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我國焦爐煤氣直接還原技術(shù)發(fā)展前景探討

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2024-04-08  作者:劉艷峰  瀏覽次數(shù):5007
 
核心提示:摘 要:鋼鐵行業(yè)碳排放占全國工業(yè)領(lǐng)域碳排放的 15%~20%,為了企業(yè)的生存和發(fā)展,必須采取降碳措施。我國是焦炭生產(chǎn)大國,焦爐煤氣資源豐富。鋼鐵企業(yè)利用焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵,配合 CCUS 技術(shù),噸鋼碳排放可以大幅降低,應(yīng)用前景大為可觀。 關(guān)鍵詞:直接還原;氣基豎爐;焦爐煤氣;短流程
 我國焦爐煤氣直接還原技術(shù)發(fā)展前景探討

劉艷峰

(河鋼張宣科技技術(shù)中心, 河北 宣化 075100)

摘 要:鋼鐵行業(yè)碳排放占全國工業(yè)領(lǐng)域碳排放的 15%~20%,為了企業(yè)的生存和發(fā)展,必須采取降碳措施。我國是焦炭生產(chǎn)大國,焦爐煤氣資源豐富。鋼鐵企業(yè)利用焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵,配合 CCUS 技術(shù),噸鋼碳排放可以大幅降低,應(yīng)用前景大為可觀。

關(guān)鍵詞:直接還原;氣基豎爐;焦爐煤氣;短流程

0 引言

控制 CO2 排放已在全球范圍內(nèi)得到普遍共識,建立低碳經(jīng)濟發(fā)展模式和低碳社會消費模式,將成為應(yīng)對氣候變化的根本途徑[1]

鋼鐵工業(yè)排放的 CO2 占人類總排放的 5%,約占工業(yè) CO2 排放總量的 15%~20%[2]。鋼鐵行業(yè)向低碳模式轉(zhuǎn)變是未來的發(fā)展趨勢,推進低碳冶金工藝研究和新能源開發(fā)利用事關(guān)我國鋼鐵行業(yè)生存發(fā)展,也是國家實現(xiàn)制造強國戰(zhàn)略的必然要求[3]

傳統(tǒng)的“高爐+轉(zhuǎn)爐”流程所產(chǎn)生的 CO2 單位排放量,即使進行工藝優(yōu)化,也約為 1.6 t/t 鋼;而“直接還原豎爐 + 電爐”短流程排放量,可低至 0.25~0.5 t/t鋼,降幅明顯[4]

近年來我國焦炭產(chǎn)量逐年遞增,作為焦炭主要副產(chǎn)品的焦爐煤氣已經(jīng)過剩[5]。生產(chǎn)運行的綜合性鋼廠中,大部分過剩的焦爐煤氣主要用作燃料燃燒或發(fā)電,能源使用的收益率較低[6]

如果將過剩的焦爐煤氣用于直接還原鐵的生產(chǎn),替代一部分使用焦炭的高爐煉鐵,不僅可以大幅度的減少噸鋼的碳排放,而且能源使用的收益率也將大幅提高。

1 工藝路線

焦爐煤氣作為還原氣的直接還原工廠由豎爐系統(tǒng)(含上料、本體、排料)、工藝廢氣處理系統(tǒng)、CCUS系統(tǒng)、加熱爐系統(tǒng)、焦爐煤氣凈化及加壓系統(tǒng)、公輔系統(tǒng)組成。

焦爐煤氣作為氣源注入豎爐系統(tǒng),經(jīng)過重整制氫,形成合格工藝氣。工藝氣在豎爐內(nèi)部與礦石發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)后產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過降溫、除塵、脫水、加壓、升溫后再次從豎爐中部注入,在系統(tǒng)中循環(huán)使用,還原廢氣中多余部分 CO2 經(jīng)過 CCUS 工序被分離提純收集,提純后 CO2 可進一步深加工制成工業(yè)級或食品級銷售。礦石從豎爐反應(yīng)器上部裝入,在高溫條件下,H2 與球團中的 O 結(jié)合,礦石中鐵氧化物被還原為金屬鐵,形成直接還原鐵。

焦爐煤氣直接還原豎爐生產(chǎn)的直接還原鐵,可替代廢鋼作為短流程鋼鐵生產(chǎn)用的原料。如果直接還原工廠距離用戶較遠,可以生產(chǎn)冷態(tài) DRI 短暫存儲后,運輸至目的地;如果直接還原工廠距離用戶較近,可以采用氣力輸送直接熱裝電爐,成本也會大幅降低。由于工廠氣體形成閉路循環(huán),產(chǎn)生的 CO2 被CCUS工序除掉,整個焦爐煤氣直接還原工廠 CO2 排放極低。焦爐煤氣直接還原工廠工藝流程如下圖 1 所示。

圖片1 

2  應(yīng)用前景分析

2.1 焦爐煤氣利用不同途徑對比

我國焦爐煤氣主要用于燃料、化工、發(fā)電,有關(guān)單位對焦爐煤氣用于不同途徑進行對比,如表 1 所示[7]。經(jīng)過分析,焦爐煤氣用于直接還原鐵工藝,投資中等,效益非常高,可以節(jié)約焦炭,減少 CO2 排放,在配套有焦化廠的大型煉鋼廠中應(yīng)用前景廣闊。

圖片2 

2.2 采用焦爐煤氣直接還原碳減排

焦爐煤氣為還原氣,代替長流程依賴的焦炭和煤,實現(xiàn)煉鐵過程由“碳熱還原”向“氫氣還原”變革,不同流程生產(chǎn)粗鋼排放的 CO2 量對比如表 2 所示[8]。 傳統(tǒng)的“高爐+轉(zhuǎn)爐”流程 CO2 排放量為 1 600 kg/t 粗鋼,而利用獨立煉焦廠的焦爐煤氣直接還原鐵礦石,CO2 排放量為 780 kg/t 粗鋼,只有高爐煉鐵流程的48.7%。

圖片3 

2.3 發(fā)展焦爐煤氣直接還原工藝必要性

歐美國家“氣基直接還原豎爐 - 電爐”鋼鐵生產(chǎn)工藝,得益于其獨特的資源稟賦,發(fā)展起步早,技術(shù)已日趨成熟,單體規(guī)模也越做越大。無論是 MIDREX 還是 ENERGIRON 工藝,都有已建成投產(chǎn)的、年產(chǎn)能達到 250 萬 t 直接還原工廠。

據(jù)統(tǒng)計,2021 年全球直接還原鐵產(chǎn)量 1.192 億 t,比 2020 年的 1.081 億 t 增長 13.7%,從 2016 年開始,全球直接還原鐵產(chǎn)量約增長了 4 640 萬 t [9],直接還原鐵在鋼鐵行業(yè)中的地位正逐步提升。

我國受限于天然氣資源匱乏,氣基直接還原工藝發(fā)展緩慢;如果采用焦爐煤氣進行直接還原,凈化后的焦爐煤氣直接注入豎爐,在爐內(nèi)進行重整,形成合格的還原氣,可以大規(guī)模生產(chǎn),氣基直接還原工藝發(fā)展速度也會提高。相比于天然氣,焦爐煤氣有雜質(zhì)含量較高,成分波動較大的特點,但考慮到采用焦爐煤氣直接還原的巨大經(jīng)濟收益和碳減排效應(yīng),發(fā)展焦爐煤氣直接還原工藝還是很劃算的。

隨我國鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級,如果新的焦爐煤氣直接還原產(chǎn)線充分利用原有場地,利舊部分基礎(chǔ)和設(shè)施,如利用原回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)球團作為豎爐原料、原球團供料皮帶作為新直接還原產(chǎn)線的供料皮帶等等,成本會大幅下降,效益會顯著提升。

2.4 焦爐煤氣直接還原與純氫直接還原的比較

據(jù)分析,如果直接還原豎爐工藝全部采用氫氣作為還原氣,900 ℃純氫氣入爐與鐵礦快速發(fā)生還原反應(yīng)后,溫度會迅速降低到 700 ℃以下,使豎爐中上部的還原反應(yīng)速度迅速降低;除非大幅度提高作為載熱體入爐氫氣的流量,否則豎爐 DRI 產(chǎn)品難以達到設(shè)計指標[10]。考慮 H2 較高的制備成本,用 100%氫氣直接還原煉鐵的工藝,目前在經(jīng)濟上不是最佳選擇。

目前的制氫工藝中,焦爐煤氣制氫或煤氣化制氫,成本相對較低,但產(chǎn)品屬于“灰氫”,即仍伴隨著一定的碳足跡。考慮全氫冶煉技術(shù)方面的不足,以及制氫的成本,直接采用焦爐煤氣生產(chǎn)海綿鐵,比起使用焦爐煤氣制氫再用純氫生產(chǎn)海綿鐵,或使用綠電 - 電解水制氫、純綠氫生產(chǎn)海綿鐵,都更有現(xiàn)實意義。

2.5 焦爐煤氣直接還原與天然氣直接還原的比較

根據(jù)梁之凱等人計算,直接還原使用焦爐煤氣單耗在 599.7 m3 /t DRI[11];焦爐煤氣按市場價格 0.65元 /m3 ,生產(chǎn) 1 t DRI 的成本為 389.8 元 /t DRI 左右。根據(jù) MIDREX、PERED 工藝的生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù),天然氣作為還原劑及燃料的消耗量平均約 350 m3 /t DRI,按天然氣最低價格 2 元 /m3 計算,則在國內(nèi)利用管道天然氣生產(chǎn) 1 t DRI 的最低成本為 700 元 /t DRI 左右[12]

使用焦爐煤氣直接還原生產(chǎn) DRI 比使用天然氣經(jīng)濟性更好。

我國缺乏天然氣,但是焦炭產(chǎn)量龐大,伴隨的焦爐煤氣已經(jīng)過剩;發(fā)展焦爐煤氣基直接還原工藝,順應(yīng)我國能源基礎(chǔ)。

3 直接還原鐵應(yīng)用的必要性

我國雖然是世界產(chǎn)鋼第一大國,但我國優(yōu)質(zhì)鋼、潔凈鋼的生產(chǎn)無論是數(shù)量、質(zhì)量,還是品種方面與世界先進國家都有很大的差距,成為我國鋼鐵生產(chǎn)的短板,無法滿足我國經(jīng)濟發(fā)展的需要,高鐵、飛機制造工業(yè)使用的關(guān)鍵構(gòu)件、螺栓等大量優(yōu)質(zhì)鋼材配件仍需進口,嚴重影響我國裝備制造、國防等工業(yè)發(fā)展。

從冶金技術(shù)和裝備層面,我國具備生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼、潔凈鋼、超潔凈鋼的能力。當前,我國優(yōu)質(zhì)鋼材生產(chǎn)的主要問題之一是原材料純度不高。我國缺乏且難以進 口優(yōu)質(zhì)重廢鋼,以高爐鐵水、普通廢鋼為原料生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼材時,鋼中殘留元素控制難度大,物料消耗量高,鋼水化學(xué)成分及鋼材質(zhì)量的穩(wěn)定性難以保證。直接還原豎爐 - 電爐短流程技術(shù)是改善鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu),提高鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量的低碳綠色先進煉鐵方法,應(yīng)該成為我國今后鋼鐵工業(yè)工藝技術(shù)發(fā)展的主要方向。

實現(xiàn)氫能冶金替代傳統(tǒng)高爐的碳冶金,生產(chǎn)高品位、低雜質(zhì)的含鐵原料,用于短流程鋼鐵制造,可有效緩解我國優(yōu)質(zhì)廢鋼供給量不足、質(zhì)量不高的局面。

4 結(jié)論

1)由于我國缺少天然氣,且純氫氣、天然氣直接還原煉鐵的市場競爭力不如焦爐煤氣,后續(xù)焦爐煤氣直接還原鐵生產(chǎn)工藝很可能成為國內(nèi)非高爐煉鐵的主流工藝,其生產(chǎn)的高品質(zhì)的直接還原鐵,可用于冶煉優(yōu)質(zhì)鋼、潔凈鋼、超潔凈鋼,以滿足國家經(jīng)濟建設(shè)的需要。

2)利用焦爐煤氣作為氣源進行直接還原,作為傳統(tǒng)高爐煉鐵的部分替代或補充,再配合 CCUS 等先進工藝,結(jié)合原有工廠資源整合、利舊創(chuàng)新,投資、運行成本優(yōu)勢顯著,碳減排效果明顯,是未來鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的一條值得嘗試的道路。

參考文獻

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[2] 陳玉民,趙永椿,張軍營,等.甲烷自熱重整制氫的熱力學(xué)和動力學(xué)分析[J].燃料化學(xué)學(xué)報,2011,39(8):633-640.

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[5] 日韓鋼鐵界推進氫還原煉鐵工藝技術(shù)開發(fā)[N].世界金屬導(dǎo)報,2020-02-04(F01).

[6] 申曙光,張翠,秦海峰,等.氧氣與二氧化碳非催化重整焦爐煤氣[J].精細石油化工,2011,28(3):57-61.

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[11] 梁之凱,黃柱成,易凌云.焦爐煤氣豎爐法生產(chǎn) DRI 的煤氣用量及利用率[J].中國冶金,2017,27(11):18.

[12] 李峰,儲滿生,唐玨,等.非高爐煉鐵現(xiàn)狀及中國鋼鐵工藝發(fā)展方向[J].河北冶金,2019(10):8.

 
 
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