甲烷改質生產海綿鐵技術分析

摘要：直接還原豎爐方法是目前海綿鐵生產的主流工藝，通過對甲烷改質獲得適合豎爐的還原氣，可以解決天然氣對海綿鐵工藝的束縛，滿足不同地區海綿鐵市場的需求。本文比較分析了國內外各工藝的技術特點，HYL技術工藝成熟，但是豎爐壓力高，工藝和設備投資較高；MIDREX豎爐采用豎爐外重整方法，需要建立單獨的催化設備，占地面積大且投資高；中冶賽迪研發的低壓豎爐工藝可以適應多種還原氣體，具有較廣的適用范圍，適合我國的資源特點。

關鍵詞：甲烷 海綿鐵 改質

中圖分類號：TF702.9文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（b）-0078-02

直接還原鐵技術作為典型的非高爐煉鐵工藝，具有不使用焦煤、環境友好及節能減排效果明顯的優勢，對于改善鋼鐵產品結構，提高鋼鐵產品質量具有重要作用。由于廢鋼-電爐煉鋼流程的能耗、CO2排放均低于傳統高爐-轉爐流程，是鋼鐵工業發展的重要方向。目前，我國電爐鋼產量占粗鋼產量的10%左右，但由于廢鋼短缺、質量差，因而對優質DRI的需求旺盛。根據我國廢鋼應用協會估計，我國目前市場對海綿鐵的需求約為1500～2000萬t/a，而目前我國直接還原鐵產量不足60萬t，因此直接還原鐵在我國具有廣闊的市場需求[1]。

直接還原鐵技術主要有氣基豎爐和煤基回轉窯兩種方法。由于煤基回轉窯法具有能耗高、反應速度慢、溫度不易控制等固有缺點，發展緩慢，目前氣基豎爐工藝占主導地位，其產量占直接還原鐵總量的75%左右。

目前，已投產的氣基豎爐主要包括Midrex豎爐和HYL豎爐兩種，還原氣體以天然氣為主，僅南非SALDANHA廠的Midrex豎爐采用的是COREX煤氣[2-3]。鑒于我國天然氣資源缺乏，采用天然氣生產海綿鐵工藝并不適合我國國情，開發適合我國資源特點的海綿鐵還原氣體具有重要的意義。甲烷改質技術使富甲烷煤氣在一定條件下轉化為CO和H2，用作海綿鐵的還原氣體，此技術可以適應于天然氣匱乏的國家和地區，具有廣闊的發展前景。

1 甲烷改質生產海綿鐵技術

甲烷改質生產海綿鐵工藝是以富CH4煤氣為原料氣，高溫條件下進入豎爐還原鐵礦石生產海綿鐵的方法。一般情況下，原料氣中的CH4在高溫和還原出的金屬鐵的催化作用下改質生成CO和H2，可以補充還原鐵礦石損失的還原氣；還原后的爐頂氣經除塵、降溫、脫碳后與補充的原料氣混合再次進入豎爐。主要的改質反應如下：

CH4+H2O=CO+3H2

CH4+CO2=2CO+2H2

3Fe+CH4=Fe3C+2H2

甲烷改質生產海綿鐵工藝流程一般都包括還原豎爐、爐頂煤氣處理系統、煤氣加熱系統和海綿鐵冷卻循環系統幾部分，由于還原氣內甲烷的改質方式、原料氣的加熱方式的不同，豎爐的工藝各有特點。

2 技術現狀

2.1 HYL Energiron工藝

HYL/HYL Energiron技術最初是由墨西哥希爾公司開發，與2006年被Techint Group并購，之后又與Tenova和達涅利公司聯合組成了Energiron公司，在HYL-ZR基礎上形成了新的HYL Energiron。此技術主要是通過在豎爐內的還原段中進行現場重整，與之前HYL-III相比，無須使用外部重整爐或還原氣體生成系統[4]。HYL Energiron技術對還原氣適應性好，可以在其工藝和設備無需改動的情況下，使用焦爐煤氣（COG）、高爐煤氣（BFG）、氧氣頂吹轉爐煤氣（BOFG）或煤制氣（Coal Gasification）代替天然氣，將煤氣中的CH4進行熱裂后獲得含H2和CO，作為還原氣體生產海綿鐵。

HYL Energiron采用的是高壓豎爐（>0.65MPa）重整的工藝，鑒于匹配豎爐壓力較高，存在高壓設備和高壓密封等問題，同時對H2/CO比和溫度要求較為嚴格，通常要求還原氣溫度>1050℃、H2/CO≥4，整個工藝路線的投資、運行費用較高。

2.2 Midrex工藝

Midrex技術最初由美國MIDREX公司開發，于1984年被日本神戶鋼鐵公司并購。MIDREX工藝在使用天然氣為還原劑的情況下，能耗為9.61GJ/t，一些爐子利用系數達到15.2T/m3.d。目前，印度JSPL正在建1座年產能為180萬噸的爐子，使用魯奇煤氣化技術。

MIDREX采用的是低壓豎爐（0.1MPa）和天然氣爐外重整的方法，重整爐部分占地、投資、運行費用較高。

2.3 CISDI 工藝

中冶賽迪公司（CISDI）早在70年代就天然氣直接還原生產海綿鐵技術進行了研究。經過多年的不斷探索，CISDI立足國內能源結構，對我國電爐短流程鋼廠、鋼鐵聯合企業及礦產加工企業，分別提出了利用天然氣、焦爐煤氣、煤造氣等富CH4煤氣生產海綿鐵工藝。另外，CISDI將直接還原技術和電爐熔分技術相結合，為解決釩鈦礦的資源綜合利用提供了新的途徑。

CISDI豎爐采用低壓豎爐（0.1～ 0.3MPa），與國內其它采用爐外催化重整的技術路線相比，不僅放寬了對H2S含量的限制，而且對H2/CO無嚴格要求，可根據原料氣中CH4的具體含量，采用相適應的H2O/CO2配比和反應溫度，相比國內外對H2/CO要求嚴格的豎爐直接還原技術，流程和能耗上的優勢十分明顯。

3 技術分析

采用甲烷改質生產海綿鐵工藝具有工藝簡單、能耗和投資運行費用較低、環境污染大幅度降低的技術優勢。

3.1 提高煤氣利用價值

我國是世界焦炭生產和消耗大國，焦炭產量共計約3.55億t，占世界焦炭產量的66%，其中獨立焦化廠共生產焦炭2.2億t，鋼鐵企業自產焦炭1.35億t左右，一共生產COG近1400×108m3，除鋼鐵聯合企業和城市煤氣等工業和民用燃氣外，每年可有近400×108～500×108m3的COG可作資源型開發利用。同時，由于獨立焦化廠在產品結構、環境污染等方面的缺陷十分明顯，其利潤和發展均受到較大的限制，提高產業集中度和延伸產業鏈是獨立焦化廠發展的必然選擇[5-6]。針對獨立焦化廠，采用甲烷爐內改質直接還原技術，回收利用多余的COG，生產附加價值較高的優質海綿鐵，經濟、環保方面的優勢十分明顯。而且，隨著蓄熱式技術的不斷發展，鋼鐵聯合企業逐漸利用高爐煤氣（BFG）替代COG作為燃料氣，富余出的COG采用甲烷爐內改質直接還原技術生產優質海綿鐵，經濟、環保方面的優勢均較為明顯。

3.2 工藝流程簡單

利用富余工業氣體生產海綿鐵，省去了前端的制氣工序，工藝流程大為精簡。由于目前世界上尚沒有以焦爐煤氣、煤層氣等煤制氣為原料的豎爐裝置投產，一些相關的工藝設置均存在工藝復雜、還原氣H2/CO要求高、工藝制約環節多等不足。因此，簡化工藝流程，減少制約因素是當前我國氣基豎爐直接還原技術發展的重點。

4 結語

發展甲烷改質生產海綿鐵生產工藝，可以突破天然氣資源的區域局限性，滿足海綿鐵的廣大市場需求；工藝本身受豎爐壓力、還原氣成分、投資運營成本等多種因素的影響，目前CISDI開發的低壓豎爐工藝更適合我國的國情。

參考文獻

[1]黃雄源，周興靈.現代非高爐煉鐵技術的發展現狀與前景（一）[J].金屬材料與冶金工程，2007，35（6）：49-53.

[2]王宙.隧道窯在直接還原海綿鐵生產中的應用[J].江蘇陶瓷，2012，45（4）：12-15.

[6]Peter Schmoele，Michael Peters， Hans Bodo Luengen.高爐煉鐵的發展現狀與展望，世界鋼鐵，2013（1），35-41.

[3]Gupta S. K.，Bom C. Production of liquid iron with coal with special reference to Corex process. IronSteel Review， 1995（6）：31-36.

[4]錢暉，周渝生.HYL-III直接還原技術[J].世界鋼鐵，2005（1）：16-20.

[5]胡俊鴿，周文濤，郭艷玲，等.先進非高爐煉鐵工藝技術經濟分析[J].鞍鋼技術，2012（3）：7-10.

[6]唐恩，周強，翟興華，等.適合我國發展的非高爐煉鐵技術[J].2007，26（4）：59-63.