Energiron HYL工艺：铁矿直接还原生产优质DRI的先进技术

HYL铁矿直接还原工艺概述

HYL工艺设计用于利用还原气体在固-气移动床反应器中将铁矿(球团/块矿)转化为金属铁。通过基于氢(H₂)和一氧化碳(CO)化学反应从铁矿移除氧(O₂)，生产高冶金化直接还原铁(DRI)/热压块铁(HBI)。HYL工艺现以“Energiron”商标推广。

HYL铁矿直接还原工艺是Hojalata y L.mina, S.A.(后称Hylsa)始于1950年代初研究成果。概念初步评估后，决定安装隧道炉工艺并多次试运行。首批于1950年7月5日用古老炉子(原为加热板建造)制作。1份12-25mm破碎矿混合40%焦粉和15%同粒度石灰石。混合料装入粘土坩埚和两根直径100mm、长1米铁管。生产20kg优质DRI。

首座设计日产50吨气基厂未达可接受冶金化水平。18个月运行中经历多变更，含安装天然气转化炉改善还原气。最终1955年初停运。这次挫折后开展多实验并组装中试厂测试新想法。中试厂投运后成功以30吨/天生产优质还原铁，很快达系统性日产近60吨。

工艺发展历程

凭借气基HYL直接还原工艺成功生产DRI，开始研究设计日产230吨DRI首座商业厂。首座工业规模直接还原厂1957年12月5日投运。Hylsa Monterrey 1-M厂为固定床反应器间歇工艺，初始年产7.5万吨DRI。连续运行至1991年，近35年完整生产。1978年美国金属学会指定Hylsa HYL工艺1-M厂为历史地标，因其为直接还原炼铁技术首个成功工业实施。但因间歇性质技术竞争力有限。

1970年底世界DRI总产量达79万吨，其中68万吨产自HYL工艺厂。但HYL预见因间歇性质竞争力受限。为此1967年启动研究项目开发连续(移动床)工艺，1980年5月墨西哥蒙特雷Hylsa启动首座工业厂，距首座HYL厂成功23年。新连续竖炉工艺称HYL III。新工艺概念带来更高厂生产率、优越DRI质量、更低能耗、更简单厂操作。

HYL III名字代表HYL技术第三代。第二代(HYL II)基本是改进原始固定床工艺提高效率降低天然气消耗。此开发阶段两重要改进：(i) 还原气再热炉用高温合金管，允许将气加热至更高温度；(ii) 再热炉从原四台减至两台。HYL II工艺通常用镍基催化转化生成富CO和H₂还原气。但HYL II未商业化，因HYL III出现提供显著优势。

此后HYL III移动床工艺纳入多改进。1986年还原气回路引入CO₂移除系统，显著提升生产率、能耗、DRI质量。转化气消耗降约50%，竖炉生产率增约50%。

1995年HYL厂引入部分燃烧技术，在还原气加热器与竖炉入口间传输管线喷射O₂。此方案允许显著提高还原气温度及原位转化。转化气消耗降约25%，竖炉生产率提升。1988年全天然气原料和O₂喷射竖炉(还原反应器)导致“HYL自转化方案”，转化气补给降为零。此无转化炉方案称HYL ZR工艺，1998年4月Hylsa 4M厂、2001年7月Hylsa 3M5厂成功应用。

1988年引入球团/块矿涂层用于直接还原。1993年气力输送系统(Hytemp技术)和热DRI给料EAF引入。1994年HYL开始生产高碳(3%-5%C)DRI。1997年世界首套双出料(DRI和HBI)厂设计投运。

2000年常规使用100%块矿装料成功。2001年基于HYL ZR(零转化炉)无转化炉技术微模块(20万吨/年)厂引入。基于煤气化和焦炉煤气(COG)HYL ZR工艺厂引入。同年供应单模块设计产能250万吨/年DR厂。微模块与250万吨/年单模块间有50万吨、80万吨、120万吨、160万吨年产能模块可用。

初始开发由Hylsa完成。1977年Hylsa设立新运营部门(HYL technologies)正式开发商业化直接还原技术。2005年Techint Technologies收购HYL technologies。后该部门称Tenova HYL。2006年Tenova和Danieli形成战略联盟，在新“Energiron”商标下设计建造气基DR厂。Energiron是Tenova和Danieli联合开发创新HYL直接还原技术，名称源于区分此技术于其他可用工艺的独特DRI产品。

厂与设备

HYL直接还原厂主要含以下厂设备及特征：

• 容纳移动床的还原竖炉，含铁负荷装料系统和产品排料系统。
• 还原气回路，含工艺气加热器、炉顶气热回收器、炉顶气淬冷/洗涤单元、还原气循环压缩机、加湿塔、分离罐。
• 炉运行以最小天然气和水消耗、O₂喷射进行。
• 产品排料系统可含：(i) 冷却器生产冷DRI；(ii) 热压块机生产HBI；(iii) Hytemp气力输送系统将热DRI直接从竖炉输送至电弧炉(EAF)。
• 外部冷却气回路，含淬冷/洗涤单元和冷却气循环压缩机。
• 基于PSA(变压吸附)从还原气流移除二氧化碳(CO₂)的吸附系统。
• 铁矿处理设备含铁矿缓冲仓、传输输送机、筛分站、球团涂层系统、给料输送机、取样称重单元。
• DRI处理系统含输送机及相关设备输送冷DRI。
• 冷却塔含过滤设备和泵。
• 基于闭路最小化水耗的工艺冷却水系统，含澄清器和沉淀池。
• 基于微处理器分布式控制的工艺控制仪表系统。
• 变电站、电机、照明。
• 通常基于氮(N₂)气的惰性气体系统。
• 空气压缩机。

工艺描述

Energiron直接还原工艺(HYL工艺)用竖炉生产DRI。设计用于利用还原气体在固-气移动床竖炉将铁球团/块矿转化为金属铁。通过基于H₂和CO化学反应从铁矿移除O₂，生产高冶金化DRI。

直接还原工艺示意流程见图1。

图1 直接还原工艺示意流程图

HYL工艺主要特征：(i) 利用富氢还原气，H₂/CO比>4；(ii) 高还原温度通常>930℃；(iii) 高运行压力通常5-8kg/cm²。高运行压力特征含：(i) 低气速；(ii) 低拖曳力；(iii) 少粉尘夹带；(iv) 低铁质材料消耗；(v) 高厂产能/尺寸比；(vi) 低压缩因子致低功耗。竖炉高运行压力也导致高炉生产率约9吨/小时/平方米。

工艺灵活生产三种不同产品形式，视用户具体需求。三种DRI形式：冷DRI、HBI或热DRI(Hytemp铁)。冷DRI排料通常用于邻近直接还原厂的炼钢车间。遵循程序预防措施避免再氧化也可发运出口。HBI为热排料DRI经压块冷却。通常为海外出口商品。Hytemp铁为热排DRI，从DR厂气力输送至邻近炼钢车间直接入电弧炉(EAF)。三产品排料选项及Hytemp铁系统流程见图2。

图2 三产品排料选项及Hytemp铁系统流程图

基本工艺配置以其处理不同气体分析灵活性为特征。还原气可：(i) 竖炉内天然气原位转化直接生成；(ii) 外部天然气/蒸汽转化炉生成；(iii) 煤气化合成气、生物质等；(iv) Corex等熔融还原工艺废气；(v) 焦炉煤气(COG)来源。所有情况工艺配置对应相同基本零转化炉方案，按特定应用调整设备相对尺寸。原位和蒸汽转化两选项中，天然气分析(重烃含量)非限制因素。“补给”气可为H₂、CO、CO₂、烃类任意比例混合。

Energiron工艺流程内置高环保重要性特征：选择性消除还原过程副产物水(H₂O)和CO₂。分别通过炉顶气洗涤和CO₂移除系统消除。H₂O和CO₂选择性移除优化补给需求。还原过程产生水在气流中冷凝移除，随气携带大部分铁粉也分离。洗涤气经工艺气循环压缩机升压。压缩气经CO₂移除单元后与天然气补给混合，闭合还原气回路。

HYL工艺关键因素为其加压运行。O₂用量取决于烃含量。DRI冶金化度和C独立控制。

工艺中发生三类化学反应：(i) 部分氧化和转化反应；(ii) 还原反应；(iii) 碳化反应。反应如下：

部分氧化和转化反应

2CH₄ + O₂ = 2CO + 4H₂

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂

2H₂ + O₂ = 2H₂O

CO₂ + H₂ = CO + H₂O

还原反应

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂

碳化反应

3Fe + CH₄ = Fe₃C + 2H₂

3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂

3Fe + CO + H₂ = Fe₃C + H₂O

天然气转化需要：(i) 一定水平氧化剂(H₂O和CO₂)需仔细控制；(ii) 部分燃烧导致的高温；(iii) 活性催化剂，由已还原铁矿金属铁单元提供。还原反应产生氧化剂部分被转化反应消耗。此方式下，一旦接触竖炉内固体材料，因金属铁(Fe)催化作用甲烷在竖炉内进一步原位转化。此条件下甲烷始终接触新催化剂(DRI中金属Fe)因DRI连续从竖炉移除。因此原位还原气生成和还原在高效环境发生。此转化过程高吸热，持续至温度仍足够高。温度降至某水平以下原位转化不再发生仅进行铁矿还原。大部分钢铁碳化通过甲烷(CH₄)裂解生成碳化铁(Fe₃C)进行。

Energiron ZR工艺减小HYL直接还原厂规模、提高效率。还原气在还原竖炉内原位生成，通过向还原气回路补给天然气并在竖炉入口喷射O₂。工艺中因还原气在还原段生成实现最优还原效率。因此不需外部还原气转化炉。通常ZR工艺总能效80%以上，通过竖炉内原位转化优化。产品获取工艺供给大部分能量，向大气能量损失最小。

取消外部气体转化炉对厂规模影响显著。100万吨/年产能面积需求降约60%。也便于DR厂邻近炼钢车间布置。

ZR工艺额外优势为DRI碳化灵活性，允许达5%C水平。因竖炉内气体碳化潜力改进，允许主要生成Fe₃C。高Fe₃C含量DRI反应性远低于普通DRI，因Fe₃C需更高解离热。

Energiron工艺也可用蒸汽常规天然气转化，这特征HYL工艺长期以来。其他气体如H₂、煤/石油焦/类似化石燃料气化合成气、焦炉煤气(COG)等，视具体情况和气源可用性也可作还原气来源。此灵活性可用，因Energiron ZR工艺独立于还原气源，无需循环气回转化炉完成工艺化学循环。

热还原气在还原区送入竖炉。气体向上逆流通过铁负荷移动床。气体分布均匀，气固直接接触程度高。排气(炉顶气)约400℃离开竖炉经炉顶气热回收器回收热量产蒸汽。或者废气热量用于预热还原气流，然后经淬冷/洗涤冷却废气。

冷DRI生产时，约40℃冷却气送入竖炉下锥部，向上逆流通过DRI移动床。气体分布均匀，气固直接接触程度高，炉内无物理限制固气流动。

热DRI通过竖炉旋转阀排出，经分流阀送Hytemp系统或替代外部冷却器(冷DRI生产)。气力输送通常按竖炉生产速率进行。

HBI生产时，热DRI>700℃连续排出至下方热压块机。HBI在振动冷却输送机用冷却水冷却后排入HBI输送机。

Hytemp铁用气力系统输送热DRI至电弧炉(EAF)。用氮(N₂)或工艺气作输送气。环保工艺因DRI从还原竖炉排出至入EAF全程封闭。系统灵活单竖炉供两台EAF。竖炉底部DRI排入气力输送系统，来自气体加热器热气流循环用于输送DRI。为避免降解，DRI靠压力建立而非气速输送。热DRI到达EAF顶部储料仓时DRI和气体分离。气体送洗涤器冷却清洁，压缩加热循环。进入气体加热器前补给气补偿DRI与输送气分离损失。热DRI从输送气分离送过渡仓从输送系统压力过渡至大气压。过渡仓DRI进储料仓重力入EAF。炼钢车间未准备好用或存热DRI时热DRI也可从竖炉送外部冷却器。外部冷却器通常有冷却全DRI产能。

典型HYL III工艺配置中，热转化气和转化炉烟气显热主要用于产蒸汽。DRI工艺厂蒸汽需求两终端用户：(i) 转化用蒸汽；(ii) 还原回路CO₂吸收系统排汽蒸汽。蒸汽量压力按实现最优热力机械平衡指定。通常高压(63kg/cm²)产蒸汽，为在单高效汽轮发电机发电前最大化利用蒸汽焓用于转化和CO₂解析器再沸器。此法厂总电力需求可厂内满足。汽轮发电机容量约冷排90kWh/吨或热排105kWh/吨HBI，足满足厂总电力需求。

Energiron直接还原厂重要特征是可设计零补给水需求工艺。这主要因水是还原反应副产物，冷凝从气流移除。结果采用基于水热交换器而非常规冷却塔闭路水系统，无需鲜水补给，电池界限实际留少量水流。

运行参数与具体消耗

Energiron ZR工艺产品典型特征见表1。

表1 产品典型特征
序号	项目	单位	DRI	HBI	Hytemp铁
1	冶金化度	%	92-95	92-95	92-95
2	碳	%	1.5-5.5	1.5-2.5	1.5-5.5
3	温度	℃	40	40	>600
4	堆积密度	吨/m³	1.60	2.50	1.60
5	视密度	吨/m³	3.20	5.00	3.20
6	公称尺寸	mm	6-15	110×60×30	6-15
7	Fe₃C	%	25-60	25-30	25-60

Energiron ZR工艺典型运行参数和具体消耗见表2。

表2 HYL ZR工艺典型运行参数和具体消耗
序号	项目	单位	冷DRI		HBI	热DRI
1	碳	%	4.5	2.5	2.5	4.5	4.5
2	冶金化度	%	93	93	93	93	93
3	DRI温度	℃	40	40	700	700	700
4	铁负荷	吨/吨	1.36	1.39	1.41	1.36	1.39
5	天然气	Gcal/吨	2.25	2.20	2.23	2.35	2.25
6	电力	kWh/吨	65	65	80	65	65
7	氧气	标m³/吨	42	53	53	48	53
8	水	m³/吨	0.8	0.8	1.1	0.8	0.8
9	氮气	标m³/吨	12	12	19	18	18

Energiron ZR工艺典型排放见表3。

表3 HYL ZR工艺典型排放
序号		排放物	单位	数值
1	超低NOx燃烧器NOx		mg/标m³	50-80
2	选择性催化除NOx		mg/标m³	10-50
3	CO		mg/标m³	20-100
4	加热器/转化炉烟囱粉尘		mg/标m³	1-5
5	物料处理除尘粉尘		mg/标m³	5-20