HYL　Ⅲ海绵铁生产技术

陈宏

　　1　前言

　　海绵铁(DRI)又称直接还原铁，主要代替废钢用于电炉炼钢。近年来，由于废钢短缺，海绵铁生产越来越受到重视，其产量已从1970年的80万t逐渐增加到1996年的3330万t。世界上海绵铁生产工艺超过40种，其中工业应用达20种之多^［1］，表1为各种工艺的海绵铁产量在世界海绵铁总产量中所占的比例。

表1　海绵铁总产量中各工艺所占的比例
Table 1　The proportion of each process in
total DRI production　　　　%

　　在海绵铁生产工艺中，气基竖炉法(即MIDREX工艺、HYLⅢ工艺)占绝对优势，世界上多于84%的海绵铁是由气基竖炉法工艺生产的。而MIDREX工艺在气基竖炉法中占了主导地位。近几年HYLⅢ工艺在悄悄崛起，其海绵铁产量每年都在增加。随着HYLⅢ工艺的发展，相信不久的将来，会动摇MIDREX工艺的主导地位。

2　希尔(HYL)工艺的发展状况

　　希尔法海绵铁生产技术属墨西哥希尔萨公司所有，它是用天然气和水蒸汽制取还原气，然后还原气在竖炉中将铁矿石还原成海绵铁。最初的希尔萨海绵铁生产技术称为HYLⅠ工艺，是固定床直接还原设备的典型代表。1957年希尔萨公司在墨西哥蒙特雷建成世界首家工业性直接还原厂??Hylsa1M厂，此后巴西、委内瑞拉、印度尼西亚等国相继引进该直接还原技术。70年代，在美国MIDREX公司的逆流式移动床直接还原工艺成功地投入工业应用以后，希尔萨公司在HYLⅠ工艺的基础上开发出高压逆流式移动床直接还原反应器，即HYLⅢ竖炉。1980年希尔萨公司在蒙特雷建成第一套工业规模的HYLⅢ工艺装置并投入生产。随着HYLⅢ竖炉的日益完善和成熟，HYLⅢ海绵铁生产技术在世界范围内得到推广和应用。表2^［2］给出世界范围内希尔工艺的状况。

表2　采用希尔工艺的工厂及正在建设的项目
Table2　HYL process plants and projects under construction

　　1997年世界海绵铁总产量大于3500万t，其中希尔工艺生产的海绵铁为954万t(HYLⅢ工艺生产的海绵铁占了72%)，比1996年增加了4.7%，至此由希尔工艺生产的海绵铁的量累计超过1.1亿t^［2］。

3　HYLⅢ海绵铁生产工艺流程

　　HYLⅢ海绵铁生产工艺流程图如图1。

图1　HYLⅢ海绵铁生产工艺流程图
Fig.1　HYLⅢ process sheme for DRI production

　　HYLⅢ海绵铁生产工艺流程可以分成两个部分，制气界区和还原界区。制气界区包括还原气的产生和净化，还原界区包括还原气的加热和铁矿石的还原。制气界区中，水蒸汽和天然气混合后在重整炉中催化裂解，产生以氢气、一氧化碳为主的合成气，经脱水后送进还原界区。裂解反应为

CH₄+H₂O=CO+3H₂
CO+H₂O=CO₂+H₂

　　在还原界区中，竖炉炉顶气经脱水和脱二氧化碳后，与来自制气界区的气体混合形成还原气，共同进入还原气加热炉。加热后的还原气从竖炉还原段底部进入炉内，自下而上流动，铁矿石从竖炉炉顶加入，自上而下运动。还原气和铁矿石在逆向运动中发生化学反应，产生海绵铁。即

3CO+Fe₂O₃=2Fe+3CO₂
3H₂+Fe₂O₃=2Fe+3H₂O

　　HYLⅢ工艺生产的海绵铁有三种：
　　不经冷却排出炉外后，直接进入热压块机制成热压块铁，称HBI，主要作为商业产品外销；
　　热态海绵铁经全密封气力输送管道直接热送进电炉炼钢，称HYTEMPIRON；
　　海绵铁进入竖炉下部冷却段后，天然气作为冷却气通入冷却段，海绵铁渗碳并被冷却至50℃以下，然后排出竖炉，得到DRI，此产品主要是工厂内部使用或卖给其他工厂。三种产品特性如表3。

表3　海绵铁产品特性
Table3　DRI products characteristics

　　1)取决于铁矿中的铁含量

4　HYLⅢ海绵铁生产工艺特点

4.1　制气部分和还原部分相互独立
　　MIDREX竖炉炉顶气与天然气混合，共同进入重整炉制取还原气，还原竖炉和制气设备是相互联系，互相影响的。而HYLⅢ竖炉炉顶气经脱水和脱二氧化碳后，直接与重整炉内出来的气体混合制成还原气，还原设备和制气设备相互独立。因此HYLⅢ工艺具有以下特点：
　　(1)HYLⅢ竖炉选择配套的还原气发生设备有很大的灵活性，除天然气外，焦炉煤气、煤发生气、COREX尾气等都可成为还原气的原料气；
　　(2)重整炉处理气量变小，每吨海绵铁仅为475m³，这使HYLⅢ工艺重整炉体积小，造价低。而MIDREX工艺重整炉处理气体体积为每吨海绵铁1　810m³；
　　(3)可以处理硫含量较高的铁矿。而MIDREX竖炉对铁矿的硫含量有一定限制，否则含硫炉顶气进入重整炉将造成裂解催化剂失效。
4.2　还原气中氢气含量高
　　通过天然气和水蒸汽在重整炉中催化裂解生产还原气，因此还原气中氢含量高，H₂/CO为5.6～5.9，使HYLⅢ竖炉中还原气和铁矿石的反应为吸热反应，入炉还原气温度较高，为930℃。而MIDREX工艺主要是天然气和竖炉炉顶气裂解制取还原气，还原气中氢含量相对较低，H₂/CO为1.55，使MIDREX竖炉中还原气和铁矿石的反应是放热反应，还原气温度不能太高，为840℃。
4.3　操作压力高
　　HYLⅢ竖炉操作压力为0.55MPa，由于采用高压操作，竖炉炉顶和炉底均采用球阀密封。为了实现全密封操作，炉顶和炉底均设有间歇式工作的压力仓。如图2所示。铁矿石首先通过炉顶料仓加入炉顶压力仓中，然后将铁矿石再加入碟形仓中，压力仓上下球阀切换开闭，保持煤气不外漏，通过碟形仓下的四个布料管将铁矿石加入炉内。由于采用了碟形仓，可使铁矿石连续加入炉中。生成的海绵铁通过炉底旋转阀排入炉底两个料仓中，两个压力仓切换使用，可实现竖炉连续排料。而MIDREX竖炉操作压力为0.23MPa，炉顶和炉底依靠加料管和排料管的料封作用及补充氮气来封锁煤气。

图2　MIDREX竖炉和HYLⅢ竖炉比较
Fig.2　Comparison between HYLⅢ and MIDREX
(a)MIDREX竖炉；(b)HYLⅢ竖炉

　　由于高温、高压、高氢的特点，使得HYLⅢ竖炉中铁矿石的还原速度加快，竖炉生产效率提高。同MIDREX竖炉相比，同样炉容的条件下，HYLⅢ竖炉海绵铁产量更大。
4.4　炉身结构简单
　　HYLⅢ竖炉内部是空的，只在炉底排料口处设有两根液压松料杆，以保证排料顺畅。而MIDREX竖炉结构复杂，炉内设有冷却气体分配器和海绵铁破碎器。
4.5　部分氧化法技术
　　拥有HYLⅢ技术的工厂总是希望提高还原气温度来增加产量，通过部分氧化法可实现提高还原气温度的目的。在还原气加热炉和竖炉间的管道中喷入氧气，还原气部分氧化并放出热，从而使还原气温度提高。部分氧化反应如下：

2H₂+O₂→2H₂O+Q
2CO+O₂→2CO₂+Q
CH₄+O₂→CO+H₂+H₂O+Q

　　在墨西哥蒙特雷2M5/3M5厂采用部分氧化法不仅使还原气温度从935℃提高到957℃。而且使其他工艺指标也得到改善，表4是采用部分氧化和没采用部分氧化工艺指标比较^［3］

表4　2M5/33M5厂采用部分氧化和没采用
部分氧化结果比较
Table4　Comparative results with/without
partial combustion in 2M5/3M5

4.6　海绵铁热送系统
　　海绵铁热送系统如图3所示。热的海绵铁从竖炉中生产出来后，通过加热的氮气全密封输送到电炉料仓，海绵铁通过料仓给料器加入电炉，输送氮气则经洗涤后返回输送系统。若电炉不需要海绵铁时，海绵铁可离线冷却或进行热压块处理。通过采用气力热送系统，大大降低了电炉的能耗。墨西哥希尔萨公司在蒙特雷新建的Hylsa4M厂，其直接还原装置具有海绵铁(HYTEMP IRON)气力输送系统，该系统于1998年3月投入生产。

图3　HYTEMP IRON气力输送系统
Fig.3　HYTEMP IRON penumatic transport system

5　结语

　　HYLⅢ海绵铁生产工艺在世界范围内已得到广泛使用，工业实践证明，HYLⅢ海绵铁生产工艺是完全成熟的直接还原技术。由于HYLⅢ工艺采用天然气造气，因此对于天然气缺乏的国家来说，全盘引入该技术是行不通的。但该工艺具有制气部分和还原部分相对独立的特点，使得HYLⅢ竖炉和其他形式的制气设备相结合生产海绵铁成为可能。我国是一个天然气缺乏、而煤资源丰富的国家，发展用煤生产海绵铁是我国海绵铁生产的必然方向。煤通过气化可以生产出以一氧化碳和氢气为主要成分的还原气，因此对于我国，应探讨煤气化设备和HYLⅢ竖炉结合生产海绵铁这一新的工艺设想。德士古(TEXACO)炉是成熟的煤造气设备，在世界范围乃至我国的化工厂已得到广泛应用，这给天然气缺乏而煤资源丰富的国家利用成熟的竖炉技术生产海绵铁带来了希望。因此HYLⅢ海绵铁生产技术具有广阔的发展前景。