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用于直接還原鐵礦石的HYL工藝

HYL工藝旨在通過在固體氣體移動床反應器中使用還原氣體，將鐵礦石（顆粒/塊狀礦石）轉化為金屬鐵。通過基于氫氣（H2）和一氧化碳（CO）的化學反應，從鐵礦石中去除氧氣（O2），從而生產(chǎn)出高度金屬化的直接還原鐵（DRI）/熱壓塊鐵（HBI）。HYL工藝目前是以 "Energiron "商標銷售的。

直接還原鐵礦石的HYL工藝是Hojalata y L.mina, S.A.（后來被稱為Hylsa）在50年代初開始的研究工作的成果。在對這一概念進行初步評估后，決定安裝一個使用隧道爐的工藝，并進行了幾次運行。第一批是在1950年7月5日通過使用一個古老的爐子（已建成的加熱板）進行的。一部分大小為12毫米至25毫米的碎礦石與40%的焦炭和15%的石灰石混合，其顆粒度與礦石相同。這種混合物被放入粘土坩堝和兩個鐵管中，每個鐵管的直徑為100毫米，長度為1米。生產(chǎn)了20公斤的優(yōu)質DRI。

第一個以氣體為基礎的工廠，其設計能力為每天50噸，但無法達到可接受的金屬化水平。在其運行的18個月中，它經(jīng)歷了幾次改變，包括安裝一個天然氣重整器，以改善還原氣體。最后，在1955年初，它的運行被暫停。在這次令人沮喪的嘗試之后，進行了幾次實驗，并組建了一個試驗工廠，以測試新的想法。當這個試驗工廠投入運行后，它開始成功地生產(chǎn)高質量的還原鐵，速度為每天30噸。它很快就達到了每天近60噸的系統(tǒng)生產(chǎn)。

隨著以氣體為基礎的HYL直接還原工藝成功地生產(chǎn)出直接還原鐵，開始研究設計第一個日產(chǎn)230噸DRI的商業(yè)工廠。第一個工業(yè)規(guī)模的直接還原工廠于1957年12月5日投入運營。Hylsa Monterrey 1-M工廠是一個固定床反應器或間歇式工藝，最初的能力是每年生產(chǎn)75,000噸DRI。它一直持續(xù)運行到1991年，只差整整35年的生產(chǎn)。1978年，美國金屬協(xié)會指定Hylsa的HYL工藝廠1-M為歷史里程碑，因為它是直接還原煉鐵技術的第一個成功的工業(yè)實施。然而，由于其批次性，這種技術的競爭力是有限的。

到1970年底，1970年的世界DRI總產(chǎn)量達到79萬噸，其中68萬噸是由HYL工藝廠生產(chǎn)的。然而，HYL預見到，由于其批次性，這種技術的競爭力將是有限的。出于這個原因，1967年啟動了一項研究計劃，開發(fā)一種連續(xù)（移動床）工藝，1980年5月在墨西哥蒙特雷的Hylsa公司啟動了第一個工業(yè)工廠，這是在其第一個HYL工廠成功后的23年。新的連續(xù)豎爐工藝被稱為HYL III。新的工藝概念帶來了更高的工廠生產(chǎn)力、更高的DRI質量、更低的能源消耗和更簡單的工廠操作。

HYL III這個名字被選中，代表了第三代的HYL技術。第二代（HYL II）基本上是對原始固定床工藝的修改，旨在提高效率和減少天然氣消耗。在該工藝的發(fā)展階段，進行了兩項重要的修改，即（i）在還原氣再加熱爐中使用高溫合金管，允許將氣體加熱到更高的溫度，和（ii）將加熱爐的數(shù)量從原來的四個單元減少到兩個單元。在HYL II工藝中，還原氣（富含CO和H2）是通過鎳基催化重整產(chǎn)生的。然而，HYL II工藝從未被商業(yè)化，因為HYL III工藝的出現(xiàn)提供了顯著的優(yōu)勢。

從那時起，HYL III移動床工藝中已經(jīng)有了一些改進。1986年，在還原氣體回路中加入了二氧化碳去除系統(tǒng)，這使得生產(chǎn)力、能源消耗和DRI質量得到了顯著的改善。改造后的氣體消耗量減少了約50％，豎爐的生產(chǎn)率也增加了約50％。

1995年，通過在還原氣加熱器和豎爐入口之間的傳輸線上注入O2，部分燃燒技術被納入HYL工廠。該方案允許大幅提高還原氣體的溫度，并進行原位重整。這減少了大約25%的重整氣體消耗，提高了豎爐的生產(chǎn)率。1988年，總的天然氣進料和向豎爐（還原反應器）注入O2導致了 "HYL自重整方案"，其中重整氣的補給量減少到了零。這種少重整爐的方案被命名為HYL ZR工藝，并于1998年4月在Hylsa 4M工廠和2001年7月在Hylsa 3M5工廠成功應用。

1988年引入了直接還原的球狀/塊狀礦石的涂層。1993年引入了氣動運輸系統(tǒng)（Hytemp技術）和熱DRI送入EAF。1994年，HYL開始生產(chǎn)高碳（C）DRI，C含量為3％至5％。1997年，世界上第一個雙卸料（DRI和HBI）工廠設計投入運行。

在2000年期間，100%的塊狀礦石被成功地用于常規(guī)的基礎上。2001年，基于HYL ZR（零轉化器）無轉化器技術的微型模塊（20萬噸/年）工廠被引進?；诿簹饣徒範t煤氣（COG）的HYL ZR工藝裝置也被引進。此外，年內(nèi)還提供了設計能力為250萬噸/年的單一模塊的DR工廠。在微型模塊和年產(chǎn)250萬噸的單一模塊之間，還有年產(chǎn)50萬噸、80萬噸、120萬噸和160萬噸的模塊可供選擇。

最初的開發(fā)工作是由Hylsa完成的。1977年，Hylsa成立了一個新的運營部門（HYL技術），目的是正式開發(fā)直接還原技術并將其商業(yè)化。2005年，Techint Technologies收購了HYL technologies。后來這個部門被稱為Tenova HYL。2006年，特諾瓦和達涅利結成戰(zhàn)略聯(lián)盟，以新的 "Energiron "商標設計和建造基于氣體的直接還原工廠。Energiron是特諾瓦公司和達涅利公司聯(lián)合開發(fā)的創(chuàng)新的HYL直接還原技術，其名稱來源于獨特的DRI產(chǎn)品，使該技術區(qū)別于其他現(xiàn)有工藝。

工廠和設備

HYL直接還原工廠主要由以下工廠和設備及其特點組成。

• 一個容納移動床的還原軸爐。這個豎爐有一個裝鐵料的系統(tǒng)和一個產(chǎn)品排放系統(tǒng)。

• 還原氣回路，由工藝氣體加熱器、頂部氣體換熱器、頂部氣體淬火/擦洗裝置、還原氣回收壓縮機、加濕塔和淘汰桶組成。

• 爐子的運行是以最小的天然氣和水的消耗以及O2的注入來進行的。

• 產(chǎn)品排放系統(tǒng)可以有（i）用于冷DRI生產(chǎn)的冷卻器，（ii）用于HBI生產(chǎn)的熱壓塊機，和/或（iii）Hytemp氣動運輸系統(tǒng)，將熱DRI直接從豎爐轉移到電弧爐（EAF）。

• 一個外部冷卻氣體回路，由淬火/擦洗裝置和冷卻氣體循環(huán)壓縮機組成。

• 一個基于PSA（變壓吸附）的吸附系統(tǒng)，用于從還原氣流中去除二氧化碳（CO2）。

• 鐵礦石處理設備，包括鐵礦砂倉、傳送帶、篩分站、球團涂層系統(tǒng)、進料輸送機，以及采樣和稱重裝置。

• DRI處理系統(tǒng)，包括輸送機和相關設備，用于運輸冷DRI。

• 冷卻塔，以及過濾設備和泵。

• 工藝冷卻水系統(tǒng)，基于閉合回路，以盡量減少水的消耗，帶有澄清器和沉淀池。

• 一個過程控制和儀表系統(tǒng)，使用基于微處理器的分布式控制。

• 變電站、電動機和照明。

• 通?；诘獨猓∟2）的惰性氣體系統(tǒng)。

• 一個空氣壓縮機

工藝描述

Energiron直接還原工藝（HYL工藝）使用豎爐還原法來生產(chǎn)DRI。它旨在通過在固體氣體移動床豎爐中使用還原氣體，將鐵球/塊礦轉化為金屬鐵。通過基于H2和CO的化學反應將O2從鐵礦石中去除，從而生產(chǎn)出高度金屬化的DRI。

直接還原法的工藝流程示意圖見圖1。

圖1 直接還原法的工藝流程示意圖

HYL工藝的主要特點包括：（i）利用富含H2的還原氣體，H2與CO的比例超過4；（ii）還原溫度高，通常超過930攝氏度；（iii）操作壓力高，通常在5公斤/平方厘米至8公斤/平方厘米之間。較高的操作壓力有許多特點，包括（i）較低的氣體速度，（ii）較低的拖曳力，（iii）較少的粉塵攜帶，（iv）較低的含鐵材料消耗，（v）較高的工廠能力/規(guī)模比率，以及（vi）由于較低的壓縮系數(shù)而較低的功率消耗。豎爐的高工作壓力也導致了高爐的生產(chǎn)力，每平方米面積約為9噸/小時。

該工藝可以靈活地生產(chǎn)三種不同的產(chǎn)品形式，這取決于每個用戶的具體要求。這三種形式的DRI是冷DRI、HBI或熱DRI（'Hytemp'鐵）。冷DRI的排放通常用于靠近直接還原廠的相鄰鋼廠的熔煉車間。它也可以被運輸和出口，只要遵循一些程序并采取預防措施以避免再氧化。HBI是在熱的情況下排出的DRI，被壓成塊狀，然后被冷卻。它是一種商業(yè)產(chǎn)品，通常用于海外出口。Hytemp鐵是熱出爐的DRI，從DR工廠氣動運輸?shù)洁徑匿撹F熔煉車間，直接送入電弧爐（EAF）。圖2顯示了這三種產(chǎn)品的卸料方案以及Hytemp鐵的流程方案。

圖2 三種產(chǎn)品的排放選擇和Hytemp鐵系統(tǒng)的流程方案

基本工藝配置的特點是可以靈活處理不同的氣體分析。還原氣體可以通過以下方式產(chǎn)生：（i）直接在豎爐內(nèi)對天然氣進行就地轉化；（ii）在外部天然氣/蒸汽轉化器中產(chǎn)生；（iii）從化石燃料、生物質等的氣化中產(chǎn)生合成氣；（iv）從冶煉還原工藝（如Corex）的廢氣中產(chǎn)生；或（v）從焦爐氣（COG）來源中產(chǎn)生。在所有情況下，工藝配置對應于相同的基本零重整方案，為特定應用調整設備的相對尺寸。對于原地轉化和蒸汽轉化的替代方案，天然氣分析（重碳氫化合物含量）不是一個限制因素。組成 "氣體可以是任何比例的H2、CO、CO2和碳氫化合物的混合物。

Energiron工藝流程的內(nèi)在特點之一是選擇性地消除還原過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，即水（H2O）和二氧化碳，這對環(huán)境有很重要的意義。這些副產(chǎn)品分別通過頂部氣體洗滌和二氧化碳去除系統(tǒng)來消除。對H2O和CO2的選擇性清除優(yōu)化了補給需求。在還原過程中產(chǎn)生的水被冷凝并從氣流中去除，大部分隨氣體攜帶的灰塵也被分離。經(jīng)過洗滌的氣體然后通過工藝氣體循環(huán)壓縮機，其壓力被提高。壓縮氣體在被送至二氧化碳去除裝置后，與天然氣補給混合，從而關閉還原氣體回路。

HYL工藝的一個關鍵因素是其加壓操作。O2的使用取決于碳氫化合物的含量。DRI金屬化和C是獨立控制的。

在這個過程中發(fā)生了三種化學反應。它們是（i）部分氧化和重整反應，（ii）還原反應，和（iii）滲碳反應。以下是這些反應。

部分氧化和重整反應

2CH4 + O2 = 2 CO + 4 H2

ch4 + h2o = co + 3 h2

2H2 + O2 = 2 H2O

Co2 + H2 = Co + H2O

還原反應

Fe2O3 + 3 H2 = 2 Fe + 3 H2O

Fe2O3 + 3 CO = 2 Fe + 3 CO2

滲碳反應

3 Fe + CH4 = Fe3C + 2 H2

3 Fe + 2 CO = Fe3C + CO2

3 Fe + CO+ H2 = Fe3C + H2O

天然氣的轉化需要（i）一定水平的氧化劑（H2O和CO2），必須仔細控制，（ii）高溫，因為部分燃燒的結果，以及（iii）活性催化劑，這是由已經(jīng)被還原的鐵礦石的金屬鐵單位提供的。由還原反應產(chǎn)生的氧化劑被重整反應部分消耗掉。以這種方式，一旦與豎爐內(nèi)的固體材料接觸，由于金屬鐵（Fe）的催化作用，進一步的甲烷重整在原地進行。在這些條件下，甲烷總是與新的催化劑（DRI中的金屬鐵）接觸，因為DRI不斷從豎爐中被移除。因此，原位還原氣體的產(chǎn)生和還原是在一個高效的環(huán)境中進行的。這種轉化過程是高度內(nèi)熱的，它一直持續(xù)到溫度仍然足夠高的時候。一旦溫度下降到一定水平以下，原地重整就不會發(fā)生，只進行鐵礦石的還原。大部分的DRI滲碳是通過裂解甲烷（CH4）來產(chǎn)生碳化鐵（Fe3C）的。

Energiron ZR工藝減少了HYL直接還原工廠的規(guī)模并提高了其效率。還原氣體在還原豎爐中就地產(chǎn)生，通過將天然氣作為補氣送入還原氣體回路，并在豎爐入口處注入O2。在這個過程中，由于還原氣體是在還原段產(chǎn)生的，因此可以達到最佳的還原效率。正因為如此，不需要一個外部的還原氣體重整器。通常情況下，ZR工藝的整體能源效率在80%以上，這是由豎爐內(nèi)的原位重整優(yōu)化的。產(chǎn)品吸收了提供給該工藝的大部分能量，而向大氣中的能量損失最小。

取消外部氣體轉化器對工廠規(guī)模的影響是巨大的。對于每年100萬噸的產(chǎn)能，所需面積減少了約60％。這也有利于將DR工廠設在鋼鐵熔煉車間附近。

ZR工藝的另一個優(yōu)勢是DRI滲碳的靈活性，允許達到5％的C水平。這是因為軸內(nèi)氣體的滲碳潛力提高，可以主要生產(chǎn)Fe3C。由于Fe3C需要更高的解離熱，因此Fe3C含量高的DRI的反應性比普通DRI低得多。

Energiron工藝也可以使用傳統(tǒng)的蒸汽重整天然氣的方法，這是自很久以前以來HYL工藝的特點。其他氣體，如H2，從煤、石油焦和類似化石燃料的氣化中獲得的合成氣，以及焦爐氣（COG）等，也是可能的還原氣來源，這取決于具體情況和氣體的可用性。這種靈活性是可用的，因為Energiron ZR工藝是獨立于還原氣源的，不需要將氣體再循環(huán)到重整爐以完成工藝化學循環(huán)。

熱還原氣體在還原區(qū)的豎爐內(nèi)被輸入。這些氣體逆流而上，流向鐵料移動床。氣體分布是均勻的，氣體和固體之間有高度的直接接觸。廢氣（頂部氣體）在400攝氏度左右離開豎爐，并通過頂部氣體換熱器，氣體的熱量被回收以產(chǎn)生蒸汽?；蛘撸梢岳脧U氣的熱量來預熱還原氣流，然后通過淬火/洗滌過程來冷卻廢氣。

對于冷DRI，冷卻氣體在40攝氏度左右被送入豎爐的下部錐形部分，逆流而上流向DRI移動床。氣體分布均勻，氣體和固體之間有高度的直接接觸，對爐內(nèi)的固體或氣體的流動沒有物理限制。

熱DRI通過豎爐的旋轉閥排出，通過分流閥，將物料輸送到Hytemp系統(tǒng)或其他外部冷卻器（用于冷DRI生產(chǎn)）。氣力輸送通常是以與豎爐生產(chǎn)速度相同的速度進行的。

為了生產(chǎn)HBI，熱DRI在超過700攝氏度的溫度下被連續(xù)排放到下面的熱壓塊機。HBI在振動冷卻輸送機中使用冷卻水進行冷卻，然后排放到HBI運輸輸送機上。

Hytemp鐵使用氣動系統(tǒng)將熱DRI輸送到電弧爐（EAF）。它使用氮氣（N2）或工藝氣體作為運輸氣體。這是一個環(huán)境友好的過程，因為DRI從還原軸爐出爐到排入電弧爐的過程中一直是封閉的。該系統(tǒng)可以靈活地從單一豎爐向兩個EAF供料。在豎爐的底部，DRI被排放到氣動運輸系統(tǒng)，來自氣體加熱器的熱氣流在此循環(huán)并被用來運輸DRI。為了避免降解，DRI的運輸是通過壓力的增加而不是氣體的速度。當熱的DRI到達EAF頂部的存儲倉時，DRI和氣體被分離。氣體被送到一個洗滌器進行清洗和冷卻。然后，它被壓縮和加熱以進行回收。在進入氣體加熱器之前，補充氣體被加入以補償從運輸氣體中分離DRI時的損失。從運輸氣體中分離出來的熱DRI被送到一個過渡倉，以便從運輸系統(tǒng)的壓力到大氣壓力。從過渡倉中，DRI進入儲存?zhèn)}，在重力作用下被送入EAF。當鋼鐵熔煉車間不準備使用或儲存熱DRI時，熱DRI也可以從豎爐送至外部冷卻器。外部冷卻器通常有能力冷卻整個DRI生產(chǎn)。

在一個典型的HYL III工藝配置中，熱重整氣體和重整爐煙氣的顯熱主要用于產(chǎn)生蒸汽。DRI工藝廠的蒸汽需求有兩個終端用戶，即(i)重整的蒸汽，和(ii)還原回路中二氧化碳吸收系統(tǒng)的排氣蒸汽。為了達到工廠的最佳熱力和機械平衡，生產(chǎn)的蒸汽的數(shù)量和壓力都是有規(guī)定的。通常情況下，蒸汽是在高壓下生產(chǎn)的（63公斤/平方厘米），以便最大限度地利用蒸汽焓，在單臺高效渦輪發(fā)電機中發(fā)電，然后再用于重整和二氧化碳汽提機再沸騰。通過這種方式，工廠的總電力需求可以在工廠內(nèi)產(chǎn)生。在冷排放的情況下，渦輪發(fā)電機的容量約為90千瓦時/噸，在熱排放的情況下，約為105千瓦時/噸HBI，足以滿足工廠的總電力需求。

Energiron直接還原工廠的一個重要特點是，可以設計出零補水要求的工藝。這之所以可能，主要是因為水是還原反應的副產(chǎn)品，因為它被冷凝并從氣體流中去除。因此，由于采用了基于水熱交換器的閉路水系統(tǒng)，而不是傳統(tǒng)的冷卻塔，所以不需要新鮮的補水，實際上在電池極限時還會有一小股水。

操作參數(shù)和具體消耗

表1中給出了Energiron ZR工藝產(chǎn)品的典型特征。

表2給出了Energiron ZR工藝的典型運行參數(shù)和具體消耗量。

表3給出了Energiron ZR工藝的典型排放情況。