用于直接还原铁矿石的HYL工艺

HYL工艺旨在通过在固体气体移动床反应器中使用还原气体，将铁矿石（颗粒/块状矿石）转化为金属铁。通过基于氢气（H2）和一氧化碳（CO）的化学反应，从铁矿石中去除氧气（O2），从而生产出高度金属化的直接还原铁（DRI）/热压块铁（HBI）。HYL工艺目前是以 "Energiron "商标销售的。

直接还原铁矿石的HYL工艺是Hojalata y L.mina, S.A.（后来被称为Hylsa）在50年代初开始的研究工作的成果。在对这一概念进行初步评估后，决定安装一个使用隧道炉的工艺，并进行了几次运行。第一批是在1950年7月5日通过使用一个古老的炉子（已建成的加热板）进行的。一部分大小为12毫米至25毫米的碎矿石与40%的焦炭和15%的石灰石混合，其颗粒度与矿石相同。这种混合物被放入粘土坩埚和两个铁管中，每个铁管的直径为100毫米，长度为1米。生产了20公斤的优质DRI。

第一个以气体为基础的工厂，其设计能力为每天50吨，但无法达到可接受的金属化水平。在其运行的18个月中，它经历了几次改变，包括安装一个天然气重整器，以改善还原气体。最后，在1955年初，它的运行被暂停。在这次令人沮丧的尝试之后，进行了几次实验，并组建了一个试验工厂，以测试新的想法。当这个试验工厂投入运行后，它开始成功地生产高质量的还原铁，速度为每天30吨。它很快就达到了每天近60吨的系统生产。

随着以气体为基础的HYL直接还原工艺成功地生产出直接还原铁，开始研究设计第一个日产230吨DRI的商业工厂。第一个工业规模的直接还原工厂于1957年12月5日投入运营。Hylsa Monterrey 1-M工厂是一个固定床反应器或间歇式工艺，最初的能力是每年生产75,000吨DRI。它一直持续运行到1991年，只差整整35年的生产。1978年，美国金属协会指定Hylsa的HYL工艺厂1-M为历史里程碑，因为它是直接还原炼铁技术的第一个成功的工业实施。然而，由于其批次性，这种技术的竞争力是有限的。

到1970年底，1970年的世界DRI总产量达到79万吨，其中68万吨是由HYL工艺厂生产的。然而，HYL预见到，由于其批次性，这种技术的竞争力将是有限的。出于这个原因，1967年启动了一项研究计划，开发一种连续（移动床）工艺，1980年5月在墨西哥蒙特雷的Hylsa公司启动了第一个工业工厂，这是在其第一个HYL工厂成功后的23年。新的连续竖炉工艺被称为HYL III。新的工艺概念带来了更高的工厂生产力、更高的DRI质量、更低的能源消耗和更简单的工厂操作。

HYL III这个名字被选中，代表了第三代的HYL技术。第二代（HYL II）基本上是对原始固定床工艺的修改，旨在提高效率和减少天然气消耗。在该工艺的发展阶段，进行了两项重要的修改，即（i）在还原气再加热炉中使用高温合金管，允许将气体加热到更高的温度，和（ii）将加热炉的数量从原来的四个单元减少到两个单元。在HYL II工艺中，还原气（富含CO和H2）是通过镍基催化重整产生的。然而，HYL II工艺从未被商业化，因为HYL III工艺的出现提供了显著的优势。

从那时起，HYL III移动床工艺中已经有了一些改进。1986年，在还原气体回路中加入了二氧化碳去除系统，这使得生产力、能源消耗和DRI质量得到了显著的改善。改造后的气体消耗量减少了约50％，竖炉的生产率也增加了约50％。

1995年，通过在还原气加热器和竖炉入口之间的传输线上注入O2，部分燃烧技术被纳入HYL工厂。该方案允许大幅提高还原气体的温度，并进行原位重整。这减少了大约25%的重整气体消耗，提高了竖炉的生产率。1988年，总的天然气进料和向竖炉（还原反应器）注入O2导致了 "HYL自重整方案"，其中重整气的补给量减少到了零。这种少重整炉的方案被命名为HYL ZR工艺，并于1998年4月在Hylsa 4M工厂和2001年7月在Hylsa 3M5工厂成功应用。

1988年引入了直接还原的球状/块状矿石的涂层。1993年引入了气动运输系统（Hytemp技术）和热DRI送入EAF。1994年，HYL开始生产高碳（C）DRI，C含量为3％至5％。1997年，世界上第一个双卸料（DRI和HBI）工厂设计投入运行。

在2000年期间，100%的块状矿石被成功地用于常规的基础上。2001年，基于HYL ZR（零转化器）无转化器技术的微型模块（20万吨/年）工厂被引进。基于煤气化和焦炉煤气（COG）的HYL ZR工艺装置也被引进。此外，年内还提供了设计能力为250万吨/年的单一模块的DR工厂。在微型模块和年产250万吨的单一模块之间，还有年产50万吨、80万吨、120万吨和160万吨的模块可供选择。

最初的开发工作是由Hylsa完成的。1977年，Hylsa成立了一个新的运营部门（HYL技术），目的是正式开发直接还原技术并将其商业化。2005年，Techint Technologies收购了HYL technologies。后来这个部门被称为Tenova HYL。2006年，特诺瓦和达涅利结成战略联盟，以新的 "Energiron "商标设计和建造基于气体的直接还原工厂。Energiron是特诺瓦公司和达涅利公司联合开发的创新的HYL直接还原技术，其名称来源于独特的DRI产品，使该技术区别于其他现有工艺。

工厂和设备

HYL直接还原工厂主要由以下工厂和设备及其特点组成。

• 一个容纳移动床的还原轴炉。这个竖炉有一个装铁料的系统和一个产品排放系统。

• 还原气回路，由工艺气体加热器、顶部气体换热器、顶部气体淬火/擦洗装置、还原气回收压缩机、加湿塔和淘汰桶组成。

• 炉子的运行是以最小的天然气和水的消耗以及O2的注入来进行的。

• 产品排放系统可以有（i）用于冷DRI生产的冷却器，（ii）用于HBI生产的热压块机，和/或（iii）Hytemp气动运输系统，将热DRI直接从竖炉转移到电弧炉（EAF）。

• 一个外部冷却气体回路，由淬火/擦洗装置和冷却气体循环压缩机组成。

• 一个基于PSA（变压吸附）的吸附系统，用于从还原气流中去除二氧化碳（CO2）。

• 铁矿石处理设备，包括铁矿砂仓、传送带、筛分站、球团涂层系统、进料输送机，以及采样和称重装置。

• DRI处理系统，包括输送机和相关设备，用于运输冷DRI。

• 冷却塔，以及过滤设备和泵。

• 工艺冷却水系统，基于闭合回路，以尽量减少水的消耗，带有澄清器和沉淀池。

• 一个过程控制和仪表系统，使用基于微处理器的分布式控制。

• 变电站、电动机和照明。

• 通常基于氮气（N2）的惰性气体系统。

• 一个空气压缩机

工艺描述

Energiron直接还原工艺（HYL工艺）使用竖炉还原法来生产DRI。它旨在通过在固体气体移动床竖炉中使用还原气体，将铁球/块矿转化为金属铁。通过基于H2和CO的化学反应将O2从铁矿石中去除，从而生产出高度金属化的DRI。

直接还原法的工艺流程示意图见图1。

图1 直接还原法的工艺流程示意图

HYL工艺的主要特点包括：（i）利用富含H2的还原气体，H2与CO的比例超过4；（ii）还原温度高，通常超过930摄氏度；（iii）操作压力高，通常在5公斤/平方厘米至8公斤/平方厘米之间。较高的操作压力有许多特点，包括（i）较低的气体速度，（ii）较低的拖曳力，（iii）较少的粉尘携带，（iv）较低的含铁材料消耗，（v）较高的工厂能力/规模比率，以及（vi）由于较低的压缩系数而较低的功率消耗。竖炉的高工作压力也导致了高炉的生产力，每平方米面积约为9吨/小时。

该工艺可以灵活地生产三种不同的产品形式，这取决于每个用户的具体要求。这三种形式的DRI是冷DRI、HBI或热DRI（'Hytemp'铁）。冷DRI的排放通常用于靠近直接还原厂的相邻钢厂的熔炼车间。它也可以被运输和出口，只要遵循一些程序并采取预防措施以避免再氧化。HBI是在热的情况下排出的DRI，被压成块状，然后被冷却。它是一种商业产品，通常用于海外出口。Hytemp铁是热出炉的DRI，从DR工厂气动运输到邻近的钢铁熔炼车间，直接送入电弧炉（EAF）。图2显示了这三种产品的卸料方案以及Hytemp铁的流程方案。

图2 三种产品的排放选择和Hytemp铁系统的流程方案

基本工艺配置的特点是可以灵活处理不同的气体分析。还原气体可以通过以下方式产生：（i）直接在竖炉内对天然气进行就地转化；（ii）在外部天然气/蒸汽转化器中产生；（iii）从化石燃料、生物质等的气化中产生合成气；（iv）从冶炼还原工艺（如Corex）的废气中产生；或（v）从焦炉气（COG）来源中产生。在所有情况下，工艺配置对应于相同的基本零重整方案，为特定应用调整设备的相对尺寸。对于原地转化和蒸汽转化的替代方案，天然气分析（重碳氢化合物含量）不是一个限制因素。组成 "气体可以是任何比例的H2、CO、CO2和碳氢化合物的混合物。

Energiron工艺流程的内在特点之一是选择性地消除还原过程中产生的副产品，即水（H2O）和二氧化碳，这对环境有很重要的意义。这些副产品分别通过顶部气体洗涤和二氧化碳去除系统来消除。对H2O和CO2的选择性清除优化了补给需求。在还原过程中产生的水被冷凝并从气流中去除，大部分随气体携带的灰尘也被分离。经过洗涤的气体然后通过工艺气体循环压缩机，其压力被提高。压缩气体在被送至二氧化碳去除装置后，与天然气补给混合，从而关闭还原气体回路。

HYL工艺的一个关键因素是其加压操作。O2的使用取决于碳氢化合物的含量。DRI金属化和C是独立控制的。

在这个过程中发生了三种化学反应。它们是（i）部分氧化和重整反应，（ii）还原反应，和（iii）渗碳反应。以下是这些反应。

部分氧化和重整反应

2CH4 + O2 = 2 CO + 4 H2

ch4 + h2o = co + 3 h2

2H2 + O2 = 2 H2O

Co2 + H2 = Co + H2O

还原反应

Fe2O3 + 3 H2 = 2 Fe + 3 H2O

Fe2O3 + 3 CO = 2 Fe + 3 CO2

渗碳反应

3 Fe + CH4 = Fe3C + 2 H2

3 Fe + 2 CO = Fe3C + CO2

3 Fe + CO+ H2 = Fe3C + H2O

天然气的转化需要（i）一定水平的氧化剂（H2O和CO2），必须仔细控制，（ii）高温，因为部分燃烧的结果，以及（iii）活性催化剂，这是由已经被还原的铁矿石的金属铁单位提供的。由还原反应产生的氧化剂被重整反应部分消耗掉。以这种方式，一旦与竖炉内的固体材料接触，由于金属铁（Fe）的催化作用，进一步的甲烷重整在原地进行。在这些条件下，甲烷总是与新的催化剂（DRI中的金属铁）接触，因为DRI不断从竖炉中被移除。因此，原位还原气体的产生和还原是在一个高效的环境中进行的。这种转化过程是高度内热的，它一直持续到温度仍然足够高的时候。一旦温度下降到一定水平以下，原地重整就不会发生，只进行铁矿石的还原。大部分的DRI渗碳是通过裂解甲烷（CH4）来产生碳化铁（Fe3C）的。

Energiron ZR工艺减少了HYL直接还原工厂的规模并提高了其效率。还原气体在还原竖炉中就地产生，通过将天然气作为补气送入还原气体回路，并在竖炉入口处注入O2。在这个过程中，由于还原气体是在还原段产生的，因此可以达到最佳的还原效率。正因为如此，不需要一个外部的还原气体重整器。通常情况下，ZR工艺的整体能源效率在80%以上，这是由竖炉内的原位重整优化的。产品吸收了提供给该工艺的大部分能量，而向大气中的能量损失最小。

取消外部气体转化器对工厂规模的影响是巨大的。对于每年100万吨的产能，所需面积减少了约60％。这也有利于将DR工厂设在钢铁熔炼车间附近。

ZR工艺的另一个优势是DRI渗碳的灵活性，允许达到5％的C水平。这是因为轴内气体的渗碳潜力提高，可以主要生产Fe3C。由于Fe3C需要更高的解离热，因此Fe3C含量高的DRI的反应性比普通DRI低得多。

Energiron工艺也可以使用传统的蒸汽重整天然气的方法，这是自很久以前以来HYL工艺的特点。其他气体，如H2，从煤、石油焦和类似化石燃料的气化中获得的合成气，以及焦炉气（COG）等，也是可能的还原气来源，这取决于具体情况和气体的可用性。这种灵活性是可用的，因为Energiron ZR工艺是独立于还原气源的，不需要将气体再循环到重整炉以完成工艺化学循环。

热还原气体在还原区的竖炉内被输入。这些气体逆流而上，流向铁料移动床。气体分布是均匀的，气体和固体之间有高度的直接接触。废气（顶部气体）在400摄氏度左右离开竖炉，并通过顶部气体换热器，气体的热量被回收以产生蒸汽。或者，可以利用废气的热量来预热还原气流，然后通过淬火/洗涤过程来冷却废气。

对于冷DRI，冷却气体在40摄氏度左右被送入竖炉的下部锥形部分，逆流而上流向DRI移动床。气体分布均匀，气体和固体之间有高度的直接接触，对炉内的固体或气体的流动没有物理限制。

热DRI通过竖炉的旋转阀排出，通过分流阀，将物料输送到Hytemp系统或其他外部冷却器（用于冷DRI生产）。气力输送通常是以与竖炉生产速度相同的速度进行的。

为了生产HBI，热DRI在超过700摄氏度的温度下被连续排放到下面的热压块机。HBI在振动冷却输送机中使用冷却水进行冷却，然后排放到HBI运输输送机上。

Hytemp铁使用气动系统将热DRI输送到电弧炉（EAF）。它使用氮气（N2）或工艺气体作为运输气体。这是一个环境友好的过程，因为DRI从还原轴炉出炉到排入电弧炉的过程中一直是封闭的。该系统可以灵活地从单一竖炉向两个EAF供料。在竖炉的底部，DRI被排放到气动运输系统，来自气体加热器的热气流在此循环并被用来运输DRI。为了避免降解，DRI的运输是通过压力的增加而不是气体的速度。当热的DRI到达EAF顶部的存储仓时，DRI和气体被分离。气体被送到一个洗涤器进行清洗和冷却。然后，它被压缩和加热以进行回收。在进入气体加热器之前，补充气体被加入以补偿从运输气体中分离DRI时的损失。从运输气体中分离出来的热DRI被送到一个过渡仓，以便从运输系统的压力到大气压力。从过渡仓中，DRI进入储存仓，在重力作用下被送入EAF。当钢铁熔炼车间不准备使用或储存热DRI时，热DRI也可以从竖炉送至外部冷却器。外部冷却器通常有能力冷却整个DRI生产。

在一个典型的HYL III工艺配置中，热重整气体和重整炉烟气的显热主要用于产生蒸汽。DRI工艺厂的蒸汽需求有两个终端用户，即(i)重整的蒸汽，和(ii)还原回路中二氧化碳吸收系统的排气蒸汽。为了达到工厂的最佳热力和机械平衡，生产的蒸汽的数量和压力都是有规定的。通常情况下，蒸汽是在高压下生产的（63公斤/平方厘米），以便最大限度地利用蒸汽焓，在单台高效涡轮发电机中发电，然后再用于重整和二氧化碳汽提机再沸腾。通过这种方式，工厂的总电力需求可以在工厂内产生。在冷排放的情况下，涡轮发电机的容量约为90千瓦时/吨，在热排放的情况下，约为105千瓦时/吨HBI，足以满足工厂的总电力需求。

Energiron直接还原工厂的一个重要特点是，可以设计出零补水要求的工艺。这之所以可能，主要是因为水是还原反应的副产品，因为它被冷凝并从气体流中去除。因此，由于采用了基于水热交换器的闭路水系统，而不是传统的冷却塔，所以不需要新鲜的补水，实际上在电池极限时还会有一小股水。

操作参数和具体消耗

表1中给出了Energiron ZR工艺产品的典型特征。

表2给出了Energiron ZR工艺的典型运行参数和具体消耗量。

表3给出了Energiron ZR工艺的典型排放情况。