年产250万吨直接还原铁项目可行性研究报告

PAGE138 250万吨/年直接还原铁项目可行性研究报告XX省冶金设计院1总论1.1概述1.1.1项目名称250万吨/年直接还原铁项目1.1.2项目负责人1.1.3项目建设单位名称1.1.4项目建设地点1.1.5项目建设单位基本情况1.2建设指导思想（1）以循环经济理念来指导项目建设，认真贯彻国家和地方有关法规及行业政策。特别是环保、节能、安全、卫生、消防等方面的政策和法规。（2）坚持高起点、高效益、低消耗的设计原则，采用当今国内外先进的技术及装备，建成国内外先进的环保型企业。1.3项目建设的背景1.3.1项目提出的理由与过程本项目依托XXXX自治县的铁矿资源。该县隶属于XX市，1987年5月成立XX自治县，2001年被列为国家扶贫开发重点县，辖25个乡镇，396个行政村。全县总面积3510平方公里，总人口52.9万，有满、汉、苗、回等11个民族，XX人口占68.6%。境内区域广阔，资源丰富，有铁、金、石等多种矿产资源，其中铁矿资源尤为丰富，铁矿资源储量达15亿吨以上。为实现县域经济的跨越发展，不断培育县域经济发展的后劲和支撑，XX县委、县政府依托本县丰富的铁矿资源，与具有雄厚经济实力和技术优势的我国最大的钢铁企业河北钢铁集团公司（原唐山钢铁集团）、北京XX热能技术有限公司合作，建设山XX经济示范园区，实施工业入园，园区带动的发展战略，落实工业生产项目，促进企业合作、规模化生产，实现优势互补、良性互动。唐钢负责整合本县主要铁矿资源，并在园区建设260万吨/年规模的氧化球团厂，XX公司以氧化球团为原料，建设竖炉年产250万吨直接还原铁作为铁浴炉的原料，铁浴炉生产88万吨融熔还原铁水。铁水供唐钢作为炼钢原料。唐钢气体公司提供氧气氮气等工业气体。目前，竖炉年产250万吨直接还原铁项目已获河北省发展改革委批准，氧化球团厂已经开始建设。1.3.2项目建设的必要性采用直接还原工艺生产海绵铁产品，具有有害杂质含量低，性能稳定等优点。竖炉法生产还原铁，在我国还是空白。山XX循环经济园区融熔还原铁水项目，采用水煤浆气化做还原气，竖炉直接还原生产海绵铁作为铁浴炉原料，生产融熔还原铁水，融熔还原铁水比高炉铁水硅低、磷低的特点(见3.2描述)，对后道工序炼优质钢提供保证。1.4研究结论1.4.1研究范围主要分为三部分：还原气体制备系统、竖炉系统和铁浴炉系统。还原气体制备系统包括：原煤贮运、气化、变换、脱硫、脱碳、硫回收六部分。竖炉系统包括：还原气预热、还原竖炉、炉顶气降温除尘、炉顶气压缩、上料系统、水循环系统。铁浴炉系统包括：矿槽上料系统、鼓风系统、热风炉系统、铁浴炉本体、通风除尘系统、出铁场、煤粉喷吹系统。公用工程包括火炬、变配电所、控制室、中央化验室、循环水站、污水处理、通风除尘、消防及其它辅助设施。新鲜水、消防水、蒸汽、氧气、氮气、脱盐水、仪表风、压缩空气等由工业园区统一供应，不在本项目范围之内。1.4.2研究结论“气基直接还原铁+铁浴炉”工艺技术先进，设备运行安全可靠，产品质量优良。作为高品质优质钢种生产所必不可少的原料。项目投产后，还将会促进地方相关产业的发展，促进XX县及周边地区的经济繁荣。本项目的建设投资197085万元，所得税后内部收益率26.09%，投资回收期为5.5年（含建设期1.5年），项目的盈利能力满足行业要求。项目各项效益指标及敏感性分析结果表明,项目具有较强的抗风险能力和贷款清偿能力。综上所述，该项目工艺技术先进成熟，市场前景良好，建成后能带来良好的经济效益和社会效益，建议尽快建设。1.4.2.1主要技术经济指标汇总表表1-4主要技术经济指标汇总表序号名称单位数量备注一装置规模融熔还原铁水万吨/年88公称能力煤气万Nm3/年78656副产品水渣万吨/年18.5副产品硫磺吨/年～2000副产品二年操作时间小时7200三主要原料1煤万吨/年452氧气Nm3/h233523氧化球团万吨/年161竖炉原料四公用工程1新鲜水万吨/年5042电万kWh/年120003脱盐水万吨/年21.64氮气Nm3/h45875仪表空气Nm3/h16006蒸汽万吨/年12000五三废1废气Nm3/h87500达标排放2废水t/h493废渣万t/a8.07作为副产品外售六年总运输量万吨/年336.771运入万吨/年222.22运出万吨/年114.57七占地面积公顷16八总定员人2422产品市场预测2.1世界直接还原铁产量2006年，世界直接还原铁产量创新高，达到了5959万吨，比上年增长290万吨增幅4.9%。2007年估计产量6500万吨。历年世界直接还原铁产量统计见表2-1，走势图见图1。由表1和图1可知，2001~2007年增速最快，平均年增幅为7.1%。表明了2001~2007年直接还原铁需求的强劲增长，据预测，2010年全球直接还原铁的产量将达到7500万吨。世界各国直接还原铁厂产量统计见表2-2，自2003年以来，印度取代了委内瑞拉成为全球最大的直接还原铁生产国。其次为委内瑞拉、伊朗，他们共同的特点是均为铁矿石或天然气资源大国。印度就得益于铁矿石资源和其西部的天然气资源。美国有57%的粗钢是电炉生产的，2000年直接还原铁产量160万吨，2006年只生产了20万吨，进口277万吨。表2-1历年世界直接还原铁产量统计单位：百万吨年份1970197119721973197419751976197719781979198019811982产量0.790.951.391.92.722.813.023.5256.647.147.927.28比上年%20.346.336.743.23.37.516.642.032.87.510.9-8.1年份1983198419851986198719881989199019911992199319941995产量7.99.3411.1712.5313.5214.0915.6317.6819.3220.5123.6527.3730.67比上年%9.3411.1712.5313.5214.0915.6317.6819.3220.5123.6527.3730.679.34年份199619971998199920002001200220032004200520062007产量33.336.1936.9638.5943.7840.3245.0849.4554.656.9959.796500比上年%8.68.72.14.413.4-7.911.89.710.44.44.98.6图1历年直接还原铁产量增长走势图图1历年直接还原铁产量增长走势图表2-2世界各国直接还原铁厂产量统计单位：百万吨2001增加%2002增加%2003增加%2004增加%2005增加%2006增加%印度5.5913.96.5914.67.6715.59.3717.211.119.914.724.7委内瑞拉6.3815.86.8915.36.9147.8314.38.95168.614.4伊朗512.45.2811.75.6211.46.4111.76.8512.36.911.5墨西哥3.679.14.910.95.6211.46.54125.9810.76.210.3沙特阿拉伯2.887.13.297.33.296.73.416.23.636.53.66俄罗斯2.516.22.916.52.915.93.145.83.3463.35.5埃及2.375.92.535.62.875.83.025.52.95.23.15.2特立尼达和多巴哥2.315.72.325.12.284.62.364.32.053.72.13.5阿根廷1.283.21.463.21.743.51.743.21.833.323.3南非1.563.91.553.41.543.11.6331.783.21.82.9利比亚1.092.71.172.61.342.71.582.91.6531.62.7印度尼西亚1.483.71.53.31.232.51.472.71.392.51.32.2马来西亚1.122.81.082.41.63.21.683.11.382.51.52.6新西兰0.93-0.88-1.02-1.03-0.991.8--卡塔尔0.731.80.751.70.781.60.831.50.821.50.91.5加拿大0-0.180.40.511.0920.591.10.50.8德国0.210.50.541.20.591.20.611.10.440.80.61巴西0.431.10.360.80.410.80.440.80.430.80.40.6中国0.110.30.220.50.310.60.430.80.410.70.40.7美国0.120.30.4710.210.40.180.30.220.40.20.4秘鲁0.070.20.030.10.080.20.080.10.090.20.10.2澳大利亚1.373.41.022.31.953.90.691.32.2价格现状与预测2.2.1价格现状我国是世界第一钢铁大国，估计2007年全球粗钢产量13.5亿吨，我国约5亿吨，占37%。主要钢铁原料铁矿石对外依存度达51%以上，进口价从2005年到2008年分别上涨了71.5%、19%、9.5%、65%，三年已经翻了一番，2008年铁矿石涨价65%，唐山地区铁精矿粉价格去年12月份已超过1500元/t。参见表2-3，图2。表2-32007年1-12月国内主要地区铁精粉价格2007年1-12月国内主要地区铁精粉价格地区辽宁朝阳山西代县湖北大冶河北唐山山东淄博安徽繁昌TFe66%64%63%66%64%64%单位：元/t湿基不含税干基含税1月475487.56207407156602月492.5507.56207557306753月530542.5622.57757506904月542.55956557857707005月587.5607.5697.5875782.57406月597.5600730852.58007907月615612.5745872.58358258月687.5727.5867.51057.5965897.59月887.5877.51032.51292.51190104510月927.58951112.51347.512751162.511月96096012151372.51345127512月1015967.51322.51517.51472.51362.5图2图22.2.2废钢价格情况我国钢铁工业的快速发展是在近十年才兴起的，社会废钢的积蓄量还很低，约在13~15亿吨，还未进入废钢铁高产期。废钢铁的供应量的增长远远跟不上钢铁产量的增长幅度，从上世纪九十年代中期开始进口废钢，整个废钢市场进入了供不应求的运行周期。全世界平均吨粗钢耗用废钢400~500kg，我国由于缺乏废钢资源，2000年废钢单耗水平为228kg/t，是世界平均水平的50%，2007年我国废钢单耗按160kg/t测算，全年废钢需求量为7840万吨。据测算，2007年社会废钢产生量4200万吨，钢铁企业自产废钢3000万吨左右，加上铸造、设备制造小五金行业、小钢厂用料，废钢缺口2500万吨以上。2007年全年只进口废钢2250万吨。2007年1~9月废钢生铁平均价格走势见表2-4和图3。表2－42007年1~9月废钢生铁平均价格表单位：元/t月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月废钢价格202120602097212021842189235723572416生铁价格226123782459252026202663263228443075图32007年1~9月废钢生铁平均价格走势图图32007年1~9月废钢生铁平均价格走势图2007年1~8月进口普通废钢202万吨，与上年同比降了51.28%，8月进口普通废钢价格上升到491美元/t，创历史新高。进口废钢市场继续处于低迷状态，国内废钢缺口得不到足够的补充，进一步加剧市场的紧张局面，废钢市场继续高价位运行已成定局。由于废钢资源供应不足，炼钢生铁采购过旺，涨势自然强劲。2.2.3价格预测我国的直接还原铁产量低，需求量高，其价格也自然随着铁矿石、废钢和生铁的涨势而上涨。2007年在氧化球团价格1600元/吨的情况下，天津无缝钢管厂的直接还原铁出厂价高达4000元/吨,未来几年也将维持在高位运行。2.3市场竞争力分析市场竞争力，主要取决于市场容量和生产要素的优化重组。2007年全球粗钢产量约13.5亿吨，我国粗钢产量约5亿吨，占全球产量的37%；全球直接还原铁产量约6500万吨，我国只有50万吨，只占0.77%。如果按全球的直接还原铁所占粗钢产量的平均比例计算，我国直接还原铁的缺口为2350万吨。党的十六届三中全会《决定》提出，“抓住新一轮全球生产要素优化重组和产业转移的重大机遇”。全球生产要素优化重组和产业转移，本质上说的是一种产业结构调整现象。对于现代化大工业生产，资源、技术、管理、资金、信息都是非常重要的生产要素。XX山XX经济园区的“250万吨直接还原铁+铁浴炉”项目，依托当地铁矿资源优势，通过北京XX公司把先进的气基直接还原技术引进到本园区，填补了我国的技术空白和产品空白。依托区位优势，生产的优质融熔还原铁水产品可满足环渤海经济圈装备制造业和钢铁业急需的高品质炼钢铁料，以促进其加工贸易和产业的转型升级。该项目原料和产品均在工业园区内，可以减少原料和产品的库存量，减少生产和管理成本，有利于发展循环经济。3产品方案及产品规格3.1产品方案本项目产品方案为：融熔还原铁水：88万吨/年或直接还原铁：250万吨/年副产品：硫磺：～2000吨/年煤气：7.36X108Nm3水渣：18.5万吨/年年操作时间：7200小时生产方式:连续生产操作制度：四班三运转3.2产品规格日常生产热装铁水，铁浴炉检修时，生产热压块HBI直接还原铁HBI质量指标为：序号项目指标(wt)1金属化率92%2碳（C）1.3%3全铁（TFe）92.2%4金属铁（MFe）84.8%5FeO8.1%6脉石总量4.9%融熔铁水成份序号项目数值1碳4.3%2硅03锰0.04%4磷0.03%5硫0.03%6温度14804工艺技术方案4.1工艺技术方案的选择本装置采用目前先进的水煤浆气化工艺制还原气，还原气氢碳比可通过变换灵活调整，能为还原铁生产提供优质的还原气；还原铁生产采用Midrex工艺，技术先进可靠。还原铁直接进入铁浴炉，工艺流程图如下：4.1.1还原气制备方案4.1.1.1煤气化以煤为原料的气化方法主要有固定床、流化床和气流床等。固定床气化技术在我国运用较广，较为先进的有鲁奇（Lurgi）气化技术，在我国建有3套装置。该技术虽然能连续加压气化，但由于气化温度低，生成气中甲烷含量大，同时生成气中含苯、酚、焦油等一系列难处理的物质，净化流程长；尤其是该技术只能用碎煤不能用粉煤，因而原料利用率低，大量筛分下来的粉煤要配燃煤锅炉进行处理。此技术用于城市煤气较好，不宜作还原气。固定层间歇气化技术是我国小氮肥、小甲醇厂普遍采用的气化技术。该技术投资低，技术成熟；但气化效率低，单炉产气量少，常压间歇气化，吹风过程中放空气对环境污染严重。该技术在国外已被淘汰。国内在固定床间歇气化技术的基础上发展而来的富氧连续气化技术，虽然实现了连续气化无吹风气排放，污染较少，但只能采用焦炭或无烟块煤作原料，原料价格高；也同样存在着单炉生产能力较小等缺点。不适宜大规模生产。流化床气化技术主要有灰熔聚流化床粉煤气化和恩德炉粉煤气化技术。灰熔聚流化床粉煤气化技术为中科院山西煤化学研究所与秦晋科技公司开发，该技术可用多种煤质作原料，如烟煤、焦炭、焦粉等，使用粉煤在1250℃下气化，固体排渣。但气化压力低、单炉产气量小，其次是煤气中粉尘含量高，净化困难，目前尚没有稳定运行的装置。恩德粉煤气化技术是由我国抚顺恩德机械有限公司引进国外专利技术，并进行重大改进完善开发成功的工艺，属于沸腾床粉煤气化技术。目前主要在空气煤气、半水煤气生产方面建有装置，但也是气化压力低、用于还原气净化负荷大及碳利用率低。另外，粗煤气中含灰量较大，造成废锅及洗涤塔等处易堵塞，需经常停炉除渣、除焦，给操作和日常维护带来巨大困难。气流床气化技术是煤气化技术的一个革新，加压气流床气化技术代表着煤气化的发展趋势，是现在最清洁的煤利用技术之一。气流床气化技术主要有水煤浆气化技术、荷兰谢尔（Shell）粉煤加压气化技术和德国索克（GSP）粉煤加压气化技术等。水煤浆气化技术是在煤中加入添加剂、助熔剂（视煤的灰熔点）和水，磨成水煤浆，加压后喷入气化炉，与纯氧进行燃烧和部分氧化反应。气化温度1300～1400℃，气化炉无转动部件，对于生产合成气的气化炉，大多采用冷激流程。该技术由于是水煤浆进料，大量水份要进行气化，因而以单位体积的(CO+H2)计的煤耗和氧耗均比Shell气化高。但其粗水煤气中甲烷及其它惰性气体含量很少，对还原气生产来说，不需脱甲烷和氮。我国煤气化技术科研人员经过多年努力研究，还开发出了具有中国知识产权的水煤浆气化技术，如西北化工研究院的多元料浆气化技术、华东理工大学的四喷嘴气化技术和清华大学、达立科的熔渣－非熔渣气化技术。多种水煤浆气化技术目前国内已有数套大中型工业化装置，均运行平稳。Shell气化技术是荷兰谢尔公司开发的一种先进的气化技术，该技术采用纯氧、蒸汽气化，干粉进料，气化温度达1400～1700℃，碳转化率99%，有效气体（CO+H2）90%以上，液态排渣，采用特殊的水冷壁气化炉，使用寿命长。采用废锅流程，可副产高压蒸汽。采用干粉气化，氧耗量较德士古低（~15%）。但气化炉（带废锅）结构复杂、设备庞大、设备费及专利费均较高。主要设备需在国外制造，建设周期较长。该技术目前国外只有一套大型装置运行，用于联合循环发电，国内引进了几套装置，但由于工业化的经验不多，均存在问题。同时该技术须全面依赖进口，国内技术支撑率低。GSP粉煤气化技术，是德国未来能源公司开发的工艺技术，既有德士古气化炉的工艺特点，又有Shell气化工艺的特点。上世纪70年代开始研究，1979年建成了3MW和5MW的气化炉。其特点是：干粉进料，粗合成气有效气体成份高，气化效率高。这与谢尔工艺相似。气化炉内部采用膜式水冷壁，可承受高达2000℃我国科研和工程技术人员也在进行类似GSP粉煤加压气化技术的工程化工作。但目前尚无工程化实例。大型气化技术比较见表4-1。表4-1大型气化技术比较表序号项目水煤浆炉ShellGSP1气化炉形式加压气流床加压气流床加压气流床2气化剂氧气氧气氧气3气化压力/Mpa4.0-6.5[1]3.0-4.0≤4.04气化温度/℃1300-141400-1600≤20005能量回收形式水激冷或废锅废锅激冷、水冷壁6炉体保护装置耐火材料水冷壁锅炉水冷壁锅炉7适用原料烟煤褐煤+烟煤褐煤+烟煤8使用原料粒度水煤浆<0.076mm占70%干粉煤<250目碎煤干法加料90%<250目9有效组分CO+H2~83%~90%~90%10CH4（V%）<0.10011氧耗Nm3/(1KNm3CO+H2)~389~330~33012煤耗kg/(1KNm3CO+H2)~610~565~56513碳转化率~98%~99%~~99%14对环境影响洁净煤气化洁净煤气化洁净煤气化15工程投资较多大[2]较多16技术难度技术较复杂技术复杂[3]技术较复杂17送料系统较复杂复杂[4]复杂[4]18国产化程度全部国产化主要部件目前全部依赖进口主要部件依赖进口19运行情况自93年引进及国产化的多套均正常运行目前尚在试运行中目前尚无工业化运行装置注：[1]有个别厂家使用2.8或8.5MPa气化压力；[2]按年产20万吨氨计，Shell（无备用炉）投资较Texaco（有备用炉）多15~20%；[3]包括设备制造、操作控制；[4]干粉煤制备及高压氮密相输送粉煤技术复杂；综合以上比较，本项目采用国内的非熔渣-熔渣的水煤浆气化技术制炼铁用还原气。气化炉的规格主要有φ3200和φ2800两种，一般情况下，同一种炉型，由于气化压力降低，每增加1台炉子，投资要增加30%。根据还原气用量及不同炉型的投资估算，同时考虑对净化投资和运行费用的影响，确定本项目采用φ2800、4.0Mpa气化炉4台，三开一备。4.1.1.2变换及脱硫脱碳由于还原铁装置要求还原气成份H2/CO=1.5~1.8，因此气化来的粗煤气要进行变换。CO变换有耐硫变换和非耐硫变换之分，非耐硫变换气体要先脱硫，由于脱硫工艺要求在常温下进行，故流程会出现“冷热病”，进入变换需补加蒸汽，增加消耗。而采用耐硫变换时，由于水煤浆气化粗合成气经洗涤后含尘量1～2mg/m3（标），并被水蒸汽饱和，水气比约1.46，直接进入变换，不需再补加蒸汽；流程短，能耗低，故水煤浆气化配耐硫变换是最佳选择。同时在变换炉的上段设有预变换，用于除去气体中杂质及防止变换催化剂中毒。变换产生大量的工艺余热用于产生蒸汽及预热锅炉给水。水煤浆气化工艺生产的粗煤气除含CO、H2、CO2外，还有少量H2S、COS、CH4、N2、Ar及微量的氯，氨等成分。从国内外煤气化装置中所采用的脱除酸性气体的工艺来看，低温甲醇洗和NHD较常见。低温甲醇洗工艺是采用冷甲醇作为溶剂脱除酸性气体的物理吸收方法，主要有德国林德公司的低温甲醇洗工艺脱硫脱碳工艺和鲁奇公司的低温甲醇洗脱硫脱碳工艺。该技术成熟可靠，能耗较低，气体净化度高，可将CO2脱至10ppm以下，H2S小于0.1ppm。而且溶剂吸收能力大，循环量小，能耗省，溶剂价格便宜，操作费用低。该法缺点是在低温下操作，设备低温材料要求较高，整个工艺投资较高。大连理工大学从1983年开始进行低温甲醇洗的工艺过程研究,在中石化和浙江大学的协助下1999年该项研究通过了中石化的鉴定，2000年获得了中石化科技进步三等奖，并且获得了国内两项专利申请。经改进后该技术采用六塔流程，与林德工艺相似，设备投资比林德工艺低~10%。NHD同低温甲醇洗一样，同属物理吸收，其对CO2、H2S等均有较强的吸收能力，但对COS的吸收能力较弱。NHD净化可将CO2脱至0.1%以下，H2S小于1PPm。NHD溶剂吸收能力比甲醇低，因而溶剂循环量大，且溶剂价格较高，因而操作费用较高。该法的优点在于设备无腐蚀，可采用碳钢设备，整个装置投资较少。两种工艺的比较见表4－2。表4－2NHD和低温甲醇洗工艺技术比较表序号项目低温甲醇洗NHD1吸收环境-50-5℃~2溶剂循环量小大3净化度CO2<20×10-6H2S<0.1×10-6CO2<0.2%H2S<5×10-64制冷消耗高低5溶剂热稳定性好好6价格与来源市场供应多，价格低市场供应多，价格较高7其他说明粘度小、吸收易达到平衡粘度大、传质差8工艺技术的成熟性成熟成熟9影响投资因素设备多、部分材料、机泵需引进软、硬件费低10操作与投资操作费用少、投资高操作费用高（10%）,投资低（40%）对炼钢用还原气来说，由于对CO2和H2S的净化要求较合成气低，溶剂循环量会有所减少。综合以上，本项目采用NHD净化工艺。4.1.1.3硫回收克劳斯（Claus）法硫回收技术是目前煤制气、炼厂气、天然气加工副产酸性气体及其它含H2S气体回收硫的主要方法。典型的克劳斯装置通常由一个燃烧段和随后的二个或三个催化转化段组成,燃烧段由带有燃烧室的燃烧炉和废热锅炉组成,在燃烧段,克劳斯原料气中1/3的硫化氢按照下面的化学反应式燃烧生成二氧化硫,根据克劳斯平衡反应,二氧化硫与剩余的硫化氢反应生成单质硫: H2S+3/2O2 SO2+H2O (a) 2H2S+SO23S+2H2O(b)在燃烧室典型的1200℃温度条件下,硫的转化率为60~70%,由于原料气中含有CO2、NH3和烃类等杂质,因此在燃烧段可产生许多副反应,反应后的气体离开燃烧室,进入废热锅炉冷却至160℃左右,回收热量产生蒸汽,以冷凝分离液硫,工艺气再经加热后,将在有克劳斯催化剂的反应器里利用催化剂使克劳斯平衡反应向生成硫的方向进行,以进一步提高硫的转化率。克劳斯反应段由工艺气加热器、催化反应器和硫磺冷凝器组成。硫磺在克劳斯反应器后冷凝分离,未反应的气体进入下一个催化反应段继续反应和生成硫, 2H2S+SO2 3S+2H2O (c)对于硫化氢含量高的富酸性气,设有二个反应段的克劳斯装置理论上的回收率为96%,设有三个反应段的克劳斯反应段的克劳斯装置理论的上的硫回收率为98%,但在实际上,由于受到各种条件的限制,硫的回收率只能达到94~97%。而硫化氢含量低于25%V左右的酸性气，硫回率将更低。对于硫化氢含量低的富酸性气,可采用络合铁法。其溶液的活性及稳定性好，正常情况下无Fe(OH)3沉淀，没有堵塔危险。溶液极易再生，生成硫的颗粒大，易于分离。另外，脱硫溶液无毒，对环境污染少；溶液配置简单，原料价廉易得；溶液中付反应生成物增长速度慢。由于络合铁法流程简单、设备少、占地少、投资省，该法也是较普遍采用的氧化脱硫方法，国外应用较普遍，我国兰州化肥厂、腾县化肥厂等用此法脱硫，并进行硫回收。综合以上，本项目采用络合铁法脱硫。4.1.2直接还原铁方案直接还原工艺用于将球团矿或块矿形式的铁氧化物转换成适于炼钢的高度还原产品。为实现这种转换，还原工艺利用连续流动的还原气体用化学方法从铁氧化物中提取氧。还原过程在低于给料熔融温度的条件下进行。将还原气（氢、一氧化碳和其它成分的混合物）以可控的成分和温度引入到还原反应器内。还原气沿反应器向上流动，将下降的铁氧化物加热到还原温度。氢气及一氧化碳从铁氧化物中提取出氧，得到高纯度还原产品。直接还原温度控制在850-95还原区发生的基本反应如下：3Fe2O3+CO2Fe3O4+CO23Fe2O3+H22Fe3O4+H2OFe3O4+CO3FeO+CO2Fe3O4+H23FeO+H2OFeO+COFe+CO2FeO+H2Fe+H2O3Fe+2COFe3C+CO3Fe+CO+H2Fe3C+H23Fe+CH4Fe3C+2H在气基直接还原工艺中，竖炉法的MIDREX和HYL占有绝对优势，具有工艺技术成熟可靠、投资少、生产率高（容积利用系数可达8～12t/m3·d-1）、单炉产量大（最高达180万t/年）等优点。目前，MIDREX和HYL竖炉生产技术经过不断完善，已实现规模化生产。Midrex法Midrex法为美国米德莱克斯(Midrex)公司所发明，是目前普遍使用的生产方法。据统计，其生产量2001年为2684万t，占直接还原法产量的66％以上。气基Midrex法是具有代表性的气基竖炉法，它由供料系统、还原竖炉、烟气处理、天然气重整炉组成。Midrex法的一次能源是天然气，通过天然气蒸汽转化反应将其转化成CO和H2。炉料从炉顶通过布料器(或多个加料管)合理地布入炉中，在还原区与CO和H2进行还原反应，最后产品由炉底排出。直接还原后的废气中仍含有大量的CO和H2(约70％)，通过洗涤器重新返回到重整炉，重整后进入竖炉循环使用。Midrex竖炉法是1968年由美国提出，1969年第一次建厂，而后迅速发展起来。Midrex竖炉法特点是设备紧凑，充分利用余热，生产率高，但对矿石和还原气的含硫量要求严格。HYL法希尔法(HYL法)为墨西哥镀锡板和薄板公司的发明，HYL是这家公司英文缩写。20世纪70年代墨西哥在固定床HYLI法基础上发展为HYLⅢ式竖炉，应用相当广泛，约占世界直接还原铁产量的17％。HYL法工艺炉料（铁矿石球团）自反应器顶部加入，还原气由中部还原区进入。从上至下，还原分四个阶段进行：第一为加热和初还原阶段；第二为主还原阶段；第三为冷却和渗碳阶段；第四为卸料阶段。其特点是对CO和H2比例要求不严格。从发展的角度来看，Midrex技术工艺的市场占有率在相当长的一段时间内仍将占据统治地位。综合考虑设备费、专利费、运行费、工艺成熟性和技术易得性，该项目拟采改进的Midrex法。4.1.3铁浴炉铁水方案4.1.3.1铁浴炉工艺方案铁浴炉生产工艺是一个正压操作的直立的缩口的熔炼容器，由耐火材料炉衬砌筑而成的炉膛和水冷炉顶结构构成。耐火材料炉膛包括铁水熔池，熔渣浮于铁水之上。入炉原料(煤，焦粉，矿粉，熔剂)用氮气从安装在侧面的盆腔同时吹入熔池。原料主要是从炉身上部加入的直接还原铁，含铁污泥干燥后从炉身侧部的枪喷入炉内。熔剂主要是粉状氧化钙、氧化镁等。氧化钙调节碱度和脱硫效果，氧化镁调节渣的流动性。煤和焦为发热剂和还原剂。铁熔池上面，分散着随煤加入的碳素发生氧化反应，与含铁原料发生氧化反应，生成一氧化碳，煤炭里面的挥发份分解产生氢气。随着一氧化碳、氢气、氮气载体从熔池快速逸出，金属和炉渣射流从顶部喷入，从热风炉送过来的1200℃金属和熔渣射流覆盖在水冷壁表面，减少能量损失，保护水冷壁，有点类似于转炉的溅渣护炉。过程产生的煤气从炉顶先经过热旋风粗除尘，粗除尘颗粒返回铁浴炉作原料，半净热煤气由一座水冷洗涤装置冷却和净化，一部份用于热风炉烧炉用，一部份用于竖炉还原气加热炉作燃料，一部份供球团、锅炉使用，富余的煤气降温进煤气管网。渣铁产品连续地通过直立缩口的熔炼容器的避渣器，进入渣腔分离。焦碳在冶炼的过程主要是还原剂和发热剂，因而对强度要求不高，三级冶金焦可满足工艺的要求，同时因焦比低大大降低了冶炼成本。但对焦碳和煤的入硫总量要控制，否则下道工序难以控制质量，本方案焦碳为外购或唐钢供应。铁浴炉可冶炼高磷矿。如果下道工序要精炼，则必须脱硫脱磷。生产过程产生的炉渣可以作为原料供水泥或建筑材料。铁浴炉的原料为直接还原铁，也可以是扎钢皮或含铁污泥。大大地扩展原料的来源，能利用大多数的钢铁产品废弃物，促成钢铁生产的零污染。短流程和快速恢复的铁浴炉流程，可以迅速简单地改变原料类型或产品。其操作的弹性，可以根据市场变化，迅速调整原料成本。铁浴炉停产时，竖炉的产品做成热压块HBI转入料仓储运。料仓中的HBI也可在生产时少量配比加入铁浴炉，但配比不能超过4%，料仓中的HBI因密度较大，不能浮在渣液表面直接吸收炉膛燃烧热，同时因料仓HBI为致密冷料，反应速度慢，降低了生产效率，增加了能耗。4.1.3.2铁浴炉工艺设备铁浴炉两台炉缸为水冷综合炉底，炉底水冷管上砌两层半石墨高导热碳砖，两层微孔热压焙烧碳砖和两层刚玉砖。炉缸侧壁为冷却壁加半石墨砖综合结构，炉腹为氮化硅结合碳化硅砖砌筑外加冷却壁结构，锥台部份磷酸浸渍粘土砖加水冷壁，热风从顶部水冷枪喷入，热煤气通过上升管进入热旋风粗除尘。矿槽为混凝土结构，所装物料为热压块、球团矿、小块焦、块矿。煤粉制备系统包括中速磨、烟气炉、布袋粉尘收集器、收粉罐、喷吹罐、氮气罐、压缩空气站、喷吹管线、喷枪。喷枪为特殊双腔结构，材质为耐热不锈钢0Cr18Ni9，内腔通煤粉，外腔通氧。热旋风外部为钢壳，材质Q235A，内衬钢玉砖耐高温荒煤气冲刷，壳体内喷FN130涂料，砌50mm厚硅酸铝纤维砖，壳体温度在工作在80℃铁浴炉设鼓风机及风机房。设热风炉及管线使鼓入铁浴炉内的风温加热到1200℃设出铁场除尘、出铁场及炉前开口机、液压炮。4.1.3.3年产88万吨铁水，铁浴炉与高炉对比分析项目高炉铁浴炉备注成本(元/吨)36403185随着目前焦碳价格上扬，两者的差价会进一步扩大投资总额(亿)12(包括焦炉、烧结)17.9建设周期2年1.8年SO2年排放量413吨120吨CO2年排放量138万吨41万吨粉尘年排放量64吨18吨生产组织高炉停炉、开炉周期长，长期休风后的复风生产困难。高炉不能配吃粉状含铁原料，焦碳质量低于二级冶金焦影响高炉顺行，导致成本大幅度上升。焦化、烧结、炼铁之间的生产调度复杂，难度大。停炉、开炉迅速，转产灵活，可根据原料变化配粉状含铁原料。生产调度灵活。对焦碳强度要求不高。定员287人(包括焦炉、烧结)242人占地大少(省去了焦化、烧结占地)固废处理产生瓦斯灰、除尘污泥，要另设处理装置可消化含铁粉尘，循环使用。产业政策限制类鼓励类4.2技术来源直接还原铁竖炉及热压块机，采用国外先进技术。其他均采用成熟的国内技术。4.3工艺流程及消耗定额4.3.1备煤原料煤经汽车运输进厂，贮煤场由桥式抓斗起重机和推土机承担原料煤的倒运。原料煤被送入受料槽中，由受料槽下地皮带运走，通过胶带输送机转运、计量、除铁、破碎、筛分，送至磨机前贮煤仓待用。石灰石粉由汽车运来，直接送至磨机前贮仓待用。磨机前贮仓中原料煤和石灰石粉（低灰熔点煤不加），按配比经计量后送入磨机。4.3.2气化4.3.2由煤贮运系统送来的原料煤（干）送至煤贮斗，经称重给料机控制输送量送入棒磨机，加入一定量的水，物料在棒磨机中进行湿法磨煤。为了控制煤浆粘度及保持煤浆的稳定性加入添加剂，为了调整煤浆的pH值，加入碱液或氨水，共同磨制浆达到要求的粒度分布，制得料浆浓度约为60％左右。磨机溢流出的料浆经圆筒筛除去料浆中的大颗粒后，依靠重力流入磨机出料槽，磨机出料槽搅拌器使料浆均化并保持悬浮状态。料浆再通过磨煤机出料槽泵送入气化系统的煤浆槽供气化用。制浆用水由制浆水泵将水由制浆水槽经计量后送入磨机。制浆用水为来自灰水处理单元，其余部分根据需要，用原水补充。4.3.在本工段，煤浆与氧进行部分氧化反应制得粗还原气。煤浆由煤浆槽经煤浆加压泵加压后连同空分送来的高压氧通过烧咀进入气化炉，在气化炉中煤浆与氧发生如下主要反应：CmHnSr+m/2O2—→mCO+（n/2-r）H2+rH2SCmHnSr—→（n/4-r/2）CH4+（m-n/4+r/2）C+rH2SC+O2—→CO2C+CO2—→2COC+H2O—→CO+H2CO+H2O—→H2+CO2反应在4.0MPa（G）、1350～1400℃下进行。气化反应在气化炉反应段瞬间完成，生成CO、H2、CO2、H2O和少量CH4、H2S等气体。煤浆经高压料浆泵从煤浆槽送入工艺烧嘴。料浆和氧气经工艺烧嘴喷入气化炉内，进行气化反应，生成粗煤气。气化原料中的少量未转化组份和由部分灰形成的液态熔渣与生成的粗煤气一起并流进入气化炉下部的激冷室。进入气化炉激冷室的激冷水来自于洗涤塔旁的激冷水泵，激冷水进入位于激冷室下降管顶端的激冷环，并沿下降管内壁向下流入激冷室。激冷水与出气化炉渣口的高温气流接触，部分激冷水汽化对粗煤气和夹带的固体及熔渣进行淬冷、降温。激冷水中较大固体颗粒经黑水过滤器除去。气化炉激冷室中的黑水通过液位调节系统连续排出，并送往气化高温热水器，回收灰水返回气化系统使用。气化反应生成粗煤气及少量的其它物质（包括氯化物、硫化物、氮气、氩气及甲烷等）、液态熔渣及细灰颗粒。这些物质出气化炉燃烧室，沿下降管进入激冷室水浴。熔渣在水中淬冷固化，并沉入气化炉底部水浴。粗煤气与水直接接触进行冷却，大部分细灰留在水中。粗煤气沿下降管与导气管之间的环隙上升，经激冷室上部折流板折流分离出部分粗煤气中夹带的水分，从气化炉旁侧的出气口引出，送往文丘里管和洗涤塔。粗煤气与来自激冷水泵的水经文丘里管混合。细灰在此被水完全浸湿，在洗涤塔中从粗煤气中除去。湿粗煤气进入洗涤塔沿下降管进入洗涤塔底部水浴，粗煤气中夹带的大部分细灰在此从粗煤气中除去。粗煤气经下降管和导气管间的环隙上升，进入洗涤塔顶部的塔板，来自高压冷凝液罐的工艺热冷凝液将粗煤气中残留的细灰洗涤下来。粗煤气夹带的水滴在塔板上方的除沫器中分离下来。基本上不含细灰的粗煤气出洗涤塔送到净化系统。沉积在气化炉激冷室底部的粗渣及其它固体颗粒，通过循环水流的循环作用带入锁斗。大的渣块经破渣机进行破碎。从气化炉排出的大部分灰渣沉降在锁斗底部，定时排入渣池，由扒渣机捞出后装车外运。从锁斗顶部抽出较清的水，经锁斗循环泵循环进入气化炉激冷室水浴。4.3.2.本工段将气化来的黑水进行渣水分离，处理后的水循环使用。从气化炉和碳洗塔排出的高温黑水分别进入高压闪蒸器，经高压闪蒸浓缩后的黑水再经真空闪蒸浓缩后由渣池泵送入澄清槽，水中加入絮凝剂使其加速沉淀。澄清槽底部的细渣浆经泵抽出送往过滤机给料槽，经由过滤机给料泵加压后送至真空过滤机脱水，渣饼由汽车拉出厂外。闪蒸出的高压气体经过灰水加热器回收热量之后，通过气液分离器分离掉酸性气体，冷凝液作为洗涤用水。闪蒸出的低压气体直接送至洗涤塔给料槽，澄清槽上部清水溢流至灰水槽，由灰水泵分别送至洗涤塔给料槽、气化锁斗、磨煤水槽，少量灰水作为废水排往废水处理。4.3.2.4变换来自气化工段被蒸汽充分饱和的原料气（3.74MPaG，216℃），经气液分离器分离液体后，与净化后的还原气换热（还原气升温至～190℃并减压至～0.6MPaG送直接还原铁系统加热炉）和副产蒸汽降温，调整煤气中的水碳比，以达到适宜的变换率。然后煤气与变换气换热升温后，依次进入预变换炉和变换炉，预变换炉的作用是除去煤气中灰尘和会使催化剂中毒的有毒物质，煤气CO+H2OCO2+H2+Q由于一氧化碳变换反应是放热过程，出变换炉的气体温度升高，首先与进预变换炉的煤气进行换热。然后依次进入废热锅炉、锅炉给水加热器、脱盐水预热器、净化还原气预热器进行热量回收。最后经水冷器进一步降温后送NHD脱硫。4.3.2.5脱硫脱碳脱硫：来自变换工段的变换气经NHD脱碳工段的气—气换热器换热冷却后进入脱硫塔底部，与塔内自上而下的NHD溶液逆流接触吸收绝大部分H2S气体及部分CO2、COS、H2等气体，出脱硫塔的脱硫后的常温变换气去经脱硫气分离器分离掉夹带的NHD溶液后，去NHD脱碳工段脱除剩余CO2。脱硫塔底排出的富液，进入脱硫水力透平回收能量减压后，进入高压闪蒸槽闪蒸，该闪蒸气与脱碳工段的高压闪蒸气合并一起进入脱碳闪压机，升压后同变换气一起进脱硫系统以回收高压闪蒸气中的H2。高压闪蒸槽液相进入浓缩塔和低压闪蒸气一起与自上而下的NHD贫液逆流接触，闪蒸气中的大部分H2S气体及部分CO2气体被NHD贫液吸收，CO2气体经浓缩塔分离器分离出夹带的NHD溶液后高空排放。从浓缩塔底出来的富含H2S、CO2的溶液与NHD贫液在贫富液换热器I换热升温，进入脱硫中间闪蒸槽进一步降压闪蒸，闪蒸出一定量含有大量CO2和少量H2的闪蒸气，闪蒸气经冷却去闪蒸气分离器，闪蒸液又与NHD贫液在贫富液换热器II中换热后，进入脱硫低压闪蒸槽，富液中大量的CO2闪蒸出来，经闪蒸气水冷器冷却到40℃出再生塔填料段的再生气经塔上部的旋流板，用塔顶回流的冷凝液洗涤冷却后进入再生气水冷器，之后在再生气氨冷器中进一步冷却，经再生气分离器分离掉再生气中夹带水分后，富含H2S的再生气用再生气鼓风机送到硫回收系统。吸收了的NHD富液分三级闪蒸，高压闪蒸气中含有H2S、CO2、H2等，为回收H2，高压闪蒸气经脱碳闪压机压缩后返回变换气。后两级闪蒸气中含有H2S、CO2等，经脱硫闪压机压缩后去浓缩塔，被NHD溶液吸收H2S后放空。脱碳：来自脱硫工段的脱硫气和来自炉顶气压缩机压缩的炉顶气混合后进入脱碳塔，气体自下而上与从塔顶来的NHD溶剂逆流接触，塔内有5层碳钢扁环散堆填料，气体中的CO2被溶剂吸收，部分H2S、COS被吸收。从塔顶出来的净化气经净化气分离器除去少量雾沫夹带的NHD后，净化气送变换工段经过多级换热后送加热炉加热。进脱碳塔塔顶的NHD贫液在塔内吸收的CO2工程中，由于CO2的溶解热使溶液温度升高，进入水力透平回收静压能后，分两路分别进入脱碳高压闪蒸槽，脱碳高压闪蒸槽设备为板式塔，部分溶解的CO2和大部分H2在此解吸塔内解吸出来。此气体即为高压闪蒸气，和脱硫工段来的脱硫闪蒸气混合后进入脱碳闪压机，闪蒸气升压、冷却后与变换气混合后，经气-气换热器降温后再去脱硫工段循环吸收。从高压闪蒸槽底部出来的溶液先和脱硫贫液换热，然后减压进入低压闪蒸槽，在此塔内大部分溶解的CO2气体解吸出来，此气体CO2纯度≥99.5%，即为CO2气可作为副产品出售。低压闪蒸槽底部出来的富液自流进入汽提塔，塔内有5层碳钢扁环散堆填料，溶液与汽提氮气在填料塔内逆流接触，此时溶液中溶解的CO2被汽提出来，排入大气。从汽提塔底出来的贫液经脱碳贫液泵提压进入脱碳塔上部。系统中各排液、导淋回收的NHD溶液，经排液总管进入溶剂系统贮槽内。4.3.2.6硫回收酸性气体经气液分离后，被络合铁脱硫液自吸进入吸收塔上部，在喷射器内气液两相混合，并不断的更新接触面积，气液两相进入下部分离段，气相分离液滴后，进入填料吸收塔，经喷淋段、填料段吸收硫化氢后，尾气集中排放。络合铁脱硫液富液自喷射吸收塔、填料吸收塔底部汇集进入富液槽，经富液泵打入再生塔顶部的喷射器，与自吸进入喷射器的空气充分混合，经反应后进入再生塔，在再生塔内进一步氧化再生，再生后的贫液从再生塔上部溢流进入贫液槽，由贫液泵升压送入喷射吸收塔、填料吸收塔循环吸收。再生塔内析出的元素硫悬浮于再生塔顶部的环形槽内，并溢流进入泡沫槽，再由硫泡沫泵送入硫泡沫槽，经过滤，进熔硫釜回收硫磺。4.3.3直接还原铁系统本部分包括还原气升温、竖炉、炉顶气降温除尘、上料系统和炉顶气压缩。来自还原气制备系统变换工段～0.6MPa(G)、40℃的还原气送还原气加热炉升温至800～900℃、压力0.12～0.15MPa(G)，由还原竖炉中部进入竖炉还原反应区，原料球团（或块矿）通过大倾角皮带送入炉顶料斗，由竖炉顶部进料，经竖炉还原区与还原气逆向接触，还原铁产品在竖炉底部经热压块机成型、降温后送出界区。炉顶排出的还原气含有较高CO2和水，约400-450℃、0.03MPa(G)，经降温除尘后，排出一部分尾气作为还原气加热炉燃料，以维持系统惰气的平衡。其余大部分进入炉顶气压缩机升压，然后进入还原气制备装置脱碳前与煤气混合进入脱碳工段。脱碳压力～3.4MPa,脱碳后还原气含COMidrex竖炉直接还原工艺，球团流进竖炉的速度由竖炉底部的排料速度进行控制。球团入炉后靠重力下行流至竖炉底部即为成品排出。球团在炉内总停留时间约5-6小时。球团在预热还原带与上行的炉气相接触被预热和还原。4.3.4铁浴炉系统本系统包括风机房、热风炉系统、加料系统、出铁场、除尘系统。风机房把冷风送入热风炉，冷风被加热到1200℃热风炉三座，两座烧炉，一座送风，所烧介质煤气来源为铁浴炉清洗干净后煤气。部分氧气通过热风炉富氧鼓风，大部份氧气通过喷枪射入炉内，以平衡顶吹和侧吹的温度。富氧为了增加铁浴炉内燃烧温度，其次能减少煤气中氮气的含量。炉身侧吹枪是一种特殊双腔结构枪，内层走煤粉、氧化钙粉、氧化镁粉，靠氮气输送。外层走氧气，在枪的前端形成旋流，快速燃烧煤粉，同时氧气还可以冷却喷枪的外表温度。加料系统是把竖炉产出的热的直接还原铁装入铁浴炉，加料管内通氮气，阻止铁浴炉内的煤气外溢，小块焦也通过该管加入到铁浴炉内。煤粉、焦粉、氧化钙粉、氧化镁粉通过氮气高速喷射入铁浴炉内，搅动铁浴炉内液面，直接还原铁为海绵状，刚入炉时少部份被高温气体融化，大部份浮在渣液表面，被搅动后融化而渣铁分层。煤粉、焦粉作为还原剂和发热剂，通过增减煤粉来调节煤气量的大小，通过增减焦粉来调节炉膛温度的高低，同时，通过焦粉、煤粉的平衡调节可控制煤气量。在出铁场，铁水进入铁水罐，作为炼钢的原料。渣通过炉前水淬，送入指定的渣场。除尘系统包括铁浴炉顶气热旋风除尘、炉顶煤气喷淋塔、出铁场除尘。4.3.5消耗定额融熔还原铁消耗定额见下表4-3。表4-3融熔还原铁消耗定额表序号名称规格单位吨铁消耗备注一原辅材料消耗1氧化球团t1.612神府烟煤t0.453氧气Nm31684催化剂及化学品NHDKg0.17络合铁Kg0.37Na2CO3Kg0.5730％NaOHKg0.076煤浆添加剂Kg2.96耐硫变换催化剂Kg0.02Ts系列絮凝剂Kg0.007分散剂Kg0.155焦碳三级冶金焦Kg1506氧化钙粉剂Kg57氧化镁粉剂Kg4二副产品硫磺Kg2煤气Nm3837水渣Kg210三公用工程及动力消耗1新鲜水0.3MPa(G)、30t5.032蒸汽3.82MPa(G),400t0.863电kWh1204仪表空气0.6MPa(G)、30Nm311.515N20.4～0.7MPa(G)、30℃Nm3336脱盐水0.4MPa(G),40t0.224.4自动控制4.4250万吨/年直接还原铁项目，主要的生产过程由备煤系统、气化系统、直接还原铁系统、铁浴炉系统、公用工程等几部分组成。气化系统包括煤浆制备、气化、灰水处理、变换、脱硫、脱碳、硫回收等。直接还原铁系统包括还原气升温、竖炉、炉顶气降温除尘，炉顶气压缩等。铁浴炉系统包括铁浴炉本体、矿槽、热风炉、出铁场、煤粉喷吹、鼓风系统。公用工程包括循环水系统、煤气洗涤水系统、通风除尘系统等。本项目工艺生产过程复杂，环节多，设备台件数多,控制及工艺复杂，对操作安全要求严格，装置介质具有易燃易爆等特点,这些都要求自动控制系统具有高精度、高可靠性和高可用性。4.4北京XX公司作为本项目的总体设计院。自控专业负责备煤系统、气化系统、直接还原铁系统中的还原气升温及炉顶气压缩部分及中央控制室的设计。XX冶金设计院负责直接还原铁系统中的竖炉、铁浴炉、炉顶气除尘降温及污水处理部分的设计。所有控制系统包括DCS、SIS、FGDS均按工艺界区的划分由北京XX公司和XX冶金设计院完成相关的设计。4.4遵循“技术先进、经济合理、运行可靠、操作方便”的原则,根据工艺装置的生产规模、流程特点、产品质量、工艺操作要求，分别设置了集散控制系统（DCS），安全仪表系统SIS,可燃/有毒气体检测报警系统（FGDS），及成套设备可编程逻辑控制器（PLC）等。集散控制系统（DCS）对工艺装置实施过程控制、数据处理、监视及维护管理。安全仪表系统（SIS）为故障安全型并取得安全认证，用于本装置安全联锁保护。SIS系统至DCS系统之间采用通讯传输。随设备或装置成套提供的控制系统（PLC）和仪表，应具有与控制室DCS通讯的能力。成套提供的控制系统原则上就近设置在现场机柜间。可燃/有毒气体检测报警系统为独立的系统，用于装置内的可燃/有毒气体的检测和报警，该系统具有与DCS通讯的能力。以上各套系统的设置保证全装置在安全可靠前提下自动控制和有效管理，保证产品质量。4.4根据工厂生产流程及厂区布置，设置一个中央控制室，所有装置的工艺参数都在该中央控制室集中操作、集中管理；设置气化现场机柜间，负责煤浆制备、气化部分、灰水处理等的信号检测与控制；设置硫回收现场机柜间，负责硫回收的信号检测与控制；设置竖炉现场机柜间，负责炉顶气降温除尘、竖炉、加热炉等的信号检测与控制；设置竖炉污水处理现场机柜间，负责竖炉污水处理的信号检测与控制。气化、硫回收、竖炉和竖炉污水处理等现场机柜间的信息通过冗余的通讯方式将信号送到中心控制室。设置公用工程控制室，负责循环水场、还原气污水处理场等的信号检测与控制。公用工程控制室设置在还原气污水处理场；循环水场设置现场机柜间，其信息通过冗余的通讯方式将信号送到公用工程控制室。备煤系统、炉顶气压缩等随机成套供应的控制盘安装在现场操作间，脱硫、脱碳、NHD储罐的信号控制、操作也设置在现场操作间。这些信息与中央控制室通讯。4.44.4.4本项目的DCS系统应具有开放性网络结构，具有数据采集、集中操作、监控、计算、简单控制、复杂控制、趋势记录、流程画面显示、报警、控制回路参数整定、系统诊断和报表打印等功能。且系统本身内部各个重要元件具有冗余功能，不会因为软件或硬件的故障而使功能丧失。系统硬件的架构为操作站、工程师站、控制站、I/O模件、数据存储设备、数据高速通道、打印机等组成。操作站，按工艺装置分组监控管理，各组之间操作站可以互相备用，在某个操作站发生故障时，可以由另外任一个操作站操作。控制站相互独立，避免由于各装置开停工、检修时间的不同引起误动作。工程师站用于DCS日常系统维护及组态、调试、修改。工程师站配置接口与工厂信息管理网进行数据通信。DCS系统配置打印机负责各类报表和日志的输出。通讯系统、电源系统和控制器均为1：1冗余配置；控制回路的I/O卡件均采用1：1冗余配置。DCS的通信系统除满足系统内部的通信要求外，具备与SIS通信以及工厂信息管理网的通信。4.4.4.安全仪表系统（SIS）是一套独立于集散控制系统（DCS）的系统，用以保证工厂的安全和可靠性。安全仪表系统用来在设备故障、电源故障、气体泄露的情况下通过紧急停车开关，关停一些设备将工厂调整到一个事故安全状态。SIS与DCS的通讯为冗余设计。安全仪表系统基于故障－安全的原则执行紧急停车，安全联锁等功能。SIS应按照IEC61508和IEC61511的标准设计。该系统设4台操作站和1台工程师站，安装在中央控制室内。配高分辨率直角平面彩色CRT或LCD，带球标和操作员键盘。备煤、气化系统及还原气升温及炉顶气压缩部分SISI/O点数见表4-4表4-4SISI/O点数序号信号类型用途冗余方式数量备注1DI检测冗余502DO控制冗余1153AI检测冗余204A0检测冗余204.4.4.可燃/有毒气体报警系统独立于DCS系统和SIS系统。装置界区内存在大量煤气、氢气、一氧化碳等可燃、有毒气体。设置一套可燃/有毒气体报警系统，置于中央控制室内，对装置界区内可燃、有毒气体浓度进行检测并报警指示。该系统设2台操作站，安装在中央控制室内。配高分辨率直角平面彩色CRT或LCD，带球标和操作员键盘。4.4本装置生产过程对自动化控制要求高，主要工艺过程为连续生产，竖炉等部分工序为批量生产，在自动化控制方面可分为两部分，即顺序控制和连续控制。所有过程控制均由DCS功能实现。为保证装置安全，本装置设有多处安全联锁保护控制。(1)复杂控制本方案采用的控制方案以P.I.D单参数控制为主，辅之以少量的串级控制，流量比值控制和逻辑控制。(2)紧急停车和安全联锁具体的紧急停车和安全联锁方案于详细工程设计阶段确定。(3)信号报警本设计装置工艺参数越限报警由DCS实现。所有的过程报警、系统报警可在DCS操作站上实现声光报警，并通过打印机输出。有关联锁的重要信号可同时在辅助操作台上实现声光报警。(4)通讯网络本设计范围内的生产装置采用的DCS具有与上位机通讯的能力。4.4.4.4.7.1中央控制室规模中央控制室设在安全区域内，建筑面积约为240m2设7台操作站，按工艺装置分组监控管理，操作站之间可以互相备用。控制站相互独立，本项目的变换、脱硫、脱碳装置的控制站设置在中央控制室内，其余各装置的控制站设置在各装置的现场机柜间内。设2台专用工程师站，1台用于DCS日常系统维护及组态、调试、修改；另1台用于开车前仪表调试及外来人员了解过程生产信息等。DCS系统配置4台打印机负责各类报表和日志的输出。备煤、气化系统及还原气升温及炉顶气压缩部分DCS操作站分组见表4-5表4-5DCS操作站分组表序号装置名称操作站数量操作站组编号备注1煤浆制备、气化、灰水处理31#2硫回收12#3变换、脱硫、脱碳23#4*加热炉14#*部分的机柜间与竖炉单元共用。备煤、气化系统及还原气升温及炉顶气压缩部分DCSI/O点数见表4-6表4-6DCSI/O点数序号信号类型用途冗余方式数量备注1AI（4～20mA）检测非冗余2202AI（4～20mA）控制冗余2803RTD/TC检测非冗余3504AO（4～20mA）控制冗余2805DI检测非冗余6006DO控制非冗余4004.4.6.2公用工程控制室规模公用工程控制室建筑面积约为120m2设4台操作站，分组监控管理，操作站之间互相备用。控制站相互独立，还原气污水处理场的控制站设置在公用工程控制室内，循环水场的控制站设置在现场机柜间。设1台专用工程师站，用于DCS日常系统维护及组态、调试、修改。DCS系统配置2台打印机负责各类报表和日志的输出。公用工程控制室DCS操作站分组见表4-7表4-7DCS操作站分组表序号装置名称操作站数量操作站组编号备注1循环水场21#2污水处理场22#公用工程DCSI/O点数见表4-8表4-8DCSI/O点数序号信号类型用途冗余方式数量备注1AI（4～20mA）检测非冗余2432AI（4～20mA）控制冗余133RTD/TC检测非冗余904AO（4～20mA）控制冗余135DI检测非冗余2206DO控制非冗余1244.4.6.3建筑结构要求控制室建筑是集操作和管理于一体的建筑，是全厂重要的自控和系统管理中心，以自控系统为主体结合网络信息通讯、现代管理，通过控制级网络和管理级网络的联网，工厂管理和生产调度系统的生产指令可直接到控制室。因此从控制管理来说，控制室是全厂实时信息、历史信息、相关信息高度密集的中心。(1)机柜室与操作室顶部采用轻质材料吊顶，室内净高不低于3.3m；机柜室高于地面400mm敷设活动抗静电地板，以便DCS系统的安全操作和电缆敷设；操作室采用耐磨防滑地砖。室内以人工照明为主，机柜室与操作室用铝合金玻璃隔断隔开，以保证室内安静且防尘。(2)本着以人为本的原则，采取有效措施，减少噪音干扰，房间采用简洁明快的色调，营造安静、优美的工作环境，适宜操作人员在封闭环境下工作。4.4.6.4供电、照明在照明设计中要求照度分布合理，光色宜人，没有眩光干扰，在操作室等人员集中的场合设置接近自然的光照。使人视觉舒适，不宜疲劳。控制室设事故照明设施。4.4.6.5空调系统操作室内空气基本恒温、恒湿；对空气进行过滤、除尘及净化，保持较高的新风置换率。设置空气质量监控系统，对室内空气质量进行监控。营造安全、健康的工作环境。4.4仪表选用技术先进、性能可靠、价格适中的产品，同等条件一般选用国产设备，国产设备不能满足要求时选用进口设备。现场一次仪表以电动仪表为主，除脉冲信号、开关信号，RTD/TC等信号外，均采用4～20mADC+HART智能标准传输信号。用于爆炸气氛场所的仪表必须符合相应的防爆标准，并取得国家有关防爆检验机构的相应防爆等级的防爆许可证。主要仪表选型原则如下：(1)温度仪表现场温度仪表刻度应采用直读式，正常使用温度应为量程的50％70％，最高测量值不应超过量程的90％。就地温度指示仪表选用带外保护套管的万向型双金属温度计。温度范围为-80℃500℃，刻度盘直径一般选用集中检测温度仪表，-200℃～600℃和无振动场合采用Pt250铂热电阻，精度0.5级，热电阻特性应符合IEC60751-1983。0℃～2500℃时可选用K型热电偶，600℃～1600所有温度元件均有保护套管。(2)压力仪表测量稳定压力时，正常操作压力应为量程的1/3～2/3；测量脉冲压力时，正常操作压力应为量程的1/31/2；测量压力高于4.0MPa时，正常操作压力应为量程的1/33/5。一般正压或负压场合选用弹簧管压力表或真空压力表；微压测量宜采用膜盒压力表;压力表选用不锈钢机芯；对于粘稠、易结晶、含有固体颗粒或腐蚀性的介质，应选用隔膜压力表或膜片压力表。泵出口端均选用耐震压力表。氨气和液氨均选用氨专用压力表。除有特殊说明外，压力表受压检测部件均选用不锈钢材质，精度1.5级，表盘直径选用250毫米。远传压力测量采用压力变送器、微压、负压测量，可选用差压变送器。(3)流量仪表刻度范围：最大流量的刻度读数不应超过90％。正常流量的刻度读数应为50％70％。最小流量的刻度读数不应小于10％。a差压式流量计一般流体的流量测量，宜选用标准节流装置。标准节流装置的选用应符合GB2624或ISO5167的规定；特殊情况下的流体流量测量，可选用非标准节流装置。非标准节流装置的选用规定如下：测量低雷诺数流体的流量选用1/4圆孔板；液体中含有气体或气体中含有凝液的介质，或液体中含有固体颗粒的介质时，可选用偏心孔板；一般情况下取压方式采用法兰取压方式，压力等级为PN5.0MPa或更高，法兰标准为HG20615,密封面型式为RF接面，法兰取压口直径Φ23。此外，根据使用条件和测量要求可采用其它取压方式。差压范围的选择应根据计算确定，并按下列模数选择范围：6、10、16、25、40、60、250。b金属转子流量计在小流量、微小流量的场合，不粘附且透明的流体流量测量，当量程比不大于10∶1，需要就地或远处指示时，采用金属转子流量计。c其它流量计大管道水流量测量选用电磁流量计或超声波流量计。根据不同的工况，也可采用其它类型仪表如涡街流量计进行流量测量。(4)物位仪表a就地测量选用无盲区玻璃板液位计；测量范围较大的情况选用磁翻板液位计；在高压场合选用高压磁翻板液位计。b界位远传测量，选用智能电动外浮筒液（界）位变送器；液位远传测量，一般选用差压变送器或双法兰差压变送器；双法兰差压变送器根据工艺操作条件，首选平面法兰连接形式。c储罐液位测量一般选用雷达或伺服液位计。水罐液位测量一般选用单法兰液位变送器。(5)控制阀根据具体的工艺条件选用适用材质和形式的调节阀。在要求泄漏量小、阀前后压差较小的场合选用单座调节阀；在泄漏量要求不严、阀前后压差大的场合选用双座调节阀；在阀前后压差较大、介质不含固体颗粒的场合选用套筒调节阀；就地调节，不需要远传且调节精度不高的场合选用自力式调节阀。低差压，大口径切断阀选用气缸蝶阀。a上阀盖型式操作温度为－20～200℃时选用普通型操作温度高于200℃b组件材料的选择阀内件在一般情况下选择不锈钢，特殊情况下可根据需要选择不同的材料或进行特殊处理。操作温度低于230℃时选用聚四氟乙烯填料；超过230c执行机构的选择一般情况下选用气动薄膜执行机构，配电/气阀门定位器。调节阀的执行机构应选用标准弹簧，特殊情况下，可选用非标弹簧。d辅助部件的选择在未设置切断阀和旁路阀的场合选用手轮机构。在普通调节阀进行二位式控制的场合，可采用二位三通电磁阀，对双作用的气缸调节阀可采用二位四通电磁阀。该项目工艺介质多为固体颗粒，因此部分阀门采用进口耐磨的控制阀。(6)分析仪表该项目的分析仪表采用H2S分析仪、CH4分析仪、H2分析仪，CO分析仪，CO2分析仪等在线分析仪表。(7)环境安全仪表为确保装置安全生产和人身安全，在装置区易发生可燃气体泄露和积聚的场所，设置可燃气体探头；易发生有毒气体泄露和积聚的场所，设置有毒气体探头。探头的防护等级不低于IP65，仪表采用4～20mA输出的一体化变送器，信号接至可燃/有毒气体报警系统（FGDS）。(8)现场仪表清单见表4-9表4-9现场仪表清单序号设备名称单位数量备注1智能压力变送器台4022智能差压变送器台5403智能双法兰差压变送器台3204智能单法兰差压变送器台1445压力表个6006双金属温度计支1447热电偶温度计（B型）支1758热电阻温度计（Pt250)台4909文丘里台1810节流装置台10611电磁流量计台8112转子流量计台11213CO分析仪台614H2S分析仪台415H2分析仪台416气动调节阀台35117气动开关阀台30218可燃/有毒气体检测台23019分析小屋个320CH4分析仪台221CO2分析仪台322P04分析仪台123磁翻板液位计台29024玻璃板液位计台8025涡街流量计台1226音叉液位开关台25027插入式流量计台1228PH分析仪台829氧化还原电位（ORP）分析仪台430溶解氧（DO）分析仪台631化学需氧（COD）分析仪台432氨-氮（NH3-N2）分析仪台433电导率分析仪台84.44.4.9.1仪表的防爆爆炸危险区域安装的电子仪表应满足危险气体特性及防爆区域划分的要求。本装置现场仪表主要采用本安型和隔爆型仪表，本安防爆等级不低于ExiaⅡCT4；隔爆型仪表不低于ExdⅡBT4。公用工程及辅助设施等单元，应根据防爆区域划分选用合适的防爆与防护仪表。用于爆炸危险场所的仪表必须符合相应的防爆标准，并取得国家有关防爆检验机构的相应防爆等级的防爆许可证。4.4.9.2安全栅安全栅必须与变送器构成符合标准的本质安全系统。安全栅必须与变送器、DCS匹配，满足信号传输和现场仪表供电。4.4.9.3仪表的防护变送器采用仪表保护箱。现场仪表的防护等级不低于IP65。4.4.10仪表消耗指标4.4.10.1仪表用电源DCS、SIS系统和现场仪表以及随设备带来的控制系统及仪表均采用不间断电源（UPS）供电。UPS电源由电气专业设计并送至机柜间。蓄电池备用时间≥30分钟。UPS采用双UPS运行方式。UPS的功率为60KVA。4.4.10.2仪表用风为净化风仪表用风为净化风，仪表气源进装置压力不低于0.6MPa(G)，质量满足：压力为0.6MPa(G)，露点低于-40℃含尘：粒径＜3μｍ，含尘量＜1mg/m3，含油：＜8ppm(W)，用风量约为1600Nm3/h。4.4.11仪表安装及材料仪表电缆（1）仪表信号电缆至少应采用阻燃型对绞总屏蔽软电缆，多芯电缆芯线的面积应为1.5mm2；仪表供电及引至现场电磁阀的电缆的芯线截面积应满足对线路压降的限制。仪表接地电缆的芯线截面积应满足对接地电阻的要求。（2）多芯仪表电缆宜为19×2×1.5mm2、12×2×1.5mm2。（3）从控制室至接线箱之间的电缆采用电缆桥架沿管廊架空敷设；从接线箱至现场仪表信号之间的电缆采用穿电线管保护。4.4.12仪表设计、施工及验收标准和规范4.5装置设备4.5.1静设备本项目共有八个工段，需要非定型设备127台，其中包括炉子3台，容器76台，管壳式换热器37台，反应釜1台，塔式容器10台。4.5.1.1设备选材原则考虑还原铁项目介质大多为煤气，含有硫化氢成份，针对设备的不同操作工况，对设备材料按如下原则进行：（1）对于介质主要含硫化氢成份的煤气，主材选用碳素钢，板材：20R；锻件：20。（2）对于锅炉气成份介质的设备主材选用低合金钢，板材：16MnR；锻件：16Mn。（3）对于空气、水等一般介质成份的设备，主材选用Q235-B。还原铁项目的设备材料应在合格厂商中选择，材料应符合国家、行业及有关工程设计标准的规定，并具备质量证明书，且按规定复验。且还需考虑如下因素：（1）材料的选取必须考虑设备的操作条件（如设计温度、设计压力、介质特性及工艺要求等）、材料的焊接性能、冷热加工性能、热处理及容器的结构等，在满足上述要求后，还应考虑材料的供应以及经济合理性。一般情况下，容器的主体材料应按由低到高的选取顺序，依次是Q235-B、20R、16MnR等。大型储罐的主体材料采用Q235-B。（2）常压设备或压力容器上非受压元件一般选用Q235-A,垫板材料与设备壳体材料相同。（3）法兰材料均选用锻件。（4）接管材料为20钢和16Mn。（5）梯子平台等附件选用Q235-A.F。4.5.1.2主要设备说明(1)气化炉气化炉是煤气化装置的核心设备，其主体为压力壳体，还包括耐火衬里、破渣机、表面温度计及渣阀等附属部分。压力壳体分上下两部分，上部为燃烧室，下部为激冷室。压力壳体：是一个由中间锥体分为两部分的压力容器，操作压力为4.0MPa，操作温度燃烧室为1300～1450℃，激冷室为230～260℃。壳体主材料选用Cr-Mo耐热高强钢。激冷室介质有较强腐蚀性，壳体内表面要求堆焊耐腐蚀衬层。耐火衬里：其主要作用是隔热和抵御高温熔渣的冲蚀，技术关键是解决炉衬向火面所需要的高铬耐火材料。经过多年研制攻关，国产耐火材料已经达到国际同类产品先进水平，并已有多项工程成功使用的业绩。激冷环：安装在气化炉燃烧室和激冷室相连接的喉部。该部件操作条件极为苛刻，是气化炉中关键的易损部件，材料特殊，制造要求高难度大。目前国内已掌握了激冷环设计制造维修的成熟经验。破渣机：是一台置于气化炉下部出口的炉渣破碎机械，其作用是防止大块炉渣堵塞系统。该设备结构复杂设计制造难度大。国内航天部11所有加工制造业绩，本工程采用国内设备。4.5.1.3标准、规范GB150-1998《钢制压力容器》GB151-1999《管壳式换热器》JB/T4731-2005《钢制卧式容器》JB/T4710-2005《钢制塔式容器》GB6654-1996《压力容器用钢板》《压力容器安全技术监察规程》99版；HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》HG20581-1998《钢制化工容器材料选用规