世界金属导报/2010年/6月/22日/第014版
设备制造
达涅利ENERGIRON直接还原技术
1简介
本文根据CO2排放量分析，比较三种炼钢工艺对环境的影响:
・传统联合炼钢厂，高炉-氧气顶吹转炉(BF-BOF)。
・现代联合炼钢厂，直接还原工艺(基于天然气)-电弧炉(DRP-EAF)。
・现代联合炼钢厂，直接还原工艺(基于可气化煤)-电弧炉(DRP-EAF)。
达涅利和HYL开发的ENERGIRON气基直接还原技术是先进的铁矿石冶炼工艺，此项技术的目标是:
・通过减少温室气体排放降低对环境的影响。
・根据主要能量来源，利用各种工业气体，如天然气或煤气化产生的合成煤气或焦炉煤气。
炼钢产业的特征就是大量使用化石燃料，而化石燃料排放导致全球变暖的温室气体(GHG)，给环境造成极大的影响，这些气体主要是CO2。
CO2的排放量和特点由炼钢厂使用主要燃料的特性所决定。
在传统联合炼钢高炉工艺中，用来还原氧化铁的主要能源是煤。
在现代联合炼钢DRP直接还原工艺中，用来还原氧化铁的主要能源可以是天然气或煤或任何工业气体。
2联合炼钢厂的CO2排放
2.1传统联合炼钢厂的CO2排放
图1显示的是传统联合炼钢厂典型的能量平衡。
这个工厂设备包括:炼焦炉设备、烧结车间、生产铁水(HM)高炉、氧气顶吹转炉(BOF)、钢包炉/真空脱气设备、生产热轧带卷(HRC)的薄板坯连铸机和带钢热轧机。
能从传统联合炼钢厂中回收的主要气态燃料副产品包括:烧结车间气体(sPG)、炼焦炉设备气体(COG)、鼓风炉气体(BFG)和氧气顶吹转炉气体(BOFG)。
传统联合炼钢厂的能量平衡显示大多数气态燃料主要用于产生能量或燃烧发热。
传统联合钢厂烟道气排放CO2每吨钢水约为2.104t。
2.2现代联合炼钢厂的CO2排放
图2显示的是现代联合炼钢厂典型的能量平衡，这些ENERGIRON直接还原炼钢厂的主要燃料是天然气。
这个工厂包括:球团车间、生产直接还原铁(DRI)的ENERGIRON直接还原炼钢车间(DRP)、电弧炉(EAF)、钢包炉/真空脱气设备、生产热轧带卷(HRC)的薄板坯连铸机和带钢热轧机。
现代联合炼钢厂中回收的主要气态燃烧副产品包括:球团车间气体(PPG)、直接还原炼钢车间气体(DRPG)、电弧炉气体(EAFG)和钢包炉&真空脱气设备产生气体(LF-VDG)。
现代联合炼钢厂的能量平衡显示大多数气态燃料主要用于产生能量或燃烧发热。
基于DRP 天然气现代联合钢厂烟道气排放CO2每吨钢水约为0.812t。
ENERGIRON天然气基直接还原技术的碳平衡见图3。
当使用天然气作为还原气体时，ENERGIRON DR工厂能耗为2.30 Gcal/tDRI。
从图3可知，这种能量形式输入的碳总量约为140kg/tDRI，其中20Kg/tDRI～35Kg/tDRI将进入DRI，105Kg/tDRI～120kg/tDRI转换成了CO,。
ENERGIRON技术能对挑选出的CO2气流进行收集和储存，采用这种方法，在所产生的CO2总量中，仅有约46%排向大气层。
2.3现代联合炼钢厂的CO。
排放
图4显示的是现代联合炼钢厂典型的能量平衡，这些ENERGIRON直接还原炼钢厂主要使用
煤气化车间生产的合成煤气。
这个工厂包括:球团车间、煤气化车间、生产直接还原铁(DRI)的ENERGIRON直接还原炼钢车间(DRP)、电弧炉(EAF)、钢包炉/真空脱气设备、生产热轧带卷(HRC)的薄板坯连铸机和带钢热轧机。
能从现代联合炼钢厂中回收的气态副产品包括:球团车间气体(PPG)、煤气化车间气体(CGG)、直接还原炼钢车间气体(DRPG)、电弧炉气体(EAFG)和钢包炉&真空脱气设备气体(LF-VDG)。
现代联合炼钢厂的能量平衡显示大多数气态燃料主要用于产生能量或燃烧发热。
基于DRP 合成煤气的现代联合钢厂烟道气排放CO2每吨钢水为1.486t。
3 ENERGIRON直接还原技术亮点
ENERGIRON直接还原技术气体处理区域有两种配置:
・ENERGIRON III-带天然气转换器，天然气作为燃料。
・ENRGIRON ZR-无转换器。
天然气、合成煤气、焦炉煤气和其他工业气体作为燃料。
ENERGIRON ZR技术是最新的综合直接还原技术，由HYL和达涅利开发，可以显著降低CO2排放。
没有配备转换器的ENERGIRON ZR配置处理区(见图5)。
在这个装置中，通过将各种工艺气体直接送入反应器，向反应器入口输送氧气，还原气体可以在还原反应器中“现场”制备。
利用这种方式，竖炉内精炼铁的催化作用在还原过程达到最高效率。
在此基础之上，大多数天然气(NG)成分都被用到了冶炼中，只有很小的一部分被转换用以满足加热器中的燃料需求。
当DR反应器和外部催化转换器时，CO2以不经处理的方式从转换器的烟道中排放出去，这与没有转换器的工艺气体配置相反。
和其他技术相比，配备转换器和不配备转换器的ENERGIRON DR工艺共有的主要优势是还原回路拥有一套CO2清除系统。
实际上，这种工艺的一个特点是能够选择性地去除还原过程产生的副产品——H2O和CO2，同时也能降低对环境的影响。
顶部气体洗涤装置可以将水消除掉，而CO2清除系统可以将45%的CO2收集起来。
值得注意的是CO2清除系统也可以100%消除回收的工艺气体中所包含的硫。
装置的工作压力为6bar～8bar，因此化学过程对CO2的选择性清除效率非常高。
通过选择性消除H20和CO2两种氧化剂，还原气体(H:和CO)得到回收，重新回到DR反应器中，能够优化工艺气体成分，节省70%～75%的总能量。
未配置转换器的ENERGIRON DR工厂中，只有30%的碳作为烟道气从工艺气体加热器的烟道中排除，每生产一吨DRI能选择性去除约70kg碳(或250 kgC02)。
4 CO2排放技术的最后考虑
对于DRP-EAF工艺来说，CO2排放受两种配置的影响:
・ENERGIRON ZR(未配置转换器)-天然气基。
・ENERGIRON ZR(配置转换器)-合成煤气(来自于煤)基。
BF-BOF工艺和DR-EAF工艺之间的CO2排放有明显的区别，造成这种差别的原因是因为他们使用了不同的主燃料。
ENERGIRON DR工厂的优势是生产过程中将排放的部分CO2选择性的清除，并且这部分CO2被投入到商业应用中或易地封存起来(如油井中)，进而大幅度减少温室气体GHG的排放。
通过DRP-EAF炼钢工艺排放的C02仅为BF-BOF炼钢工艺CO:排放量的40%。
考虑到ENERGIRONDRP-EAF工艺对CO2的选择性清除，这种工艺的CO2排放量将被进一步降低到BF-BOFCO2排放量的26%。
ENERGIRON直接还原技术包含一项吸收CO2专利工艺，这项工艺能让进入生产过程的总碳量在不经选择的情况下，将通过烟道气排出碳量控制在总碳量的30%之内。
图6显示的CO2排放量看到这项能够减少55%CO2排放量的技术将是未来联合炼钢产业的技术配置，将能够帮助钢厂达到1990年《京都议定H书》规定的排放标准，减少温室气体排放。
和传统的BF-BOF工艺相比，ENERGIRON DRP-EAF联合炼钢工艺是减少和控制CO2排放量的最佳技术。
在天然气太贵或无法供应的地方，可以用煤作为还原剂的ENERGIRON直接还原工艺成为市场上一种理想的替代方案。