Energiron直接還原技術

Energiron直接還原技術是一種基于氣體的直接還原技術。Energiron工藝将鐵礦球團或鐵塊轉化為金屬鐵。它采用特諾瓦公司和達涅利公司聯合開發的HYL直接還原技術，是一種具有競争力的、環境清潔的降低液體鋼生産成本的解決方案。它采用簡單的工廠配置，可以靈活地使用不同的還原氣體來源，并且對鐵礦石的使用非常高效和靈活。許多工藝優勢的一個關鍵因素與它的加壓操作直接相關。

Energiron是由Energiron直接還原技術生産的直接還原鐵（DRI）産品的名稱。該産品之所以如此命名，是因為它帶有大量的能量，在煉鋼過程中實現了。

Energiron是一種高度金屬化的産品，其碳（C）含量可控制在1.5％至5.0％之間。Energiron的高碳含量在電弧爐（EAF）熔煉過程中産生化學能。Energiron DRI獨特的穩定特性使其成為一種可以安全和容易運輸的産品，無需壓塊，符合标準的IMO（國際海事組織）準則。

該工藝可以靈活地生産三種不同的産品形式，這取決于每個用戶的具體要求。Energiron DRI的三種形式是冷DRI、HBI（熱壓塊鐵）或熱DRI（排放溫度高于700攝氏度的'Hytemp'鐵）。冷DRI的排放通常用于靠近直接還原工廠的相鄰鋼鐵熔煉車間。它也可以被運出和出口。HBI是熱出爐的DRI，經過壓塊，然後冷卻。它是一種商業産品，通常用于海外出口。Hytemp Energiron是熱排出的DRI，從直接還原工廠氣動運輸到鄰近的鋼熔體車間，直接進入電弧爐（EAF）。

最初的開發工作是由Hylsa完成的。1977年，Hylsa成立了一個新的運營部門（HYL技術），目的是正式開發直接還原技術并将其商業化。2005年，Techint Technologies收購了HYL technologies。後來這個部門被稱為Tenova HYL。2006年，特諾瓦和達涅利結成戰略聯盟，以新的 "Energiron "商标設計和建造基于氣體的直接還原工廠。第一個商業規模

HYL ZR（零改造器）工藝廠于1998年啟動。第一座年産200萬噸的新一代Energiron ZR工廠在蘇伊士鋼鐵公司安裝，世界上第一座單模塊年産250萬噸的Energiron工廠在紐柯鋼鐵公司安裝。

Energiron直接還原工藝

Energiron直接還原工藝使用豎爐還原法生産DRI。它旨在通過在固體氣體移動床豎爐中使用還原氣體，将鐵球/鐵塊礦石轉化為金屬鐵。通過基于氫氣（H2）和一氧化碳（CO）的化學反應，從鐵礦石中去除氧氣（O2），從而生産出高度金屬化的DRI。該工藝很靈活，可以生産三種不同形式的Energiron産品，以适應終端用戶的需要。該工藝的一個關鍵方面是對金屬化和産品碳（C）的獨立控制。Energiron直接還原工藝是以ZR方案為基礎的。

熱還原氣體在還原區的豎爐内被輸入。在爐内，這些氣體逆流而上，流向鐵料移動床。氣體分布均勻，氣體和固體之間有高度的直接接觸，對固體或氣體在裝置内的流動沒有物理限制。廢氣（頂部氣體）在大約400攝氏度的溫度下離開豎爐，通過頂部氣體換熱器，氣體的能量被回收以産生蒸汽。或者，可以利用廢氣的能量來預熱還原氣流，然後通過冷卻水的淬火/洗滌過程來冷卻廢氣。

擦洗後的冷卻氣體通過冷卻氣體循環壓縮機，在與天然氣（NG）混合後循環到豎爐中。NG作為補充被注入到冷卻氣體回路中，以達到最佳的效率，并控制冷卻和滲碳過程。

在熱還原氣體的作用下，鐵礦石中的O2被去除，然後産品被滲碳。位于豎爐底部的一個旋轉閥，調節爐料在重力作用下連續向下流經還原爐。Energiron由自動化機制排出，包括加壓倉和鎖。特别設計的流動給料器确保固體在豎爐内的均勻流動。對于冷DRI，在大約40攝氏度的溫度下，冷卻氣體被輸送到爐子的下部錐形部分，逆流而上，流向DRI移動床。

對于熱産品的排放和使用，冷卻回路被取消，熱DRI在高于700攝氏度的溫度下連續排放。對于 "Hytemp "氣動運輸系統，産品通過載氣被運輸到位于鋼鐵熔煉車間的浪湧倉，以控制送入電弧爐。為了生産HBI，熱DRI在高于700攝氏度的溫度下被連續排放到下面的熱壓塊機中。HBI在振動冷卻輸送機中使用冷卻水進行冷卻，然後排放到HBI運輸輸送機上。

Energiron工藝流程的内在特點之一是選擇性地消除還原過程中産生的副産品，即水（H2O）和二氧化碳（CO2），這對環境有很重要的意義。這些副産品分别通過頂部氣體洗滌和二氧化碳去除系統來消除。對H2O和CO2的選擇性清除優化了補給需求。在還原過程中産生的H2O被冷凝并從氣流中去除，大部分随氣體攜帶的灰塵也被分離。淨化後的氣體然後通過工藝氣體循環壓縮機，在那裡它的壓力被提高。壓縮氣體在被送到二氧化碳去除裝置後，與NG補氣混合，從而關閉還原氣體回路。

Energiron ZR方案的特點是：（i）利用富含H2的還原氣體，H2與CO的比例約為5；（ii）還原溫度高，通常超過1050攝氏度；（iii）操作壓力高，通常在移動床豎爐内6公斤/平方厘米至8公斤/平方厘米之間。較高的操作壓力允許（i）低流态化，（ii）較高的細料投入，（iii）較高的生産率，約為每平方米10噸/小時，（iv）較低的鐵礦石消耗，（v）較低的還原氣體速度，約為2米/秒，以及（vi）由于較低的壓縮系數，較低的動力消耗。 這導緻了更小的豎爐，促進了通過固體床的均勻氣體分布，并且由于較低的拖曳力，通過頂部氣體攜帶的灰塵損失最小化（小于1%）。這也導緻所生産的優質Energiron的标準偏差非常低，而且降低了整個鐵礦石的消耗量（在3.2毫米篩分和無重熔的情況下，每噸DRI大約需要1.4噸的鐵礦石）。這反過來又降低了總體運營成本。該工藝方案的另一個明顯特點是，沒有集成/外部重整爐，DRI滲碳的靈活性更高。

工藝自動化 - Energiron工藝結合了不同的、複雜的物理化學過程，這些過程将被優化，以産生所需的一系列化學反應以及各種氣态、液态和固态相之間的熱量和質量交換。為此，使用了一個完整的自動化系統，該系統又使用了過程控制器、軟件診斷、高可用性和故障安全功能領域的最新可用技術。該過程由超過5500個模拟和數字變量控制，這些變量由自動化系統自動分析。所有來自現場儀器的過程變量都被各種采集系統（PLC、HMI）不斷收集，為持續監測和優化過程提供了一套寶貴的信息。Energiron工藝的先進軟件通過管理集成的數據收集、分析和網絡報告，以強大的統計工具支持決策，從而利用了這一巨大的潛力。這最終使得進一步優化工藝效率成為可能，通過實時檢測最佳設定點，從而實現重要的能源節約。

Energiron控制系統是基于一個架構，包括一個傳統的一級系統，用于設備控制的 "分布式控制系統"（DCS），加上一個二級系統，不僅用于過程監督、數據跟蹤和生産報告的創建，還用于過程優化。一個 "過程重建模型"（PRM）已經被開發出來。它使用來自PLC的儀表信号和物理方程，以提供對工廠狀态的全面描述。通過這種方式，可以計算出許多通常無法測量的項目，如頂部氣體成分和相關的紅/氧比例。

過程反應 - 在過程中會發生三種類型的化學反應。它們是（i）重整反應，（ii）還原反應，以及（iii）滲碳反應。在原地精煉過程中會發生以下反應。

2CH4 O2 = 2 CO 4 H2

CH4 CO2 = 2CO 2H2

CH4 H2O = CO 3 H2

2H2 O2 = 2 H2O

CO2 H2 = CO H2O

在DRI的還原和滲碳過程中發生的反應如下。

Fe2O3 3CO = 2Fe 3CO2

Fe2O3 3 H2 = 2Fe 3H2O

3Fe CH4 = Fe3C 2H2

3 Fe 2 CO = Fe3C CO2

3 Fe CO H2 = Fe3C H2O

标準Energiron工藝的流程圖見圖1。

圖1 Energiron工藝的流程圖

Energiron工藝的典型能量平衡圖見圖2。

圖2 Energiron工藝的典型能量平衡

工廠和設備

Energiron直接還原工廠主要包括以下工廠和設備，以及它們的特點。

• 一個容納移動床的減速軸爐。這個豎爐有一個裝鐵料的系統和一個産品排放系統。
• 還原氣回路，包括一個工藝氣體加熱器、頂部氣體換熱器、頂部氣體淬火/擦洗裝置、還原氣回收壓縮機、加濕塔和淘汰桶。
• 爐子的操作是以最小的NG和水的消耗以及O2的注入來進行的。
• 産品排放系統可以有（i）用于冷DRI生産的冷卻器，（ii）用于生産HBI的熱壓塊機，和/或（iii）Hytemp氣動運輸系統，将熱DRI直接從豎爐轉移到電弧爐（EAF）。
• 一個外部冷卻氣體回路，由淬火/擦洗裝置和冷卻氣體循環壓縮機組成。
• 一個基于PSA（變壓吸附）的吸附系統，用于從還原氣流中去除二氧化碳（CO2）。
• 鐵礦石處理設備，包括鐵礦砂倉、傳送帶、篩分站、球團塗層系統、進料輸送機，以及采樣和稱重裝置。
• DRI處理系統，包括輸送機和相關設備，用于運輸冷DRI。
• 冷卻塔，以及過濾設備和泵。
• 工藝冷卻水系統，基于閉合回路，以盡量減少水的消耗，帶有澄清器和沉澱池。
• 一個過程控制和儀表系統，使用基于微處理器的分布式控制。
• 變電站、電動機和照明。
• 通常基于氮氣（N2）的惰性氣體系統。
• 一個空氣壓縮機

操作參數和具體消耗

表1中給出了Energiron ZR工藝産品的典型特征。

Energiron ZR工藝的特點

Energiron ZR工藝縮小了直接還原工廠的規模，提高了效率。還原氣體是在還原豎爐内對天然氣中的碳氫化合物進行就地轉化而産生的，方法是将NG作為補氣送入還原氣體回路，并在豎爐入口處注入O2。在這個過程中，由于還原氣體是在還原段産生的，因此可以實現最佳的還原效率。正因為如此，不需要一個外部的還原氣體重整器。通常情況下，Energiron ZR工藝的總體能源效率超過80％，這是由豎爐内的原位重整優化的。産品占用了提供給工藝的大部分能量，而向大氣中的能量損失最小。

取消外部氣體轉化器對工廠規模的影響是巨大的。對于每年100萬噸的産能，所需面積減少了約60％。這也有利于将DR工廠安置在鋼鐵熔煉車間附近。

Energiron ZR工藝的另一個優勢是DRI滲碳的靈活性，它允許達到5％的C水平。這是因為軸内氣體的滲碳潛力提高了，可以主要生産Fe3C。由于Fe3C需要更高的解離熱，因此Fe3C含量高的DRI的反應性比普通DRI低得多。

在Energiron直接還原工藝中存在的操作條件的特點是高溫（高于1050攝氏度），存在H2O和CO2作為氧化劑，這些氧化劑是由注入O2的還原氣體的部分燃燒而産生。這些條件促進了碳氫化合物的就地轉化。一旦産生了H2和CO，在反應器内同時進行鐵礦石的還原和随後的DRI的滲碳，這使得該工藝方案在能源利用和總體能耗方面非常有效。

基本的Energiron ZR方案允許直接使用天然氣。使用Energiron工藝進行直接還原的工廠還可以使用傳統的蒸汽-NG重整設備作為還原氣體的外部來源，這也是長期以來基于氣體的直接還原工藝的特點。取代NG的其他氣體，如H2、煤氣化系統産生的合成氣、石油焦和類似的化石燃料，以及焦爐氣（COG）等，也可以作為還原氣體的潛在來源，這取決于特定情況和可用性。在任何情況下，不管是哪種還原氣源，都要使用相同的基本工藝方案。

Energiron ZR技術的一個獨特特點是，它能夠在DRI中以碳化鐵（Fe3C）的形式産生可控的高碳含量（通常大于90％）。由于反應器還原區存在的條件，可以獲得高達5％的DRI碳含量。這些條件包括高濃度的甲烷（CH4）（約20％）以及H2和CO，還有床層的高溫。這些條件有利于C向鐵基體的擴散和Fe3C的析出。具有高含量Fe3C的DRI顯示出比普通DRI低得多的反應性。

Energiron直接還原工廠的一個重要特點是可以将工藝設計成零補水需求。這之所以可能，主要是因為水是還原反應的副産品，因為它被冷凝并從氣流中去除。因此，由于采用了基于水熱交換器的閉路水系統，而不是傳統的冷卻塔，因此不需要新鮮的補充水，實際上在電池極限時還會有一小股水。

Energiron直接還原工廠的排放物

Energiron工廠的排放符合最嚴格的環境法規。這主要是由于工藝本身的性質而實現的。由于其工藝配置，Energiron技術在設計上是高效的。因此，在實現工廠整體熱效率高的同時，在重整爐（使用時）或加熱器中不需要将燃燒空氣預熱到高溫，從而消除了産生高氮氧化物的可能性。通過采用超低NOx燃燒器，還可以進一步減少NOx的排放。通過應用SCR（選擇性催化還原）技術，可以獲得進一步的改善。

Energiron是一種可用的非常清潔的直接還原技術。根據不同的配置，Energiron工廠可以消除60％至90％的二氧化碳總排放量。用于生産DRI的兩種技術之間的二氧化碳排放可能有很大的不同。無論使用天然氣、合成氣還是COG，進入直接還原工廠的還原氣體都含有C，以碳氫化合物和/或碳質化合物（CO、CO2）的形式。此外，無論直接還原工藝的配置如何，隻有15%到40%（取決于DRI中的C含量）以DRI中的組合C形式離開工藝，其餘的以CO2形式離開。

由于Energiron ZR工藝生産的DRI含有較高比例的C，因此以CO2形式去除的C數量較少。當與直接還原配置中的二氧化碳氣體生成進行比較時，可以注意到二氧化碳氣體生成的差異，該配置将外部催化轉化器集成到直接還原豎爐中作為還原氣體的補充來源。在将外部催化轉化器與直接還原豎爐整合在一起的直接還原配置中，在每噸DRI含有140公斤C的總工藝NG補充中，每噸DRI約有25公斤C（17%）作為DRI的一部分離開工藝，其餘則作為煙氣從轉化器中釋放。這些數字與每噸DRI的110公斤C相比，其中每噸DRI的40公斤C（36%）是在Energiron ZR工藝中生産的DRI。此外，在每噸DRI剩餘的70公斤碳中，65公斤的碳被選擇性地去除，成為純二氧化碳，可用于其他用途或被封存。消除還原過程中産生的H2O和CO2這兩種副産品，使該過程中的氣體利用率提高到95％以上。簡而言之，Energiron工藝提供了内置的選擇性消除約65%的二氧化碳總輸入（每噸DRI約240公斤二氧化碳）。

Energiron工廠提供了選擇性地回收二氧化碳的獨特選擇。二氧化碳吸收系統不僅可以捕獲二氧化碳，而且還可以捕獲工藝氣流中的硫，從而使工廠的SO2總排放量減少約99%。

H2作為還原氣體

在鋼鐵廠中，H2有望在不久的将來取代C作為鐵礦石還原過程的能源。在基于氣體的直接還原工藝中，H2将取代NG。Energiron ZR工藝已經準備好使用任何數量的H2來替代NG，而無需進行重大的設備調整。事實上，在Energiron ZR工藝方案中，H2的使用将反映在更平穩的操作和生産率的提高上，因為對NG氣體的就地轉化的要求将降低。

在現有的Energiron直接還原工廠中，已經充分證明了在還原軸入口處使用高達70%的H2濃度，這涉及到一個蒸汽轉化器來産生還原氣體（H2和CO）。

然而，使用H2替代NG作為能量輸入，DRI中的C%将下降，因為它将稀釋還原氣體中的CH4濃度，但由于Energiron ZR方案在還原回路和燃料利用方面的靈活工藝配置，即使在35%的H2能量輸入（或大約64%的體積-每噸DRI的N cum），也有可能實現3.5%的C。對于70%的H2能源（大約88%的體積-每噸DRI的Num），DRI中的預期C将低于2.0 %。

與NSENGI的聯盟

2014年，Tenova HYL和達涅利與新日鐵住金工程有限公司（NSENGI）達成了一項協議。(NSENGI)達成協議，将他們的Energiron直接還原技術與NSENGI開發和擁有的優化高爐技術以及合成氣技術（高效煤氣化和鋼鐵廠副産品氣體利用技術）結合起來并進行商業化。新聯盟的目的是将研發活動與他們各自在Energiron DR、高爐和合成氣技術方面的專長結合起來，最終目的是開發一種新的煉鐵技術，以減少二氧化碳排放和運營成本，同時提高生産力和/或減少綜合煉鋼設施的資本支出。