氮气纯化原理及装置（氮气在Energiron的直接还原技术中的应用）

Energiron直接还原技术

Energiron直接还原技术是一种基于气体的直接还原技术。Energiron工艺将铁矿球团或铁块转化为金属铁。它采用特诺瓦公司和达涅利公司联合开发的HYL直接还原技术，是一种具有竞争力的、环境清洁的降低液体钢生产成本的解决方案。它采用简单的工厂配置，可以灵活地使用不同的还原气体来源，并且对铁矿石的使用非常高效和灵活。许多工艺优势的一个关键因素与它的加压操作直接相关。

Energiron是由Energiron直接还原技术生产的直接还原铁（DRI）产品的名称。该产品之所以如此命名，是因为它带有大量的能量，在炼钢过程中实现了。

Energiron是一种高度金属化的产品，其碳（C）含量可控制在1.5％至5.0％之间。Energiron的高碳含量在电弧炉（EAF）熔炼过程中产生化学能。Energiron DRI独特的稳定特性使其成为一种可以安全和容易运输的产品，无需压块，符合标准的IMO（国际海事组织）准则。

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。Energiron DRI的三种形式是冷DRI、HBI（热压块铁）或热DRI（排放温度高于700摄氏度的'Hytemp'铁）。冷DRI的排放通常用于靠近直接还原工厂的相邻钢铁熔炼车间。它也可以被运出和出口。HBI是热出炉的DRI，经过压块，然后冷却。它是一种商业产品，通常用于海外出口。Hytemp Energiron是热排出的DRI，从直接还原工厂气动运输到邻近的钢熔体车间，直接进入电弧炉（EAF）。

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。第一个商业规模

HYL ZR（零改造器）工艺厂于1998年启动。第一座年产200万吨的新一代Energiron ZR工厂在苏伊士钢铁公司安装，世界上第一座单模块年产250万吨的Energiron工厂在纽柯钢铁公司安装。

Energiron直接还原工艺

Energiron直接还原工艺使用竖炉还原法生产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/铁块矿石转化为金属铁。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DRI。该工艺很灵活，可以生产三种不同形式的Energiron产品，以适应终端用户的需要。该工艺的一个关键方面是对金属化和产品碳（C）的独立控制。Energiron直接还原工艺是以ZR方案为基础的。

热还原气体在还原区的竖炉内被输入。在炉内，这些气体逆流而上，流向铁料移动床。气体分布均匀，气体和固体之间有高度的直接接触，对固体或气体在装置内的流动没有物理限制。废气（顶部气体）在大约400摄氏度的温度下离开竖炉，通过顶部气体换热器，气体的能量被回收以产生蒸汽。或者，可以利用废气的能量来预热还原气流，然后通过冷却水的淬火/洗涤过程来冷却废气。

擦洗后的冷却气体通过冷却气体循环压缩机，在与天然气（NG）混合后循环到竖炉中。NG作为补充被注入到冷却气体回路中，以达到最佳的效率，并控制冷却和渗碳过程。

在热还原气体的作用下，铁矿石中的O2被去除，然后产品被渗碳。位于竖炉底部的一个旋转阀，调节炉料在重力作用下连续向下流经还原炉。Energiron由自动化机制排出，包括加压仓和锁。特别设计的流动给料器确保固体在竖炉内的均匀流动。对于冷DRI，在大约40摄氏度的温度下，冷却气体被输送到炉子的下部锥形部分，逆流而上，流向DRI移动床。

对于热产品的排放和使用，冷却回路被取消，热DRI在高于700摄氏度的温度下连续排放。对于 "Hytemp "气动运输系统，产品通过载气被运输到位于钢铁熔炼车间的浪涌仓，以控制送入电弧炉。为了生产HBI，热DRI在高于700摄氏度的温度下被连续排放到下面的热压块机中。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。

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（CO2），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H2O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。净化后的气体然后通过工艺气体循环压缩机，在那里它的压力被提高。压缩气体在被送到二氧化碳去除装置后，与NG补气混合，从而关闭还原气体回路。

Energiron ZR方案的特点是：（i）利用富含H2的还原气体，H2与CO的比例约为5；（ii）还原温度高，通常超过1050摄氏度；（iii）操作压力高，通常在移动床竖炉内6公斤/平方厘米至8公斤/平方厘米之间。较高的操作压力允许（i）低流态化，（ii）较高的细料投入，（iii）较高的生产率，约为每平方米10吨/小时，（iv）较低的铁矿石消耗，（v）较低的还原气体速度，约为2米/秒，以及（vi）由于较低的压缩系数，较低的动力消耗。 这导致了更小的竖炉，促进了通过固体床的均匀气体分布，并且由于较低的拖曳力，通过顶部气体携带的灰尘损失最小化（小于1%）。这也导致所生产的优质Energiron的标准偏差非常低，而且降低了整个铁矿石的消耗量（在3.2毫米筛分和无重熔的情况下，每吨DRI大约需要1.4吨的铁矿石）。这反过来又降低了总体运营成本。该工艺方案的另一个明显特点是，没有集成/外部重整炉，DRI渗碳的灵活性更高。

工艺自动化 - Energiron工艺结合了不同的、复杂的物理化学过程，这些过程将被优化，以产生所需的一系列化学反应以及各种气态、液态和固态相之间的热量和质量交换。为此，使用了一个完整的自动化系统，该系统又使用了过程控制器、软件诊断、高可用性和故障安全功能领域的最新可用技术。该过程由超过5500个模拟和数字变量控制，这些变量由自动化系统自动分析。所有来自现场仪器的过程变量都被各种采集系统（PLC、HMI）不断收集，为持续监测和优化过程提供了一套宝贵的信息。Energiron工艺的先进软件通过管理集成的数据收集、分析和网络报告，以强大的统计工具支持决策，从而利用了这一巨大的潜力。这最终使得进一步优化工艺效率成为可能，通过实时检测最佳设定点，从而实现重要的能源节约。

Energiron控制系统是基于一个架构，包括一个传统的一级系统，用于设备控制的 "分布式控制系统"（DCS），加上一个二级系统，不仅用于过程监督、数据跟踪和生产报告的创建，还用于过程优化。一个 "过程重建模型"（PRM）已经被开发出来。它使用来自PLC的仪表信号和物理方程，以提供对工厂状态的全面描述。通过这种方式，可以计算出许多通常无法测量的项目，如顶部气体成分和相关的红/氧比例。

过程反应 - 在过程中会发生三种类型的化学反应。它们是（i）重整反应，（ii）还原反应，以及（iii）渗碳反应。在原地精炼过程中会发生以下反应。

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的还原和渗碳过程中发生的反应如下。

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

标准Energiron工艺的流程图见图1。

图1 Energiron工艺的流程图

Energiron工艺的典型能量平衡图见图2。

图2 Energiron工艺的典型能量平衡

工厂和设备

Energiron直接还原工厂主要包括以下工厂和设备，以及它们的特点。

• 一个容纳移动床的减速轴炉。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，包括一个工艺气体加热器、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。
• 炉子的操作是以最小的NG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）用于生产HBI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

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。

Energiron ZR工艺的特点

Energiron ZR工艺缩小了直接还原工厂的规模，提高了效率。还原气体是在还原竖炉内对天然气中的碳氢化合物进行就地转化而产生的，方法是将NG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，因此可以实现最佳的还原效率。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，Energiron ZR工艺的总体能源效率超过80％，这是由竖炉内的原位重整优化的。产品占用了提供给工艺的大部分能量，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工厂安置在钢铁熔炼车间附近。

Energiron ZR工艺的另一个优势是DRI渗碳的灵活性，它允许达到5％的C水平。这是因为轴内气体的渗碳潜力提高了，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。

在Energiron直接还原工艺中存在的操作条件的特点是高温（高于1050摄氏度），存在H2O和CO2作为氧化剂，这些氧化剂是由注入O2的还原气体的部分燃烧而产生。这些条件促进了碳氢化合物的就地转化。一旦产生了H2和CO，在反应器内同时进行铁矿石的还原和随后的DRI的渗碳，这使得该工艺方案在能源利用和总体能耗方面非常有效。

基本的Energiron ZR方案允许直接使用天然气。使用Energiron工艺进行直接还原的工厂还可以使用传统的蒸汽-NG重整设备作为还原气体的外部来源，这也是长期以来基于气体的直接还原工艺的特点。取代NG的其他气体，如H2、煤气化系统产生的合成气、石油焦和类似的化石燃料，以及焦炉气（COG）等，也可以作为还原气体的潜在来源，这取决于特定情况和可用性。在任何情况下，不管是哪种还原气源，都要使用相同的基本工艺方案。

Energiron ZR技术的一个独特特点是，它能够在DRI中以碳化铁（Fe3C）的形式产生可控的高碳含量（通常大于90％）。由于反应器还原区存在的条件，可以获得高达5％的DRI碳含量。这些条件包括高浓度的甲烷（CH4）（约20％）以及H2和CO，还有床层的高温。这些条件有利于C向铁基体的扩散和Fe3C的析出。具有高含量Fe3C的DRI显示出比普通DRI低得多的反应性。

Energiron直接还原工厂的一个重要特点是可以将工艺设计成零补水需求。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，因此不需要新鲜的补充水，实际上在电池极限时还会有一小股水。

Energiron直接还原工厂的排放物

Energiron工厂的排放符合最严格的环境法规。这主要是由于工艺本身的性质而实现的。由于其工艺配置，Energiron技术在设计上是高效的。因此，在实现工厂整体热效率高的同时，在重整炉（使用时）或加热器中不需要将燃烧空气预热到高温，从而消除了产生高氮氧化物的可能性。通过采用超低NOx燃烧器，还可以进一步减少NOx的排放。通过应用SCR（选择性催化还原）技术，可以获得进一步的改善。

Energiron是一种可用的非常清洁的直接还原技术。根据不同的配置，Energiron工厂可以消除60％至90％的二氧化碳总排放量。用于生产DRI的两种技术之间的二氧化碳排放可能有很大的不同。无论使用天然气、合成气还是COG，进入直接还原工厂的还原气体都含有C，以碳氢化合物和/或碳质化合物（CO、CO2）的形式。此外，无论直接还原工艺的配置如何，只有15%到40%（取决于DRI中的C含量）以DRI中的组合C形式离开工艺，其余的以CO2形式离开。

由于Energiron ZR工艺生产的DRI含有较高比例的C，因此以CO2形式去除的C数量较少。当与直接还原配置中的二氧化碳气体生成进行比较时，可以注意到二氧化碳气体生成的差异，该配置将外部催化转化器集成到直接还原竖炉中作为还原气体的补充来源。在将外部催化转化器与直接还原竖炉整合在一起的直接还原配置中，在每吨DRI含有140公斤C的总工艺NG补充中，每吨DRI约有25公斤C（17%）作为DRI的一部分离开工艺，其余则作为烟气从转化器中释放。这些数字与每吨DRI的110公斤C相比，其中每吨DRI的40公斤C（36%）是在Energiron ZR工艺中生产的DRI。此外，在每吨DRI剩余的70公斤碳中，65公斤的碳被选择性地去除，成为纯二氧化碳，可用于其他用途或被封存。消除还原过程中产生的H2O和CO2这两种副产品，使该过程中的气体利用率提高到95％以上。简而言之，Energiron工艺提供了内置的选择性消除约65%的二氧化碳总输入（每吨DRI约240公斤二氧化碳）。

Energiron工厂提供了选择性地回收二氧化碳的独特选择。二氧化碳吸收系统不仅可以捕获二氧化碳，而且还可以捕获工艺气流中的硫，从而使工厂的SO2总排放量减少约99%。

H2作为还原气体

在钢铁厂中，H2有望在不久的将来取代C作为铁矿石还原过程的能源。在基于气体的直接还原工艺中，H2将取代NG。Energiron ZR工艺已经准备好使用任何数量的H2来替代NG，而无需进行重大的设备调整。事实上，在Energiron ZR工艺方案中，H2的使用将反映在更平稳的操作和生产率的提高上，因为对NG气体的就地转化的要求将降低。

在现有的Energiron直接还原工厂中，已经充分证明了在还原轴入口处使用高达70%的H2浓度，这涉及到一个蒸汽转化器来产生还原气体（H2和CO）。

然而，使用H2替代NG作为能量输入，DRI中的C%将下降，因为它将稀释还原气体中的CH4浓度，但由于Energiron ZR方案在还原回路和燃料利用方面的灵活工艺配置，即使在35%的H2能量输入（或大约64%的体积-每吨DRI的N cum），也有可能实现3.5%的C。对于70%的H2能源（大约88%的体积-每吨DRI的Num），DRI中的预期C将低于2.0 %。

与NSENGI的联盟

2014年，Tenova HYL和达涅利与新日铁住金工程有限公司（NSENGI）达成了一项协议。(NSENGI)达成协议，将他们的Energiron直接还原技术与NSENGI开发和拥有的优化高炉技术以及合成气技术（高效煤气化和钢铁厂副产品气体利用技术）结合起来并进行商业化。新联盟的目的是将研发活动与他们各自在Energiron DR、高炉和合成气技术方面的专长结合起来，最终目的是开发一种新的炼铁技术，以减少二氧化碳排放和运营成本，同时提高生产力和/或减少综合炼钢设施的资本支出。

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