山西晋中第一套焦炉煤气制直接还原铁工业化试验装置即将调试投产

山西晋中第一套焦炉煤气制直接还原铁工业化试验装置即将调试投产

就在全市钢企搬迁如火如荼进行、非高炉炼铁几乎被有关部门判处死刑之际，山西省晋中市左权县在中秋节期间爆出一则消息：

经过10年不懈努力，以“钉钉子精神”攻克国内技术难题，解决了一系列制约气基还原铁技术工程化转化的技术难题，我国首套30万吨/年焦炉煤气直接还原铁工业实验装置——中金太行矿业有限公司氢气直接还原铁项目横空出世，并将于2019年10月调试投产。

中金太行矿业有限公司气相直接铁还原项目，始于引进德国MME公司气相铁还原PERED工艺包，中金冶金组织中国石油大学（北京）、北京科技大学技术合作，走过了十年的共同努力。

中金冶联与中国石油大学联合研发了“煤炉煤气干法重整还原气工艺”，首次提出了中金冶联气基立炉还原铁技术，并与北京科技大学合作，针对气基还原铁工程改造重大技术难题开展自主创新，完成了全部技术改造和工程设计工作。

2017年8月24日，中金太行矿业有限公司30万吨/年焦炉煤气直接还原铁项目开工建设。

中秋节当天，记者联系上中金太行矿业有限公司原总经理陆清，请他谈谈中金太行氢气直接回收铁项目的技改细节。

陆青表示：国外气法还原铁大多采用天然气作为气源，而我国天然气资源比较匮乏。因此我们选择了国内资源相对丰富的焦炉煤气，并在此基础上主要完成了以下创新：

1、创建国内第一台卧式干法重整转化器，研制出新一代镍基催化剂

焦炉煤气除富含H2外，还含有一定量的CH4和CO2，为了使合成气的H/C比可调，需对焦炉煤气中的CH4和CO2进行重整。

中国石油大学（北京）周红军、余长春教授团队结合国内制氢炉设计优势，借鉴国外重整炉实践经验，成功设计出国内首台具有自主知识产权的卧式干重整重整炉。该炉克服了热膨胀、炉管选材防止金属老化等技术难点，热效率达到92%，达到国内制氢炉先进水平；与之相匹配开发了新一代镍基催化剂，并通过添加稀土金属有效控制积碳问题；干重整炉制得的还原气H2/CO比为1.1-2.0，可调范围广，有利于氢气还原过程中达到热平衡；为防止开机初期不饱和烃含量过高，干重整炉还设计了临时补充蒸汽管路，实现蒸汽和二氧化碳的双重整过程。

2.干法转化炉低温烟气作为立式炉密封气和吹扫气技术研发

为了防止炽热的还原铁与空气接触和防止还原气体向外泄露，降低还原铁的金属化率和还原气体的利用率，形成局部高温粘结区，必须采用惰性气体进行密封。国外燃气型立炉的密封气和吹扫气通常采用以下两种方法：一是采用氮气发生器产生的氮气，N2：99.9%，温度：-40℃-40℃，压力0.19--0.22MPa；二是从转化炉辐射段抽取1100℃高温烟气(N2体积分数61.57%；CO2体积分数16.78%；H2O体积分数20.13%；O2体积分数1.52%)，经冷却脱水压缩后，制成合格烟气，供立炉密封和吹扫使用。

为了减少制作密封气和吹扫气的能耗和投资，降低生产成本，中国石油大学（北京）周洪军教授、余长春教授团队经过多次论证和计算，大胆采用从重整炉对流段抽取的120℃低温烟气，经过冷却、脱水、压缩等工艺，制成合格烟气用于立式炉的密封，取得了比国外更高的效果。目前已申请多项实用专利或发明专利，专利号：“”。

3、研制了一种新型镍锌吸附剂，可有效脱除焦炉煤气中的有机硫和无机硫。

焦炉煤气中含有多种有机硫及萘、焦油等杂质，为保证重整催化剂的活性，需将煤气中的总硫脱除至1ppm以下。传统的焦炉煤气脱硫工艺是采用钴钼加氢或铁钼加氢工艺，将有机硫转化为无机硫进行脱除。该工艺的特点是：流程长，操作压力高（约2.0MPa）。为此，中国石油大学（北京）开发了一种新型镍锌吸附脱硫剂，可一次性完成加氢转化和有机硫脱除。操作压力为0.8MPa，操作温度为350℃，一塔操作，操作简单。同时吸附剂可再生，重复利用。 最重要的是镍锌吸附剂能将不饱和烃转化为饱和烃，使得进入重整炉的不饱和烃含量≤，有效防止了干法重整过程中的积碳问题。

4.干法重整炉对流段设计快速蒸发器

为了快速除去高温烟气所含的热量，保证重整炉辐射段安全运行，在对流段增设快速蒸发器，回收10t/h高温蒸汽（温度220℃，压力1.0MPa），副产蒸汽供净化区精脱硫再生使用，不仅回收了余热，还实现了能源的综合利用。

5.开展了降低不同气源产气量技术研究

为摆脱单一气源对气基还原铁生产的掣肘，中金太行矿业有限公司与中国石油大学（北京）联合成立了北京中金石化冶金技术有限公司，开发研究了多种气源还原气制备技术。

煤制甲醇企业产生大量的甲醇尾气，为了综合利用，他们与江苏省煤化工研究院进行技术交流，探讨利用甲醇尾气中H2/CO=10-15用于生产直接还原铁，并给该装置提供了技术解决方案。

目前已完成天然气、甲醇弛豫气、煤层气、煤制气、沼气等多种原料气制备还原气技术的研究与验证，并获得国家专利。

陆青表示：在铁水还原工艺上，我们与北京科技大学张建良、杨天俊教授团队共同完成了CSDRI还原炉工艺研发、模型构建和实验平台建设，取得20多项原始技术创新。

1、装备国产化率达到90%以上，实现装备本地化制造。

十年科研攻关中，中金太行矿业联合国内知名厂家完成了立炉均流器、松铁器、进料溜槽、配料产品等关键设备的国产化制造，国产化率达90%以上，并自主研发了具有自主知识产权的中金太行氢还原铁成套工艺技术及装备。

2、垂直提升机输送铁基原料，保证立炉原料上料系统的长周期运行

氧化球团是立炉生产的基础原料，为了保证氧化球团连续、稳定地输送到立炉，不丢失、不散落、不破碎，我们将原设计大倾角皮带机改造为垂直提升机，并购买了意大利公司生产的相关产品，最大程度地减少了氧化球团的破碎。

3. 各种铁矿石还原技术的研究

2017年，中金冶金与北京科技大学联合开发了冷热立炉气基还原工艺技术；针对左权矿、西北矿、澳大利亚矿、印度矿、钒钛矿、秘鲁矿等多类矿种开展了气基还原技术系统研发，包括实验研究与验证，并申请了相关技术专利。

截至目前已获得高效气基立炉直接还原炼铁系统及方法、带均流装置的还原垂直立炉、生产冷直接还原铁的气基立炉、生产热直接还原铁的气基立炉等22项发明专利及实用新型专利。

4.直接还原技术在其他领域的应用

处理伴生资源。利用氢气强还原的化学性质，采用立式炉还原反应器，以一定比例的还原性气体还原钒钛矿、钛铁矿、硼铁矿、低品位红土镍矿等，还原产物经熔融分离后可与铁、钒、钛、硼、镍等有效分离。

钒钛矿资源气基还原技术在实验室进行了研究。

固体废弃物处理。赤泥是氧化铝生产过程中产生的废弃物，含有铝、铁等重金属盐。每生产一吨氧化铝约产生0.8吨～1.5吨赤泥，但赤泥的处理与综合利用一直是世界性难题。利用氢还原技术进行还原选矿，可提取50%～55%的铁粉，这已在实验室得到验证。硫酸渣是黄铁矿制硫酸工艺的残渣，一般含铁40%～55%。利用氢还原技术提取铁是解决硫酸渣回收的新途径，不仅解决了硫酸渣的环保堆放问题，而且可生产出直接还原的铁产品。

生产BaSO4的新工艺。在日化行业中，重晶石生产BaSO4（二氧化钛）的传统方法为煤基还原法，该方法存在诸多缺点：一是规模小、成本高、产品质量不稳定；二是能耗大、污染大。利用氢气作为良好还原剂的优势，采用氢还原技术，利用竖炉工艺原理，将重晶石还原为BaS再生产BaSO4，生产出高附加值的钡盐，解决了轻化工行业生产硫酸钡的高污染、低产能工艺。目前已为某日化企业提供了技术解决方案。

卢清说，经过两年多建设，中金冶金首个位于山西左权的氢还原铁工业示范项目——中金矿业30万吨氢还原铁项目取得良好进展：图纸设计已完成100%，主体设备购置完成100%，项目总体进度完成80%，土建完成95%，即将开始试运行。

中金太行氢气还原炉（可简称太行炉，类似太行发动机：编者注）还原铁有以下优点：一是流程短。中金太行竖炉工艺属于非高炉炼铁，省去了污染单元焦炉、烧结，因此流程短；二是非焦还原温度低。高炉工艺介质为含硫量较高的焦炭，冶炼时吹入1200℃热风，炉内温度在2000℃左右，设备使用寿命短。中金太行竖炉工艺介质为焦炉煤气重整后的合成气，向炉内吹入900℃H2/CO，减少排放。由于炼铁采用氢气和一氧化碳作为还原剂，反应产物主要为H2O和CO2。 根据工艺要求，必须回收CO2作为前次干法重整工艺的原料，在工程设计上减少了CO2的排放。经测算，中钢院竖炉工艺较高炉工艺减少CO2排放量32%、SO2排放量74%、NOx排放量62%，大大减少了污染物排放。四是产品纯度高。高炉工艺生产的产品为铁水，其中S、P、Cu、Ti、Zn等杂质含量较高，而竖炉工艺生产出来的是固态海绵铁，其中S、P、Cu、Ti、Zn等杂质含量极低，为冶炼高品质特钢奠定了基础。

中冶技术方案彻底摆脱了气基还原铁技术对天然气的依赖，大大减少了污染物排放，生产出的还原铁成本低于高炉铁，中冶技术的大规模推广必将带来我国钢铁行业的一场革命。

经过十余年的拼搏，中金冶金已具备了中钢院还原炉设计、制造、EPC总承包的能力，中金冶金也在艰难中完成了自身的华丽蜕变，一飞冲天！