Energiron直接还原技术：清洁低成本铁生产解决方案
Energiron直接还原技术概述
Energiron直接还原技术是气基直接还原技术。将铁矿球团或块矿转化为金属铁。采用Tenova与Danieli联合开发的HYL直接还原技术，是降低液态钢生产成本的有竞争力且环保清洁方案。采用简单厂房配置，可灵活使用不同还原气源，高效灵活利用铁矿石。其工艺优势关键因素直接与其加压操作相关。
Energiron是Energiron直接还原技术生产的直接还原铁(DRI)产品名称。因携带大量能量在炼钢过程中释放而得名。
Energiron是高冶金化产品，碳(C)含量可控范围1.5%-5.0%。高碳含量在电弧炉(EAF)熔炼中产生化学能。Energiron DRI独特稳定特性使其可安全易于运输，无需压块，遵循IMO(国际海事组织)标准指南。
工艺灵活按用户需求生产三种产品形式：冷DRI、HBI(热压块铁)或热DRI('Hytemp'铁，出料温度>700℃)。冷DRI通常用于邻近还原厂的炼钢车间，亦可出口。HBI为热态排出压块后冷却，通常作海外出口商品。Hytemp Energiron为热态排出DRI，气力输送至邻近炼钢车间直接加入电弧炉。
初期开发由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，后更名Tenova HYL。2006年Tenova与Danieli结盟，以"Energiron"商标设计建设气基DR厂。首个商业规模HYL ZR(零重整)工艺厂1998年投产。首座新一代Energiron ZR年产200万吨厂建于Suez Steel，单模块年产250万吨全球最大Energiron厂建于Nucor Steel。
Energiron直接还原工艺
Energiron直接还原工艺用竖炉生产DRI。设计用于在固-气移动床竖炉中利用还原气体将铁球团/块矿转化为金属铁。氧从铁矿石中通过基于氢(H2)和一氧化碳(CO)化学反应移除，生产高冶金化DRI。工艺灵活生产三种Energiron产品形式适配最终用户。工艺关键在于冶金度和产品碳(C)独立控制。Energiron直接还原工艺基于ZR方案。
热还原气在还原区入竖炉，逆流通过向下移动的铁料床。气体分布均匀，气固直接接触度高，炉内无物理阻碍固气流动。废气(顶气)以~400℃离炉经顶气热回收器回收能量产蒸汽。或利用废气预热还原气流，再经淬冷/洗涤冷却。
洗涤冷却气经冷却气循环压缩机循环回竖炉，补入天然气(NG)。NG作为补气注入冷却气回路以优化冷却和渗碳过程控制。
铁矿石脱氧由热还原气作用完成，产品随即渗碳。竖炉底部旋转阀调节料层连续重力下行流动。Energiron由加压料仓和锁气装置自动排出。专用布料器确保竖炉内固体均匀流动。冷DRI时，~40℃冷却气入炉下锥部，逆流通过DRI移动床。
热产品排出用时，取消冷却回路，连续排出>700℃热DRI。'Hytemp'气力输送系统中，产品经载气输送至炼钢车间储仓，受控加入电弧炉。生产HBI时，>700℃热DRI连续排出至下方热压块机，HBI经振动冷却输送机冷却水冷却后送HBI输送带。
Energiron工艺流程内在高环保特性：选择性消除还原过程副产物水(H2O)和二氧化碳(CO2)，分别通过顶气洗涤和CO2去除系统。选择性移除H2O和CO2优化补给需求。还原产生的H2O冷凝从气流移除，大部分随气携带粉尘也分离。洗涤气经工艺气循环压缩机升压，与NG补给混合，闭合还原气回路。
Energiron ZR方案特征：(i) 利用富氢还原气，H2/CO比~5；(ii) 高还原温度通常>1050℃；(iii) 移动床竖炉内高操作压力通常6-8 kg/cm²。高压允许：(i) 低流化；(ii) 高细粉输入；(iii) 高生产率~10 t/(h·m²)；(iv) 低铁矿消耗；(v) 低还原气速度~2 m/s；(vi) 低压缩因子降低功耗。结果：较小竖炉、促进固体床均匀气体分布、最小化粉尘损失(<1%)、极低品质标准差、降低总铁矿消耗(~1.4 t铁矿/t DRI，3.2mm筛分无回熔)，进而降低运营成本。无集成/外部重整炉另一特点：DRI渗碳灵活性更宽。
工艺自动化
Energiron工艺结合复杂物理化学过程，需优化产生目标化学反应及气液固多相间传热传质。采用完整自动化系统，使用最新过程控制器、软件诊断、高可用性和故障安全特性。5500+模拟量和数字量变量自动分析。所有现场仪表变量由采集系统(PLC、HMI)持续收集，提供持续监控优化的宝贵信息。Energiron先进软件管理集成数据收集、分析、Web报告，配合强大统计工具支持决策，实现实时检测最优设定点，显著节能。
Energiron控制系统基于架构：传统1级设备控制系统含"分布式控制系统"(DCS)，加2级系统，不仅用于过程监督、数据跟踪、生产报表，还用于过程优化。开发了"过程重构模型"(PRM)，利用来自PLC的仪表信号和物理方程提供厂态全描述，可计算通常不可测项目如顶气成分和相关氧化/还原比。
工艺反应
工艺中发生三类化学反应：(i) 重整反应，(ii) 还原反应，(iii) 渗碳反应。原位精炼期间反应：
2CH4 + O2 = 2CO + 4H2 CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 CH4 + H2O = CO + 3H2 2H2 + O2 = 2H2O CO2 + H2 = CO + H2O
还原和DRI渗碳期间反应：
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O 3Fe + CH4 = Fe3C + 2H2 3Fe + 2CO = Fe3C + CO2 3Fe + CO + H2 = Fe3C + H2O
标准Energiron工艺流程图见图1。
典型Energiron工艺能量平衡见图2。
厂房与设备
Energiron直接还原厂主要包含以下厂房设备及特征：
- 容纳移动床的还原竖炉，含铁料装料系统和产品排料系统。
- 还原气回路：工艺气加热器、顶气热回收器、顶气淬冷/洗涤单元、还原气循环压缩机、加湿塔、分离罐。
- 炉运行以最低NG和水消耗及O2喷吹进行。
- 产品排料系统可含：(i) 冷DRI冷却器，(ii) 热压块机生产HBI，(iii) Hytemp气力输送系统将热DRI从竖炉直接送电弧炉。
- 外部冷却气回路：淬冷/洗涤单元和冷却气循环压缩机。
- 基于PSA(变压吸附)的吸附系统，从还原气流移除CO2。
- 铁矿石处理设备：铁矿石缓冲仓、输送带、筛分站、球团镀层系统、给料输送带、取样称重单元。
- DRI处理系统：冷DRI输送带及相关设备。
- 冷却塔及过滤设备、泵。
- 基于闭路的工艺冷却水系统，含澄清器和沉淀池，最小化用水。
- 基于微处理器分布式控制的工艺控制仪表系统。
- 电气变电站、电机、照明。
- 通常基于氮(N2)气的惰性气体系统。
- 空气压缩机。
运行参数与单耗
Energiron ZR工艺产品典型特性见表1。
| 表1 产品典型特性 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 序号 | 项目 | 单位 | DRI | HBI | Hytemp铁 |
| 1 | 冶金度 | % | 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 | t/m³ | 1.60 | 2.50 | 1.60 |
| 5 | 视密度 | t/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工艺典型运行参数与单耗见表2。
| 表2 Energiron ZR工艺典型运行参数与单耗 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 序号 | 项目 | 单位 | 冷DRI | HBI | 热DRI | |||
| 1 | 碳 | % | 4.5 | 2.5 | 2.5 | 4.5 | 4.5 | |
| 2 | 冶金度 | % | 93 | 93 | 93 | 93 | 93 | |
| 3 | DRI温度 | ℃ | 40 | 40 | 700 | 700 | 700 | |
| 4 | 铁料 | t/t | 1.36 | 1.39 | 1.41 | 1.36 | 1.39 | |
| 5 | 天然气 | Gcal/t | 2.25 | 2.20 | 2.23 | 2.35 | 2.25 | |
| 6 | 电力 | kWh/t | 65 | 65 | 80 | 65 | 65 | |
| 7 | 氧气 | Nm³/t | 42 | 53 | 53 | 48 | 53 | |
| 8 | 水 | m³/t | 0.8 | 0.8 | 1.1 | 0.8 | 0.8 | |
| 9 | 氮气 | Nm³/t | 12 | 12 | 19 | 18 | 18 | |
Energiron ZR工艺典型排放见表3。
| 表3 Energiron 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/Nm³ | 50-80 | |
| 2 | 选择性催化还原NOx | mg/Nm³ | 10-50 | |
| 3 | CO | mg/Nm³ | 20-100 | |
| 4 | 加热器/重整炉烟囱粉尘 | mg/Nm³ | 1-5 | |
| 5 | 物料处理除尘粉尘 | mg/Nm³ | 5-20 | |
Energiron ZR工艺特点
Energiron ZR工艺减小了直接还原厂规模并提高效率。还原气在还原竖炉内通过向还原气回路补给NG并在竖炉入口喷吹O2，就地重整天然气烃类生成。工艺中还原气在还原段生成，实现最优还原效率，无需外部还原气重整炉。通常Energiron ZR工艺总能效>80%，通过竖炉内就地重整优化。产品带走工艺大部分供能，大气能量损失最小。
取消外部气体重整炉对厂房规模影响显著。年产100万吨规模，面积需求减少~60%。也便于将DR厂布置在炼钢车间邻近。
Energiron ZR工艺额外优势：DRI渗碳灵活性，允许达到5% C。因竖炉内气体渗碳潜力改善，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直接还原工艺运行条件：高温(>1050℃)，存在H2O和CO2作为氧化剂(还原气与O2喷吹部分燃烧产生)。这些条件促进烃类原位重整。H2和CO生成后，铁矿石同步还原和DRI后续渗碳在反应器内进行，使工艺方案在能量利用和总能耗方面极高效。
基本Energiron ZR方案允许直接使用NG。采用Energiron工艺的DR厂也可用常规蒸汽-NG重整设备作为还原气外部来源，这是气基直接还原工艺长期特征。除NG外，氢气、煤气化系统产生的合成气、石油焦等化石燃料、焦炉煤气(COG)等也可作还原气潜在来源，视具体情况和可用性而定。无论何种还原气源，均采用相同基本工艺方案。
Energiron ZR技术独特特性：能生产受控高碳水平DRI，以碳化铁(Fe3C)形式(通常>90%)。因还原区反应区条件可达5% DRI碳。条件为：高甲烷(CH4)浓度(~20%)伴随H2和CO，及高床温。这些条件促进C扩散进入铁基析出Fe3C。高Fe3C含量DRI显示远低于普通DRI的反应性。
Energiron直接还原厂重要特性：可设计零补给水需求工艺。主要因水是还原反应副产物，冷凝从气流移除。采用基于水热交换器而非常规冷却塔的闭路水系统，无需新鲜补给水，电池限界甚至有少量水剩余。
Energiron直接还原厂排放
Energiron厂排放符合最严格环保法规。主要得益于工艺本身性质。Energiron技术设计高效，在实现厂高总热效率时，无需在重整炉(如用)或加热器中将燃烧空气预热至高温，从而消除高NOx生成可能。采用超低NOx燃烧器可进一步降低NOx排放。应用SCR(选择性催化还原)技术可进一步改善。
Energiron是极清洁的直接还原技术。视配置不同，Energiron厂可移除60%-90%总CO2排放。无论用NG、合成气或COG，DR厂还原气补给含碳(烃类和/或碳氧化物CO、CO2)。无论DR工艺配置，仅15%-40%碳(视DRI碳含量)以结合碳形式随DRI离开，其余以CO2形式离开。
因Energiron ZR工艺产DRI含较高碳，以CO2形式移除碳较少。与外部催化重整炉集成竖炉作还原气补给源的DR配置比较时差异明显。外部重整炉配置中，总工艺NG补给含140 kg C/t DRI，约25 kg C/t DRI(17%)随DRI离开，其余作为重整炉烟气排放。而Energiron ZR工艺中，110 kg C/t DRI补给，40 kg C/t DRI(36%)在DRI中，其余70 kg C/t DRI中65 kg C选择性移除为纯CO2，可他用或封存。同时消除还原过程两副产物H2O和CO2，工艺气利用率>95%。简而言之，Energiron工艺内置选择性消除总碳输入~65%作为CO2(~240 kg CO2/t DRI)。
Energiron厂提供独特选择性CO2回收选项。CO2吸收系统不仅捕获CO2，还捕获工艺气流中硫(如有)，降低厂SO2排放~99%。
氢气作为还原气
铁钢厂中氢气预期近未来替代碳作铁矿石还原能源。气基直接还原中氢气将替代天然气。Energiron ZR工艺已准备好用任意量氢气替代天然气，无需重大设备调整。事实上，Energiron ZR方案中用氢气将反映为更平稳运行和产率提升，因天然气原位重整需求降低。
现有Energiron直接还原厂中，竖炉还原区入口70%氢气浓度已充分验证，涉及蒸汽重整器产生还原气(H2和CO)。
但用氢气替代天然气作能量输入，DRI中碳%将下降，因稀释还原气中CH4浓度。但得益于Energiron ZR方案补给分配至还原回路和燃料利用的灵活配置，即使35%能量输入为氢气(或~64%体积-Nm³/t DRI)，仍可达3.5% C。70%氢气能量输入(~88%体积-Nm³/t DRI)时，预期DRI中C<2.0%。
与NSENGI联盟
2014年Tenova HYL和Danieli与日本制铁工程株式会社(NSENGI)签约，结合商业化其Energiron直接还原技术与优化高炉技术、合成气技术(高效煤气化和钢铁厂副产品气利用技术，NSENGI开发拥有)。新联盟旨在结合各自在Energiron DR、高炉和合成气技术专长的研发活动，最终目标开发新炼铁技术，降低CO2排放和运营成本，同时提高生产率和/或降低一体化炼钢设施资本支出。
制造工艺