适用于直接还原铁的煤制气方案

适用于直接还原铁的煤制气方案2014年11月 苏州n 钢铁行业现状 n 气基竖炉工艺介绍及煤制气技术 钢铁工业转型升级势在必行！钢铁工业转型升级势在必行！1钢铁行业现状1. 2013年我国的粗钢产量已达7.79亿吨，占全球总产量的48.5%，铁矿石对外依存度超过60%;2. 钢铁行业整体亏损，生存艰难；3. 钢铁工业污染物排放占到工业排放总量的45%以上，是大气雾霾的重要成因；4. 高炉炼铁仍占绝对地位，对优质焦煤和优质铁矿石依赖性强，消耗大量的优质资源。1连铸连铸热处理热处理炉炉连轧连轧棒、板棒、板带、管带、管加热炉加热炉焦煤焦煤铁矿石铁矿石焦化炉焦化炉烧结炉烧结炉高炉高炉转炉或电炉转炉或电炉钢水钢水炼铁工序炼铁工序炼钢工序炼钢工序铁水铁水轧钢工序轧钢工序热处理工序热处理工序连铸坯连铸坯深加工深加工高炉炼铁流程长、能耗高、污染大；炼铁工序能耗约占钢铁生产过程总能耗70%，污染物排放占90%。气基竖炉工艺介绍及煤制气技术2 目前，气基竖炉技术已实现工业化接近半个世纪。 2013年产品直接还原铁的产量为7522万吨，78.6%为气基竖炉生产。 全球100多套气基竖炉项目均由天然气重整制取富氢气体，集中在南美、中东等地区。 对于我国“贫油少气富煤”的能源结构，需要开发以煤制备还原气的气基竖炉炼铁工艺。2成熟的气基竖炉工艺 国内外气基竖炉区别3天然气天然气- -气基竖炉工艺流程气基竖炉工艺流程 煤制气煤制气- -气基竖炉工艺流程气基竖炉工艺流程气基竖炉工艺介绍及煤制气技术2渗碳：3Fe + CH4 Fe3C + 2H23Fe + 2CO Fe3C + CO23Fe + CO + H2 Fe3C + H2O渗碳反应炉顶气出口炉顶气出口还原气进口还原气进口矿石进口矿石进口冷却渗碳段冷却渗碳段赤铁矿还原成磁铁矿3Fe2O3 + 3H2 2Fe3O4 + H2O3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2磁铁矿还原成氧化亚铁Fe3O4 + H2 3FeO + H2OFe2O3 + CO 2FeO + CO2氧化亚铁还原成金属铁FeO + H2 Fe + H2OFeO + CO Fe + CO2 还原反应lFe2O3 + 3H2 2Fe + 3H2O(g) H = 95,484 kJ lFe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2 H = -28,085 kJ2气基竖炉工艺介绍及煤制气技术2152气基竖炉工艺介绍及煤制气技术2.1 2.1 气基竖炉对还原气性质的要求气基竖炉对还原气性质的要求（1）还原性气体（H2、CO）浓度高；（2）需要一定含量的甲烷气，一般要求CH4含量25%，用于渗碳；（3）H2/CO 不同的工艺要求不同， 最低1.5， 最高 5.6；（4）还原气压力低 （0.10.8 MPaG）；（5）煤气热值要求一般约为2300kcal/Nm3。1622气基竖炉工艺介绍及煤制气技术2.2 2.2 还原铁所需还原气来源还原铁所需还原气来源下列气体可作为还原气：下列气体可作为还原气： 天然气-天然气经过转化，生成含有一氧化碳、氢气和部分甲烷的还原气。在伊朗、印度等还原铁发展较快的国家大多采用天然气为原料。国内，天然气供不应求，价格高居不下，如采用天然气为还原气来源，势必造成生产成本过高。 焦炉气-焦炉气中含有约45%的氢气、10%的CO和25%的甲烷，可以经过甲烷转化制造出还原气， 目前正在施工过程的中晋太行还原铁项目采用此种气源。 煤热解气-煤热解气中含有约30%的氢气、6%的CO和38%的甲烷，可以经过甲烷转化制造出还原气。1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术2.2 2.2 还原铁所需还原气来源还原铁所需还原气来源生物热解气-其性质与煤热解气相似。垃圾热解气-其性质与煤热解气相似。焦炉气、煤热解气、生物热解气、垃圾热解气用于还原气是一个很好的方向，可以变“废” 为宝。煤制气-通过煤气化、变换调整到合适的碳氢比，通过净化提高有效气含量。这种技术在煤化工 领域有着大量的应用实例。既然国内油气资源缺乏，且价格高居不下，焦炉气、热解气受资源限制，因此，以低质煤为原料制造还原气是一个重要的研究方向。7182.3 2.3 煤制气流程煤制气流程1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术1 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术2.4 2.4 煤气化煤气化煤气化技术的发展可分为三个阶段：煤气化技术的发展可分为三个阶段： 第一阶段：早在二十世纪五十年代已实现工业化，后因天然气、石油大量开发，煤气化发展一度停止； 第二阶段：二十世纪七十年代初，国际上出现能源危机，发达国家出于对石油天然气供应紧张的担忧，纷纷把煤气化技术作为替代能源重新提到议事日程，并加快煤气化新工艺研究； 第三阶段：近十年来，国外很多公司为了提高燃煤电厂热效率，减少对环境污染，对煤气化联合循环发电技术进行了大量的工作，因而促进了煤气化技术的开发。 根据煤气化炉的结构特点和燃料在气化炉内进行转化时的运动方式，煤气化工艺可分煤气化工艺可分为三种类型为三种类型：固定床（移动床）、流化床和气流床。 91 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术2.4.1 2.4.1 常见的煤制气技术常见的煤制气技术101 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术2.4.1.1 2.4.1.1 固定床（移动床）气化固定床（移动床）气化固定床煤气化炉的主要特点是：炉内气体流速较慢，煤粒静止，停留时间11.5h，操作条件为：温度8001000；分为常压气化和加压气化（4MPa）；原料煤粒径330mm。用煤要求具有高活性、高灰熔点、高热稳定性。从上到下，按煤气炉内的生产特性分为三层：干燥层、干馏层和气化层，床层无扰动，故称固定床，随着煤从顶部加入，各层逐次下移，故又称移动床。固定床气化可分为常压气化、加压固态排渣气化、加压熔渣气化。111 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术常压固定床固定床气化常压固定床气化技术是一项古老的煤气化技术，上20世纪30年代开始采用，原料是无烟块煤或焦炭，中国山西晋城的块煤或焦炭是上好原料。块煤的粒度为2575mm。固定床间歇气化技术成熟、工艺可靠、投资较低、不需要空分制氧装置。但气化需要的无烟煤块或焦炭价格较高，而筛粉煤堆积、资源利用率低、环保污染严重。固定床间歇气化技术目前在中国的合成氨及工业煤气行业仍有数千台气化炉在运转。因为环保污染问题，这种造气炉将逐步被淘汰。固定床富氧连续气化是在间歇气化基础上发展起来的气化技术，取消了吹风气，改善了环境影响。常压固定床气化单炉发气量低、占地面积大，合成气中含有一定量的氮气，对还原气的有效气浓度有影响，对原料煤要求严格。但其投资最低。生成的水煤气中，（CO+H2）体积分数达80%85%。甲烷含量 1%左右。合成气为常压，作为还原气压力低，甲烷含量低，所需原料价格高。12加压固定床连续气化加压固定床连续气化( (鲁奇）鲁奇）鲁奇碎煤加压气化技术产于20世纪40年代。鲁奇气化炉生产能力大，煤种适应性广，主要用于生产城市煤气，用于生产合成气的较少。采用鲁奇气化炉生产合成气时，气体成分中甲烷含量高为8%10%，但氮气很低，对甲醇生产极为有利。因含焦油、酚等物质，气化炉后需设置废水处理及回收、甲烷分离转化等装置。鲁奇气化炉的技术特点如下： a、耗氧低，鲁奇炉气化工艺是目前各种采用纯氧为气化剂中耗氧最低的。 b、冷煤气效率高，冷煤气效率代表了煤中的热量转化为煤气中热量的程度，鲁奇炉气化，最高可达93%，高于其他的煤气化技术。 c、该工艺污水排放中含有较多的焦油、酚类和氨。需要配备较复杂的污水处理装置，环保处理费用很高。鲁奇煤气化技术近年来也在某些方面有所改进，如排渣系统的改进、三废处理技术的改进等。 d、鲁奇炉气化效率较高，气化压力高、甲烷含量高（10%），不太适合做还原气（能量浪费），且污水难处理。1 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术13加压固定床连续加压固定床连续熔渣熔渣气化气化（BGLBGL）1 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术BGL（British Gas-Lurgi 英国燃气-鲁奇）块/碎煤熔渣气化炉技术是在原鲁奇固定床加压气化炉 2 型、3 型和 4 型炉技术基础上，开发出来的新型煤气化技术。现代熔渣气化技术具有气化强度高、蒸汽利用率高、气化效率高的优势，但又有氧耗高和建设成本高的缺点。BGL 熔渣气化技术将高温熔渣气化与加压固定床气化的技术结合在一起，兼具双方的优势，克服各自的一些缺点，是一种即高效，又经济的气化技术。BGL炉气化效率较高，气化压力高、甲烷含量高（6%），不太适合做还原气（能量浪费），且污水较难处理。14各种固定床气化炉技术参数各种固定床气化炉技术参数1 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术151 1 222.4.1.2 2.4.1.2 气流床气化气流床气化它是一种并流气化，用气化剂将粒度为100um以下的煤粉带入气化炉内，也可将煤粉先制成水煤浆，然后用泵打入气化炉内。煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉。其代表工艺壳牌干煤粉气化工艺于1972年开始进行基础研究，1978年投煤量150 t/d的中试装置在德国汉堡建成并投人运行.根据原料煤入炉的形式不同， 可以分为： 水煤浆气化：将煤磨成一定粒度，与水混合形成水煤浆， 浓度一般在60%为宜。 代表炉型： GE（德士古）、 华东理工大学对置式多喷嘴气化技术等。 干煤粉气化：将煤磨成一定粒度，用惰性气（CO2/N2)将煤粉送到气化炉中。 代表炉型壳牌干粉煤加压气化工艺、德国未来能源公司的GSP干粉煤加压气化工艺、航天炉。气基竖炉工艺介绍及煤制气技术161 1 22GEGE（德士古）水煤浆加压气化工艺（德士古）水煤浆加压气化工艺 GE水煤浆加压气化法为目前世界上先进的气化技术之一，属气流床加压气化法。德士古公司自1957年在蒙特培罗（Monetebello）研究室开始以氧为气化剂对煤、焦进行气化研究，1973年建立了一套投煤量15t/d的试验装置进行加压水煤浆气化试验。经过30年的试验及工业化过程，GE（德士古）水煤浆加压气化工艺已经发展成为一项先进、成熟可靠的煤气化工艺。其特点是该工艺对煤的适应范围较宽，可利用粉煤，单台气化炉生产能力较大，气化操作温度高，液态排渣，碳转化率高，煤气质量好，甲烷含量低，不产生焦油、萘、酚等污染物。排出粗灰渣可以用做水泥的原料和建筑材料。三废处理简单，易于达到环境保护的要求。生产控制水平高，易于实现过程自动化及计算机控制。中国已在渭河、鲁南、上海焦化、淮南、黑龙江浩良河化肥厂等引进该技术。气基竖炉工艺介绍及煤制气技术17多喷嘴对置式水煤浆加压气化工艺多喷嘴对置式水煤浆加压气化工艺对置式多喷嘴水煤浆加压气化技术就是最先进煤气化技术之一。具有完全的自主知识产权。2000年，华东理工大学，原鲁南化肥厂（水煤浆工程国家中心的依托单位），中国天辰化学工程公司共同承担的新型（对置式多喷嘴）水煤浆气化炉中试工程经过三方共同努力，于7月在鲁化建成投料开车成功，11月经过国家主管部门的鉴定及验收。本技术并被列入国家高技术研究发展计划（863计划） 1 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术181 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术壳牌干粉煤加压气化技术壳牌干粉煤加压气化技术荷兰壳牌（Shell）公司1972年开始进行煤气化技术研究，于1993年建设了日处理煤2000吨的SCGP工业生产装置。到目前，壳牌干煤粉加压气化工艺已经有十几套用于合成氨或甲醇等生产的装置建成投产，这些装置的实际操作证明壳牌SCGP工艺技术是可行的。Shell气化工序以干煤粉为原料、纯氧和水蒸汽为气化剂，液态排渣，属加压气流床气化。原煤先行破碎，合格粒度的原料煤用胶带输送机输送至磨煤机将煤磨成煤粉并经干燥处理，再用氮气或二氧化碳加压送入贮罐，贮罐内的煤粉与氧气和蒸汽一起通过工艺烧嘴送进气化炉的燃烧室。喷入气化炉的煤粉、氧气和蒸汽的混合体在约4.0MPa压力下，14001700的温度范围内发生气化的系列化学反应。出Shell气化炉的合成气温度13001500，用初步洗涤净化的循环合成气激冷冷却至900，然后送入合成气冷却器（即废热锅炉）进一步冷却，同时废热锅炉副产中压过热蒸汽。19航天炉干粉煤加压气化航天炉干粉煤加压气化航天炉干粉煤加压气化技术是北京航天万源煤化工工程技术有限公司研发的、具有自主知识产权的粉煤加压气化技术。该技术采用干粉煤气体加压输送，纯氧气化，合成气激冷洗涤流程。HT-L气化炉是北京航天万源煤化工工程技术有限公司的专利设备，气化炉由上部的气化室、下部的激冷室及气化炉外壳组成。气化工艺是以干粉煤为原料，纯氧和水蒸汽作为气化剂，液态排渣，加压气流床气化。干煤粉、氧气及蒸汽的混合物流经燃烧器喷入气化炉内，在4.0MPa 的压力及12501750的温度范围内，在气化室发生部分氧化反应,产生粗合成气。气化室由水冷盘管和耐火衬里组成，正常工作时耐火衬里内表面将形成固渣层和液渣层，用“以渣抗渣”方式保护水冷盘管和耐火衬里不受侵蚀。为了防止气化炉内不同部分由于耐火层失效而导致金属温度过高，安装了表面温度警报系统，用以探测这种耐火层失效。与其它结构形式的气化炉相比，由于不需要耐火砖绝热层，使HT-L 粉煤气化炉运转周期长，可靠性高。1 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术20德国德国GSPGSP干粉煤加压气化技术干粉煤加压气化技术GSP干粉煤加压气流床工艺是20世纪70年代由当时的前民主德国燃料研究所开发的。1984年在黑水泵气化厂建成了单炉每天投煤量720t的示范装置。这套以煤为原料的装置一直运行到1991年德国统一。德国统一后由于各种原因GSP技术没有及时向市场推广，并将原料由煤改为焦油、油渣等。科林公司的前身由燃料研究所研发部部长WOLF博士及其同事，以及黑水泵厂技术骨干发起成立，继续煤气化技术的开发。科林GSP气化炉煤气化工艺的原料是干煤粉进料，用高压氮气或加压CO2输送入气化炉，对煤种的适用范围宽，能够以当地煤种为原料，而且碳转化率超过99。该工艺过程对煤的特性，例如煤的粒度、粘结性、含水量、含硫量、含氧量及灰分含量均不敏感，但对于灰熔点较高的煤如灰熔点1400须加入助熔剂(石灰石)，改变溶渣性能。1 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术211 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术气流气流床床气化技术主要技术参数气化技术主要技术参数项 目GEShellGSP碳转化率 %96989999有效成份 （CO+H2）较高 80%高 90%88%气流床气化效率较高，气化压力高、甲烷含量低（955气化系统热效率90%6灰渣含碳量，%2-5%7操作负荷50-110%1 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术29热解器热解器气化器气化器低阶粉煤两段流化床气化技术低阶粉煤两段流化床气化技术反应温度反应温度1 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术301 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术2.4.1.4 2.4.1.4 煤气化技术对比煤气化技术对比气化技术GSPShellBGLLurgi神雾两段流化床气化炉气化压力MPag3424254.5340-1.0适用煤种从褐煤到无烟煤全部煤种及石油焦等，灰熔点温度1500，灰分1%20%从褐煤到无烟煤全部煤种，灰熔点温度1500，灰分8%20%除主焦煤外所有煤种，含水35%以下，灰25%以下，灰熔点1200除主焦煤外所有煤种，含水35%以下，灰25%以下，灰熔点1200从褐煤到无烟煤全部煤种及石油焦等，灰熔点温度1200单炉能力t coal（ar）/d200020001450炉径3.6m800-1000炉径4m500-1500进料原料煤规格粒度0.2mm,水分：烟煤2%（褐煤10%）粒度100m,水分：2%(烟煤)，6%（褐煤）粒度：6-50mm制成型煤粒度：6-50mm不需要预干燥粒度6.0mm, 5-35 wt.%有效气含量(H2+CO+CmHn)%88.891.791.366.377.531气化技术GSPShellBGLLurgi神雾两段流化床气化炉粗煤气组成mol %H2 32.5CO 56.2CO2 6.7CH4 0.1C2+ 0N2 4.1H2S+ 0.4H2 27.77CO 63.94CO2 4.73CH4 0.1C2+ 0N2 3.49H2S+ 0.07H2 28.9CO 55.5CO2 7.8CH4 6.3C2+ 0.6N2 0.4H2S+ 0.2H2 38.3CO 14.5CO2 32.0CH4 12.5C2+ 0.8N2 1.5H2S+ 0.2O2 0.2H2 41.71CO 34.04CO2 22.14CH4 1.80C2+ 0.00N2 0.21H2S+ 0.10煤气化消耗指标（1000Nm3有效气）原料煤耗（kg）收到基干燥无灰基67653360150596259613168236444761 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术1 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术气化技术GSPShellBGLLurgi神雾两段流化床气化炉氧耗(Nm3)361342197191193蒸汽耗（kg）1691901381171副产蒸汽4.0MPag高压蒸汽低压蒸汽低压蒸汽低压蒸汽排渣液态，渣中几乎不含碳液态，渣中几乎不含碳液态，渣中几乎不含碳干粉，灰渣残碳含量5%干粉，灰渣残碳含量5%废水少，易处理少，易处理较少，较难处理多，难处理少，易处理国产化水平关键技术设备引进关键技术设备引进国产化率 95%全部国产化全部国产化相对投资比较高最高最低低最低环境影响废水易处理、费用较小废水易处理、费用较小废水需处理处理费用较大废水量大处理费用最大废水易处理、费用较小投资(万元/10000Nm3)7500125005000450015001 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术2.4.1.5 2.4.1.5 两段流化床制备还原气的技术优势两段流化床制备还原气的技术优势 原料来源广，对灰熔点、灰分含量等要求低，褐煤、长焰煤、高灰煤均可作为气化原。 粗煤气中含有一定量的CH4，经净化后还原气CH4约2.6 %，满足还原铁渗碳要求，客服了固定床气化技术甲烷含量高和气流床气化技术不含甲烷气的缺陷。 气化压力小于1.0MpaG，制备的还原气压力不需要增压或减压装置即可满足竖炉工艺要求，能耗低于其他技术。 投资低，6000万元/40000Nm3粗煤气。 与固定床气化技术相比，没有含酚污水产生，三废处理容易。 与传统流化床相比，解决了碳转化率低的问题。 与气流床相比，氧耗低，操作简单。331 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术2.5 2.5 变换（调节氢碳比）变换（调节氢碳比）为了达到还原气对氢碳比的要求，必须对原料气进行变换，变换主要作用是将粗煤气中CO变换成H2，变换原理如下：在催化剂的作用下，原料气中的CO与H2O反应生成CO2和H2。变换根据不同的氢碳比的要求，通过部分变换来调节还原气对氢碳比的要求。Co-Mo系变换催化剂，操作温度在190500，称为耐硫宽温变换催化剂。如果Co-Mo系变换串联在中高温变换工艺之后一般称为耐硫低温变换工艺，宽温变换催化剂操作温区较宽，原料气经变换后CO可降至1.0%以下；耐硫低温变换催化剂操作温度一般在180240，原料气经变换后CO可降至0.3%以下，Co-Mo系变换催化剂的抗硫毒能力极强，对总含硫量无上限要求。 变换通常采用Co-Mo系变换催化剂。QHCOOHCO222341 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术2.6 2.6 气体净化气体净化为提高原料气中的有效气（CO、H2、CH4）的含量，将多余的CO2进行脱除，并将对下游生产和设备有影响的硫化物脱除。气体净化根据不同的原料气要求，原料气的产量可以选择不同的工艺 膜分离 变压吸附 溶液吸收（物理吸收方法有低温甲醇洗、NHD工艺，化学吸收方法有栲胶、ADA、MDEA工艺）等工艺上述工艺都有成熟的技术和良好的业绩，可根据不同的要求，灵活选择。351 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术2.7 2.7 结论结论 煤气变换、净化技术从高压到低压都有成熟的技术可供选择，关键是选择适合制还原气的煤气化技术。从环保、能耗和投资综合比较，中科院过程所和神雾环境能源科技集团股份有限公司共同开发的两段流化床气化技术更适合用于气基竖炉制备还原气。361 1 22气基竖炉工艺介绍及煤制气技术372.7 2.7 结论结论山西中晋太行矿业有限公司山西中晋太行矿业有限公司30万吨直接还原铁项目（在建）万吨直接还原铁项目（在建）制还原气工艺：低阶煤在双床气化炉内热解、气化，得到粗煤气，制还原气工艺：低阶煤在双床气化炉内热解、气化，得到粗煤气，经过变换、脱硫脱碳，通过管式炉加热后制得竖炉用还原气。经过变换、脱硫脱碳，通过管式炉加热后制得竖炉用还原气。制还原气工艺：利用炼焦过程中副产的焦炉煤气（富含约制还原气工艺：利用炼焦过程中副产的焦炉煤气（富含约25%的的CH4，氮气含量低），以竖炉炉顶气中的，氮气含量低），以竖炉炉顶气中的CO2和饱和蒸汽为转化剂，和饱和蒸汽为转化剂，经过重整反应制得竖炉用还原气。经过重整反应制得竖炉用还原气。唐山国丰钢铁有限公司唐山国丰钢铁有限公司100万吨直接还原铁项目（洽谈中）万吨直接还原铁项目（洽谈中）谢 谢！39