海绵铁生产技术

海绵铁生产技术
陈宏

　　摘　要　介绍了海绵铁生产技术——HYLⅢ工艺及其特点。
　　关键词　海绵铁　HYLⅢ工艺



HYL　Ⅲ TECHNOLOGY FOR DRI PRODUCTION

CHEN Hong
Shanghai Baosteel Group Corp.

　　ABSTRACT　HYLⅢ technology for DRI production and its charateristics are described in this article.
　　KEY WORDS　DRI,HYLⅢ technology

1　前言

　　海绵铁(DRI)又称直接还原铁，主要代替废钢用于电炉炼钢。近年来，由于废钢短缺，海绵铁生产越来越受到重视，其产量已从1970年的80万t逐渐增加到1996年的3330万t。世界上海绵铁生产工艺超过40种，其中工业应用达20种之多［1］，表1为各种工艺的海绵铁产量在世界海绵铁总产量中所占的比例。

表1　海绵铁总产量中各工艺所占的比例
Table 1　The proportion of each process in
total DRI production　　　　%

工艺 1994年 1995年 1996年
MIDREX 65.1
64.8
63.1

HYLⅢ 14.5 18.8 19.9
HYLI 11.1 7.8 8.4
SL/RN 3.6 3.3 3.2
其他煤基工艺 4.2 4.1 4.5
其他气基工艺 1.5 1.2 1.8


　　在海绵铁生产工艺中，气基竖炉法(即MIDREX工艺、HYLⅢ工艺)占绝对优势，世界上多于84%的海绵铁是由气基竖炉法工艺生产的。而MIDREX工艺在气基竖炉法中占了主导地位。近几年HYLⅢ工艺在悄悄崛起，其海绵铁产量每年都在增加。随着HYLⅢ工艺的发展，相信不久的将来，会动摇MIDREX工艺的主导地位。

2　希尔(HYL)工艺的发展状况

　　希尔法海绵铁生产技术属墨西哥希尔萨公司所有，它是用天然气和水蒸汽制取还原气，然后还原气在竖炉中将铁矿石还原成海绵铁。最初的希尔萨海绵铁生产技术称为HYLⅠ工艺，是固定床直接还原设备的典型代表。1957年希尔萨公司在墨西哥蒙特雷建成世界首家工业性直接还原厂——Hylsa1M厂，此后巴西、委内瑞拉、印度尼西亚等国相继引进该直接还原技术。70年代，在美国MIDREX公司的逆流式移动床直接还原工艺成功地投入工业应用以后，希尔萨公司在HYLⅠ工艺的基础上开发出高压逆流式移动床直接还原反应器，即HYLⅢ竖炉。1980年希尔萨公司在蒙特雷建成第一套工业规模的HYLⅢ工艺装置并投入生产。随着HYLⅢ竖炉的日益完善和成熟，HYLⅢ海绵铁生产技术在世界范围内得到推广和应用。表2［2］给出世界范围内希尔工艺的状况。

表2　采用希尔工艺的工厂及正在建设的项目
Table2　HYL process plants and projects under construction


工厂 国家 工艺 台数 产品 设计能力/Mt．a-1 投产年份 注
Hylsa1M 墨西哥 HYLⅠ 1 DRI 0.10 1957 关闭
Hylsa2M 墨西哥 HYLⅠ 1 DRI 0.27 1960 转产
Tamsa 墨西哥 HYLⅠ 1 DRI 0.28 1967 关闭
Hylsa1P 墨西哥 HYLⅠ 1 DRI 0.31 1969 关闭
Hylsa3M 墨西哥 HYLⅠ 1 DRI 0.48 1974 转产
Usiba 巴西 HYLⅠ 1 DRI 0.23 1974 转产
SIDORH1 委内瑞拉 HYLⅠ 1 DRI 0.36 1976 正在生产
Hylsa2P 墨西哥 HYLⅠ 1 DRI 0.63 1977 转产
PTKSⅠ-B 印度尼西亚 HYLⅠ 1 DRI 0.56 1978 转产
PTKSⅡ 印度尼西亚 HYLⅠ 3 DRI 1.68 1978 正在生产
SEIS 伊拉克 HYLⅠ 4 DRI 1.48 1979 情况不知
Hylsa2M5 墨西哥 HYLⅢ 1 DRI 0.25 1980 正在生产
SIDORH2 委内瑞拉 HYLⅠ 3 DRI 1.71 1980 正在生产
Hylsa3M5 墨西哥 HYLⅢ 1 DRI 0.50 1983 正在生产
IMEXSA 墨西哥 HYLⅢ 4 DRI 2.00 1988 正在生产
ASCO 伊朗 HYLⅠ 3 DRI 1.02 1993 正在生产
PSSB 马来西亚 HYLⅢ 2 DRI 1.20 1993 正在生产
PTKSⅠ-A 印度尼西亚 HYLⅢ 2 DRI 1.35 1993 正在生产
Grasim 印度 HYLⅢ 1 HBI 0.75 1993 正在生产
Hylsa2P5 墨西哥 HYLⅢ 1 DRI 0.61 1994 正在生产
Usiba2 巴西 HYLⅢ 1 DRI 0.31 1994 正在生产
Hylsa4M 墨西哥 HYLⅢ 1 DRI 0.70 1998 开始投产
HadeedⅢ 沙特阿拉伯 HYLⅢ 1 DRI 1.10 1998 正在建设
Lebedinsky 俄罗斯 HYLⅢ 1 HBI 0.90 1998 正在建设
Posven 委内瑞拉 HYLⅢ 2 HBI 1.50 1999 正在建设


　　1997年世界海绵铁总产量大于3500万t，其中希尔工艺生产的海绵铁为954万t(HYLⅢ工艺生产的海绵铁占了72%)，比1996年增加了4.7%，至此由希尔工艺生产的海绵铁的量累计超过1.1亿t［2］。 3　HYLⅢ海绵铁生产工艺流程
　　HYLⅢ海绵铁生产工艺流程图如图1。



图1　HYLⅢ海绵铁生产工艺流程图
Fig.1　HYLⅢ process sheme for DRI production

　　HYLⅢ海绵铁生产工艺流程可以分成两个部分，制气界区和还原界区。制气界区包括还原气的产生和净化，还原界区包括还原气的加热和铁矿石的还原。制气界区中，水蒸汽和天然气混合后在重整炉中催化裂解，产生以氢气、一氧化碳为主的合成气，经脱水后送进还原界区。裂解反应为

CH4+H2O=CO+3H2
CO+H2O=CO2+H2

　　在还原界区中，竖炉炉顶气经脱水和脱二氧化碳后，与来自制气界区的气体混合形成还原气，共同进入还原气加热炉。加热后的还原气从竖炉还原段底部进入炉内，自下而上流动，铁矿石从竖炉炉顶加入，自上而下运动。还原气和铁矿石在逆向运动中发生化学反应，产生海绵铁。即

3CO+Fe2O3=2Fe+3CO2
3H2+Fe2O3=2Fe+3H2O

　　HYLⅢ工艺生产的海绵铁有三种：
　　不经冷却排出炉外后，直接进入热压块机制成热压块铁，称HBI，主要作为商业产品外销；
　　热态海绵铁经全密封气力输送管道直接热送进电炉炼钢，称HYTEMPIRON；
　　海绵铁进入竖炉下部冷却段后，天然气作为冷却气通入冷却段，海绵铁渗碳并被冷却至50℃以下，然后排出竖炉，得到DRI，此产品主要是工厂内部使用或卖给其他工厂。三种产品特性如表3。

表3　海绵铁产品特性
Table3　DRI products characteristics


特性 DRI HBI HYTEMP IRON
金属化率/% 92～95 92～95 92～95
碳含量/% 1.5～2.2 0.8～1.5 1.5～1.8
全铁1)/% 91～93 91～93 91～93
金属铁1)/% 83～88 83～88 83～88
温度/℃ 40 40 ＞600
粒度/mm 6～13 110×60×30 6～13


　　1)取决于铁矿中的铁含量 4　HYLⅢ海绵铁生产工艺特点
4.1　制气部分和还原部分相互独立
　　MIDREX竖炉炉顶气与天然气混合，共同进入重整炉制取还原气，还原竖炉和制气设备是相互联系，互相影响的。而HYLⅢ竖炉炉顶气经脱水和脱二氧化碳后，直接与重整炉内出来的气体混合制成还原气，还原设备和制气设备相互独立。因此HYLⅢ工艺具有以下特点：
　　(1)HYLⅢ竖炉选择配套的还原气发生设备有很大的灵活性，除天然气外，焦炉煤气、煤发生气、COREX尾气等都可成为还原气的原料气；
　　(2)重整炉处理气量变小，每吨海绵铁仅为475m3，这使HYLⅢ工艺重整炉体积小，造价低。而MIDREX工艺重整炉处理气体体积为每吨海绵铁1　810m3；
　　(3)可以处理硫含量较高的铁矿。而MIDREX竖炉对铁矿的硫含量有一定限制，否则含硫炉顶气进入重整炉将造成裂解催化剂失效。
4.2　还原气中氢气含量高
　　通过天然气和水蒸汽在重整炉中催化裂解生产还原气，因此还原气中氢含量高，H2/CO为5.6～5.9，使HYLⅢ竖炉中还原气和铁矿石的反应为吸热反应，入炉还原气温度较高，为930℃。而MIDREX工艺主要是天然气和竖炉炉顶气裂解制取还原气，还原气中氢含量相对较低，H2/CO为1.55，使MIDREX竖炉中还原气和铁矿石的反应是放热反应，还原气温度不能太高，为840℃。
4.3　操作压力高
　　HYLⅢ竖炉操作压力为0.55MPa，由于采用高压操作，竖炉炉顶和炉底均采用球阀密封。为了实现全密封操作，炉顶和炉底均设有间歇式工作的压力仓。如图2所示。铁矿石首先通过炉顶料仓加入炉顶压力仓中，然后将铁矿石再加入碟形仓中，压力仓上下球阀切换开闭，保持煤气不外漏，通过碟形仓下的四个布料管将铁矿石加入炉内。由于采用了碟形仓，可使铁矿石连续加入炉中。生成的海绵铁通过炉底旋转阀排入炉底两个料仓中，两个压力仓切换使用，可实现竖炉连续排料。而MIDREX竖炉操作压力为0.23MPa，炉顶和炉底依靠加料管和排料管的料封作用及补充氮气来封锁煤气。



图2　MIDREX竖炉和HYLⅢ竖炉比较
Fig.2　Comparison between HYLⅢ and MIDREX
(a)MIDREX竖炉；(b)HYLⅢ竖炉

　　由于高温、高压、高氢的特点，使得HYLⅢ竖炉中铁矿石的还原速度加快，竖炉生产效率提高。同MIDREX竖炉相比，同样炉容的条件下，HYLⅢ竖炉海绵铁产量更大。
4.4　炉身结构简单
　　HYLⅢ竖炉内部是空的，只在炉底排料口处设有两根液压松料杆，以保证排料顺畅。而MIDREX竖炉结构复杂，炉内设有冷却气体分配器和海绵铁破碎器。
4.5　部分氧化法技术
　　拥有HYLⅢ技术的工厂总是希望提高还原气温度来增加产量，通过部分氧化法可实现提高还原气温度的目的。在还原气加热炉和竖炉间的管道中喷入氧气，还原气部分氧化并放出热，从而使还原气温度提高。部分氧化反应如下：

2H2+O2→2H2O+Q
2CO+O2→2CO2+Q
CH4+O2→CO+H2+H2O+Q

　　在墨西哥蒙特雷2M5/3M5厂采用部分氧化法不仅使还原气温度从935℃提高到957℃。而且使其他工艺指标也得到改善，表4是采用部分氧化和没采用部分氧化工艺指标比较［3］

表4　2M5/33M5厂采用部分氧化和没采用
部分氧化结果比较
Table4　Comparative results with/without
partial combustion in 2M5/3M5


项目 金属
化率/
% 碳含
量/
% 加热
炉出
口温
度/℃ 竖炉
入口
温度/
℃ 耗氧
量/
m3．t-1 重整
气消
耗/
m3．t-1 进入
竖炉
还原
气流
量/
m3．t-1
不采用部分氧化 93.38 2.29 935 935 0 486 1752
采用部分氧化　 93.10 2.41 910 957 9.88 429 1561


4.6　海绵铁热送系统
　　海绵铁热送系统如图3所示。热的海绵铁从竖炉中生产出来后，通过加热的氮气全密封输送到电炉料仓，海绵铁通过料仓给料器加入电炉，输送氮气则经洗涤后返回输送系统。若电炉不需要海绵铁时，海绵铁可离线冷却或进行热压块处理。通过采用气力热送系统，大大降低了电炉的能耗。墨西哥希尔萨公司在蒙特雷新建的Hylsa4M厂，其直接还原装置具有海绵铁(HYTEMP IRON)气力输送系统，该系统于1998年3月投入生产。


图3　HYTEMP IRON气力输送系统
Fig.3　HYTEMP IRON penumatic transport system

现在正大力发展生产海绵铁呢

不错，很好。 [s:15]

为什么大力生产海绵铁，可以告诉我吗？

恕我愚钝,海绵铁是什么?