D0I:10.13374/i.issnl00113.2009.s1.033 第31卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.31 Suppl.1 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 铁矿煤球团内生还原气生产DRI工艺及估算 苏亚杰） 杜英虎)陈寿林) 1)山西省焦炭集团公司，太原0300242)太原钢铁（集团）有限公司煤气厂，太原030008 3)中国日用化学研究院，太原030001 摘要在高炉热风炉中用高炉煤气，垃圾制燃气、低热值煤气加热循环还原气，或用红焦、热D(直接还原铁)等热量加热 循环还原气至1100℃，输入还原竖炉加热铁矿煤球团，生产DL,从炉顶气中回收硫和C02,炉顶气净化后作为还原气循环使 用·球团内煤干馏形成的半焦、焦炭起到了与高炉内焦炭不同的骨架作用，利用还原反应后气体余热来预热和干馏球团，利 用铁精矿旷粉和煤粉的高比表面积，利用煤的干馏气化促进低温下碳的一次气化反应和直接还原反应，使DR!煤耗进一步降 低.设炉顶气温度降到150℃，配煤218kg,高炉煤气消耗约947m3时，工艺能耗约333kg/1煤.比高炉工艺节能约52%，减排 CO2约83%.比MIDREX节能约84kg标准煤.该工艺简称为DR-NHQ. 关键词D一NHQ:铁矿煤球团：直接还原铁；高炉煤气：城市垃圾 Technique and estimation of using reducing gas from iron ore-coal briquette to produce direct reduced iron SU Yajie),DU Ying-hu2),CHEN Shou-lin) 1)Shanxi Coke Group.Taiyuan 030024.China 2)Gasworks of Taiyuan Iron &Steel (Group)Company Ltd..Taiyuan 030008.China 3)China Research Institute of Daily Chemical Industry.Taiyuan 030001.China ABSTRACT Recycling reducing gas was heated to 1100C with blast furnace gas,fuel gas from garbage power,low caloric value gas or with heat from hot coke,hot direct reduced iron (DRI),or other heat in a hot-blast stove.Then.the recycling reducing gas was input to a reductive shaft kiln to heat iron ore"coal briquette to produce DRI.Sulfur and CO2 were recovered from the top gas. and the purified gas was used as the recycling reducing gas.The carbocoal and coke from coal carbonization in the briquette acted as skeleton.which was different from coke in the blast furnace.The coal consumption of DRI was reduced through using the afterheat of reducing gas to preheat and carbonize briquette.using the high surface area of iron concentrate and coal powder,and using coal car- bonization and gasification to accelerate carbon gasification reaction and direct reduction reaction at low temperatures.If the tempera" ture of the top gas drops to150C,218kg coal is blended,and blast furnace gas of about 947mis consumed,the energy consumption will be about 333kg/tcoal Compared with the blast furnace process.this process can eme5energy and reduce about8 CO2 emission:it will save about 84 kg standard coal than MIDREX process.This technical process is abbreviated to DRI-NHQ. KEY WORDS DRI-NHQ:iron ore-coal briquette:direct reduced iron:blast-furnace gas:municipal refuse 以煤制气以气基法生产DRI(直接还原铁)的工 层气其中的一种或数种气混合做启动气源，将启动 艺技术，因其生产流程长，能源消耗较高，投资较大， 气源加热至1150℃，通入还原竖炉中，加热铁矿煤 实用性受到一定影响，为此我们采用铁矿煤球团内 球团，使球团中一部分煤热解产生含C0、H2、CH4 生还原气生产直接还原铁的新工艺山. 等的热解气，一部分C0、H2、C作为还原剂还原铁 1基本工艺 矿石，产生含CO2和H0的炉顶气：排出竖炉的炉 顶气，经净化除尘、除焦油、脱硫、脱H20、脱CO2等 1.1开炉与还原气的循环 杂质气体后，作为循环还原气使用， 开炉前需准备氨气、焦炉气、煤制气、天然气、煤 以加热的还原气逐步替代高温启动气源，直至 收稿日期：2009-06-30 修回日期：2009-10-15 作者简介：苏亚杰(1953一)），男，专利发明人，申请人，E-mail:suyajie@hotmail.com:杜英虎(1959一)男，工程师：陈寿林(1948一)，男，高级工 程师
铁矿煤球团内生还原气生产 DRI 工艺及估算 苏亚杰1） 杜英虎2） 陈寿林3） 1） 山西省焦炭集团公司太原030024 2） 太原钢铁（集团）有限公司煤气厂太原030008 3） 中国日用化学研究院太原030001 摘 要 在高炉热风炉中用高炉煤气、垃圾制燃气、低热值煤气加热循环还原气或用红焦、热 DRI（直接还原铁）等热量加热 循环还原气至1100℃输入还原竖炉加热铁矿煤球团生产 DRI从炉顶气中回收硫和 CO2炉顶气净化后作为还原气循环使 用．球团内煤干馏形成的半焦、焦炭起到了与高炉内焦炭不同的骨架作用．利用还原反应后气体余热来预热和干馏球团利 用铁精矿粉和煤粉的高比表面积利用煤的干馏气化促进低温下碳的一次气化反应和直接还原反应使 DRI 煤耗进一步降 低．设炉顶气温度降到150℃配煤218kg高炉煤气消耗约947m 3 时工艺能耗约333kg／t 煤．比高炉工艺节能约52％减排 CO2 约83％．比 MIDREX 节能约84kg 标准煤．该工艺简称为 DRI－NHQ． 关键词 DRI－NHQ；铁矿煤球团；直接还原铁；高炉煤气；城市垃圾 Technique and estimation of using reducing gas from iron ore-coal briquette to produce direct reduced iron SU Y a-jie 1）DU Y ing-hu 2）CHEN Shou-lin 3） 1） Shanxi Coke GroupTaiyuan030024China 2） Gasworks of Taiyuan Iron ＆ Steel （Group） Company Ltd．Taiyuan030008China 3） China Research Institute of Daily Chemical IndustryTaiyuan030001China ABSTRACT Recycling reducing gas was heated to1100℃ with blast furnace gasfuel gas from garbage powerlow caloric value gas or with heat from hot cokehot direct reduced iron （DRI）or other heat in a hot-blast stove．T henthe recycling reducing gas was input to a reductive shaft kiln to heat iron ore-coal briquette to produce DRI．Sulfur and CO2 were recovered from the top gas and the purified gas was used as the recycling reducing gas．T he carbocoal and coke from coal carbonization in the briquette acted as skeletonwhich was different from coke in the blast furnace．T he coal consumption of DRI was reduced through using the afterheat of reducing gas to preheat and carbonize briquetteusing the high surface area of iron concentrate and coal powderand using coal carbonization and gasification to accelerate carbon gasification reaction and direct reduction reaction at low temperatures．If the temperature of the top gas drops to150℃218kg coal is blendedand blast furnace gas of about947m 3is consumedthe energy consumption will be about 333kg／t coal．Compared with the blast furnace processthis process can economize52％ energy and reduce about83％ CO2emission；it will save about 84kg standard coal than MIDREX process．T his technical process is abbreviated to DRI-NHQ． KEY WORDS DRI-NHQ；iron ore-coal briquette；direct reduced iron；blast-furnace gas；municipal refuse 收稿日期：2009-06-30 修回日期：2009-10-15 作者简介：苏亚杰（1953－）男专利发明人申请人E-mail：suyajie＠hotmail．com；杜英虎（1959－）男工程师；陈寿林（1948－）男高级工 程师 以煤制气以气基法生产 DRI（直接还原铁）的工 艺技术因其生产流程长能源消耗较高投资较大 实用性受到一定影响．为此我们采用铁矿煤球团内 生还原气生产直接还原铁的新工艺［1］． 1 基本工艺 1∙1 开炉与还原气的循环 开炉前需准备氮气、焦炉气、煤制气、天然气、煤 层气其中的一种或数种气混合做启动气源．将启动 气源加热至1150℃通入还原竖炉中加热铁矿煤 球团使球团中一部分煤热解产生含 CO、H2、CH4 等的热解气一部分 CO、H2、C 作为还原剂还原铁 矿石产生含 CO2 和 H2O 的炉顶气；排出竖炉的炉 顶气经净化除尘、除焦油、脱硫、脱 H2O、脱 CO2 等 杂质气体后作为循环还原气使用． 以加热的还原气逐步替代高温启动气源直至 第31卷 增刊1 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31Suppl．1 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．s1．033
44 北京科技大学学报 2009年增刊1 完全替代高温启动气源通入还原竖炉中，加热新的 (3)在还原反应初期有大量的煤热解气产生， 铁矿煤球团，产生新的热解气和炉顶气，形成内生还 并排出还原炉； 原气的循环生产与使用，同时还原气也直接还原铁 (4)不能排除煤热解气中的C0、H2参与还原 矿煤球团中的铁精矿粉，如此反复循环，实现直接 反应 还原铁的连续生产，其工艺流程如图1所示， 此次实验煤铁质量比为0.266.因为投入的煤 不转换成C02和H20,不从循环还原气系统中排 炉顶气净化除焦油、 尘、水，硫、CO 炉顶气 铁矿煤球团 出，所以按理论计算值的耗碳量进行投料就足够了· 2.2铁矿煤球团还原反应所需热量 实验是用电加热的.估算用高炉热风炉来加热 循环还原气 热还原气 还原气体（其组成为30%C0,70%N2),从常温升 空气 热风炉 还原竖炉 至1100℃时进还原炉，并维持还原反应温度 燃气 热冷却气 1000~1100℃，即可以使还原反应连续进行，因此 只考虑计算把铁矿煤球团加热到还原反应温度 循环还原气 直接还原铁 1100℃所需的显热，并考虑热损失 现铁矿煤球团的配比采用1000kg铁矿粉（含 图1铁矿煤球团内生还原气生产DRI工艺流程简图 铁量按69%计)加150kg煤粉（煤铁比217.3kg· t)和少量粘结剂压制成球团 N2可以作为启动气源，可以作为热风炉换炉时 (1)铁矿煤球团还原所需热量计算 还原气氛过渡到氧化气氛，氧化气氛过渡到还原气 由相关资料3]查得煤粉比热C=1.8 氛的过渡气源，借助N2可以实现连续不间断安全 kJkg1.℃-，则加热球团中煤粉所需热量为： 作业 Qc=1.8×150×(1100-0)=2.97×105kJ 1.2加热还原气的方法 由相关资料[查得铁矿粉比热1000℃下： 采用高炉热风炉作为还原气加热炉，高炉煤气 CP=48calK-1mol1,经换算为0.865kkg1. 作为加热还原气的热源 K-1,因此参照C=0.865kkg1.℃-1计算.则 2工艺计算 加热球团中铁矿粉所需热量为： Qre=0.865×1000×(1100-0)=9.515×105kJ. 2.1铁矿煤球团还原反应所需的还原剂量 还原1kgFe所需的C量理论计算值最低为 设热量有效利用率为66%，并不考虑粘结剂因 0.218kg).另外煤粉中还含有4%~5%的氢元 素，则加热铁矿煤球团所需热量为： 素，其具有极强的还原能力，也可使耗碳量再降低 Q=(Qc+Qre)/66%=1.892×105kJ: 本实验是在太钢技术中心炼铁室还原炉中进行的 忽略损耗，产出DRI中含铁量： 根据实验数据而得到的耗碳量计算如下： Mr.=1000kg×69%=690kg, 投料煤粉中固定碳含量： 则热量消耗为： G。=135g×14%×82.1%+150g×16%× Q/Mr。=1.892×105kJ/690kg=2742kJkg1. 82.1%+134g×17%×68%=50.71g (2)从实验数据而得热量消耗的计算 产出的DRI中含铁量： 加热球团中煤粉所需热量为： Gr。=89g×93.7%+90g×92.64%+ Qc=1.8×(1100-0)×(135×14%+150× 85g×93.9%=246.6g 16%+134×17%)=1.3×10J 则G./Gre=50.71g/246.6g=0.206,生产1kg 加热球团中铁矿粉所需热量为： DRI的实际耗碳量为0.206kg Qr.=0.865×[(1100+273)(0+273)]×(135× 分析以上计算结果，有： 81%+150×79%+134×78%)=3.163×105J. (1)由于煤中含H2元素，碳的实际消耗量比理 热量有效利用率经验数据为66%，忽略粘结剂 论计算值少12kgt左右； 因素，则加热铁矿煤球团所需热量为： (2)由于还原气中含C0,不能排除C0在还原 Q=(Qc+Qee)/66%=676kJ 末期参与还原反应： 实验产出DRI中含铁量为：
完全替代高温启动气源通入还原竖炉中加热新的 铁矿煤球团产生新的热解气和炉顶气形成内生还 原气的循环生产与使用同时还原气也直接还原铁 矿煤球团中的铁精矿粉．如此反复循环实现直接 还原铁的连续生产其工艺流程如图1所示． 图1 铁矿煤球团内生还原气生产 DRI 工艺流程简图 N2 可以作为启动气源可以作为热风炉换炉时 还原气氛过渡到氧化气氛氧化气氛过渡到还原气 氛的过渡气源．借助 N2 可以实现连续不间断安全 作业． 1∙2 加热还原气的方法 采用高炉热风炉作为还原气加热炉高炉煤气 作为加热还原气的热源． 2 工艺计算 2∙1 铁矿煤球团还原反应所需的还原剂量 还原1kg Fe 所需的 C 量理论计算值最低为 0∙218kg ［2］．另外煤粉中还含有4％～5％的氢元 素其具有极强的还原能力也可使耗碳量再降低． 本实验是在太钢技术中心炼铁室还原炉中进行的． 根据实验数据而得到的耗碳量计算如下： 投料煤粉中固定碳含量： Gc＝135g×14％×82∙1％＋150g×16％× 82∙1％＋134g×17％×68％＝50∙71g． 产出的 DRI 中含铁量： GFe＝89g×93∙7％＋90g×92∙64％＋ 85g×93∙9％＝246∙6g． 则 Gc／GFe＝50∙71g／246∙6g＝0∙206生产1kg DRI 的实际耗碳量为0∙206kg． 分析以上计算结果有： （1） 由于煤中含 H2 元素碳的实际消耗量比理 论计算值少12kg·t －1左右； （2） 由于还原气中含 CO不能排除 CO 在还原 末期参与还原反应； （3） 在还原反应初期有大量的煤热解气产生 并排出还原炉； （4） 不能排除煤热解气中的 CO、H2 参与还原 反应． 此次实验煤铁质量比为0∙266．因为投入的煤 不转换成 CO2 和 H2O不从循环还原气系统中排 出所以按理论计算值的耗碳量进行投料就足够了． 2∙2 铁矿煤球团还原反应所需热量 实验是用电加热的．估算用高炉热风炉来加热 还原气体（其组成为30％ CO70％ N2）从常温升 至1100℃ 时 进 还 原 炉并 维 持 还 原 反 应 温 度 1000～1100℃即可以使还原反应连续进行因此 只考虑计算把铁矿煤球团加热到还原反应温度 1100℃所需的显热并考虑热损失． 现铁矿煤球团的配比采用1000kg 铁矿粉（含 铁量按69％计）加150kg 煤粉（煤铁比217∙3kg· t －1）和少量粘结剂压制成球团． （1） 铁矿煤球团还原所需热量计算． 由 相 关 资 料［3］ 查 得 煤 粉 比 热 C C P＝ 1∙8 kJ·kg －1·℃－1则加热球团中煤粉所需热量为： QC＝1∙8×150×（1100－0）＝2∙97×105 kJ． 由相 关 资 料［4］ 查 得 铁 矿 粉 比 热1000℃下： C Fe P ＝48cal·K －1·mol －1经换算为0∙865kJ·kg －1· K －1因此参照 C Fe P ＝0∙865kJ·kg －1·℃－1计算．则 加热球团中铁矿粉所需热量为： QFe＝0∙865×1000×（1100－0）＝9∙515×105 kJ． 设热量有效利用率为66％并不考虑粘结剂因 素．则加热铁矿煤球团所需热量为： Q＝（ QC＋ QFe）／66％＝1∙892×106 kJ； 忽略损耗产出 DRI 中含铁量： MFe＝1000kg×69％＝690kg 则热量消耗为： Q／MFe＝1∙892×106 kJ／690kg＝2742kJ·kg －1． （2） 从实验数据而得热量消耗的计算． 加热球团中煤粉所需热量为： QC＝1∙8×（1100－0）×（135×14％＋150× 16％＋134×17％）＝1∙3×105 J． 加热球团中铁矿粉所需热量为： QFe＝0∙865×［（1100＋273）（0＋273）］×（135× 81％＋150×79％＋134×78％）＝3∙163×105 J． 热量有效利用率经验数据为66％忽略粘结剂 因素．则加热铁矿煤球团所需热量为： Q＝（ QC＋ QFe）／66％＝676kJ． 实验产出 DRI 中含铁量为： ·44· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.1 苏亚杰等：铁矿煤球团内生还原气生产DI工艺及估算 45. Gre=89gX93.7%+90g× (Q=662kJ) 92.64%+85g×93.9%=246.6g v=2.242m3kg 1 实验电能消耗为615kJ,则实验的热量消耗为： 设炉顶气温度150℃，150℃还原气焓为： Q/Gre=615kJ/246.6g= H150=197.0X30%+196.4×70%= 2.494kJg1=2494kkg1. 196.58kJm-3 从上述计算可见从实验数据而得的热量消耗为 则循环热还原气理论用量： 2494kkg,比理论计算值(2742kkg1)低 V0=1.927m3kg1. 248kJ kg1 按实验数据推算的循环热还原气用量： 2.3铁矿煤球团还原反应需用热还原气量 (Q=676kJ) 还原气的主要功能是加热铁矿煤球团，并维持 Vg=1.926m3kg1. 还原反应温度，保持还原气氛， 2.4高炉煤气消耗量的估算 (1)理论计算需要用热还原气量 还原气的热量是由热风炉提供，热效率按66% 还原气组成（体积分数）为30%C0,70%N2, 计.高炉煤气的发热值按850 kcal'm-3计算 进还原炉时还原气温度为1150℃，炉顶尾气温度为 (1)加热载热还原气所需热量， 800℃.平均入炉温度按1150℃计.查得（气体 查得还原气1100℃的焓，C0为1553.4 的焓，基准态0℃)1150℃时C0焓=1629.4 kJm-3,N2为1539.4kJm-3;查得炉顶气300℃ kJm3,N2焓=1614.9kJm3,则热焓： 的焓，C0为399.4kJm3,N2为397.0kJm3,则 H1150=30%×1629.4+70%×1614.9= 热焓差（利用的热量）为：H山1100-300=(1553.4× 1619.25kJm-3. 30%+1539.4×70%)-(399.4×30%+397.0× 查得800℃时C0焓1106.6kJm3,N2焓 70%)=1145.88kJm·-3 1096.8kJm-3,则800℃还原气热焓： 查得炉顶气150℃的焓，C0为197kJm-3,N2 H800=30%×1106.6+70%×1096.8= 为196.4kJm-3,则热焓差（利用的热量）为： 1099.74kJm-3. H1100-150= 由前所得传递热能Q=1.892×10°kJ,则所需还原 (1553.4×30%+1539.4×70%)- 气量： (197×30%+196.4×70%)=1347.02kJm-3. V0=3642m3. 炉顶气温度越低热量利用越多，传热还原气用 由前所得产出DRI中含铁量为Mre=690kg,则循 量越少，炉顶气温度分别300℃，150℃时，1 kg DRI 环所需热还原气量为 传热还原气用量分别为2.242、1.927m3. V0=5.278m3kg1. -1 (2)估算炉顶气产出量， (2)依实验数据估算需用热还原气量， 炉顶气产出量也就是炉顶气处理量应包括： 加热铁矿煤球团所需热：Q=676kJ:还原气热 ①传热还原气量：②碳氧化铁还原产生的气体：③ 焓差：H1150-H800=1619.25-1099.74= 煤干馏产生的气体.炉顶气温度分别为300℃，150 3 519.51kJm ℃时的1 kg DRI传热还原气用量分别为2.242、 则所需热还原气量：V=1.301m3. 1.927m3. 实验产出DRI中含铁量Gre=246.6g,则循环 因为1tDRI按理论碳耗量218kg投料计算，炉 所需还原气量：V=5.276m3kg1. 顶气温度分别为300℃，150℃时的碳耗量是相等 可见实验结果与理论计算十分相近 的，1kg碳氧化产生C02气体重量系数为2.664， (3)实际应用炉顶气可以降到300、150℃. C02比重1.075，碳氧化还原1 kg DRI产生的气体 设炉顶气温度300℃.300℃还原气焓为： 为：Q=0.218×2.664÷1.075=0.540m3,煤干馏 H300=399.4×30%+397.0×70%= 产生的气体包含在0.540m3中.估算还原1 kg DRI 397.72kJm-3. 炉顶气产量300℃、150℃时分别为2.782、 则理论用循环热还原气量： 2.467m3. V'0=2.245m3kg1. (3)循环还原气估算需要量. 按实验数据推算的循环热还原气用量： 循环还原气估算需要量应为：载热还原气量；炉
GFe＝89g×93∙7％＋90g× 92∙64％＋85g×93∙9％＝246∙6g 实验电能消耗为615kJ则实验的热量消耗为： Q／GFe＝615kJ／246∙6g＝ 2∙494kJ·g －1＝2494kJ·kg －1． 从上述计算可见从实验数据而得的热量消耗为 2494kJ·kg －1比理论计算值（2742kJ·kg －1） 低 248kJ·kg －1． 2∙3 铁矿煤球团还原反应需用热还原气量 还原气的主要功能是加热铁矿煤球团并维持 还原反应温度保持还原气氛． （1） 理论计算需要用热还原气量． 还原气组成（体积分数）为30％ CO70％ N2． 进还原炉时还原气温度为1150℃炉顶尾气温度为 800℃．平均入炉温度按1150℃计．查得［5］ （气体 的 焓基 准 态 0 ℃）1150℃时 CO 焓＝1629∙4 kJ·m －3N2 焓＝1614∙9kJ·m －3则热焓： H1150＝30％×1629∙4＋70％×1614∙9＝ 1619∙25kJ·m －3． 查 得 800 ℃ 时 CO 焓 1106∙6kJ·m －3N2 焓 1096∙8kJ·m －3则800℃还原气热焓： H800＝30％×1106∙6＋70％×1096∙8＝ 1099∙74kJ·m －3． 由前所得传递热能 Q＝1∙892×106 kJ则所需还原 气量： V Q＝3642m 3． 由前所得产出 DRI 中含铁量为 MFe＝690kg则循 环所需热还原气量为 V′Q＝5∙278m 3·kg －1． （2） 依实验数据估算需用热还原气量． 加热铁矿煤球团所需热：Q＝676kJ；还原气热 焓差：H1150 － H800 ＝1619∙25－1099∙74＝ 519∙51kJ·m －3． 则所需热还原气量：V ＝1∙301m 3． 实验产出 DRI 中含铁量 GFe＝246∙6g则循环 所需还原气量：V′e＝5∙276m 3·kg －1． 可见实验结果与理论计算十分相近． （3） 实际应用炉顶气可以降到300、150℃． 设炉顶气温度300℃．300℃还原气焓为： H300＝399∙4×30％＋397∙0×70％＝ 397∙72kJ·m －3． 则理论用循环热还原气量： V′Q＝2∙245m 3·kg －1． 按实验数据推算的循环热还原气用量： （ Q＝662kJ） V′e＝2∙242m 3·kg －1． 设炉顶气温度150℃150℃还原气焓为： H150＝197∙0×30％＋196∙4×70％＝ 196∙58kJ·m －3． 则循环热还原气理论用量： V′Q＝1∙927m 3·kg －1． 按实验数据推算的循环热还原气用量： （ Q＝676kJ） V′e＝1∙926m 3·kg －1． 2∙4 高炉煤气消耗量的估算 还原气的热量是由热风炉提供热效率按66％ 计．高炉煤气的发热值按850kcal·m －3计算． （1） 加热载热还原气所需热量． 查得 还 原 气 1100 ℃ 的 焓CO 为 1553∙4 kJ·m －3N2 为1539∙4kJ·m －3 ；查得炉顶气300℃ 的焓CO 为399∙4kJ·m －3N2 为397∙0kJ·m －3则 热焓差 （利用的热量） 为：H1100－300＝ （1553∙4× 30％＋1539∙4×70％）－（399∙4×30％＋397∙0× 70％）＝1145∙88kJ·m·－3． 查得炉顶气150℃的焓CO 为197kJ·m －3N2 为196∙4kJ·m －3则热焓差（利用的热量）为： H1100－150＝ （1553∙4×30％＋1539∙4×70％）－ （197×30％＋196∙4×70％）＝1347∙02kJ·m －3． 炉顶气温度越低热量利用越多传热还原气用 量越少炉顶气温度分别300℃150℃时1kg DRI 传热还原气用量分别为2∙242、1∙927m 3． （2） 估算炉顶气产出量． 炉顶气产出量也就是炉顶气处理量应包括： ① 传热还原气量；② 碳氧化铁还原产生的气体；③ 煤干馏产生的气体．炉顶气温度分别为300℃150 ℃时的1kg DRI 传热还原气用量分别为2∙242、 1∙927m 3． 因为1t DRI 按理论碳耗量218kg 投料计算炉 顶气温度分别为300℃150℃时的碳耗量是相等 的1kg 碳氧化产生 CO2 气体重量系数为2∙664 CO2 比重1∙075碳氧化还原1kg DRI 产生的气体 为：Q＝0∙218×2∙664÷1∙075＝0∙540m 3煤干馏 产生的气体包含在0∙540m 3 中．估算还原1kg DRI 炉 顶 气 产 量 300 ℃、150 ℃ 时 分 别 为 2∙782、 2∙467m 3． （3） 循环还原气估算需要量． 循环还原气估算需要量应为：载热还原气量；炉 Vol．31Suppl．1 苏亚杰等：铁矿煤球团内生还原气生产 DRI 工艺及估算 ·45·
.46 北京科技大学学报 2009年增刊1 顶排出的煤干馏气体；还原过程中没有还原的C0 1.6063-1.5390=0.0673kJm-3.℃-1； 当炉顶气温度为300、150℃时，还原1 kg DRI循环 0.0673×(1100-900)=13.46kJm-3. 还原气量估算分别为：Q300=2.3958m3;Q150= 还原1 kg DRI需增加热量为： 2.0798m3. 13.46kJm3×1.926m3kg1=25.92kJkg1. (4)高炉煤气估算需要量， 查[1m3氧气与C0燃烧产生的热量为 -3 还原气中C0的体积分数为30%，N2的体积分 3021kcal 'm 数为70%，循环还原气加热温度为1150℃时，还原 2C0十02=2C02十3021 kcal'm-3,则需C0和 1 kg DRI需用高炉煤气估算量分别为（高炉煤气热 02为： 量按850 kcal'm-3计算)： Vco=0.00206m3.kg1; G300=1.090m3;G150=0.947m3. Vo,=2Vco=0.00103m3kg1=1.03m3t1. 若炉顶气温度控制到150℃，则1tDI估算能 耗为： 将循环还原气温度从900℃提高到1100℃，还 218kg+(850 kcal'm-3÷ 原1t铁需要施加02计1.03m3. 7000 kcal*kg1×947m3)=333kg 干熄焦还原铁工艺可以实现近零排放，效益 远高于干熄焦发电， 3干熄焦一直接还原铁 可以用N2作为干熄焦换炉时的过渡气体，这 根据干熄焦理论与实践，可以用净化后的循环 样就可以保证干熄焦一直接还原铁工艺的安全 生产 还原气代替干熄焦用的N2做冷却气，实施干法熄 焦，同时可将还原气加热到800~980℃，再施加 4DRI热量回收 02,将载热循环还原气温度提升到1000~1150℃ 与干熄焦一直接还原铁同理.计算DRI显热为 送入直接还原竖炉.这样，就将干熄焦和直接还原 16kg(标准煤)，DRI按150℃出炉，带走热量折合 铁两个工艺连成一个工艺，在干熄焦的同时将铁矿 为2.36kg煤，1t热DRI可以回收的热量折合标准 煤球团还原成铁， 3.1可以利用的红焦显热量 煤为：16.5kg一2.36kg=14.14kg 当然，DRI热装炼钢炉效益更好， Q=(1.5158×1000)-(1.045×250)= 1254.55kJkg1. 5城市垃圾制燃气生产DRI 3.2还原铁需红焦量 城市垃圾焚烧或融熔焚烧产生的低热值燃气， 依实验数据铁矿煤球团直接还原1kg铁的热 与高炉煤气加热DRI-NHQ中的循环还原气同理， 量消耗为： 但其工艺特点要消减垃圾焚烧工艺二恶英及二恶英 Qs=Q/GFe=615kJ/246.6g=2494kJ-kg-1. 类物质的产生和排放， 若按DRI一NHQ估算1kg DRI热量消耗为 3368kJ,则干熄焦还原铁工艺还原1 kg DRI需要 6技术特点 1000℃红焦量为：3368÷1254.55=2.69kg 6.1采用高挥发分煤为主的配煤做还原剂 3.3升高载热循环还原气温度所需热量及施02 6.2铁矿煤球团的内粘结性 量 铁矿煤球团经压制，缩短了煤粒与煤粒之间、煤 1000℃左右的红焦经过还原气冷却，使循环还 粒与铁矿粉粒之间的距离，可以煤的较低的流动度 原气载热温度可以升至800~960℃，这一温度达不 达到内粘结作用，它们在煤热解过程中使铁矿煤球 到DRI-NHQ还原温度1000~1150℃要求.由于 团具有内粘结性，球团适度的内粘结作用可以保持 DRI一NHQ的入炉还原气的氧化度，可以提高到 热态下球团强度. 20%以下]，所以可以适当加02以升高载热循环 6.3液化、软化的煤向气态和固态转化 还原气进入还原竖炉的温度 铁矿煤球团在煤热解阶段呈气、液、固三相，由 入炉载热循环还原气温度按1100℃计算，从干 于没有连续供氢、供溶剂的条件，液态物质受热后很 熄焦炉出来的载热还原气按900℃计算.则升高载 快继续分解成气态和固态).气态物质混入到煤热 热循环还原气温度所需的热量为： 解干馏的热解气中，固态物质半焦和焦炭与铁矿粉
顶排出的煤干馏气体；还原过程中没有还原的 CO． 当炉顶气温度为300、150℃时还原1kg DRI 循环 还原气量估算分别为：Q300＝2∙3958m 3 ；Q150＝ 2∙0798m 3． （4） 高炉煤气估算需要量． 还原气中 CO 的体积分数为30％N2 的体积分 数为70％循环还原气加热温度为1150℃时还原 1kg DRI 需用高炉煤气估算量分别为（高炉煤气热 量按850kcal·m －3计算）： G300＝1∙090m 3 ；G150＝0∙947m 3． 若炉顶气温度控制到150℃则1t DRI 估算能 耗为： 218kg＋（850kcal·m －3÷ 7000kcal·kg －1×947m 3）＝333kg． 3 干熄焦－直接还原铁 根据干熄焦理论与实践可以用净化后的循环 还原气代替干熄焦用的 N2 做冷却气实施干法熄 焦同时可将还原气加热到800～980℃再施加 O2将载热循环还原气温度提升到1000～1150℃ 送入直接还原竖炉．这样就将干熄焦和直接还原 铁两个工艺连成一个工艺在干熄焦的同时将铁矿 煤球团还原成铁． 3∙1 可以利用的红焦显热量 QJ＝（1∙5158×1000）－（1∙045×250）＝ 1254∙55kJ·kg －1． 3∙2 还原铁需红焦量 依实验数据铁矿煤球团直接还原1kg 铁的热 量消耗为： QS＝ Q／GFe＝615kJ／246∙6g＝2494kJ·kg －1． 若按 DRI－NHQ 估算1kg DRI 热量消耗为 3368kJ则干熄焦还原铁工艺还原1kg DRI 需要 1000℃红焦量为：3368÷1254∙55＝2∙69kg． 3∙3 升高载热循环还原气温度所需热量及施 O2 量 1000℃左右的红焦经过还原气冷却使循环还 原气载热温度可以升至800～960℃这一温度达不 到 DRI－NHQ 还原温度1000～1150℃要求．由于 DRI－NHQ 的入炉还原气的氧化度可以提高到 20％以下［5］所以可以适当加 O2 以升高载热循环 还原气进入还原竖炉的温度． 入炉载热循环还原气温度按1100℃计算从干 熄焦炉出来的载热还原气按900℃计算．则升高载 热循环还原气温度所需的热量为： 1∙6063－1∙5390＝0∙0673kJ·m －3·℃－1 ； 0∙0673×（1100－900）＝13∙46kJ·m －3． 还原1kg DRI 需增加热量为： 13∙46kJ·m －3×1∙926m 3·kg －1＝25∙92kJ·kg －1． 查［6］1m 3 氧 气 与 CO 燃 烧 产 生 的 热 量 为 3021kcal·m －3 ； 2CO＋O2＝2CO2＋3021kcal·m －3则需 CO 和 O2 为： V CO＝0∙00206m 3·kg －1 ； V O2＝ 1 2 V CO＝0∙00103m 3·kg －1＝1∙03m 3·t －1． 将循环还原气温度从900℃提高到1100℃还 原1t 铁需要施加 O2 计1∙03m 3． 干熄焦－还原铁工艺可以实现近零排放效益 远高于干熄焦发电． 可以用 N2 作为干熄焦换炉时的过渡气体这 样就可以保证干熄 焦－直接还原铁工艺的安全 生产． 4 DRI 热量回收 与干熄焦－直接还原铁同理．计算 DRI 显热为 16kg（标准煤）．DRI 按150℃出炉带走热量折合 为2∙36kg 煤1t 热 DRI 可以回收的热量折合标准 煤为：16∙5kg－2∙36kg＝14∙14kg． 当然DRI 热装炼钢炉效益更好． 5 城市垃圾制燃气生产 DRI 城市垃圾焚烧或融熔焚烧产生的低热值燃气 与高炉煤气加热 DRI－NHQ 中的循环还原气同理． 但其工艺特点要消减垃圾焚烧工艺二 英及二 英 类物质的产生和排放． 6 技术特点 6∙1 采用高挥发分煤为主的配煤做还原剂 6∙2 铁矿煤球团的内粘结性 铁矿煤球团经压制缩短了煤粒与煤粒之间、煤 粒与铁矿粉粒之间的距离可以煤的较低的流动度 达到内粘结作用．它们在煤热解过程中使铁矿煤球 团具有内粘结性．球团适度的内粘结作用可以保持 热态下球团强度． 6∙3 液化、软化的煤向气态和固态转化 铁矿煤球团在煤热解阶段呈气、液、固三相由 于没有连续供氢、供溶剂的条件液态物质受热后很 快继续分解成气态和固态［7］．气态物质混入到煤热 解干馏的热解气中固态物质半焦和焦炭与铁矿粉 ·46· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.I 苏亚杰等：铁矿煤球团内生还原气生产DRI工艺及估算 47. 形成固结体.球团内的半焦和焦炭起到了与高炉内7,4脱硫作用 焦炭不同的骨架作用 我们在实验中发现了存在着脱硫现象，脱硫率 7几个关键技术问题 达到70%一80% 7.1竖炉内的热平衡问题 8 DRI-NHQ工艺的技术经济优势 有专家指出：铁矿煤球团内生还原气生产DRI 8.1与高炉工艺比节能分析 是强吸热反应，仅靠还原气载热供热，热量是不够 此工艺估算能耗比高炉炼铁工艺（含烧结、炼 的，热量难以平衡，这是个首要问题，我们考虑的解 焦、烧结球团、炼铁)低的原因如下： 决办法如下： (1)工艺简化，取消了烧结、炼焦球团工艺，能 (1)可能产生了煤加氢液化、汽化的强放热 耗可以全部节省下来，减排而且消除了工艺污染， 反应， (2)利用余热，可利用竖炉内下段还原段还原 实验中产生了深黄色的烟气，类似于焦炉荒煤 后气体余热，干馏和预热铁矿煤球团. 气，疑似产生了煤加氢的合成反应.其中，C十 (3)煤的干馏气化·煤的干馏气化促进了低温 Hz℃H4(CmHm)等，其反应热为46~54kJ· 下碳的一次气化反应、直接还原和间接还原反应， mol1,在直接还原过程中因其总的是吸热反应，这 (4)利用了铁精矿和煤粉的高比表面积， 部分反应热很容易在反应过程中被利用， 使用烧结矿和球团矿，是将费了好大工将铁矿 (2)还原竖炉可分为两段及两段以上供热 石比表面积提高了的铁精矿又倒回到了低比表面 (③)补充少量02气加热还原气， 积.约从3000~6000cm2g降到0~10cm2g1 (4)利用余热.利用竖炉内下段还原后气体余 左右，延长了还原反应时间，制约了炼铁工艺能耗的 热，加热竖炉内上段铁矿煤球团，干馏和预热铁矿煤 进一步降低，本工艺保留并利用了铁精矿和煤粉的 球团 高比表面积，使还原反应速度加快，反应温度降低， (5)固一液反应界面增大，减少了碳熔反应 节约了能源， 煤的软化使煤粒与铁矿粉颗粒之间的点接触中 (5)铁矿粉储能[8] 的大部分转变为面接触，使得固一液，固固反应界 铁精矿在细磨过程中存在储能现象，铁矿粉储 面大幅度增加，不仅加快了反应速度，增加了 能主要来自表面能、晶界能、和位错能，其中贡献最 Fex0,十CFex0,-1+C0及Fe0,+C0— 大的为晶界能，表面能贡献最小.储能后，C0或H2 Fex0,-1十CO2反应比例；减少了CO2十C一C0 还原Fe304和Fe0的平衡气体浓度降低，有利于提 反应比例，减少了热量消耗 高气体利用率；煤基铁矿粉的还原反应温度也相应 7.2铁矿煤球团的热强度问题 降低 铁矿煤球团的热强度，总的说不如氧化球团强 (6)炉内温度低，高炉风口区温度可达 度高，但是可以满足直接还原的需要，分析铁矿煤 1700℃，直接还原炉内温度仅1100℃. 球团保持热强度的原因，主要是煤在升温过程中的 (7)炉壁温度损失，高炉炉壁循环水带走了热 软化、液化、汽化过程中的内黏结作用，以及煤液化、 量，直接还原炉壁用耐火材料即可，反之，还应保温 汽化后形成的半焦、焦与铁精矿粉的固结体，还有 (8)排渣热.高炉炉渣带走了大量热量，直接 形成固结体后，在直接还原过程中，铁矿的还原、碳 还原不排渣， 的消耗和铁连晶体的产生，是一个连续渐进的过程， (9)铁水显热.高炉铁水温度1550℃左右，直 这样就可以在还原过程中保持铁矿煤球团的热 接还原铁热出炉出口温度仅1100℃.若冷出炉还 强度 可以回收14kg标准煤显热， 7.3煤中的灰分带入DRI的问题 根据表1中计算，太钢炼铁、炼焦、烧结、球团全 如今的选煤技术可以把洗精煤灰分选到5%以 炼铁系统2009年上半年折算煤耗为693.13kg· 下.按配煤比220kgt一，煤灰分带入DRI中的杂 t一，DRI-NHQ估算煤耗为333kgt1,比太钢全高 质仅1.1%，DRI质量可以达到YB/T4170-2008 炉系统煤耗低360.13kgt,仅为全高炉炼铁系统 要求.在煤的灰分中含有Fe203大约5%~30%，可 折算煤耗的48%左右， 以选择煤灰分中含F203较高的煤做配煤，以增加 8.2与MIDREX能耗对比分析 DRI铁含量，减少杂质含量. 鉴于两种工艺折合碳还原剂都为218kgt1
形成固结体．球团内的半焦和焦炭起到了与高炉内 焦炭不同的骨架作用． 7 几个关键技术问题 7∙1 竖炉内的热平衡问题 有专家指出：铁矿煤球团内生还原气生产 DRI 是强吸热反应仅靠还原气载热供热热量是不够 的热量难以平衡．这是个首要问题我们考虑的解 决办法如下： （1） 可能产生了煤加氢液化、汽化的强放热 反应． 实验中产生了深黄色的烟气类似于焦炉荒煤 气疑似产生了煤加氢的合成反应．其 中C＋ H2 CH4（C nHm ） 等其反应热为 46～54kJ· mol －1在直接还原过程中因其总的是吸热反应这 部分反应热很容易在反应过程中被利用． （2） 还原竖炉可分为两段及两段以上供热． （3） 补充少量 O2 气加热还原气． （4） 利用余热．利用竖炉内下段还原后气体余 热加热竖炉内上段铁矿煤球团干馏和预热铁矿煤 球团． （5） 固－液反应界面增大减少了碳熔反应． 煤的软化使煤粒与铁矿粉颗粒之间的点接触中 的大部分转变为面接触使得固－液固－固反应界 面大 幅 度 增 加不 仅 加 快 了 反 应 速 度增 加 了 Fe xOy＋C Fe xOy－1＋CO 及 Fe xOy ＋CO Fe xOy－1＋CO2 反应比例；减少了 CO2＋C CO 反应比例减少了热量消耗． 7∙2 铁矿煤球团的热强度问题 铁矿煤球团的热强度总的说不如氧化球团强 度高但是可以满足直接还原的需要．分析铁矿煤 球团保持热强度的原因主要是煤在升温过程中的 软化、液化、汽化过程中的内黏结作用以及煤液化、 汽化后形成的半焦、焦与铁精矿粉的固结体．还有 形成固结体后在直接还原过程中铁矿的还原、碳 的消耗和铁连晶体的产生是一个连续渐进的过程． 这样就可以在还原过程中保持铁矿煤球团的热 强度． 7∙3 煤中的灰分带入 DRI 的问题 如今的选煤技术可以把洗精煤灰分选到5％以 下．按配煤比220kg·t －1煤灰分带入 DRI 中的杂 质仅1∙1％DRI 质量可以达到 YB／T4170－2008 要求．在煤的灰分中含有 Fe2O3 大约5％～30％可 以选择煤灰分中含 Fe2O3 较高的煤做配煤以增加 DRI 铁含量减少杂质含量． 7∙4 脱硫作用 我们在实验中发现了存在着脱硫现象．脱硫率 达到70％～80％． 8 DRI－NHQ 工艺的技术经济优势 8∙1 与高炉工艺比节能分析 此工艺估算能耗比高炉炼铁工艺（含烧结、炼 焦、烧结球团、炼铁）低的原因如下： （1） 工艺简化．取消了烧结、炼焦球团工艺能 耗可以全部节省下来．减排而且消除了工艺污染． （2） 利用余热．可利用竖炉内下段还原段还原 后气体余热干馏和预热铁矿煤球团． （3） 煤的干馏气化．煤的干馏气化促进了低温 下碳的一次气化反应、直接还原和间接还原反应． （4） 利用了铁精矿和煤粉的高比表面积． 使用烧结矿和球团矿是将费了好大工将铁矿 石比表面积提高了的铁精矿又倒回到了低比表面 积．约从3000～6000cm 2·g －1降到0～10cm 2·g －1 左右延长了还原反应时间制约了炼铁工艺能耗的 进一步降低．本工艺保留并利用了铁精矿和煤粉的 高比表面积使还原反应速度加快反应温度降低 节约了能源． （5） 铁矿粉储能［8］． 铁精矿在细磨过程中存在储能现象．铁矿粉储 能主要来自表面能、晶界能、和位错能其中贡献最 大的为晶界能表面能贡献最小．储能后CO 或 H2 还原 Fe3O4 和 FeO 的平衡气体浓度降低有利于提 高气体利用率；煤基铁矿粉的还原反应温度也相应 降低． （6） 炉 内 温 度 低．高 炉 风 口 区 温 度 可 达 1700℃直接还原炉内温度仅1100℃． （7） 炉壁温度损失．高炉炉壁循环水带走了热 量直接还原炉壁用耐火材料即可反之还应保温． （8） 排渣热．高炉炉渣带走了大量热量直接 还原不排渣． （9） 铁水显热．高炉铁水温度1550℃左右直 接还原铁热出炉出口温度仅1100℃．若冷出炉还 可以回收14kg 标准煤显热． 根据表1中计算太钢炼铁、炼焦、烧结、球团全 炼铁系统2009年上半年折算煤耗为693∙13kg· t －1DRI－NHQ 估算煤耗为333kg·t －1比太钢全高 炉系统煤耗低360∙13kg·t －1仅为全高炉炼铁系统 折算煤耗的48％左右． 8∙2 与 MDREX 能耗对比分析 鉴于两种工艺折合碳还原剂都为218kg·t －1． Vol．31Suppl．1 苏亚杰等：铁矿煤球团内生还原气生产 DRI 工艺及估算 ·47·