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1关于在我国实施气基直接还原炼铁工艺若干问题的思考张华2015年9月2主要内容一、优质矿源的问题二、关于气基直接还原工艺还原气来源的的问题三、气基直接还原工艺在山西省的最新进展376%12%8%2%2%高炉烧结钢厂炼焦其他2003年分工序能耗炼铁45.9%轧钢9.5%烧结6.6%焦化14.7%转炉2.3%电炉21.1%传统钢铁生产流程中的CO2排放源分布钢铁工业的分工序能耗前言作为能源、资源消耗大户同时也是CO2（约占工业排放量的15～20％）排放大户的钢铁工业，在能源约束和气候变化的双重压力下，如何进行工艺路线调整、走一条低碳之路备受关注。在以高炉—转炉流程为主的传统钢铁生产流程中，由于碳在高炉中的重要作用，使CO2的减排任务变得复杂而艰难。约占钢铁工业能耗70%,CO2排放90%以上的炼铁系统的低碳冶炼技术的成功与否将决定钢铁工业实现低碳排放的成败。因此，低碳炼铁技术将是钢铁工业低碳排放的核心驱动力，综合分析各种炼铁工艺，气基直接还原炼铁工艺是实现这一目标的最佳选择。4一、优质矿源的问题1.我国具备发展直接还原铁的铁矿资源条件缺乏高品位铁矿资源是制约我国开展气基直接还原炼铁工艺生产的重要因素之一。近年来，我国选矿工作者对国内铁矿资源进行了大量研究，研究结果表明：我国铁矿资源中50%以上的粗颗粒单一磁铁矿，通过国内自有知识产权的选矿技术可以获得TFe＞69.5～70.5%，SiO2＜2.0%，满足直接还原铁生产要求的专用精矿粉。TFe％SiO2％CaO％MgO％AI2O3％P％693.50.20.250.100.02TFe％SiO2％CaO％MgO％AI2O3％P％67.42.540.270.230.560.02•袁家村矿试验精矿粉化学成分表2•太钢尖山精矿粉化学成分表152.球团工艺的进步链篦机回转窑球团工艺链篦机回转窑球团工艺在中国已经非常成熟，一条系统年生产规模可以达到250万吨以上，采用磁铁矿或磁铁矿配加部分赤铁矿的生产技术已经生产完全可以满足炉容4000m3以上大型高炉的需求，除品位之外，其质量水平完全可以满足气基直接还原工艺的要求。表3为国内某特大型高炉使用球团矿指标）链篦机-回转窑-环冷机球团工艺6项目全铁/%9~16mm/%-5mm/％TI(-1mm)/%抗压强度/N·个球-1还原率/%膨胀指数/%质量水平≥65≥85≤5≤42500≥70≤15国内某特大型高炉使用球团矿指标7带式球团焙烧机的大型化京唐大型带式球团焙烧机的投用首钢京唐钢铁公司于2010年8月正式投产的400万t／a球团厂，其主体设备采用了1台有效面积504m2的大型带式焙烧机，生产含氧化镁球团，改善了低硅球团的冶金行性能，满足了5500m3特大型高炉的需求，MgO/siO2达到了0.5的水平，球团矿质量可以满足气基直接还原竖炉的要求。球团矿的质量指标项目全铁/%9~16mm/%-5mm/％TI(-1mm)/%常温耐压强度/N·个球-1还原率/%膨胀指数/%质量水平65≥85≤5≤42560≥70≤188山西榆次不锈钢炉料有限公司不锈钢带式焙烧机的应用年产70万吨铬球团矿的不锈钢带式焙烧机在山西榆次不锈钢炉料有限公司的投用，为球团矿的生产工艺另辟蹊径，由于铬矿的特殊性，其焙烧温度高于普通的铁矿球团，因此其生产普通的球团矿不存在技术上的难题。9带式焙烧机的投用为生产高质量的球团矿奠定了基础，可以生产以磁铁矿粉为主的球团矿也可以满足赤铁矿粉，碱性球团、镁质球团等要求焙烧温度高的球团矿的生产，彻底解决了链篦机回转窑球团工艺焙烧温度升高带来的结圈问题，同时也解决了高品位、低硅球团矿还原膨胀率高的问题，可以为气基直接还原炼铁工艺生产更高质量的球团矿。10二、关于气基直接还原工艺还原气来源的的问题1.天然气从世界范围看，天然气目前是气基直接还原炼铁工艺还原气体的主要来源，天然气资源主要集中在俄罗斯、伊朗、卡塔尔，分别占有27%、15%、13%,拥有全世界一半以上的天然气储量；目前，世界天然气需求量又以每年3％的速度增长，预计2020年后天然气需求的年增长速度为2％；天然气在能源结构中的需求增长势头强劲，到2030年天然气的需求量所占比例将达到23％，取代煤而成为第二大一次能源。我国又是天然气资源匮乏的国家；从对中国目前及未来天然气的产量、消费量的预测分析，使用天然气作为气基直接还原炼铁工艺还原气的主要来源，困难较多，成本较高，几乎没有可能性。年份剩余可开采量产量消费量进口量20154.312001700~2000500~80020204.815002100~2500900~1000注:单位*105m32015年~2020年中国天然气产量、消费量增长预测112.准天然气—煤层气西气东输是煤层气产业发展的一次难得的历史机遇，根据“西气东输”工程的供气能力和设计年限估算，需要1万亿m3的天然气地质储量作保证，但目前常规天然气地质探明储量仅7000亿m3左右，需补充气源，煤层气虽为非常规天然气，其成分95％以上是甲烷，完全可以与天然气混输、混用。同时“西气东输”管线经过的地区也是煤层气资源丰富的地区，塔北、鄂尔多斯盆地、沁水盆地、太行山东、豫西、徐淮和淮南等煤层气富集带，总资源量近14万亿m3，而且管线经过的沁水大型煤层气田，已经获得煤层气探明储量，而且已经开始开发。但是，几乎是同样的理由煤层气很难作为气基直接还原炼铁还原气的主要来源。12部分地区煤层气的储量情况地区/矿区储量面积（KM2）探明的地质储量×108m3可开采量×108m3提交储量单位沁水盆地南部164.2402.18218.38中联公司沁水盆地南部182.2352.26176.13中石油铁法矿区135.4977.3铁法煤业阳泉矿区94.04191.3475.06阳泉煤业合计575.931023.08469.57133.传统焦炉干馏气（焦炉煤气）从焦炉干馏气的成分（表7为典型的焦炉干馏气成分）及目前制气、煤气脱硫技术的进步来看，可以作为还原气体的主要来源，独立的焦化厂的焦炉煤气可以作为还原气体的主要来源，相对容易，钢铁联合企业则需要根据其燃气的可获取性，在优化调配其气体的使用的掐提下，考虑气基直接还原炼铁工艺。气体成分H2%CO%H2+COCO2%CH4%N2焦炉煤气60.45.766.13254.5典型的焦炉煤气成分144.低阶煤干馏气开发直接还原铁的重要原因之一是减少炼铁对日益枯竭的焦煤资源的依赖，陕北、山西北部、内蒙有大量的长焰煤、气煤、褐煤等低阶煤，通过初步研究，这些煤种经过隔绝空气干馏完全可以生产与传统焦炉煤气成分一样的还原性气体，产生的半焦与焦油带来的收入，基本可以抵消生产成本，气体供给还原炉生产还原铁，可以大大降低直接还原铁的成本；因此，开发或完善低阶煤部分制气工艺是解决气基直接还原工艺还原气来源的主要途径。气体成分H2%CO%H2+COCO2%CH4%N2低阶煤干馏气5019695195低阶煤干馏的煤气成分155.干馏气（焦炉煤气）的转化技术（1）成熟的焦炉干馏气制成甲醇合成气技术焦炉干馏气合成甲醇的生产工艺在我国已有多条生产线，无论是采用非催化部分氧化法还是采用催化部分氧化法，其转化气的组分都可以满足气基直接还原工艺的要求。这说明焦炉气的精制“除毒”技术（可以将总的硫含量处理到0.1ppm的水平，转化过程不需要这么低的硫含量）、烃类转化工艺已经成熟。典型的焦炉干馏气转化气成分气体成分H2%CO%H2+COCO2%CH4%N2焦炉煤气7016863.00.83.016（2）德国奥伯豪森1973年夏季采用普罗费尔法工艺在天然气断供时利用干馏气开始生产海绵铁，分别在1975年3~10月、1976年5~11月利用干馏气成功生产海绵铁。（3）为了扩大气基竖炉生产直接还原的气体资源，减少对天然气的依赖，HYL-SA公司利用工业性，半工业性装置，采用焦炉干馏气生产直接还原铁进行工业试验，经一年的试验取得完全成功，为焦炉煤气生产直接还原铁提供翔实试验结果和技术保证，推动全世界直接还原工业的可持续发展。（4）中国石油大学成功试验干馏气生产海绵铁。175.煤制气煤制气技术在国内进步较快，鲁奇法、两段式、恩德炉制气法在国内化工及其他行业都已成功应用，2014年7月份，印度已经将鲁奇法制气成功应用于直接还原铁工艺，因此在中国煤制气技术将是气基直接还原工艺还原气的主要来源。制气方法H2%CO%CO2%CH4+CnHm%鲁奇39242610两段式286241BGL28549.10.6恩德炉4038192几种不同煤制气方法的气体成分18三、气基直接还原工艺在山西省的最新进展1.山西中晋太行矿业有限公司通过引进德国MME公司PERED气基竖炉软件包及利用与中国石油大学（北京）联合开发的以焦炉煤气为气源的气基竖炉直接还原铁专利技术，与国内设计院合作完成了设计及大部分的招标任务，预计2016年年底投产。192.山西金通焦化集团计划与太原理工大成工程有限公司合作与引进米德雷克思竖炉技术，计划对其传统的焦炉进行改造，利用低阶高硫煤生产符合米德雷克思竖炉要求的还原气，（制气部分已完成工业试验）建设年产180万吨的海绵铁生产基地；已经过初步的论证。按照目前的矿价，其每吨海绵铁的成本不到1300元/DRI。“三高”低阶煤焦化副产气化焦焦炉气CO+H2化学品燃料油燃料气海绵铁创新煤基多联产一体化技术20结语随着中国选矿技术、高品质球团矿生产技术、制气技术、干馏气精制重整等技术的突破以及海外利用干馏气、煤制气生产海绵铁工业试验、工业生产的成功；制约中国气基直接还原发展的技术瓶颈荡然无存；在国家积极开展能源结构调整、钢铁结构调整的前提下，气基直接还原工艺也必将以其低耗、高效、环保的优势，在我国能源结构、钢铁结构调整的过程中起到举足轻重的作用，为实现钢铁工业的低碳运行，环境友好发挥不可替代的作用。