铁矿煤球团内生还原气生产DRI工艺及估算

1、铁矿煤球团内生还原气生产DRI工艺及估算苏亚杰1） 杜英虎2） 陈寿林3）1）山西省焦炭集团公司，太原 030024 2）太钢集团公司煤气厂，太原030008 3）中国日用化学研究院，太原030001摘 要：在高炉热风炉中用高炉煤气、垃圾制燃气、低热值煤气加热循环还原气，或用红焦、热DRI（直接还原铁）等热量加热循环还原气至1 100，输入还原竖炉加热铁矿煤球团，生产DRI，从炉顶气中回收硫和CO2，炉顶气净化后作为还原气循环使用. 球团内煤干馏形成的半焦、焦炭起到了与高炉内焦炭不同的骨架作用. 利用还原反应后气体余热来预热和干馏球团，利用铁精矿粉和煤粉的高比表面积，利用煤的干馏气化促进低温下

2、碳的一次气化反应和直接还原反应，使DRI煤耗进一步降低. 设炉顶气温度降到150，配煤218 kg，高炉煤气消耗约947 m3 时，工艺能耗约333 kg/t煤. 比高炉工艺节能约52%，减排CO2约83%. 比MIDREX节能约84 kg标准煤. 该工艺简称为DRI-NHQ. 关键词： DRI-NHQ；铁矿煤球团；直接还原铁；高炉煤气；城市垃圾以煤制气以气基法生产DRI的工艺技术，因其生产流程长，能源消耗较高，投资较大，实用性受到一定影响.为此我们采用铁矿煤球团内生还原气生产直接还原铁的新工艺1.1 基本工艺1.1 开炉与还原气的循环开炉前需准备氮气、焦炉气、煤制气、天然气、煤层气其中的一种

3、或数种气混合做启动气源.将启动气源加热至1150，通入还原竖炉中，加热铁矿煤球团，使球团中一部分煤热解产生含CO、H2、CH4等的热解气，一部分CO、H2、C作为还原剂还原铁矿石，产生含CO2和H2O的炉顶气；排出竖炉的炉顶气，经净化除尘、除焦油、脱硫、脱H2O、脱CO2等杂质气体后，作为循环还原气使用.以加热的还原气逐步替代高温启动气源，直至完全替代高温启动气源通入还原竖炉中，加热新的铁矿煤球团，产生新的热解气和炉顶气，形成内生还原气的循环生产与使用，同时还原气也直接还原铁矿煤球团中的铁精矿粉。如此反复循环，实现直接还原铁的连续生产，其工艺流程如图1所示.N2可以作为启动气源，可以作为热风炉

4、换炉时还原气氛过渡到氧化气氛，氧化气氛过渡到还原气氛的过渡气源。借助N2可以实现连续不间断安全作业。 1.2 加热还原气的方法采用高炉热风炉作为还原气加热炉，高炉煤气作为加热还原气的热源. 图1 铁矿煤球团内生还原气生产DRI工艺流程简图2 工艺计算2.1 铁矿煤球团还原反应所需的还原剂量 还原1 kg Fe所需的C量理论计算值最低为0.218 kg2.另外煤粉中还含有4%5%的氢元素，其具有极强的还原能力，也可使耗碳量再降低.本实验是在太钢技术中心炼铁室还原炉中进行的.根据实验数据而得到的耗碳量计算如下：投料煤粉中固定碳含量：Gc = 135 g × 14% × 82.1

5、% + 150 g × 16% × 82.1% + 134 g × 17% × 68% = 50.71 g.产出的DRI中含铁量：GFe = 89 g × 93.7% + 90 g × 92.64% + 85 g × 93.9% = 246.6 g则Gc/GFe = 50.71 g/246.6 g = 0.206g生产1kg DRI的实际耗碳量为0.206kg.分析以上计算结果，有：（1）由于煤中含H2元素，碳的实际消耗量比理论计算值少12 kg×t-1左右；（2）由于还原气中含CO，不能排除CO在还原末期参与还原

6、反应；（3）在还原反应初期有大量的煤热解气产生，并排出还原炉；（4）不能排除煤热解气中的CO、H2参与还原反应.此次实验煤铁质量比为0.266.因为投入的煤不转换成CO2和H2O，不从循环还原气系统中排出，所以按理论计算值的耗碳量进行投料就足够了.2.2 铁矿煤球团还原反应所需热量实验是用电加热的.估算用高炉热风炉来加热还原气体（其组成为30% CO，70% N2），从常温升至1 100时进还原炉，并维持还原反应温度1 0001 100，即可以使还原反应连续进行，因此只考虑计算把铁矿煤球团加热到还原反应温度1 100所需的显热，并考虑热损失.现铁矿煤球团的配比采用1 000 kg铁矿粉（含铁量

7、按69%计）加150 kg煤粉（煤铁比217.3 kg×t-1）和少量粘结剂压制成球团.（1）铁矿煤球团还原所需热量计算.由相关资料3查得煤粉比热=1.8 kJ×kg-1×-1，则加热球团中煤粉所需热量为：QC = 1.8 × 150 × (11000) = 2.97 × 105 kJ.由相关资料4查得铁矿粉比热1 000下：=48cal×K-1×mol-1,经换算为0.865 kJ×kg-1×K-1，因此参照= 0.865 kJ×kg-1×-1计算.则加热球团中铁矿粉所需热

8、量为：QFe = 0.865×1 000×(1 1000) = 9.515×105 kJ.设热量有效利用率为66%，并不考虑粘结剂因素。则加热铁矿煤球团所需热量为：Q = (QC + QFe)/66% = 1.892×106 kJ.忽略损耗，产出DRI中含铁量：MFe = 1000 kg × 69% = 690 kg.则热量消耗为：Q/MFe = 1.892×106 kJ/690 kg = 2 742 kJ×kg-1.（2）从实验数据而得热量消耗的计算.加热球团中煤粉所需热量为：QC = 1.8×(1 1000)

9、× (135 × 14% + 150 × 16% + 134 × 17%) = 1.3×105 J.加热球团中铁矿粉所需热量为：QFe = 0.865 × (1 100 + 273) (0 + 273) × (135 × 81% + 150 × 79% + 134 × 78%)= 3.163 × 105 J.热量有效利用率经验数据为66%,忽略粘结剂因素.则加热铁矿煤球团所需热量为：Q = (QC + QFe)/66% = 676 kJ.实验产出DRI中含铁量为：GFe = 89 g

10、× 93.7% + 90 g × 92.64% +85 g × 93.9% = 246.6 g实验电能消耗为615 kJ，则实验的热量消耗为：Q/GFe = 615 kJ/246.6 g = 2.494 kJ×g-1 = 2 494 kJ×kg-1.从上述计算可见从实验数据而得的热量消耗为2 494 kJ×kg-1，比理论计算值(2 742 kJ×kg-1)低248 kJ×kg-1.2.3 铁矿煤球团还原反应需用热还原气量还原气的主要功能是加热铁矿煤球团，并维持还原反应温度，保持还原气氛.（1）理论计算需要用热还原

11、气量.还原气组成（体积分数）为30% CO，70% N2.进还原炉时还原气温度为1 150,炉顶尾气温度为800.平均入炉温度按1 150计.查得5（气体的焓，基准态0）1 150时CO焓 = 1 629.4 kJ×m-3，N2焓= 1614.9 kJ×m-3，则热焓：H1150 = 30% × 1629.4 + 70% × 1614.9 = 1 619.25 kJ×m-3.查得800时CO焓1 106.6 kJ×m-3，N2焓1 096.8 kJ×m-3，则800还原气热焓：H800 = 30% × 1106.6

12、 + 70% × 1096.8 = 1099.74 kJ×m-3.由前所得传递热能Q = 1.892 × 106 kJ，则所需还原气量：Q = 3 642 m3. 由前所得产出DRI中含铁量为MFe = 690 kg，则循环所需热还原气量为：Vq = 5.278 m3×kg-1.（2）依实验数据估算需用热还原气量.加热铁矿煤球团所需热：Q = 676 kJ；还原气热焓差：H1150 - H800 = 1619.25 - 1099.74 = 519.51 kJ×m-3.则所需热还原气量：=1.301m 3.实验产出DRI中含铁量GFe = 246

13、.6 g，则循环所需还原气量： Vq= 5.276 m3×kg-1.可见实验结果与理论计算十分相近. （3）实际应用炉顶气可以降到300、150.设炉顶气温度降至300。300还原气焓为：H300 = 399.4×30% + 397.0×70% = 397.72 kJ×m-3.则理论用循环热还原气量：VQ = 2.245 m3×kg-1按实验数据推算的循环热还原气用量：(Q = 662 kJ)Ve= 2.242 m3 ×kg-1设炉顶气温度150，150还原气焓为：H150 = 197.0×30%+196.4×70

14、% = 196.58 kJ×m-3则循环热还原气理论用量：VQ= 1.927 m3 ×kg-1按实验数据推算循环热还原气用量：（Q=676 kJ） Ve= 1.926 m3×kg-1 2.4 高炉煤气消耗量的估算还原气的热量是由热风炉提供，热效率按66%计.高炉煤气的发热值按850kcal×m-3计算.（1）加热载热还原气所需热量查得还原气1 100的焓，CO为1 553.4 kJ×m-3，N2为1 539.4 kJ×m-3；查得炉顶气300的焓，CO为399.4 kJ×m-3，N2为397.0 kJ×m-3，则热

15、焓差（利用的热量）为：H1100300（1 553.4×30%1 539.4×70%）-（399.4×30%397.0×70%）1 145.88 kJ×m-3.查得炉顶气150的焓，CO为197 kJ×m-3，N2为196.4 kJ×m-3，则热焓差（利用的热量）为：H1100150（1 553.4×30%1 539.4×70%）（197×30%196.4×70%）1 347.02 kJ×m-3.炉顶气温度越低热量利用越多，传热还原气用量越少，炉顶气温度分别300，150时，

16、1 kg DRI传热还原气用量分别为2.242、1.927 m3.（2）估算炉顶气产出量.炉顶气产出量也就是炉顶气处理量应包括：传热还原气量；碳氧化铁还原产生的气体；煤干馏产生的气体.炉顶气温度分别为300，150时的1 kg DRI传热还原气用量分别为2.242、1.927 m3.因为1 t DRI按理论碳耗量218 kg投料计算，炉顶气温度分别为300，150时的碳耗量是相等的，1 kg碳氧化产生CO2气体重量系数为2.664，CO2比重1.075，碳氧化还原1 kg DRI产生的气体为：Q0.218×2.664÷1.075=0.540 m3，煤干馏产生的气体包含在0.

17、540 m3中。估算还原1 kg DRI炉顶气产量300、150时分别为2.782、2.467 m3 .（3）循环还原气估算需要量.循环还原气估算需要量应为：载热还原气量；炉顶排出的煤干馏气体；还原过程中没有还原的CO.当炉顶气温度为300、150时，还原1 kg DRI循环还原气量估算分别为：Q300 = 2.3958 m3；Q150 = 2.0798 m3.（4）高炉煤气估算需要量.还原气中CO的体积分数为30%，N2的体积分数为70%，循环还原气加热温度为1150时，还原1 kg DRI需用高炉煤气估算量分别为(高炉煤气热量按850 kcal×m-3计算)：G300 1.090

18、 m3 ；G150 0.947 m3 若炉顶气温度控制到150，则1 t DRI估算能耗为：218 kg（850 kcal×m-3÷7000 kcal×kg-1 × 947 m3）= 333 kg.3干熄焦直接还原铁根据干熄焦理论与实践，可以用净化后的循环还原气代替干熄焦用的N2做冷却气，实施干法熄焦，同时可将还原气加热到800980，再施加O2，将载热循环还原气温度提升到10001150送入直接还原竖炉.这样，就将干熄焦和直接还原铁两个工艺连成一个工艺，在干熄焦的同时将铁矿煤球团还原成铁.3.1、可以利用的红焦显热量QJ =（1.5158×1

19、000）（1.045×250）= 1 254.55 kJ×kg-1.3.2、还原铁需红焦量依实验数据铁矿煤球团直接还原1 kg铁的热量消耗为：QS = Q/GFe = 615 kJ/246.6 g = 2 494 kJ×kg-1. 若按DRI-NHQ估算1 kg DRI热量消耗为3 368 kJ，则干熄焦还原铁工艺还原1 kg DRI需要1 000红焦量为：3 368÷1254.55= 2.69 kg.3.3 升高载热循环还原气温度所需热量及施O2量1 000左右的红焦经过还原气冷却，使循环还原气载热温度可以升至800960，这一温度达不到DRI-NHQ

20、还原温度1 0001 150要求.由于DRI-NHQ的入炉还原气的氧化度，可以提高到20以下,（5）所以可以适当加O2以升高载热循环还原气进入还原竖炉的温度.入炉载热循环还原气温度按1 100计算，从干熄焦炉出来的载热还原气按900计算.则升高载热循环还原气温度所需的热量为：1.6063-1.53900.0673 kJ×m-3.-1；0.0673×（1100900）13.46 kJ×m-3.还原1 kg DRI需增加热量为：13.46 kJ×m-3×1.926 m3×kg-1 = 25.92 kJ/kg-1.查61 m3氧气与CO燃烧

21、产生的热量为3 021 kcal×m-3；2CO + O2 = 2CO2 + 3 021 kcal×m-3, 则需CO和O2为：VCO = 0.00206 m3 ×kg-1VO2 = VCO = 0.00103 m3×kg-1 =1.03 m3×t-1将循环还原气温度从900提高到1 100，还原1 t铁需要施加O2计1.03 m3.干熄焦还原铁工艺可以实现近零排放，效益远高于干熄焦发电.可以用N2作为干熄焦换炉时的过渡气体，这样就可以保证干熄焦直接还原铁工艺的安全生产.4 DRI热量回收与干熄焦直接还原铁同理.计算DRI显热为16 kg（标准

22、煤）.DRI按150出炉，带走热量折合为2.36 kg煤，1 t热DRI可以回收的热量折合标准煤为：16.5 kg2.36kg =14.14 kg.当然，DRI热装炼钢炉效益更好.5 城市垃圾制燃气生产DRI城市垃圾焚烧或融熔焚烧产生的低热值燃气，与高炉煤气加热DRI-NHQ中的循环还原气同理.但其工艺特点要消减垃圾焚烧工艺二噁英及二噁英类物质的产生和排放.6 技术特点6.1 采用高挥发分煤为主的配煤做还原剂6.2 铁矿煤球团的内粘结性铁矿煤球团经压制，缩短了煤粒与煤粒之间、煤粒与铁矿粉粒之间的距离，可以煤的较低的流动度达到内粘结作用.它们在煤热解过程中使铁矿煤球团具有内粘结性.球团适度的内粘

23、结作用可以保持热态下球团强度.6.3 液化、软化的煤向气态和固态转化铁矿煤球团在煤热解阶段呈气、液、固三相，由于没有连续供氢、供溶剂的条件，液态物质受热后很快继续分解成气态和固态7.气态物质混入到煤热解干馏的热解气中，固态物质半焦和焦炭与铁矿粉形成固结体.球团内的半焦和焦炭起到了与高炉内焦炭不同的骨架作用。7几个关键技术问题7.1 竖炉内的热平衡问题有专家指出：铁矿煤球团内生还原气生产DRI是强吸热反应，仅靠还原气载热供热，热量是不够的，热量难以平衡.这是个首要问题，我们考虑的解决办法如下：（1）可能产生了煤加氢液化、汽化的强放热反应.实验中产生了深黄色的烟气，类似于焦炉荒煤气，疑似产生了煤加

24、氢的合成反应。其中，C+H2CH4 (CnHm)等，其反应热为4654 kJ/mol，在直接还原过程中因其总的是吸热反应，这部分反应热很容易在反应过程中被利用.（2）还原竖炉可分为两段及两段以上供热.（3）补充少量O2气加热还原气.（4）利用余热. 利用竖炉内下段还原后气体余热，加热竖炉内上段铁矿煤球团，干馏和预热铁矿煤球团.（5）固液反应界面增大，减少了碳熔反应.煤的软化使煤粒与铁矿粉颗粒之间的点接触中的大部分转变为面接触，使得固液，固固反应界面大幅度增加，不仅加快了反应速度，增加了FexOy + CFexOy-1 + CO及FexOy + CO FexOy-1 + CO2反应比例；减少了C

25、O2CCO反应比例，减少了热量消耗.7.2 铁矿煤球团的热强度问题铁矿煤球团的热强度，总的说不如氧化球团强度高，但是可以满足直接还原的需要.分析铁矿煤球团保持热强度的原因，主要是煤在升温过程中的软化、液化、汽化过程中的内黏结作用，以及煤液化、汽化后形成的半焦、焦与铁精矿粉的固结体.还有形成固结体后，在直接还原过程中，铁矿的还原、碳的消耗和铁连晶体的产生，是一个连续渐进的过程.这样就可以在还原过程中保持铁矿煤球团的热强度.7.3 煤中的灰分带入DRI的问题如今的选煤技术可以把洗精煤灰分选到5%以下.按配煤比220kg×t-1，煤灰分带入DRI中的杂质仅1.1%，DRI质量可以达到YB/

26、T41702008要求.在煤的灰分中含有Fe2O3大约5%30%，可以选择煤灰分中含Fe2O3较高的煤做配煤，以增加DRI铁含量，减少杂质含量.7.4 脱硫作用我们在实验中发现了存在着脱硫现象.脱硫率达到70%80%. 8 DRI-NHQ工艺的技术经济优势8.1 与高炉工艺比节能分析此工艺估算能耗比高炉炼铁工艺（含烧结、炼焦、烧结球团、炼铁）低的原因如下：（1）工艺简化.取消了烧结、炼焦、球团工艺，能耗可以全部节省下来.减排而且消除了工艺污染.（2）利用余热.可利用竖炉内下段还原段还原后气体余热，干馏和预热铁矿煤球团.（3）煤的干馏气化.煤的干馏气化促进了低温下碳的一次气化反应、直接还原和间接

27、还原反应.（4）利用了铁精矿和煤粉的高比表面积.使用烧结矿和球团矿，是将费了好大工将铁矿石比表面积提高了的铁精矿又倒回到了低比表面积.约从30006000 cm2×g-1降到010 cm2×g-1左右，延长了还原反应时间，制约了炼铁工艺能耗的进一步降低.本工艺保留并利用了铁精矿和煤粉的高比表面积，使还原反应速度加快，反应温度降低，节约了能源.（5）铁矿粉储能8.铁精矿在细磨过程中存在储能现象.铁矿粉储能主要来自表面能、晶界能、和位错能，其中贡献最大的为晶界能，表面能贡献最小.储能后，CO或H2还原Fe3O4和FeO的平衡气体浓度降低，有利于提高气体利用率；煤基铁矿粉的还原反

28、应温度也相应降低.（6）炉内温度低.高炉风口区温度可达1 700，直接还原炉内温度仅1 100.（7）炉壁温度损失.高炉炉壁循环水带走了热量，直接还原炉壁用耐火材料即可，反之，还应保温.（8）排渣热.高炉炉渣带走了大量热量，直接还原不排渣.（9）铁水显热. 高炉铁水温度1 550左右，直接还原铁热出炉出口温度仅1 100. 若冷出炉还可以回收14 kg标准煤显热.表1 DRI-NHQ与太钢高炉炼铁工艺煤耗对比 kg×t1工序煤耗项目 DRI-NHQ 高炉炼铁节 能炼焦工序 0 36.12-36.12烧结工序 0 44.67-44.67球团工序 0 5.94 -5.94炼铁焦比折煤比

29、0 421.40-421.40炼铁煤比 333.00 185.00148.00煤比合计 333.00 693.13 -360.13注：为了可比，根据太钢统计数据计算全炼铁工序煤比。根据表1中计算，太钢炼铁、炼焦、烧结、球团全炼铁系统2009年上半年折算煤耗为693.13 kg×t-1，DRI-NHQ估算煤耗为333kg×t-1，比太钢全高炉系统煤耗低360.13 kg×t-1，仅为全高炉炼铁系统折算煤耗的48%左右.8.2 与MDREX能耗对比分析鉴于两种工艺折合碳还原剂都为218 kg×t-1 .DRI-NHQ实际应用可能接近估算能耗333 kg

30、15;t-1标煤.与目前世界能耗最低的MDREX直接还原能耗364 kg×t-1标准煤比还低31 kg×t-1.具体原因分析如下.（系工艺能耗，不含设备电耗，不含MDREX前的氧化球团工艺能耗约53 kg.）（1）铁精矿粉、煤粉比表面积大.本工艺保持了铁精矿粉和煤粉的高比表面积.或H2还原Fe3O4和FeO的平衡气体浓度降低，有利于提高气体利用率；煤基铁矿粉的还原反应温度也相应降低. MDREX 工艺采用氧化球团矿，两者相差千倍左右.（2）一次还原率高.本工艺一次还原率可达0.8，MDREX 工艺一次还原率仅0.3左右，本工艺是MDREX工艺一次还原率的2.67倍. 意味着

31、循环还原气使用量的减少，加热还原气用热量的减少，能耗降低.（3）炉顶气温度低，可利用温差大。本工艺炉顶气温度可以降低到150，入口处温度为1 150，可以利用的温度差达1 000；MDREX炉顶气温度为400，入口温度为850，可以利用的温度差仅450。两者相差2.22倍，能耗降低.8.3 减排污染物和温室气体，可以实现清洁生产，碳元素可循环利用DRI-NHQ的还原反应、炉顶气的净化、还原气的加热全部在密闭的设备内完成，气体输送全部在管道中进行，没有污水排放，因此，没有气态、固态、液态污染物外排，因此可以实现清洁生产.CO2可以在炉顶气净化过程中回收.净化后的CO2气可作为日光温室内植物生长用

32、CO2气肥，日光温室种草-养畜-制沼气，可实现清洁生产，以及碳元素的循环利用.9 结语（1）根据理论计算和实验数据的推算，以及相互论证，完全可以用高炉热风炉加热DRI-NHQ中的循环还原气来生产DRI.可以将干熄焦、垃圾制燃气、回收DRI热量与DRI-NHQ工艺连接生产DRI.工艺能耗约333 kg×t-1标准煤.比高炉工艺节能约52%，减排CO2约83%.比MIDREX工艺（含球团耗能）节能约84 kg×t-1标准煤.（2）DRI-NHQ可用垃圾制燃气生产DRI，在垃圾无害化、减量化、资源化利用的同时生产DRI，使依托DRI和废钢发展短流程钢厂成为可能，为规划搬迁的钢铁企

33、业，搬迁或不搬迁都提供了新的选择.参 考 文 献：1 苏亚杰. 铁矿煤球团自产还原气生产直接还原铁的方法: 中国专利，200610012837. 2007-01-17Su Y J. Iron Ore-Coal Briquette Made Reducing Gas Itself to Produce DRI: China Patent, 200610012837. 2007-01-172 汪琦. 铁矿含碳球团技术. 北京：冶金工业出版社，2005Wang Q. Iron Ore Pellet Carbon Technology. Beijing: Metallurgical Industry

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37、rks of Taiyuan Iron & Steel (Group) Company Ltd., Taiyuan 030008, China 3) China Research Institute of Daily Chemical Industry, Taiyuan 030001, ChinaAbstract：With blast furnace gas, gas made by rubbish, low calorific value gas, and with blast furnace hot stove, red coke, hot DRI and other thermal heating cycle to restore the gas t