利用焦炉煤气作还原剂优化直接还原铁生产

直接还原铁（DRI）技术定义为：铁矿石在不熔化条件下还原为金属铁。DRI 生产过程指固态铁矿石直接获取固态金属铁，未使矿石或金属熔融。主流 DRI 工艺分气基和煤基。DRI 炉料为 10~30 mm 粒矿或球团矿。

气基工艺反应器为竖炉，按逆流原理运行：含铁炉料靠重力下降，上行还原气还原。气基工艺用气体燃料，需能转化重整生成 H₂ 和 CO 混合气。高甲烷天然气最常用。天然气重整富集 H₂/CO 并预热。

焦炉煤气（COG）是副产品焦炉炼焦副产品。COG 成分复杂，典型含 55% H₂、6% CO、25% CH₄，加少量 CO₂、H₂O、重焦油、挥发烃、硫杂质及 N₂。COG 通常作厂内各加热炉燃气，余气制蒸汽、发电或放烧。用 COG 生产 DRI 一直受关注，但难点在于甲烷转化为 CO/H₂ 及焦油、挥发烃净化。每吨焦炭产生的 COG 足以生产 1 吨 DRI。

一体化钢厂利用副产品 COG 生产 DRI 是近年新现象。用 COG 在经济和环保上均有优势：

利用余 COG 作还原气生产 DRI 可回收 97% 可用能量，而燃烧发电仅回收 30%~40%。

两大工艺 Midrex 和 HYL 采用不同路径利用 COG 生产气基 DRI。

Midrex 工艺

Midrex 1970 年代起研究 COG 用于直接还原。主要难题：原料气含不饱和烃、焦油、液态物、高甲烷和硫化物。早期研究聚焦气体调质作为 Midrex 重整器原料气组分。

基于部分氧化技术发展，Midrex 探索用其调质 COG 适配 MXCOL 工艺。但部分氧化缺点是需加蒸汽抑制氧反应生成烟尘。

2011 年中，普莱克斯商业化开发出一种部分氧化技术，具有独特优势：无需喷蒸汽即可实现烃类部分氧化、无烟尘。结合延伸热反应室，预热 COG 进入，反应器出口产物气可直接作直接还原还原剂。该设备组（含气体压缩、预热、反应）称热反应器系统（TRS）。

TRS 采用普莱克斯 COG 部分氧化技术。系统产生原位高速氧射流，快速卷入预热 COG，重整甲烷、分解重烃、破坏焦油，无需催化剂。重整合成气出 TRS 入竖炉生产 DRI。

中试中焦油破坏率超 96%，甲烷重整优化，且开发出避免净生成烟尘的操作条件。

中试结果在夏洛特 Midrex 研发中心 1/20 示范装置放大验证。COG 示范运行典型结果见表1。

表1 COG 示范运行典型结果

COG 气分析 | TRS 入口 | 合成气分析 | TRS 出口

CO | 4~6% | 22~28%

CO₂ | 1~3% | 1~3%

H₂ | 55~65% | 55~65%

H₂O | 0.4~0.8% | 0.5~2.5%

CH₄ | 20~30% | 0.5~3.0%

N₂ | 2~4% | 3~8%

BTX | 0.3~2.0% | 0.0%

HHC | 0.2~0.6% | 0.0%

烟尘 | — | 0.01 mg/Nm³

利用 COG 的两种主要 TRS 方案：配合 MXCOL 流程、配合 Midrex 重整器。

COG 配合 MXCOL 工艺 —— MXCOL 原为利用煤气化合成气生产 DRI。工艺含 CO₂ 移除系统（通常胺液吸收）和辐射管工艺加热器，在炉膛前加热还原气和合成气。COG 用于 MXCOL 典型流程见图1。

利用焦炉煤气作还原剂优化直接还原铁生产

图1 COG 用于 MXCOL 工艺典型流程图

COG 配合 Midrex 重整器 —— TRS 可补充每吨 DRI 所需合成气供应。将 COG 直接加入标准 Midrex 流程可在过渡区或鼓风气中添加（见图2 ①）。此时冶金区温度和重整活性可破坏转化 COG 中焦油和挥发烃。但 COG 掺量达临界点时，厂进入出口燃料工况：产生的顶煤气燃料超重整器消耗量。COG 也可作燃烧器燃料（②），但净效应是 COG 供烧器会产生等量顶煤气外输燃料。在鼓风气（③）或原料气（④）添加 COG 可用 TRS，但需增设 CO₂ 移除系统控制因 COG 添加产生的外输燃料。

利用焦炉煤气作还原剂优化直接还原铁生产