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基于直接还原铁生产的煤气化技术进展

郭豪，赵志龙，全强，樊波

（中冶京诚工程技术有限公司， 北京 100176）

摘  要：气基还原技术必须以优质、稳定的还原气作为气源，针对我国目前的能源结构特点和国家相关产业发展政策，只有发展低成本、适宜的煤制气技术才是促进我国直接还原铁技术发展的关键。通过对几种典型的煤气化工艺进行了对比分析，并结合直接还原工艺对煤气技术指标的要求，提出了发展煤气化直接还原炼铁技术的关键技术和发展方向。

关键词：气基还原；直接还原铁；煤制气

1 前言

2012年世界直接还原铁产量达7402万吨，占总铁产量7.5%。其中气基的产量为5463万吨，占世界直接还原铁总产量的73.8%；煤基产量占世界直接还原铁产量的25.7%；由此可见气基竖炉(Midrex、HYL-III、ZR)在直接还原工艺中占据主导地位。我国现有能源的特点是贫油少气，煤炭储量丰富，但分布极不平衡。如果能利用煤制气技术生产还原气体，这对于天然气缺乏而煤资源相对富裕的我国来说，重塑既能减轻对环境的污染和又可以充分利用自身资源的钢铁冶金短流程，是符合我国国情的最佳选择。无论从全球经济一体化，还是地区资源条件和企业的能源安全考虑，都必须重视以煤为基础的能源结构，发展用煤气化来生产直接还原铁工艺是正确方向[1-2]。

2 国内外煤气化技术发展

煤炭气化技术是以煤、半焦或焦炭为原料，以空气、富氧、水蒸气、二氧化碳或氢气为气化介质，使煤经过部分氧化和还原反应，将其在所含碳、氢等物质转化成为一氧化碳、氢、甲烷等可燃组分为主的气体产物的多相反应过程。对此气体产品进一步加工，可制得其它气体、液体燃料或化工产品。它是煤炭化工合成、煤炭直接、间接液化、IGCC技术、燃料电池等高新洁净煤利用技术的先导性技术和核心技术。以煤气化为基础的能源及化工系统已成为世界范围内高效、清洁、经济地利用煤炭资源的热点技术[3-6]。

2.1煤气化技术发展方向

1）加压气化：提高压力有利于提高气化炉的生产能力，同时大大减少气体净化的投资，并降低压缩耗能；

2）高温气化：使煤中的挥发分和可燃组分充分转化，其它组分也在高温下得到钝化，得到的产品煤气较纯净，三废问题少；

3）粉煤气化：通过增大煤的比表面积提高气化反应速率，从而提高气化炉的单炉生产能力和碳转化率；

4）液态排渣：灰渣以高温熔融态排出气化炉，经过高温处理的炉渣，大多为隋性物质，无毒无害；

5）纯氧气化：降低惰性气升温降温造成的热损，并减少气化剂压缩的能耗，提高气化效率，使加压高温熔渣气化更经济可行；

6）气化炉大型化：适应现代工业大型化规模化集约化发展，有利于降低投资，提高项目建设经济性。

2.2几种典型的煤气化工艺解析

2.2.1 Lurgi煤气化技术

Lurgi气化工艺于20世纪30年代由德国鲁奇公司发明，第一座商业化厂建于1936年，鲁奇气化工艺在世界上广泛应用，生产城市煤气和为各种用途（如NH3、甲醇、液化燃料产品生产合成气）。

Lurgi气化工艺属自然式逆流移动床连续加压气化工艺技术，该工艺以碎煤为原料，以氧气及蒸汽为气化剂，在2.8~4.0MPa压力作用之下，气化剂通过炉内旋转的炉蓖均匀分布，与碎煤在气化炉内部逆流接触，产生一定量的粗煤气离开气化炉。煤的气化过程中从上到下分为五层，分别为干燥预热层、干馏层、气化层、燃烧层、灰层。气化炉外部使用水夹套，生产中压蒸汽以降低气化炉炉壁温度。煤和灰分别通过交变负荷操作的煤锁和灰锁，进入或者离开气化炉[7]。

2.2.2 Texaco煤气化技术

Texaco工艺是在20世纪50年代初，由美国德士古公司在重油部分气化基础上开发的，20世纪70年代末建设了2套示范装置，1983~1985年分别在美国和日本建设了3套商业化装置。它是迄今为止商业运行经验最丰富的气流床气化工艺，现为美国通用电气公司GE公司所有。Texaco工艺有激冷流程、废锅流程和半废锅流程，应用最多的为激冷流程[8]。

Texaco工艺的气化及煤气指标特点主要有：

1）气化压力可在2.16~8.17MPa选择；

2）有效气含量约80%，且CO/H2比值有较宽幅度的可调性适于制造合成氨、甲醇、醋酸、含氧化合物等多种化工产品以及城市煤气；

3）对烟煤、褐煤、粘结性煤、高硫煤、无烟煤和焦炭均能气化，对采煤粒度无任何特殊要求，占煤矿机械化采煤30%的粉煤也可得到充分利用。还可以掺烧生活垃圾、废塑料、废轮胎、城市生化处理污泥等，几乎可以使用所有的碳氢化合物，制成含炭流体作为气化原料。

4）德士古煤技术为水煤浆进料气化，流程简单，连续运行，生产全过程采用DCS计算机进行自动程序控制，安全可靠性较高。

5）碳的转化率>98%，产生的高温煤气可采用间接或直接的方式回收热能，能源综合利用效果好。

2.2.3 Shell煤气化技术

壳牌的石化燃料气化技术可以追溯到20世纪50年代，几乎与Texaco公司同期，当时开发了以渣油为原料的壳牌气化工艺（SGP），随后于20世纪70年代初期，在渣油气化的基础上，又开发了壳牌粉煤气化技术（SCGP）。壳牌公司自从2001年6月在中国签订第1个技术转让协议以来，至今已陆续与国内17家企业签订了19份技术转让协议。Shell煤气化过程是在高温加压下进行的，是目前世界上较为先进的第二代煤气化工艺之一。按进料方式，Shell煤气化属气流床气化，煤粉、氧气及蒸汽在加压条件下并流进入气化炉内，在极为短暂的时间内完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理和化学过程[9]。

Shell气化工艺的主要技术指标为：

1）干煤粉进料，气化温度高，煤种适应性广，从无烟煤、烟煤、褐煤到石油焦均可气化，对煤的灰融点范围比其它气化工艺更宽。对于高灰分、高水分、高含硫量的煤种也同样适应。

2）气化温度约1400℃~1600℃，碳转化率高达99%以上，产品气体相对洁净，不含重烃，甲烷含量极低，煤气中有效气体（CO+H2）高达90%以上。

3）氧耗低，与水煤浆气化相比，氧气消耗低15~25%，因而与之配套的空分装置投资可减少。

4）单炉生产能力大，目前已投入运转的单炉气化压力3.0MPa，日处理煤量已达2000 t。

5）热效率高，煤中约83%的热能转化为合成气，约15%的热能被回收为高压或中压蒸汽，总的热效率为98%左右。

2.2.4 HT-L煤气化技术

HT-L航天炉是原航天十一所借鉴荷兰Shell、德国GSP、美国Texaco煤气化工艺中的先进技术，配套自己研发的盘管式水冷壁式气化炉而形成的一套结构简单、有效实用的煤气化工艺，目前技术所有者为北京航天万源煤化工工程有限公司。该工艺采用烧嘴设计与GSP相似，只是煤粉喷入的方向不同而已，属于单烧嘴顶烧式气化。气化炉采用Texaco激冷工艺，热的粗煤气和熔渣一起在航天炉下部被激冷，并由此分离，经文丘里洗涤器、洗涤塔洗涤后的合成气送去变换。

国产航天炉煤气化技术具有一下显著特点：①干煤粉进料，惰性气体输送（N2或CO2）；②加压操作（2.0~4.0MPa），高温煤气化（1400~1900℃）；③碳转化率高（≥99%），冷煤气效率高（≥82%），有效气体成分（≥90%）；④煤种适应范围广，控制系统自动化程度高，燃烧效率高，环保性能好；⑤具有自主知识产权，主要设备可完全实现国产化。

2.2.5 两段式煤气化技术

自1994年开始，西安热工研究院就开始进行干煤粉气流床气化技术的研究，1997年建成了中国国内第一套干煤粉加压气化特性试验装置并进行了试验研究。该装置的气化能力为0.7~1.0 t/d 煤粉，压力为3.0MPa。目前该技术已经进入工程放大阶段，计划首先建设日气化原煤2000吨级的“绿色煤电”煤气化发电示范装置，预计2009年投运。另外，在化工行业中，已与内蒙世林化工有限公司签订技术转让合同，目前已进入施工设计阶段。另外，1000吨/天级两段式干煤粉加压气化炉（激冷流程）已经应用于山西华鹿煤炭化工有限公司年产30万吨甲醇项目。

两段式干煤粉加压气化技术具有以下特点：①加压操作，两段式气化，气化温度高；②干煤粉进料，煤种适应范围广；③碳转化率高，冷煤气效率高，耗氧低，总热效率高达98%左右。气体产品相对洁净，不含重烃，煤气中有效气体（CO+H2）体积分数高达90%以上。

3 气基直接还原对煤气质量的要求

传统气基竖炉直接还原工艺以天然气为基础，使其推广应用受到限制，只能在天然气丰富的国家和地区才能得以工业化应用。

近年随着技术的发展，以COREX输出煤气、煤气化气和焦炉煤气等作还原气源进行直接还原铁生产的技术被提出，并逐渐成熟。尤其是以煤气化气为还原气源技术的开发，对那些缺少天然气，又不具备用焦炉煤气等为还原气源条件的地区或者钢铁企业，具有很重要的意义。

3.1 Midrex对煤气的要求

一般情况下，Midrex使用天然气作还原气源进行生产。因很多地区缺少天然气，所以受到限制。目前在全世界60多个Midrex模块中，有一例特殊情况，南非萨尔达那把COREX与Midrex工艺配合使用，COREX工艺产生的煤气经过脱除CO2后可以作为Midrex工艺的还原气体。在COREX与Midrex配合装置中，COREX熔融气化炉可以同时进行煤气化和生产铁水[10-11]。

近年来，由于对DRI的需要，使用煤气化器与Midrex连接的概念被提了出来。煤气化装置的主要目的是产生Midrex工艺所需要的还原气体。还原气体主要参数包括H2与CO的总体积分数φ(H2)／φ(CO)比、φ(H2+CO)／φ(H2O+CO2)之比等。为了高效生产DRI，Midrex工艺要求气体中H2与CO的总体积分数大于90％，φ(H2+CO)/φ(H2O+CO2)之比至少为l0。一般情况下，Midrex生产厂都把φ(H2)/φ(CO)之比设计为0.5~4.0。如果煤气化技术能产生符合要求的气体，就不需要转换装置来改变气体成分；如果φ(H2)太低，则需要进行气体转换。

3.2 HYLⅢ对煤气的要求

传统HYLⅢ工艺中使用天然气，天然气在重整器中裂解通常需添加水蒸汽。为获得φ(H2)较高的还原气体，需要脱除CO2。HYLⅢ工艺的一个主要优点是还原气体的产生和直接还原部分是独立的，在选择还原气体方面具有极大的灵活性。目前的HYLⅢ技术可选择氢气、传统的重整气体、煤的气化气体、焦炉煤气、碳氢化合物气体、COREX排出气体等作还原气源。HYLⅢ工艺对还原气的要求如下：φ(H2)在74.1%以上，φ(H2)/φ(CO)之比为5.7，φ(H2+CO)/φ(H2O+CO2)之比为18.53（见表1）[12-13]。

表1  HYLⅢ工艺使用CO2脱除装置后所用气体成分

为了降低总的投资成本，降低操作和维护成本，希尔公司在HYIⅢ基础上，开发了ZR工艺。ZR工艺与传统HYLⅢ相比，不需要重整装置。还原气体在还原反应竖炉内，经过不完全燃烧，以及经过金属铁的催化作用进行现场重整而生成，从而对铁矿石进行还原。

Tenova、HYL与Danieli又在ZR工艺基础上，共同开创了1个技术品牌ENERGIRON，该技术具有较高灵活性，可以满足客户根据原料、燃料、能源供应和产品规格所提出的各种需求。有以下标准模块：20(Micro-module)、50（Mini-module）、80、120、160、200万t/a。

3.3气基直接还原用煤气适应性分析

直接还原除对煤气成分要求外，还对煤气的压力、温度、煤制气工艺的产能和作业率有一定的要求。表2为几种主要煤制气工艺的还原气指标对比情况。

从煤气品质角度而言，Lurgi加压固定床气化炉是最适合直接还原气源选择的技术方案，但从资源限制、生产能力、消耗指标及环保等方面来看，Lurgi却是几种煤气化中技术先进性最差的一种工艺。Texaco和Shall工艺相比，前者的优势是生产操作技术成熟，设备国产化率高，因此在投资和运行成本上具有明显优势。但由于Shell先天具有的技术先进性，所以Shell炉的操作生产技术很快也会取得长足的进展，所欠缺的将只是设备投资成本过高。

近几年，国内的煤制气水平也得到了长足的进步，以航天炉、清华炉为代表的煤气化技术在国内化工行业也有了很多业绩，技术指标也与国外煤气化技术相差不大，但投资却降低了很多，这一点也是煤制气-直接还原工艺在中国发展的关键。

表2  几种主要煤制气工艺的还原气指标对比

4 发展煤制气直接还原的关键

1）现有的煤气化技术存在对原料煤要求高、投资大、还原气指标有一定差距等问题，必须针对地域特点选择适宜的低成本煤制气工艺；

2）煤气化技术与气基直接还原的衔接问题，目前的制气工艺压力、温度、成分都不能直接满足直接还原竖炉的需求，因此，合理的转化与调整极其重要，竖炉还原尾气的综合利用问题也必须同时考虑；

3）煤制气与直接还原竖炉产能的匹配问题，目前气基直接还原竖炉生产已达到年产250万吨级的规模，如何提高煤制气单炉的产能也是至关重要的一点。

5 结论

以煤气化为基础的能源及化工系统已成为世界范围内高效、清洁、经济地利用煤炭资源的热点技术。现行煤气化工艺的工程投资和运行成本较高，目前还没有完全适于冶金行业煤气化技术，所以新型煤制气技术的开发对于在我国发展气基直接还原铁工艺具有重要的意义。因地制宜的煤炭气化技术，及稳定、可靠、高效、经济的运行模式对煤气应用对直接还原技术的成功至关重要。煤制气和竖炉间的衔接问题是联合工艺成败的关键。

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