壓塊機製成熱壓塊鐵, 稱HB I, 主要作為商業產品外銷;熱態海綿鐵經全密封氣力輸送管道直接熱送進電爐煉鋼, 稱HYTEM P IRON;
海綿鐵進入豎爐下部冷卻段後, 天然氣作為冷卻氣通入冷卻段, 海綿鐵滲碳並被冷卻至50 ℃以下, 然後排出豎爐, 得到DRI, 此產品主要是工廠內部使用或賣給其他工廠。
HYL Ⅲ 海綿鐵生產工藝特點
1.制氣部分和還原部分相互獨立
MIDREX 豎爐爐頂氣與天然氣混合, 共同進入重整爐製取還原氣, 還原豎爐和制氣設備是相互聯繫, 互相影響的。而HYL Ⅲ豎爐爐頂氣經脫水和脫二氧化碳後, 直接與重整爐內出來的氣體混合製成還原氣, 還原設備和制氣設備相互獨立。因此HYL Ⅲ工藝具有以下特點:
(1) HYL Ⅲ豎爐選擇配套的還原氣發生設備有很大的靈活性, 除天然氣外, 焦爐煤氣、煤發生氣、COREX 尾氣等都可成為還原氣的原料氣;
(2) 重整爐處理氣量變小, 每噸海綿鐵僅為475m ³, 這使HYL Ⅲ工藝重整爐體積小, 造價低。而M IDREX 工藝重整爐處理氣體體積為每噸海綿鐵1 810 m ³;
(3) 可以處理硫含量較高的鐵礦。而M IDREX豎爐對鐵礦的硫含量有一定限制, 否則含硫爐頂氣進入重整爐將造成裂解催化劑失效。
2.還原氣中氫氣含量高
通過天然氣和水蒸汽在重整爐中催化裂解生產還原氣, 因此還原氣中氫含量高, H2O CO 為516～519, 使HYL Ⅲ豎爐中還原氣和鐵礦石的反應為吸熱反應, 入爐還原氣溫度較高, 為930 ℃。而M IDREX 工藝主要是天然氣和豎爐爐頂氣裂解製取還原氣, 還原氣中氫含量相對較低, H2O CO 為1.55, 使M IDREX 豎爐中還原氣和鐵礦石的反應是放熱反應, 還原氣溫度不能太高, 為840 ℃。
3.操作壓力高
HYL Ⅲ豎爐操作壓力為0155M Pa, 由於採用高壓操作, 豎爐爐頂和爐底均採用球閥密封。為了實現全密封操作, 爐頂和爐底均設有間歇式工作的壓力倉。鐵礦石首先通過爐頂料倉加入爐頂壓力倉中, 然後將鐵礦石再加入碟形倉中, 壓力倉上下球閥切換開閉, 保持煤氣不外漏, 通過碟形倉下的四個布料管將鐵礦石加入爐內。
由於採用了碟形倉, 可使鐵礦石連續加入爐中。生成的海綿鐵通過爐底旋轉閥排入爐底兩個料倉中, 兩個壓力倉切換使用, 可實現豎爐連續排料。而M IDREX 豎爐操作壓力為0.23M Pa, 爐頂和爐底依靠加料管和排料管的料封作用及補充氮氣來封鎖煤氣。
由於高溫、高壓、高氫的特點, 使得HYL Ⅲ豎爐中鐵礦石的還原速度加快, 豎爐生產效率提高。同M IDREX 豎爐相比, 同樣爐容的條件下, HYL Ⅲ豎爐海綿鐵產量更大。
4.爐身結構簡單
HYL Ⅲ豎爐內部是空的, 只在爐底排料口處設有兩根液壓松料桿, 以保證排料順暢。而M IDREX豎爐結構複雜, 爐內設有冷卻氣體分配器和海綿鐵破碎器。
5.部分氧化法技術
擁有HYL Ⅲ技術的工廠總是希望提高還原氣溫度來增加產量, 通過部分氧化法可實現提高還原氣溫度的目的。在還原氣加熱爐和豎爐間的管道中噴入氧氣, 還原氣部分氧化並放出熱, 從而使還原氣溫度提高。部分氧化反應如下:
2H2 + O 2 →2H2O +Q
2CO + O 2 →2CO 2 +Q
CH4 + O 2 →CO + H2 + H2O +Q
在墨西哥蒙特雷2M 5ö3M 5 廠採用部分氧化法不僅使還原氣溫度從935 ℃提高到957 ℃。而且使其他工藝指標也得到改善。
6.海綿鐵熱送系統
海綿鐵熱送系統是指熱的海綿鐵從豎爐中生產出來後, 通過加熱的氮氣全密封輸送到電爐料倉, 海綿鐵通過料倉給料器加入電爐, 輸送氮氣則經洗滌後返回輸送系統。若電爐不需要海綿鐵時,海綿鐵可離線冷卻或進行熱壓塊處理。通過採用氣力熱送系統, 大大降低了電爐的能耗。墨西哥希爾薩公司在蒙特雷新建的Hylsa 4M 廠, 其直接還原裝置具有海綿鐵(HYTEM P IRON ) 氣力輸送系統, 該系統於1998 年3 月投入生產。
總結
HYL Ⅲ海綿鐵生產工藝在世界範圍內已得到廣泛使用, 工業實踐證明, HYL Ⅲ海綿鐵生產工藝是完全成熟的直接還原技術。由於HYL Ⅲ工藝採用天然氣造氣, 因此對於天然氣缺乏的國家來說, 全盤引入該技術是行不通的。但該工藝具有制氣部分和還原部分相對獨立的特點, 使得HYL Ⅲ豎爐和其他形式的制氣設備相結合生產海綿鐵成為可能。
我國是一個天然氣缺乏、而煤資源豐富的國家, 發展用煤生產海綿鐵是我國海綿鐵生產的必然方向。煤通過氣化可以生產出以一氧化碳和氫氣為主要成分的還原氣, 因此對於我國, 應探討煤氣化設備和HYL Ⅲ豎爐結合生產海綿鐵這一新的工藝構想。
德士古(TEXACO ) 爐是成熟的煤造氣設備, 在世界範圍乃至我國的化工廠已得到廣泛套用, 這給天然氣缺乏而煤資源豐富的國家利用成熟的豎爐技術生產海綿鐵帶來了希望。因此HYL Ⅲ海綿鐵生產技術具有廣闊的發展前景。
