直接还原工艺需求的煤气化工艺技术比较

LIU1018

直接还原工艺需求的煤气化工艺技术比较

    1 前言
    2007年世界直接还原铁产量达6722万t，占总铁产量7.4％。其中MIDREX工艺的产量为3972万t，占世界总产量的59.1％；煤基SL/RN工艺产量占世界产量的22.2％；其次为HYLSA工艺，产量为1130万t，占世界产量的16.8％。气基竖炉（Midrex，HYL-I、II、III、ZR）在直接还原工艺中占据主导地位（产能80%）。中国是属于“缺油少气”的国家，但煤炭储量相当丰富。鉴于国际石油天然气持续涨价的严峻形势，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。
    2 直接还原工艺对还原气的品质要求
    目前直接还原技术以天然气为气源的气基竖炉还原工艺占主导地位，即以Midrex和HYL III为代表。除了竖炉本身技术特点不一样外，由于这两种工艺采用的天然气重整技术不同，所以进竖炉的还原气品质也有差别（见表1）。
   
    表1  Midrex和HYL III竖炉入炉还原气主要参数比较
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    还原气参数            Midrex    HYL III
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    H2/CO                  1.6        5.7
    温度，℃               840        925
    压力，bar              2.3        5.5
    (H2+CO)/(CO2+H2O)     11.7       20.5
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    对比显示，两种工艺的还原气成分中H2含量都高于CO，相比之下，HYL III的还原气中氢含量更高，竖炉反应温度和反应压力也更高。
    3 主流煤气化工艺技术特点
    煤气化技术发展至今出现了许多被称为“第二代煤气化技术”的新工艺，与第一代煤气化技术相比，最显著的技术进步体现在单台设备生产能力几乎成倍增加，碳转化率、冷煤气效率、有效气成份等技术指标更加先进，污染物排放能够满足最严格的环保要求。现结合直接还原工艺需求对一些主流的第二代煤气化技术特点进行分析。
    3.1 Lurgi加压气化炉
    Lurgi炉是一种固定床加压气化炉。严格来说，Lurgi加压气化炉属于第一代煤气化技术，但自发明以来不断得到改进，至今在南非仍有大规模使用。Lurgi气化工艺具有以下特点：
    （1）使用粒度在5～50mm之间的粒煤；
    （2）可能气化从褐煤到无烟煤的各种煤，但对原料的热稳定性、机械强度、粘结剂等性能指标有一定要求；
    （3）操作压力从2～3MPa；
    （4）气化烟煤时，粗煤气中CO：15％～25%；CO2：24％～34%；H2：34％～40%；CH4：9％～13%；
    （5）炉顶煤气温度250～350℃；
    （6）单炉产气量30000～50000Nm3/h；
    （7）冷煤气效率可达80%。
    从以上工艺特点可以看出，Lurgi的煤气温度较低，煤气中CH4及焦油含量较高，粗煤气净化和焦油处理单元不可避免，由此引起的环保问题比较突出。从煤气成份来看，Lurgi是最适合于直接还原的制气技术，只要对煤气进行脱碳处理后就可以直接供还原竖炉使用。
    3.2 Texaco水煤浆气化炉
    Texaco炉是美国Texaco公司在重油气化基础上开发出的煤气化技术，是目前商业业绩最多的第二代气流床气化工艺，优点是压力高，运行和操作经验丰富，气化温度高，煤气有效成分高，主要技术特点如下：
    （1）进料采用75%以上-200目煤粉制成的水煤浆，煤浆中煤粉质量分数为65～70%。理论上Texaco可用于各种煤的气化，但经验表明最适宜的煤种应是灰熔点为1300℃左右、灰分低于20%的煤种；
    （2）气化压力从2.6～8.4MPa；
    （3）碳转化率在95%以上，冷煤气效率可达到70%以上；
    （4）干煤气中的（CO+H2）有效气成份在80%以上，CO约占49%，H2约占31%，CO2约占18%（大同煤）；
    （5）气化温度达到1300～1400℃，水激冷后的粗煤气温度为200～260℃。如果采用热能回收式气化炉，粗煤气的温度换热后从1370℃降至400℃；
    （6）采用单喷嘴、热壁炉的设备形式，喷嘴寿命平均在1500h，耐材寿命在1～2年，所以必须设有备用系统；
    （7）生产1000Nm3(CO+H2)有效气的氧耗在400Nm3左右，煤耗在640kg左右；
    （8）单炉设计最大日处理煤量可达到2000t。
    从以上特点可以看出，以生产规模而论，Texaco炉完全可以满足直接还原的需要。用Texaco煤气生产直接还原铁，除了要对煤气进行脱碳处理外需要对煤气中的CO进行变换以增加还原气中的氢含量。
    3.3 Shell干煤粉气化炉
    Shell气化工艺原名Shell-Koppers法，它是组合了Shell在高压油气化及Koppers在煤气化方面的经验开发出的第二代干煤粉气化工艺，主要技术特点如下：
    （1）进料采用90%小于100μm的干煤粉；
    （2）气化压力从2～4MPa；
    （3）碳转化率可达98%以上，冷煤气效率可达80%以上；
    （4）干煤气中的（CO+H2）有效气成份在88%以上，CO约占69%，H2约占19%，CO2约占10%（大同煤）；
    （5）气化温度达到1400～1600℃，出气化炉的高温煤气先迅速用下游经冷却后的粗煤气冷激至900℃，再经合成气冷却器回收热量并将煤气温度降至350℃左右；
    （6）采用多喷嘴、水冷壁的设备形式，喷嘴使用寿命目前已超过16000h，无需更换耐材，因此可无备炉操作；
    （7）生产1000Nm3(CO+H2)有效气的氧耗在330～360Nm3左右，煤耗在600kg左右；
    （8）单炉设计最大日处理煤量可达到2400t。
    由于省去了煤粉制浆工序，Shell对煤种没有制浆性的要求，因此煤种适用性更广。Shell煤制气得到的煤气中有效气成分是三种气化工艺中最高的，理想状态下无需脱碳煤气的还原势就已接近直接还原工艺的要求，但煤气中H2/CO之比仅为0.3左右，因此进行CO变换也是必须的。另外，与水煤浆气化相比，干煤粉气化氧耗可以减少15%，有效气成份提高6％～8%，煤耗减少2％～4%。
    4  结语
    综合以上三种煤气化工艺技术特点分析，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却是三种煤气化中技术先进性最差的一种工艺。Texaco和Shell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，最近几年Shell工艺在全球，尤其是在中国的发展大有后来居上之势，近三年国内在建的加上投运的Shell气化炉超过15套，所以Shell炉的操作生产技术很快也会取得长足的进展，所欠缺的只是设备投资成本过高。

wangzx8103

谢谢楼主。了解一下，也许有用！

gtxy

煤气化技术很多了，相对来所也很成熟，可是用到直接还原铁上尤其是主要的Midex法和HYL法上，现在工业生产的还没有！

cdly

看来学问挺大的，学习了先