焦炉煤气竖炉法生产直接还原铁的煤气用量探讨

第９卷第２期　２０１０年６月　材料与　冶金学报　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．２　Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　Ｊｕｎｅ　２０１０　焦炉煤气竖炉法生产直接还原铁的煤气用量探讨　赵宗波，应自伟，许力贤，姜茂发　（东北大学材料与冶金学院，沈阳１１ｏｏｏ４）　摘要：用焦炉煤气生产直接还原铁既可解决气源问题，又可高效利用焦炉煤气．目前我国还没有成熟的焦　炉煤气竖炉法生产直接还原铁工艺，本文通过热力学分析，从还原剂和载热体两方面来探讨焦炉煤气竖炉法　生产直接还原铁的煤气用量方案．　关键词：焦炉煤气；竖炉；直接还原铁　中图分类号：ＴＦ　５５７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１－６６２０（２０１０）０２－００８８－０４　Ａ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｋｅ－ｏｖｅｎ　ｇａｓ　ｆｏｒ　ＤＲＩ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｓｈａｆｔ　ｆｕｒｎａｃｅ　ＺＨＡＯ　Ｚｏｎｇ－ｂｏ，ＹＩＮＧ　Ｚｉ－ｗｅｉ，Ｘｕ　Ｌｉ－ｘｉａｎ，ＪＩＡＮＧ　Ｍａｏ－ｆａ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１０００４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　ＤＲ１　ｗｉｔｈ　ｃｏｋｅ－ｏｖｅｎ　ｇａｓ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ａｓｇ　ｓｕｐｐ￣ｐｒｏｂｌｅｍ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｔｏ　ｅｉｃｉｆｅｎｔｌｙ　ａｄｏｐｔ　ｃｏｋｅ－ｏｖｅｎ　ｇａｓ．Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｓｔｉｌｌ　ｌａｃｋ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｐａｐｅｒ　ａｎ　ａｄｄｒｅｓｓ　ｗａｓ　ｇｉｖｅｎ　ｏｎ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐｅ￣ｐｅｃｔｉｖｅ　ｏｆ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ａｇｅｎｔ　ａｎｄ　ｈｅａｔｉｎｇ　ａｇｅｎｔ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｋｅ－ｏｖｅｎ　ｇａｓ；ｓｈ施ｆｕｍａｃｅ；ＤＲＩ　直接还原铁（以下简称ＤＲＩ）化学成分稳定，　不含ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ等废钢中易于富集的杂质元　素，是冶炼特钢不可缺少的有害元素稀释剂，也是　电炉短流程生产优质钢材的重要原料．随着经济　后即可得到廉价的还原性气体（　（Ｈ：＋ＣＯ）＞　９０％），可作为气基竖炉的还原性气体的气源．作　为当前非高炉炼铁的前沿技术之一，用焦炉煤气　替代天然气生产ＤＲＩ，既可解决气源问题，又可高　和技术的发展，对钢铁产品的质量和品种要求日　益提高，尤其是电炉钢比例的增加和冶金短流程　效利用焦炉煤气，已经成为当前科研工作者们的　研究焦点．　钢铁联合企业中的焦化厂使用高炉煤气加热　焦炉，几乎全部焦炉煤气都被置换出来，主要作为　工艺的发展，形成了对ＤＲＩ的强劲需求．根据华　经纵横钢铁研究小组预测，“十一五”期间，我国　ＤＲ１年需求量将达到５００万ｔ．而２００７年我国　ＤＲＩ进口量为３２０万ｔ，产量仅为５５万ｔ／ａ．　燃料用于烧结、焦化、高炉、炼钢、热轧等工序的加　热，因需求量大曾使焦炉煤气供应紧张。但近几年　在ＤＲＩ生产工艺中，煤基法由于种种原因发　展缓慢，气基一竖炉法占据绝对优势．气基ＤＲＩ　生产技术的关键是还原性气体（Ｍｉｄｒｅｘ工艺　（Ｈ　＋ＣＯ）＞９５％，ＨＹＬ工艺　（Ｈ２＋ＣＯ）＞９０％）的　来，由于钢铁联合企业普遍采取节能降耗措施，充　分回收利用高炉煤气和转炉煤气，不仅顶替了大　量的焦炉煤气，还使焦炉煤气由短缺转变为过　剩　－２　Ｊ．大量过剩的焦炉煤气资源为开展气基　ＤＲＩ生产提供了可能．　目前，用焦炉煤气竖炉法生产ＤＲＩ的工艺尚　未工业化，本文拟通过热力学分析，探讨焦炉煤气　制备．目前ＤＲＩ生产主要以天然气作为还原介　质，受地域的限制和不断上涨的天然气价格的影　响，其生产成本不断升高．焦炉煤气中Ｈ：和ＣＨ　的体积分数分别超过５０％和２０％，经加氧热裂解　收稿日期：２０１０－－０４－０６．　竖炉法生产ＤＲＩ的煤气用量方案，并对此工艺的　作者简介：赵宗波（１９６４一），男，内蒙古赤峰人，东北大学博士研究生，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｂｚｈａｏ＠ｙａｈｏｏ．ｃｎ；姜茂发（１９５５～），男，山　东栖霞人，东北大学教授，博士生导师．　第２期　赵宗波等：焦炉煤气竖炉法生产直接还原铁的煤气用量探讨　８９　可行性进行分析讨论．　为３．１１和２．９０，由此可计算出炉顶煤气中　ＣＯ　Ｄ　＝　１铁矿石在竖炉内还原时的焦炉煤　气需要量　本文计算的前提条件为：以巴西球团矿作为　竖炉含铁原料生产ＤＲＩ，其化学成分如表１所示；　还原气采用焦炉煤气，其成分如表２所示　，为讨　论方便，假设焦炉煤气中的ｃ　Ｈ　为ｃ　Ｈ　；参照　竖炉法生产ＤＲＩ的实践，假定人炉焦炉煤气温度　为９５０℃，竖炉内化学反应温度为９００℃，炉顶煤　气温度为３５０℃；假定产品ＤＲＩ中碳的质量分数　为２％，金属化率为９５％．　表１球团矿的成分组成（质量分数）　Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆ　ｏｘｉｄｉｚｅｄ　ｐｅｌｌｅｔｓ　（ｍａｓｓ　ｆｒａｃｔｉｏｎ）　％　表２焦炉煤气成分（体积分数）　Ｔａｂｌｅ　２　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆ　ｃｏｋｅ　ｏｖｅｎ　ｇａｓ　（ｖｏｌｕｍｅ　ｆｒａｃｔｉｏｎ）　％　铁矿石在竖炉内还原是逐级进行的，还原过　程的反应如下：　３Ｆｅ２Ｏ３＋ＣＯ＝２Ｆｅ３Ｏ４＋ＣＯ２　（１）　Ｆｅ３Ｏ４＋ＣＯ＝３ＦｅＯ＋ＣＯ２　（２）　ＦｅＯ＋ＣＯ＝Ｆｅ＋ＣＯ２　（３）　３Ｆｅ２０３＋Ｈ２＝２Ｆｅ３Ｏ４＋Ｈ２Ｏ　（４）　Ｆｅ３Ｏ４＋Ｈ２：３ＦｅＯ＋Ｈ２Ｏ　（５）　ＦｅＯ＋Ｈ２＝Ｆｅ＋Ｈ２Ｏ　（６）　竖炉是一个逆流反应器，ＦｅＯ来自炉子上部　Ｆｅ　Ｏ　的还原，而还原Ｆｅ，Ｏ　的气相成分则来自　炉子下部还原ＦｅＯ后的气相组成，因此该气相组　成应同时满足Ｆｅ，Ｏ　还原的要求，此时的ＣＯ和　Ｈ’消耗量为理论上最低的需要量．　为了使可逆的还原反应（２）、（３）、（５）、（６）　不断进行下去，必须使气相中ＣＯ和Ｈ：分压超过　其平衡分压才行，即需要过量的ＣＯ和Ｈ：．９００　ｏＣ　时铁矿石还原反应的平衡常数如表３所示．　由表３可见，根据反应（３）和反应（６）的平衡　常数可得到９００　ｏＣ下ＣＯ和Ｈ：的过剩系数分别　０．９３和　＝１．０７，分别比反应（１）、（２）中的　Ｈ２　Ｄ　平衡值（即平衡常数）和反应（４）、（５）中的　ＣＯ　Ｄ　平衡值低，但高于反应（３）和反应（６）中的平　Ｈ２　衡值，说明反应（３）和反应（６）是铁矿石还原反应　的最困难环节，因此，求出此阶段的还原气用量，　即可求出焦炉煤气做还原剂时的理论用量．　表３　９００℃时的平衡常数　Ｔａｂｌｅ　３　Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｉｎ　９ＯＯ　ｏＣ　碳氢化合物参与竖炉内反应时，假定全部裂　解成ＣＯ和Ｈ：，反应式如下：　ＣＨ４＋ＦｅＯ＝ＣＯ＋２Ｈ２＋Ｆｅ　（７）　Ｃ２Ｈ６＋２ＦｅＯ＝２Ｃ０十３Ｈ２＋２Ｆｅ　（８）　其中裂解产物ＣＯ和Ｈ：还可再按反应（１）一　（６）参与铁氧化物的还原．竖炉内各阶段的还原　反应是串联进行的，通过上面的分析可知，还原气　总耗量是由ＦｅＯ还原到Ｆｅ这一阶段决定的．在　气基竖炉内，煤气有两个职能：①煤气中Ｈ　和　ＣＯ夺取铁氧化物中的氧，起还原剂作用；②入炉　煤气带人热量供炉料加热和各种化学反应所需要　的热量，起热载体的作用．铁矿石在竖炉内还原　时，实际需要的煤气量取决于两者中较大的一个　煤气需要量．　根据上述原燃料条件可得到与ＦｅＯ平衡时　的气体成分和炉顶煤气洗涤（脱除Ｈ　Ｏ和ＣＯ　）　前后的气体成分，见表４，其中ＣＯ　的脱除标准根　据参考文献［５］，Ｈ　Ｏ是通过降温到４Ｏ℃脱除　的．此时每ｔ　ＤＲＩ理论焦炉煤气耗气量为５４１　ｍ　，　相应带人竖炉内的物理热为１　１５６　ＧＪ／ｔ　ＤＲＩ，而竖　炉内发生的反应耗热为１　７９３　ＧＪ／ｔ　ＤＲＩ，热收入远　远满足不了竖炉内的供热需求，需外加热源才能　进行ＤＲＩ生产．　由表４可见，在煤气与矿石充分达到平衡时　的理想还原条件下，炉顶煤气利用率达到了　材料与冶金学报　第９卷　５７．７４％．在实际生产中，竖炉内的还原反应很难　为１５９４　ＧＪ／ｔ　ＤＲＩ，而仅竖炉内发生的反应耗热就　达到平衡状态，炉顶煤气利用率将低于理论值，参　为２　２２４　ＧＪ／ｔ　ＤＲＩ，热收入仍然不能满足竖炉内供　照国外实际生产竖炉的炉顶煤气利用率（叼＝　热需求，需外加热源才能进行正常ＤＲＩ生产．炉　３５％一４０％）　，本文探讨实际焦炉煤气需要量　顶煤气洗涤（脱除Ｈ：Ｏ和ＣＯ　）前后的气体成分，　时取炉顶煤气利用率为３８％，此时ｔ　ＤＲＩ的焦炉　见表５．　煤气耗气量为７４６　ｍ　，相应地带人竖炉的物理热　表４理想还原条件下的煤气成分（体积分数）　Ｔａｂｌｅ　４　Ｃｏｍｐｏｓｉｉｔｏｎ　ｏｆ　ｇａｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｉｄｅａｌ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ（ｖｏｌｕｍｅ　ｆｒａｃｔｉｏｎ）　％　渗碳量与理论焦炉煤气耗气量和炉顶煤气量　天然气重整装置，通过在入炉天然气中兑人一定　的关系如图１所示．　量的氧气来实现天然气的自重整．本文也考虑在　人炉的焦炉煤气中兑入一定量的氧气，使ＣＨ　和　Ｃ　Ｈ　完全被氧化成ＣＯ和Ｈ　后再参与铁氧化物　ｊ．、　还原．焦炉煤气中的碳氢化合物在氧化的同时还　富　白　０　能放出大量的热，既可缓解竖炉内的反应耗热，而　一目　且还可以避免ＣＨ　和ｃ　Ｈ　与铁氧化物发生强吸　胡　热的还原反应．　蝼　在煤气利用率３８％，渗碳２％和吹氧条件下，　ｔ　ＤＲＩ焦炉煤气耗气量为１　０９０　ｍ　，相应地带人竖　炉的物理热为２　３２８　ＧＪ／ｔ　ＤＲＩ，铁矿石带人的物理　热为０．２　ＧＪ／ｔ　ＤＲＩ，海绵铁带走热为６３５　ＧＪ／ｔ　图１焦炉煤气和炉顶煤气随渗碳量的变化　ＤＲＩ，竖炉内发生的反应耗热１３　ＧＪ／ｔ　ＤＲＩ，考虑　Ｆｉｇ．１　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ　ｖｏｌｍｕｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｋｅ－　５％的热损失和３５０　ｏＣ炉顶气带走的热量（１　４７９　ｏｖｅｎ　ｇａｓ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｏｐ　ｇａｓ　ａｍｏｕｎｔ　ＧＪ／ｔ　ＤＲＩ），还可剩余热量８３　ＧＪ／ｔ　ＤＲＩ．炉顶煤气　洗涤（脱除Ｈ：Ｏ和ＣＯ　）前后的气体成分，见表６．　由图１可见，随着渗碳量的增加，ｔ　ＤＲＩ理论　表６炉顶煤气成分（体积分数）　焦炉煤气耗气量和炉顶煤气产生量都线性增加，　Ｔａｂｌｅ　６　Ｃｏｍｐｏｓｉｉｔｏｎ　ｏｆ　ｔｏｐ－ｇａｓ　渗碳量每增加１％，焦炉煤气大约增加５％，炉顶　（ｖｏｌｕｍｅ　ｆｒａｃｔｉｏｎ）　％　煤气大约增加３％．　由上面的计算可知，焦炉煤气做还原剂时带　人的热量不能满足竖炉内的热支出，总的焦炉煤　气需要量是由做载热体的还原气需要量来决定．　主要原因是焦炉煤气中的ＣＨ　和Ｃ　Ｈ　直接参与　竖炉内铁矿石的还原反应是强吸热反应，从而直　接导致了还原过程的供热不足．为了避免上述强　吸热反应，参考ＨＹＬ－ＺＲ新工艺，即取消了昂贵的　由表６可见，ｔ　ＤＲ１产生的炉顶煤气为１　６６７　ｍ３，　第２期　赵宗波等：焦炉煤气竖炉法生产直接还原铁的煤气用量探讨　９１　经洗涤脱除其中的ＣＯ　和Ｈ　０后还有１　１８５　ｍ　净煤气可返回竖炉循环利用，如果考虑炉顶煤气　的循环利用，此时只需再兑人３１５　ｍ　焦炉煤气　即可．　２讨论　通过上面的分析可知，焦炉煤气中碳氢化合　物参与竖炉内反应时，还原所需的焦炉煤气量过　少，带入的热量无法满足生产中的供热需求，主要　原因是焦炉煤气中的ＣＨ　和Ｃ　Ｈ　与铁氧化物的　还原反应属于强吸热反应，此时，供热是ＤＲＩ生　产中的限制性环节，需外加热源才能保证ＤＲＩ生　产顺利进行．当焦炉煤气中兑人一定量氧气时，焦　炉煤气中的ＣＨ　和Ｃ　Ｈ　可以完全转化成ＣＯ和　Ｈ　，同时还放出一部分热量，此时还原需用的焦　炉煤气量除了可以满足生产中的供热需求外，还　略有剩余，可以使炉顶气的温度由３５０　ｏＣ提高到　３８１　ｏＣ．考虑到炉顶煤气的循环利用，吨海绵铁的　焦炉煤气用量由原来的１　０９０　ｍ　可减少到　３１５　ｍ　，由此可以确定在焦炉煤气中兑入氧气的　工艺能够保证ＤＲＩ生产顺利进行．　３　结　语　焦炉煤　竖炉法生产ＤＲ　，理论焦炉煤气需　用量为５４１　ｍ　／ｔ　ＤＲＩ，在实际炉顶煤气利用率为　３８％时增加到７４６　ｍ　／ｔ　ＤＲＩ，但都不能满足竖炉　内供热需求．当在焦炉煤气中兑人一定量氧气时，　焦炉煤气需用量为１　０９０　ｍ　／ｔ　ＤＲＩ，此时可满足　竖炉内的供热需求，考虑到炉顶煤气的循环利用，　可在炉顶煤气中兑入３１５　ｍ　焦炉煤气即可满足　竖炉正常生产．　本文探讨的焦炉煤气竖炉法生产ＤＲＩ的焦　炉煤气需用量，是从还原剂和载热体两方面来考　虑，通过分析计算确定供热是竖炉生产的限制性　环节，并给出了ｔ　ＤＲＩ焦炉煤气需用量范围，为焦　炉煤气竖炉法生产ＤＲＩ工艺的实施奠定了理论　基础．　参考文献：　［１］丰恒夫，罗小林，熊伟，等．我国焦炉煤气综合利用技术的进　展［Ｊ］．武钢技术，２００８，４６（４）：５５—５８．　（Ｆｅｎｇ　Ｈｅｎｇ－ｆｕ，Ｌｕｏ　Ｘｉａｏ－ｌｉｎ，Ｘｉｏｎｇ　Ｗｅｉ，ｅｔ　ａ１．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｗ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｃｏｋｅ　ｏｖｅｎ　ｇａｓ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　ｌＪｊ．Ｗｉｓｃｏ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，４６（４）：５５—５８．）　［２］姚占强，任小坤，孙郁，等．焦炉气综合利用技术的最新发展　及特点［Ｊ］．煤炭加工与综合利用，２００９，２：３４—３７．　（Ｙａｏ　Ｚａｎ－ｑｉｎａｇ，Ｋｅｎ　Ｘｉａｏ－ｋｕｎ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　ｌａｔｅｓｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｉｔｃｓ　ｏｎ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｋｅ　ｏｖｅｎ　ｇａｓ［Ｊ］．　Ｃｏａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ＆Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，２００９，２：３４—３７．）　［３］胡嘉龙，梁文玉．迅速发展中国直接还原铁的途径［ｃ］／／　２００６年中国非高炉炼铁会议论文集．沈阳，２００６．　（Ｈｕ　Ｊｈｑｏｎｇ，Ｌｉａｎｇ　Ｗｅｎ－ｙｕ．Ａ　ｒａｐｉｄ　ｗａｙ　ｔＯ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ＤＲＩ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆＮｏｎ　Ｃｏｋｉｎｇ　Ｉｒｏｎｍａｋｉｎｇ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ，　２００６．Ｓｈｅｎｙａｎｇ，２００６．）　［４］Ｄｉｒｅｃｔ　ｒｅｄｕｃｄｏｎ　ｏｆｉｒｏｎ　ｏｒｅ－ａ　ｂｉｂｌｉ。聊ｈｉ　ａ１　。ｙ［Ｍ］．Ｔｈ　Ｍｅｔａｌｓ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９７６，１２７．　Ｉ　ｓ］Ｑ　ｉ　ｔ。　Ｒ　Ｓ：Ｐ　．。ｆ　４０ｔｈ　ｌｒｏｎｍａｋｉ　ｇ　Ｃｏｎｆ［Ｃ　３／／Ｉｓｓ一　Ａ　ＭＥ，ｗ　“　。，ＰＡ，ＵＳＡ，１９８１，　。：