煤气化技术为直接还原铁加力

在世界直接还原铁的生产中，气基竖炉(Midrex、HYLⅢ、ZR)在直接还原工艺中占据主导地位。我国现有能源的特点是贫油少气，煤炭储量丰富，但分布极不平衡。如果能利用煤制气技术生产还原气体，这对于天然气缺乏而煤资源相对富裕的我国来说，有利于重塑既能减轻对环境的污染又可充分利用自身资源的钢铁冶金短流程，是符合我国国情的选择。

煤气化技术发展方向

煤炭气化技术是以煤、半焦或焦炭为原料，以空气、富氧、水蒸气、二氧化碳或氢气为气化介质，使煤经过部分氧化和还原反应，将其所含碳、氢等物质转化成为一氧化碳、氢、甲烷等可燃组分为主的气体产物的多相反应过程；对此气体产品进一步加工，可制得其它气体、液体燃料或化工产品。以煤气化为基础的能源及化工系统，已成为世界范围内高效、清洁、经济地利用煤炭资源的热点技术。

煤气化技术的发展方向大致有6个。一是加压气化：提高压力有利于提高气化炉的生产能力，同时大大减少气体净化的投资，并降低压缩耗能。二是高温气化：使煤中的挥发分和可燃组分充分转化，其它组分也在高温下得到钝化，得到的产品煤气较纯净，“三废”问题少。三是粉煤气化：通过增大煤的比表面积提高气化反应速率，从而提高气化炉的单炉生产能力和碳转化率。四是液态排渣：灰渣以高温熔融态排出气化炉，经过高温处理的炉渣大多为惰性物质，无毒无害。五是纯氧气化：减少惰性气升温降温造成的热损，并降低气化剂压缩的能耗，提高气化效率，使加压高温熔渣气化更经济可行。六是气化炉大型化：适应现代工业大型化、规模化、集约化发展，有利于降低投资，提高项目建设的经济性。

典型煤气化工艺分析

Lurgi煤气化技术。该技术为自然式逆流移动床连续加压气化工艺技术，以碎煤为原料，以氧气和蒸汽为气化剂，在2.8MPa~4.0MPa压力作用下，气化剂通过炉内旋转的炉箅均匀分布，与碎煤在气化炉内部逆流接触，产生一定量的粗煤气离开气化炉，已在世界上广泛应用。

Texaco煤气化技术。这是迄今为止商业运行经验最丰富的气流床气化工艺技术。其气化及煤气指标特点如下：气化压力可在2.16MPa~8.17MPa范围选择。有效气含量约80%，且CO/H2比值有较宽幅度的可调性，适于制造合成氨、甲醇、醋酸、含氧化合物等多种化工产品和城市煤气。该技术对烟煤、褐煤、黏结性煤、高硫煤、无烟煤和焦炭均能气化，对采煤粒度无任何特殊要求，占煤矿机械化采煤30%的粉煤也可得到充分利用，还可以掺烧生活垃圾、废塑料、废轮胎、城市生化处理污泥等，几乎可以使用所有的碳氢化合物，制成含碳流体作为气化原料。碳的转化率>98%，产生的高温煤气可采用间接或直接的方式回收热能，能源综合利用效果好。

Shell煤气化技术。Shell煤气化过程是在高温加压下进行的，是目前世界上较为先进的第二代煤气化工艺之一。其主要技术指标如下：干煤粉进料，气化温度高，煤种适应性广，从无烟煤、烟煤、褐煤到石油焦均可气化，对煤的灰融点范围比其他气化工艺更宽，对于高灰分、高水分、高含硫量的煤种也同样适应。气化温度约1400℃~1600℃，碳转化率高达99%以上，产品气体相对洁净，不含重烃，甲烷含量极低，煤气中有效气体（CO+H2）高达90%以上。氧耗低，与水煤浆气化相比，氧气消耗低15%~25%，因而与之配套的空分装置投资可减少。单炉生产能力大，目前已投入运转的单炉气化压力为3.0MPa，日处理煤量已达2000t。热效率高，煤中约83%的热能转化为合成气，约15%的热能被回收为高压或中压蒸汽，总的热效率为98%左右。

HT-L煤气化技术。HT-L航天炉是原航天十一所借鉴荷兰Shell、德国GSP、美国Texaco煤气化工艺中的先进技术，配套自己研发的盘管式水冷壁式气化炉而形成的一套结构简单、有效实用的煤气化工艺。其具有以下显著特点：干煤粉进料，惰性气体输送（N2或CO2）。加压操作（2.0MPa~4.0MPa），高温煤气化（1400℃~1900℃）。碳转化率高（≥99%），冷煤气效率高（≥82%），有效气体成分多（≥90%）。煤种适应范围广，控制系统自动化程度高，燃烧效率高，环保性能好。该技术具有自主知识产权，主要设备可完全实现国产化。

两段式煤气化技术。自1994年开始，西安热工研究院就开始进行干煤粉气流床气化技术的研究，1997年建成了国内第一套干煤粉加压气化特性试验装置并进行了试验研究。两段式干煤粉加压气化技术具有以下特点：加压操作，两段式气化，气化温度高。干煤粉进料，煤种适应范围广。碳转化率高，冷煤气效率高，耗氧低，总热效率高达98%左右。气体产品相对洁净，不含重烃，煤气中有效气体（CO+H2）体积分数高达90%以上。

煤制气直接还原的发展关键

传统气基竖炉直接还原工艺以天然气为基础，只能在天然气丰富的国家和地区得以工业化应用。近年来，以COREX输出煤气、煤气化气和焦炉煤气等作还原气源进行直接还原铁生产的技术被提出，并逐渐成熟。尤其是以煤气化气为还原气源技术的开发，对于那些缺少天然气又不具备用焦炉煤气等为还于原气源条件的地区或者钢铁企业，具有重要的意义。

Midrex对煤气的要求。为了高效生产直接还原铁，Midrex工艺要求气体中H2与CO的总体积分数大于90%，ф(H2+CO)/ф(H2O+CO2)至少为10。一般情况下，Midrex生产厂都把ф(H2)/ф(CO)设计为0.5~4.0。如果煤气化技术能产生符合要求的气体，就不需要转换装置来改变气体成分；如果ф(H2)太低，则需要进行气体转换。

HYLⅢ对煤气的要求。传统HYLⅢ工艺中使用天然气，天然气在重整器中裂解通常需添加水蒸气。为获得ф(H2)较高的还原气体，需要脱除CO2。HYLⅢ工艺的一个主要优点是还原气体的产生和直接还原部分是独立的，在选择还原气体方面具有极大的灵活性。目前的HYLⅢ技术可选择氢气、传统的重整气体、煤的气化气体、焦炉煤气、碳氢化合物气体、COREX排出气体等作还原气源。HYLⅢ工艺对还原气的要求如下：ф(H2)在74.1%以上，ф(H2)/ф(CO)为5.7，ф(H2+CO)/ф(H2O+CO2)为18.53（见表1）。

直接还原除对煤气成分有要求外，还对煤气的压力、温度、煤制气工艺的产能和作业率有一定的要求。表2为几种主要煤制气工艺的还原气指标对比情况。

从煤气品质角度而言，Lurgi加压固定床气化炉是最适合直接还原气源选择的技术方案，但从资源限制、生产能力、消耗指标和环保等方面来看，Lurgi却是几种煤气化中技术先进性最差的一种工艺。Texaco和Shell工艺相比，前者的优势是生产操作技术成熟，设备国产化率高，因此，在投资和运行成本上具有明显优势。但由于Shell先天具有的技术先进性，所以，Shell炉的操作生产技术很快也会取得长足的进展，所欠缺的只是设备投资成本过高。

近几年，国内的煤制气水平也得到了长足的进步。以航天炉、清华炉为代表的煤气化技术在国内化工行业有了很多业绩，技术指标也与国外煤气化技术相差不大，但投资却降低了很多，这一点也是煤制气—直接还原工艺在中国发展的重要支撑。

发展煤制气直接还原，关键在于解决以下问题：一是现有的煤气化技术存在对原料煤要求高、投资大、还原气指标有一定差距等问题，必须针对地域特点选择适宜的低成本煤制气工艺。二是煤气化技术与气基直接还原的衔接问题，目前的制气工艺压力、温度、成分都不能直接满足直接还原竖炉的需求，因此，合理的转化与调整极其重要，竖炉还原尾气的综合利用问题也必须同时考虑。三是煤制气与直接还原竖炉产能的匹配问题，目前，气基直接还原竖炉生产已达到年产250万吨级的规模，如何提高煤制气单炉的产能也是至关重要的一点。