Energiron 直接还原技术

Energiron 直接还原技术

Energiron 直接还原技术是一种基于气体的直接还原技术。 Energiron 工艺将铁矿石球团或铁块转化为金属铁。它采用了Tenova和Danieli联合开发的HYL直接还原技术，是降低钢水生产成本的具有竞争力的环保清洁解决方案。它使用简单的工厂配置，可以灵活地使用不同的还原气体源，并且可以非常有效和灵活地使用铁矿石。许多工艺优势的一个关键因素与其加压操作直接相关。

Energiron 是采用 Energiron 直接还原技术生产的直接还原铁 (DRI) 产品的名称。该产品因携带大量能量而得名，这是在炼钢过程中实现的。

Energiron 是一种高度金属化的产品，碳 (C) 含量可控制在 1.5% 至 5.0% 的范围内。 Energiron 较高的 C 含量在电弧炉 (EAF) 熔化过程中产生化学能。 Energiron DRI 独特的稳定特性使其成为符合 IMO（国际海事组织）标准准则的产品，无需压块即可安全轻松地运输。

该工艺非常灵活，可根据每个用户的具体要求生产三种不同的产品形式。 Energiron DRI 的三种形式是冷 DRI、HBI（热压块铁）或热 DRI（排放温度高于 700 摄氏度的“Hytemp”铁）。冷直接还原铁排放通常用于靠近直接还原厂的相邻炼钢车间。它也可以运输和出口。 HBI 是热排放、压块然后冷却的 DRI。它是一种商业产品，通常用于海外出口。 Hytemp Energiron 是热排出的直接还原铁，从直接还原厂气动输送到相邻的炼钢车间，直接送入电弧炉 (EAF)。

最初的开发工作由 Hylsa 完成。 1977 年，Hylsa 成立了一个新的运营部门（HYL 技术），目的是正式开发和商业化直接还原技术。 2005年，Techint Technologies收购了HYL技术。后来这个部门被称为Tenova HYL。 2006 年，Tenova 和 Danieli 成立了一个战略联盟，以设计和建造新的“Energiron”商标下的天然气 DR 工厂。首个商业规模

HYL ZR（零重整器）工艺装置于 1998 年启动。苏伊士钢铁公司安装了第一座年产能为 200 万吨的新一代 Energiron ZR 装置，并且是世界上第一座以单模块年产能为 250 万吨的 Energiron 装置安装在纽柯钢铁公司。

Energiron 直接还原工艺

Energiron 直接还原工艺使用竖还原炉生产直接还原铁。它旨在通过在固体气体移动床竖炉中使用还原气体将铁球团/块矿石转化为金属铁。通过基于氢气 (H2) 和一氧化碳 (CO) 的化学反应从铁矿石中去除氧气 (O2)，以生产高度金属化的 DRI。该过程非常灵活，可以生产三种不同形式的 Energiron 产品，以满足最终用户的需求。该工艺的一个关键方面是金属化和产品碳 (C) 的独立控制。 Energiron直接还原过程基于ZR方案。

热还原气体在还原区被送入竖炉内。在炉内，这些气体与铁料移动床逆流向上流动。气体分布均匀，气体和固体之间有高度的直接接触，对装置内固体或气体的流动没有物理限制。废气（炉顶煤气）在 400 摄氏度左右离开竖炉，通过炉顶煤气换热器，在此回收煤气的能量以产生蒸汽。或者，可以利用废气的能量预热还原气流，然后通过冷却水的骤冷/洗涤过程对废气进行冷却。

洗涤后的冷却气通过冷却气循环压缩机与天然气（NG）混合后循环回竖炉。将 NG 作为补充注入冷却气体回路，以优化冷却和渗碳过程的效率和控制。

通过热还原气体的作用从铁矿石中去除 O2，然后对产品进行渗碳。位于竖炉底部的旋转阀调节炉料向下通过还原炉的连续重力流。 Energiron 由自动机制排出，包括加压箱和锁。特殊设计的流动给料机确保竖炉内固体的均匀流动。对于冷的直接还原铁，冷却气体在 40 摄氏度左右被送入熔炉的下部锥形部分，与直接还原铁移动床逆流向上流动。

对于热产品排放和使用，冷却回路被取消，热 DRI 在高于 700 摄氏度的温度下连续排放。对于“Hytemp”气动输送系统，产品通过载气输送到位于炼钢车间，用于控制向电弧炉进料。对于 HBI 的生产，热 DRI 在高于 700 摄氏度的温度下连续排放到布置在下方的热压块机中。 HBI在使用冷却水的振动冷却输送机中冷却，然后排出到HBI运输输送机。

具有高度环境重要性的 Energiron 工艺流程的内在特征之一是选择性消除还原过程中产生的副产物，即水 (H2O) 和二氧化碳 (CO2)。这些副产品分别通过顶部气体洗涤和 CO2 去除系统消除。 H2O 和 CO2 的选择性去除优化了补充要求。还原过程中产生的 H2O 被冷凝并从气流中去除，大部分随气体携带的粉尘也被分离出来。洗涤后的气体然后通过工艺气体循环压缩机，在那里其压力增加。压缩气体送至CO2脱除装置后与补充的NG混合，从而关闭还原气回路。

Energiron ZR 方案的特点是（i）利用富 H2 还原气体，H2 与 CO 的比例约为 5，（ii）高还原温度通常超过 1050 摄氏度，以及（iii）高操作压力通常在移动床竖炉内 6 kg/sq cm 至 8 kg/sq cm。更高的操作压力允许 (i) 低流化度，(ii) 更高的细粉输入，(iii) 每小时每平方米约 10 吨的高生产率，(iv) 更低的铁矿石消耗，(v) 低还原气体大约每秒 2 米的速度，以及 (vi) 由于较低的压缩系数而降低了功耗。这导致更小的竖炉，促进了通过固体床的均匀气体分布，并且由于较低的牵引力而最大限度地减少了通过炉顶煤气携带的粉尘损失（小于 1%）。除了降低整体铁矿石消耗量（每吨 DRI 大约 1.4 吨铁矿石，在 3.2 毫米筛分且无重熔）之外，这也导致所生产的 Prime Energiron 质量的标准偏差非常低。这反过来又降低了整体运营成本。该工艺方案的另一个显着特点是无需集成/外部重整器，为 DRI 渗碳提供更广泛的灵活性。

流程自动化 – Energiron 工艺结合了不同且复杂的物理化学过程，这些过程将被优化以在各种气相、液相和固相之间产生所需的化学反应和热质交换。出于这个原因，使用了一个完整的自动化系统，该系统又使用了过程控制器、软件诊断、高可用性和故障安全功能领域的最新可用技术。该过程由超过 5,500 个模拟和数字变量控制，这些变量由自动化系统自动分析。各种采集系统（PLC、HMI）不断收集来自现场仪器的所有过程变量，为持续监控和优化过程提供一组有价值的信息。 Energiron 流程的高级软件通过管理集成数据收集、分析和网络报告以及强大的统计工具来支持决策，从而充分利用了这一巨大潜力。通过实时检测最佳设定点，最终可以进一步优化流程效率，从而节省大量能源。

Energiron 控制系统基于一个架构，该架构由用于设备控制的传统 1 级系统和“分布式控制系统”(DCS) 以及 2 级系统组成，不仅用于过程监控、数据跟踪和生产报告的创建，而且也用于工艺优化。已经开发了“流程重建模型”（PRM）。它使用来自 PLC 的仪表信号和物理方程来提供工厂状态的完整描述。这样就可以计算出许多通常无法测量的项目，例如炉顶煤气成分和相关的氧化还原比。

过程反应 – 在此过程中会发生三种化学反应。它们是(i)重整反应，(ii)还原反应，和(iii)渗碳反应。在原位精炼过程中发生以下反应。

2CH4 + O2 =2 CO + 4 H2

CH4 + CO2 =2CO + 2H2

CH4 + H2O =CO + 3 H2

2H2 + O2 =2 H2O

CO2 + H2 =CO + H2O

DRI在还原和渗碳过程中发生的反应如下。

Fe2O3 + 3CO =2Fe + 3CO2

Fe2O3 + 3 H2 =2Fe + 3H2O

3Fe + CH4 =Fe3C + 2H2

3 Fe + 2 CO =Fe3C + CO2

3 Fe + CO+ H2 =Fe3C + H2O

标准Energiron工艺流程图见图1。

图1 Energiron工艺流程图

Energiron工艺的典型能量平衡如图2所示。

图2 Energiron过程的典型能量平衡

厂房和设备

Energiron直接还原装置主要由以下装置和设备及其特点组成。

• 装有移动床的还原竖炉。该竖炉设有铁料装料系统和产品卸料系统。
• 还原气回路，由工艺气体加热器、炉顶煤气换热器、炉顶煤气淬火/洗涤装置、还原气循环压缩机、加湿塔和分离罐组成。
• 以最少的 NG 和水消耗以及 O2 注入来运行熔炉。
• 产品卸料系统可以具有 (i) 用于冷 DRI 生产的冷却器，(ii) 用于生产 HBI 的热压块机，和/或 (iii) Hytemp 气动输送系统，用于直接从轴输送热 DRI炉到电弧炉 (EAF)。
• 外部冷却气体回路，由淬火/洗涤装置和冷却气体循环压缩机组成。
• 一种基于 PSA（变压吸附）的吸附系统，用于从还原气流中去除二氧化碳 (CO2)。
• 铁矿石处理设备，包括铁矿石缓冲仓、转运输送机、筛分站、球团包衣系统、进料输送机，以及取样和称重装置。
• DRI 处理系统，由用于运输冷 DRI 的输送机和相关设备组成。
• 冷却塔以及过滤设备和泵。
• 工艺冷却水系统，基于闭合回路，可最大限度地减少用水量，带有澄清池和沉淀池。
• 使用基于微处理器的分布式控制的过程控制和仪表系统。
• 变电站、电动机和照明设备。
• 惰性气体系统通常基于氮气 (N2)。
• 空气压缩机

操作参数和单位消耗

Energiron ZR工艺产品的典型特征见表1。

Energiron ZR工艺的典型操作参数和具体消耗见表2。

Energiron ZR 工艺的典型排放如表 3 所示。

Energiron ZR 工艺的特点

Energiron ZR 工艺减小了直接还原装置的尺寸并提高了效率。通过将 NG 作为补充气送入还原气回路并在竖炉入口处注入 O2，还原气是在还原竖炉内对天然气中的烃进行原位重整产生的。在此过程中，由于还原气体在还原段中产生，因此实现了最佳还原效率。因此，不需要外部还原性气体重整器。通常情况下，Energiron ZR 工艺的整体能效超过 80%，这是通过竖炉内的原位重整优化的。该产品吸收了大部分供应给该过程的能量，而对大气的能量损失最小。

取消外部气体重整器对工厂规模的影响是显着的。对于每年 100 万吨的产能，面积需求减少了约 60%。这也有助于将 DR 工厂选址在炼钢车间附近。

Energiron ZR 工艺的另一个优点是 DRI 渗碳的灵活性，它可以达到高达 5% 的 C 水平。这是因为提高了轴内气体的渗碳潜力，这允许主要生产 Fe3C。 Fe3C含量高的DRI的反应活性比普通DRI低得多，因为Fe3C需要更高的解离热。

Energiron 直接还原过程中存在的操作条件的特点是高温（高于 1050 摄氏度），存在作为氧化剂的 H2O 和 CO2，这些氧化剂是通过注入 O2 的还原气体的部分燃烧产生的。这些条件促进了烃的原位重整。一旦产生 H2 和 CO，铁矿石的还原和 DRI 的后续渗碳同时发生在反应器内部，使该工艺方案在能源利用和整体能源消耗方面非常有效。

基本的 Energiron ZR 方案允许直接使用 NG。使用 Energiron 工艺进行直接还原的工厂也可以使用传统的蒸汽-天然气重整设备作为还原气体的外部来源，这一直是基于气体的直接还原工艺的特点。代替 NG，其他气体，例如 H2、煤气化系统产生的合成气、石油焦和类似的化石燃料以及焦炉气 (COG) 等，也可以用作还原气的潜在来源，具体取决于关于特定情况和可用性。在任何情况下，无论还原气源如何，都使用相同的基本工艺方案。

Energiron ZR 技术的一个独特之处在于它能够在直接还原铁中以碳化铁 (Fe3C) 的形式（通常高于 90%）产生受控的高碳含量。由于反应器还原区存在的条件，可以获得高达 5% 的 DRI 碳水平。这些条件包括高浓度甲烷 (CH4)（约 20%）以及 H2 和 CO，以及床层的高温。这些条件有利于 C 扩散到铁基体中和 Fe3C 的沉淀。 Fe3C含量高的DRI的反应活性远低于普通DRI。

Energiron 直接还原工厂的一个重要特点是可以设计零补水需求的工艺。这可能主要是因为水是还原反应的副产物，因为它被冷凝并从气流中除去。因此，通过采用基于使用水热交换器而不是传统冷却塔的闭路水系统，不需要新鲜的补充水，实际上电池中有少量水可用限制。

Energiron 直接还原工厂的排放

Energiron 工厂的排放符合最严格的环境法规。这主要是由于过程本身的性质。 Energiron 技术因其工艺配置而在设计上十分高效。因此，在工厂实现高整体热效率的同时，无需在重整器（使用时）或加热器中将燃烧空气预热至高温，从而消除了高 NOx 生成的可能性。采用超低 NOx 燃烧器可进一步减少 NOx 排放。 SCR（选择性催化还原）技术的应用可以得到进一步的改善。

Energiron 是一种非常清洁的直接还原技术。根据配置的不同，Energiron 工厂可以去除 60% 到 90% 的 CO2 总排放量。用于生产 DRI 的两种技术之间的二氧化碳排放量可能有很大差异。无论是使用 NG、合成气还是 COG，直接还原工厂的还原气体都含有 C，其形式为碳氢化合物和/或含碳化合物 (CO、CO2)。此外，无论直接还原工艺配置如何，只有 15 % 到 40 %（取决于 DRI 中的 C 含量）在 DRI 中以组合 C 的形式离开该过程，其余的以 CO2 形式离开。

由于 Energiron ZR 工艺生产的直接还原铁含有较高百分比的 C，因此以 CO2 形式去除的 C 量较少。当与直接还原配置中的 CO2 气体生成相比时，可以注意到 CO2 气体生成的差异，其中外部催化重整器集成到直接还原竖炉中作为还原气体补充源。在直接还原配置的情况下，将外部催化重整器集成到直接还原竖炉中，在每吨 DRI 含有 140 公斤 C 的总过程 NG 中，每吨 DRI 约 25 公斤 C（ 17 %) 作为 DRI 的一部分离开该过程，其余部分作为烟道气从重整器中释放出来。这些数字与每吨 DRI 110 公斤的碳相比，其中每吨 DRI 有 40 公斤的 C (36%) 是在 Energiron ZR 工艺中产生的 DRI 中。此外，在每吨 DRI 剩余的 70 kg C 中，有 65 kg C 作为纯 CO2 被选择性去除，可用于其他应用或封存。消除了还原过程中产生的副产物 H2O 和 CO2，将过程中的气体利用率提高到 95% 以上。简而言之，Energiron 工艺提供内置选择性消除约 65% 的总 C 输入作为 CO2（每吨 DRI 约 240 kg CO2）。

Energiron 工厂提供了选择性回收二氧化碳的独特选择。 CO2 吸收系统不仅可以捕获工艺气流中存在的 CO2，还可以捕获硫，从而将工厂的 SO2 总排放量减少约 99%。

氢气作为还原气体

在钢铁厂，H2 有望在不久的将来取代 C 作为铁矿石还原过程的能源。在基于气体的直接还原过程中，H2 将取代 NG。 Energiron ZR 工艺已经准备好使用任何量的 H2 来代替 NG，无需进行重大设备调整。事实上，在Energiron ZR工艺方案中，由于对NG气体的原位重整要求会降低，H2的使用将体现在运行更加平稳和生产率的提高。

在现有的 Energiron 直接还原装置中，使用蒸汽重整器生产还原气体（H2 和 CO），已充分证明在还原竖井入口处使用高达 70% 的 H2 浓度。

然而，随着使用 H2 替代​​ NG 作为能量输入，DRI 中的 % C 将降低，因为它会稀释还原气体中的 CH4 浓度，但由于灵活的工艺配置Energiron ZR 方案就还原回路的补充分配和燃料利用而言，即使在 35% 的 H2 能量输入（或约 64% 体积 - 每吨 DRI 的 N cum）下，也有可能实现 3.5%C .对于 70 % 的 H2 作为能量（大约 88 % 的体积 - 每吨 DRI 的 N cum），DRI 中的预期 C 将小于 2.0 %。

与 NSENGI 结盟

2014 年，Tenova HYL 和 Danieli 与新日铁住金工程有限公司 (NSENGI) 达成协议，将其 Energiron 直接还原技术与优化的高炉技术以及合成气技术（高NSENGI开发和拥有的高效煤气化和炼钢厂副产煤气利用技术）。新联盟的目的是将研发活动与其各自在 Energiron DR、高炉和合成气技术方面的专业知识相结合，最终目标是开发一种新的炼铁技术，该技术将减少二氧化碳排放和运营成本，同时提高生产力和/或减少综合炼钢设施的资本支出。