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1、1垃圾制燃气生产直接还原铁工艺估算苏亚杰 1 陈寿林 2 马恩友 3（1、山西省焦炭集团公司 山西省太原市 030024；2、中国日用化学研究院 030001；3、山西省环境卫生协会 030001）摘要：用垃圾气化低热值燃气供高炉热风炉加热直接还原铁循环还原气，生产直接还原铁（DRI-NHQ） 1。初步估算热能综合利用效率，可由垃圾发电的 20%左右提高到40%。在使垃圾减量化、无害化、资源化利用的同时采用清洁生产工艺生产出直接还原铁，工艺能耗只有高炉炼铁工艺的 50%左右，CO 2 排放只有高炉炼铁工艺的 17%左右。 2 回收的 CO2 可以用作日光温室种植饲草的气肥，实现碳元素的循环利用
2、。为建设和完善短流程钢厂、为城郊钢铁企业搬迁或不搬迁都提供了一种选择方案。关键词：垃圾制燃气 直接还原铁 DRI-NHQ 估算Estimation of Using Reducing Gas from Garbage to Produce Direct Reduced IronSU Ya-jie1, Chen Shou-lin2, Ma En-you3(1. Shanxi Coke Group, Shanxi Taiyuan 030024；2. China Research Institute of Daily Chemical Industry 030001; 3. Shanxi Assoc
3、iation of Urban Environmental Sanitation 030001)Abstract: Using low calorific value gas from refuse gasification for blast furnace hot-blast stove to heating DRI reduction cycle gas for produce DRI.Preliminary estimates the efficiency of energy utilization of waste-to-energy by about 20% improve to
4、more than 40%.This process can reduce waste, eliminate hazards, resource utilization, and to produce the DRI through this cleaner production technology. The energy consumption is about 50% compare with the blast furnace iron making, the CO2 emissions is about 17% compare with the blast furnace techn
5、ology.The recovery CO2 can be used as air fertilizer for forage grass cultivation in greenhouse, can achieve the carbon recycling use. Its provide a alternative for build and perfect the short-process steel, move or dont move the suburbs iron and steel enterprises Key Words:Garbage Produced Gas Dire
6、ct Reduced Iron DRI-NHQ Estimate中国城市化发展迅速，城市生活垃圾产生量也急速增加，垃圾占用土地、污染环境的状况以及对居民健康影响的问题日益突出，城市化、经济发展与资源环境的矛盾与日俱增。我们在研究城市垃圾资源化利用中发现：城市垃圾气化后的低热值燃气可以用于生产钢铁2行业急需的直接还原铁，在使垃圾减量化、无害化、资源化的同时生产出直接还原铁，达到保护环境、发展经济、垃圾资源化利用的多重目的。1 城市垃圾生产低热值燃气城市垃圾在大量产生的同时其中的有机物、可燃物也在增加，包括：塑料、橡胶、纺织物、竹木以及厨余物、动植物。垃圾中所含热值也在逐步增加，使得用垃圾生产可燃
7、气体成为可能。事实上，世界许多国家都在用垃圾发电。 1.1 垃圾发电存在的问题垃圾发电也存在垃圾成分复杂而不稳、热值低而不稳、含水高而不稳的问题。一些国家通过垃圾分类收集、垃圾预处理分类、处理后的垃圾生产衍生燃料（RDF）等办法提高垃圾热值再作为发电用燃料。中国城市垃圾人工分捡率远高于发达国家，热值普遍低于工业化国家，垃圾发电需要添加煤炭，添加量在 20-50%之间。 垃圾发电有许多种工艺，一般先将垃圾在焚烧炉（一段炉）内缺氧焚烧，一段垃圾燃烧温度 4501000，一段炉温度必须达到 850，以避免产生二噁英，炉顶气出口温度700-850，产出可燃气体再二次供氧充分燃烧，用二次燃烧（二段炉）的
8、 850左右的高温尾气加热余热锅炉产生水蒸汽，再用水蒸汽驱动汽轮机，汽轮机带动发电机发电。由于垃圾需要焚烧处理的特殊性和能量的多次转换，造成发电综合热能利用效率不到 20%，远低于煤炭超超临界发电机组 36%左右的热能利用效率。若不考虑垃圾无害化处理和发电的综合效益，可以说是得不偿失。1.2 垃圾气化融熔技术 3垃圾融熔气化技术实际包含：垃圾在 450640温度下的气化和含碳灰渣在 1300以上的融熔燃烧两个过程，并将这两个过程有机的结合起来形成一个整体。其工艺特点是：、垃圾先在还原性气氛下热分解制备可燃气体，其中的有价金属没有被氧化，利于有价金属的回收，同时垃圾中的 Cu、和 Fe 等金属不
9、易生成促进二噁英类形成的催化剂。、热分解气体燃烧时空气系数较低，能大大降低排烟量、提高能量利用率、降低NOx 的排放量、减少烟气处理设备的投资及运行费。、含碳灰渣在高于 1300以上的高温熔融状态下进行燃烧，能扼制二噁英类物质的形成，熔融渣被高温消毒后可以实现再生利用，同时最大限度的实现垃圾减容、减量化。垃圾熔融气化工艺技术较多，其中垃圾直接熔融气化技术一般有回转窑式、竖井炉式、3高炉型、等离子体式、氧气顶底复合吹式。笔者认为最具实用价值的是高炉型、蓄热式、竖井炉式和回转窑式，因为它们都有应用实例比较成熟，且环保指标、造气指标比较可靠。问题是：因为垃圾制成的燃气成分达不到城市煤气标准，不能直接
10、用于城市煤气，也不能直接用于化工原料。若要用于城市煤气或化工原料，需再进行热裂解、碳氢变换和提纯处理，这就加大了生产成本，也不经济。因此，垃圾气化经济利用方法目前只能用于发电。不论燃气蒸汽发电，还是燃气轮机蒸汽轮机联合循环发电，与垃圾气化综合计算热能利用效率都不高。因此，许多专家提出应开辟垃圾能源化利用新途径。我们根据试验研究提出：城市垃圾制燃气生产直接还原铁工艺。2 直接还原铁生产工艺 直接还原铁简称：DRI，因其内部连晶体成多孔状形似海绵，俗称：海绵铁。是由铁矿石、氧化球团矿、冷固结球团矿用 H2 和 CO 作还原气，在固态高温下直接还原而成。直接还原铁主要用于电炉炼钢原料和转炉炼钢冷却剂
11、。直接还原铁的生产方法有两大类：煤基法和气基法。以煤炭为能源和还原剂的称为煤基法，以天然气和其它还原气为能源和还原剂的称为气基法。铁矿煤球团内生还原气生产直接还原铁工艺（以下简称：DRI NHQ）采用煤为还原剂，采用了气基法加热还原气再加热铁矿煤球团。因此，它是两种方法结合在一起的工艺。 2.1 DRINHQ 基本工艺开炉前需准备氮气、焦炉气、煤制气、天然气、煤层气其中的一种或数种气混合做启动气源。将启动气源加热至 1150，通入还原竖炉中，加热铁矿煤球团，使球团中一部分煤热解产生含 CO、H 2、CH 4 等的热解气，一部分 CO、H 2、C 作为还原剂还原铁矿石，产生含 CO2 和 H2O
12、 的炉顶气；排出竖炉的炉顶气，经净化除尘、除焦油、脱除H2S、SO 2、H 2O、CO 2 等杂质气体后，作为循环还原气使用。以加热的还原气逐步替代高温启动气源，直至完全替代高温启动气源通入还原竖炉中，加热新的铁矿煤球团，产生新的热解气和炉顶气，形成内生还原气的循环生产与使用，同时还原气也直接还原铁矿煤球团中的铁精矿粉。如此反复循环，实现直接还原铁的连续生产，其工艺流程如图 1 所示。图 1 铁矿煤球团内生还原气生产直接还原铁工艺流程示意图4N2 不仅可以作为开炉时的启动气源，也可以作为关闭还原炉时的保护气源，还可以作为热风炉换炉时还原气氛过渡到氧化气氛，氧化气氛过渡到还原气氛的过渡气源。借助
13、 N2可以实现连续不间断安全作业。不过应尽量减少 N2 使用量，因为处理还原气中的 N2，一是从还原气中分离，二是将多余的还原气作为燃料燃烧后排放，尽管可以用于加热载热还原气，那是要以增加配煤量为代价的。2.2 加热还原气的方法设：计算加热还原气时用高炉煤气作为加热还原气的热源，采用高炉热风炉作为还原气加热炉。也可以采用连续间接加热炉，将还原气加热到 600后，再施加 O2 使入炉还原气温度达到 11001150 ，氧化度控制在20%送入还原竖炉。 42.3 DRINHQ 有关的工艺计算计算作为还原剂用的耗碳量，其理论计算值最低为 0.218(C)/(Fe) 5。另外煤粉中还含有 45%的氢元
14、素，其具有极强的还原能力，可使耗碳量再降低。2.3.1 根据试验数据而得到的耗碳量计算如下：铁矿煤球团试样 1、2、3 号重量分别为：135g、150g、134g；球团配煤比分别为14%、16%、17%，投料煤粉中固定碳含量GC=135g14%82.1%+150g16%82.1%+134g17%68%=50.71g产出的 DRI 中含铁量5GFe=89g93.7%+90g92.64%+85g93.9%=246.6g则实际耗碳量为GC/GFe=50.71g/246.6g=0.206Kg(C)/kg(Fe)分析以上计算结果，有：（1）由于煤中含 H2 元素，碳的实际消耗量比理论计算值少 12(C)
15、/T(Fe)左右；（2）由于还原气中含 CO，不能排除 CO 在还原末期参与还原反应；（3）在还原反应初期有大量的煤热解气产生，并排出还原炉；（4）不能排除煤热解气中的 CO、H 2 参与还原反应。此次试验煤铁比为 0.266 kg/kg(Fe)。因为投入的煤不转换成 CO2 和 H2O，不能从循环还原气系统中排出；因为观测到有过量煤热解气和还原气排出。根据以上分析，按理论计算值的耗碳量进行投料就足够了。考虑到连续生产需要有过量的还原气，因此，配煤量应选择在 218240/t DRI。2.3.2 DRI-NHQ 所需热量实验是用电加热的。计算用高炉热风炉来加热还原气体（其组成为 30%CO，7
16、0%N 2）从常温升至 1150时进还原炉，为还原反应提供热量，用还原气的热量来加热铁矿煤球团至还原反应温度 1100，并维持还原反应温度 10001100，既可以使还原反应连续进行，因此只考虑计算把铁矿煤球团加热到还原反应温度 1100所需的显热，并考虑热损失。现铁矿煤球团的配比采用 1000kg 铁矿粉（含铁量按 69%计）加 150kg 煤粉（煤铁比217.3kg）和少量粘结剂压制成球团。2.3.3 DRI-ZRQ 所需热量计算如下：由相关资料 6查得煤粉比热 C =1.8KJ/则加热球团中煤粉所需热量为：QC=1.8150(11000)=2.97105 KJ由相关资料 7查得铁矿粉比热 1000下C =48Cal/ K.mol 经换算为 0.865 KJ/.K FeP则加热球团中铁矿粉所需热量为：QFe=0.8651000(1100+273)(0+273)=9.
