氢等离子体熔融还原炼铁的工业实践

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01

氢等离子体熔融还原技术原理及优势

氢等离子体熔融还原(HPSR)工厂的设计理念,是每小时连续生产75吨液态钢,如图1所示。这相当于年产120万吨的钢厂。粒径在1-10mm之间的矿粉在炉子的热废气中被预热,并被预还原成方铁矿。与直接还原法相比,该预还原反应并不重要,因为在随后的液相反应中还原速度要快得多并且氢气的利用程度要高得多。

HPSR将预热粉矿连续运输到氢等离子体熔融还原反应器中,并添加少量的石灰或白云石以达到合适的炉渣黏度。通过六个倾斜放置的空心电极,将还原气体和直流电引人熔体中,达到集中能量的目的。需要持续提供82MW的电力和100m3/h(标态)的氢气。来自反应器的热废气与冷气体混合,以达到预热矿石所需的温度。随后将气体清洗并干燥,并将气体再循环,重新使用之前添加额外的H2和Ar以弥补所需的浓度。矿粉的还原度至少为97%,这使铁素损耗保持在3%以下,磷的还原率保持在50%以下。液态炉渣(最大6t/h)被喷溅到反应器壁,起到保护层的作用,并以一种可控的方式脱落。液态铁被虹吸管连续抽出并进行脱气以除去氢气,从而将其还原和合金化到所需标准。

02

不同炼钢工艺成本对比

HPSR的概念十分新颖,但只有在经过工业试验数年反复的研究工作后才能实现,而且必须解决以下问题:1)连续预热矿粉并将其输送到氢等离子体熔融还原反应器;2)反应堆设计和高能量的控制;3)控制必要的大量气体;4)反应堆的耐火衬里和冷却。

在假定这些问题能够得到适当解决的前提下,有学者对当前和可能的钢铁生产路线进行了经济比较,如图2所示。通过综合钢铁厂生产的热轧带钢的当前每吨成本被认为是100%。比较表明,HPSR是最佳选择,可降低成本21%,FINMELT是FINMET工艺的进一步发展,采用与氢等离子体熔融还原相似的方式将热直接还原铁连续装入电弧炉。计算中还模拟了高于当前40%电能成本所造成的总成本差异,并调查了这种差异对各个成本组和总成本的影响。

可以发现,电能成本是氢等离子体熔融还原的最大影响因素,生产氢气和熔炼所需的电能成本每增加40%,热轧带钢的生产成本每吨将增加8%。但即便如此,氢等离子体熔融还原的总成本仍比综合钢铁厂目前的优化成本低约13%。

其他因素对成本的影响较低,因为氢等离子体熔融还原过程是一步法,是连续的,影响因素与两步法炼钢工艺FINMELT流程类似。

03

不同工艺路线的潜力综合评估

图3所示为对三条生产路线的潜力综合评估。不能单凭生产成本就作出大的开发和投资决策。除了可量化或部分可量化的值之外,还有许多因素只能相对主观地进行判断:值越小或6个轴的每一轴上的面积越小,这过程就越有利。

“投资价格”包括所需的成本和资本以及产品销售收入。它表示每个生产单元的工艺主观价值。由于综合钢铁厂是长流程大型设备,工厂的必要成本将“投资价格”推高至更简单、更小的 FINMELT和HPSR生产线之上。

“愿景”下显示了未来的可能性、发展潜力和相对价值,这些价值无法计算,只能给出主观的数字。综合钢厂的发展潜力(产品质量和价格、能耗、灵活性、新工艺、基础设施等)已经进行了广泛的技术和经济优化,但发展潜力很低。FINMELT与预先减少矿粉相结合,具有巨大的未来潜力。一步法HPSR工艺在各个方面都具有最大的发展潜力,特别是新产品的质量。

环境考虑因素也表明,只要使用的能源不是来自化石燃料,HPSR就是首选,二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物排放量可降至最低,且不太可能有废水污染。

从吞吐时间可以看出,在一个组织良好的钢铁厂,将原材料送到热轧厂大约需要40h,在这个过程中会产生相关的冷却损失。FINMELT的预计吞吐时间为6h,HPSR的吞吐时间为3h。这实现了客户服务和生产数量的高度灵活性,以及较低的产品临时存储水平,从而降低了资本锁定。

HPSR工艺的研发需求和投资风险最高,而常规钢厂的研发需求和投资风险最低。

在新建钢铁厂时,基础设备尤为重要。未来,与客户的距离、一致的质量和交货期、灵活性、简单的物流以及钢材生产商和使用商之间的开发合作等因素将变得越来越重要。成本效益高的氢等离子体熔融还原电厂最能满足这些要求。较小的生产单元允许针对特定客户进行定制生产。在运输距离短、不需要仓储的情况下,在质量和数量上对客户的要求作出反应的灵活性是无与伦比的优势。与综合钢铁厂相比,由于工厂规模较小,投资、基础设施和人员成本等固定成本较低。除了满负荷运行工厂所需的较低成本外,如果工厂必须在额定产能下运行,则较低的固定成本也是有利的。较小的生产单元也有利于生产协同,并且更容易管理。

在所有标准的评估中,HPSR的面积很小,表明它具有最大的未来潜力,但开发成本也很高。由于对天然气的需求,FINMELT仅适合在某些区域使用。在熔融直接还原炼铁方向开展必要的研发工作,也将有利于HPSR的发展。

本文为部分内容,全文请参阅《世界金属导报》42期B01。

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本文摘选自本报2021年第42期B01部分内容,若要详细了解更多相关行业和技术信息,请关注本报纸质报纸每期A版和B版内容,或者登陆本报手机APP客户端,或者本报网站新址:http://www.worldmetals.com.cn/电子报阅读全文。转载请注明出处。

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