HYFOR——氢基粉矿直接还原熔炼工艺.docx

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1、HYFOR氢基粉矿直接还原熔炼工艺目录1 .引言12 .介绍：13 .HYFOR从实验室规模实验到中试工厂测试24 .HYFOR工业原型工厂下一步55 .结论61引言钢铁行业是工业二氧化碳排放的主要贡献者，因此必须在2050年之前向低碳经济转型。实现这一目标的一种有前景的方法是氢基直接减排。利用竖炉技术的直接还原是占主导地位的直接还原技术，但需要造块的DR级球团矿粉作为原料。为了克服这个问题，普锐特冶金技术开发了一种直接还原工艺，该工艺适合将铁精矿（粒度150微米）直接装入工艺中，无需事先造块并使用氢气作为还原剂，称为HYFoR（氢气）基于粉矿还原）。本报告展示了开发状况，包括建立的试点工厂和

2、可能的扩大规模。2.介绍：关于减少二氧化碳排放的不断增加的经济和政治压力将对许多钢铁生产企业构成挑战。目前，长流程高炉（BF）-转炉（BOF）路线是生产粗钢的主要路线，在过去几十年中得到了很好的发展和改进。除了伴随而来的大量二氧化碳排放（煤炭用作能源和还原剂）之外，该综合路线还有几个优点，例如，在处理不同含铁原料质量或回收含铁原料方面具有高度灵活性副产品材料。因此，将传统的竖炉直接还原（DR）技术与集成路线进行比较很困难，因为它们需要DR级球团原料作为随后在电弧炉（EAF）中熔化的输入材料。集成式BF-BOF工艺路线和基于DR竖炉的工艺路线都需要块状输入材料作为原料，确保高炉或还原竖炉内有足够

3、的透气性。因此，需要额外的造块步骤，例如烧结或造球，从而导致额外的成本（资本支出和运营支出）和大量的二氧化碳排放。为了克服这些问题，普锐特冶金技术正在进行的HYFOR工艺开发基于流化床技术，该技术允许专门使用绿色或低碳氢（H2）作为还原剂，避免在还原过程中形成C02,并且直接使用矿粉，无需预先造粒迄今为止，还没有直接喂入铁精矿（球团矿粉）作为主要铁源而无需预先造粒的技术。矿山矿石的质量不断降低（铁含量和粒度），同时存在大量的细粉（精矿）。HYFOR工艺是唯一允许直接使用粒径为100%150m的铁精矿（通常用于各种铁精矿）的工艺，无需事先进行造块。从高质量到低质量的任何类型的铁矿石（例如赤铁矿、

4、褐铁矿、磁铁矿）都可以在HYFOR工艺中进行加工。该过程本身基于还原气体和待还原材料的交叉流动。将这种小颗粒材料与流化床技术和氢气作为还原剂相结合，HYFOR工艺可以实现低温还原，这有利于流化行为,同时由于合理的还原动力学，获得了高气体利用率。普锐特冶金技术在直接还原、熔炼还原和基于流化床的解决方案（FINORED直接还原工艺、FINEX预还原）领域拥有长期的经验。基于这些能力，HYFOR工艺被开发为最灵活、最低碳排放的直接减排技术。在接下来的章节中，详细描述了HYFOR流程的开发。3. HYFOR从实验室规模实验到中试工厂测试2016年，第一个基于HYFOR技术的实验室规模研究在Montan

5、universitaet1eoben黑色冶金系主任的还原实验室开始。为此，使用了不同的流化床反应器系统。一方面，在固定流化床反应器中进行了一系列冷流化测试，研究了这种细粒材料的一般流化行为。除了对流化状态的材料进行可见观察外，还安装了不同的压力测量装置来验证不同铁精矿的流化行为。另一方面，还根据冷流态化试验期间获得的数据进行了固定热还原试验。热还原试验用于研究不同铁矿石品牌的流化行为和还原性，使用纯氢气作为流化和还原气体。工艺参数的变化，例如反应器内的表观气体速度、还原温度或样品输入质量（通常在5至7.5kg之间），可以确定随后用作的那些材料的操作窗口。HYFOR试验工厂的设计基础。实验室试验

6、期间获得的结果证明，低还原温度是合适的，并且由于使用细晶材料与氢气作为还原剂，可以实现高气体利用率。因此，低还原温度确保了稳定且恒定的流化，即使在高金属化度下也是如此（4）。然而，在第一次成功测试后，实验室规模的研究尚未完成。每一种新的潜在铁矿石都首先在实验室规模上测试其对HYFOR工艺的适用性，因为铁矿石在流化行为和还原性方面可能表现不同。基于所有实验室规模测试工作的可喜结果，2018年决定开始HYFOR试点工厂的设计和工程。中试工厂应作为测试设施，验证实验室规模研究中获得的结果，并为未来工业应用的设计提供基础数据。试点工厂于2023年下半年建成，并于2023年上半年进行冷热调试。图1给出了

7、中试装置的示意性流程图。原则上，该布局允许材料在整个实验过程中通过两种可能的方式。第一个是在还原之前预热材料期间执行的。在此阶段，材料直接从材料仓装入热气发生器(空气加热器)的烟道气流中并输送至旋风分离器。在旋风分离器中，材料从气流中分离出来，随后材料被气动输送回材料仓。这种布置允许在系统内多次循环材料，以在开始还原阶段之前达到所需的材料温度。旋风分离器的废气随后经过洗涤器和除雾器进行冷却和清洁,然后排放到大气中。在使用基于磁铁矿的铁矿石的情况下，在材料预热期间另外发生氧化。氧化反应的放热特性是有益的，因为它支持材料的预热，因此降低了铁矿石加热的主要能耗。另一个优点是材料的还原性。一般来说，磁

8、铁矿的还原行为较差。预先的氧化会导致还原过程中不同的形态变化，从而提高还原率，从而提高还原性(5)。H2Air冷却器Coo1erH专解天然气加热器破加笏/无员图IHYFOR中试装置-流程示意图一般来说，在HYFOR工艺的情况下，由于在还原过程中使用气体和固体的错流以及氧化铁与氢气的还原反应的吸热特性，需要对材料进行单独的预热。材料成功预热后，还原本身就会发生。因此，物料从物料仓装入HYFOR反应器。反应器本身的横截面小于1平方米。材料在一侧进入反应器，而在另一侧安装了堰，确保反应器内材料的限定床高度，从而确保可调节的停留时间。通过堰的材料可以再次气动输送回材料仓并再次装入反应器中，以确保实现目

9、标金属化程度所需的总体还原时间。还原所需的氢气在进入反应器之前首先在热交换器中预热。为了确保反应器内气体分布均匀，采用了适当的气体分配器设计，也避免了意外停机时固体回流到风箱中。在流化和还原材料后，含尘废气离开反应器并通过干式除尘装置，然后进行后燃烧并排放到环境中。工业工厂肯定会应用未反应氢气的再循环。分离出的粉尘被重新送入反应器，提高了工艺的产量。还原和最终材料取样后，所有材料再次收集在材料仓中，然后排放到淬火容器（冷却器）中。2023年中期调试阶段后，开始了首次材料测试，主要目标是测试设施并开发优化的测试程序。还进行了修改和改进。在实施这些工厂改进后，2023年的重点是测试不同的铁矿石品牌

10、，以验证该技术的工业能力。根据不同的测试活动，解决了以下四个问题：第一，达到规定的金属化程度所需的停留时间；第二，气体消耗和/或气体利用率取决于表观气体速度和反应器压力；第三，最佳还原气体入口温度，以避免颗粒粘附在气体分配器区域；第四，在磁铁矿基铁矿石的情况下，不同氧化程序对还原率的影响，从而对还原性的影响。一旦通过中试工厂的适当测试活动充分回答了这些问题，就可以做出扩大工业原型的决定。4. HYFOR工业原型工厂下一步工业原型工厂可以定义为中试工厂和工业（商业）工厂之间的中间步骤，考虑到连续运行，生产能力约为每小时5-15吨。HYFOR工业原型工厂可能的示意性流程图如图2所示。材料预热（和氧

11、化）在多级旋风级联中进行，而预热所需的能量由热气体发生器提供，该热气体发生器由来自循环气体回路的含氢引气燃烧。预热后，材料被装入料仓，在装入第一个还原反应器之前充当缓冲区。总共几个串联的还原反应器用于还原工作并确保足够的停留时间。将清洁的还原气体注入每个反应器中。所有反应器的废气均经过干式除尘装置，将粉尘从气体中分离出来。粉尘被重新循环回到具有高产率的还原反应器中。根据所用铁矿石的质量，可以采用不同的产品选择。如果是优质矿石（铁含量高），最终产品可以压块生产热压块铁（HBI）,随后送入不同的主要的生产装置，或者可以直接热装入电弧炉（EAF）中生产钢材。以低品位铁矿石（低铁含量）为基础的热直接还

12、原铁（HDRI）可直接装入还原熔炼装置（熔炉）。这证明了HYFOR工艺的最大优势之一，即可以灵活地使用不同品质的铁矿石。干法除尘后的循环气体经过热交换器和气体冷却器，除去还原过程中形成的水蒸气。未反应的氢气经过循环气压缩机、换热器、还原气炉后，再次循环利用。还原气炉以电能为能源。还原消耗的氢气在热交换器之前以补充氢气的形式添加到工艺中。根据矿石质量，每吨DRI需要550至600Nm3氢气。设备的这种布置允许工厂从冷铁精矿开始到最终产品结束时完全连续运行。根据试点工厂测试活动的进展以及主要客户的决定，此类工业原型可能会在2025年投入运行。HYFOR工艺的优点可概括如下：- 直接使用铁精矿，无需

13、预先造粒- 使用纯绿色或低碳氢气作为还原剂，因此还原过程中不会产生二氧化碳- 灵活使用各种铁矿石品牌（例如赤铁矿、褐铁矿和磁铁矿）- 由于干式除尘和粉尘回收，铁产量最高- 由于铁产量高并且没有预先结块，因此能耗低- 由于低温降低和避免颗粒粘附，可用性最高HYFOR技术的潜在客户当然可以是传统的钢铁生产公司，也可以是有意生产热压块铁（HBI）或生铁作为增值产品的矿业公司。HYFOR工艺对钢铁行业的能源转型和脱碳做出了重要贡献，将成为绿色钢铁生产工艺。5.结论为了使钢铁行业脱碳，需要基于氢经济的新创新工艺技术。普锐特冶金技术在直接还原和熔炼还原（包括基于流化床的解决方案）方面拥有悠久的历史和广泛的

14、产品组合基础，正在开发基于直接使用铁精矿和氢气作为还原剂的新一代直接还原工艺，品牌HYFOR（氢基粉矿还原）。根据之前生成的实验室规模工艺数据，试点工厂分别于2023年安装和调试。该试点工厂作为各种矿石品位的测试设施，以生成相关的过程数据，这些数据可用于进一步升级为工业原型工厂，该原型工厂可能会在2025年投入运行，具体取决于将获得的结果。利多纳维茨的奥钢联工厂投入使用。HYFOR的首次测试在多纳维茨奥钢联工厂的试验工厂成功进行使用100%氢气作为还原剂可将二氧化碳足迹降低到接近于零运营支出和资本支出成本低，因为不需要聚集步骤全球仅使用100%粒径小于0.15毫米的铁精矿粉进行加工模块化工厂设

15、计可满足客户的个性化需求4月，由普锐特冶金技术开发的氢基粉矿还原(HYFOR)试点工厂在奥地利多纳维茨的奥钢联工厂投入使用。第一次测试成功了。对各种铁精矿的测试将继续收集可靠的数据基础。使用100%氢气作为还原剂可将二氧化碳足迹减少到接近于零。HYFOR试点工厂采用世界上第一个直接还原选矿铁精矿的工艺,不需要任何烧结或球团等团聚过程。这降低了资本支出和运营支出成本。HYFOR是全球唯一能够加工100%粒径小于0.15毫米的铁精矿粉以及由普锐特冶金技术全球不同客户提供的各种矿石(例如赤铁矿和磁铁矿)的工艺。直接还原工厂将采用模块化设计，可以为客户针对各种规模的钢铁厂进行量身定制的扩展。首次测试已

16、于2023年4月和5月成功执行，一次测试规模为处理800公斤铁矿石。HYFOR试验工厂应在多个活动中运行至少2年，以测试各种矿石类型并评估下一步放大步骤的最佳工艺参数。假设运行平稳，将添加热压块装置来验证热压块步骤以及HYFOR技术预期的HBI质量。普锐特冶金技术开发了世界上第一个铁精矿直接还原工艺，不需要任何烧结或球团等团聚。普锐特冶金技术可以利用早期Finmet/FINORED和FINEX开发和工厂安装的综合经验。新技术可适用于所有矿石类型(赤铁矿和磁铁矿)，颗粒尺寸最多可小于0.15毫米100%。作为主要还原剂，新工艺使用来自可再生能源的100%氢气，或者来自天然气热解或传统蒸汽重整器等其他气源的富含氢气的气体。这导致二氧化碳足迹较低甚至为零。直接还原工厂将采用模块化设计，适用于各