Технология MIDREX

Краткое введение в технические характеристики производства железа прямым восстановлением в вертикальных водородных ( с использованием природного газа) печах типа ZR

Технология производства железа прямым восстановлением в шахтной печи на основе водорода — это инновационный процесс производства железа, целью которого является снижение выбросов углерода в традиционных процессах производства железа и использование водорода вместо традиционных восстановителей на основе углерода для восстановления железа. Ниже приведены подробные характеристики этой технологии:

Требования к сырью
- Железная руда: сорт железной руды, используемой для производства железа методом прямого восстановления в шахтных печах на основе водорода, имеет решающее значение. Как правило, содержание железа должно быть выше 60%, что может гарантировать достаточное количество элемента железа для восстановления в процессе производства железа. Например, некоторые высококачественные железные руды в Австралии имеют содержание железа 62%–65%, что очень подходит для этого процесса. В то же время содержание пустой породы в руде должно быть как можно ниже, а общее количество примесей, таких как кремний, алюминий, кальций и магний, должно контролироваться ниже 10%, чтобы уменьшить помехи для реакции восстановления в процессе производства железа и трудности последующей обработки шлака. С точки зрения размера частиц, подходящий диапазон размеров частиц руды составляет 6–16 мм. Этот диапазон размеров частиц помогает водороду полностью контактировать с железной рудой в шахтной печи и повышать эффективность восстановления. Если размер частиц слишком большой, водороду трудно проникнуть в руду для реакции; слишком малый размер частиц может привести к ухудшению проницаемости материала в шахтной печи.
- Водород: как восстановитель, водород предъявляет чрезвычайно высокие требования к чистоте. Чистота водорода должна быть не менее 99%, а содержание примесей, таких как оксид углерода, диоксид углерода и водяной пар, должно строго контролироваться. Содержание оксида углерода и диоксида углерода должно быть менее 0,5% соответственно, а содержание водяного пара должно быть менее 0,2%. Поскольку эти примеси будут конкурировать с водородом за участие в реакции восстановления, снижают эффективность использования водорода и влияют на восстановительный эффект железа. Более того, нечистый водород также может вызывать некоторые побочные реакции в шахтной печи, влияя на качество продукции и нормальную работу шахтной печи.

Технические характеристики оборудования шахтной печи
- Конструкция шахтной печи: Высота шахтной печи обычно составляет от 20 до 30 метров. Такая высота обеспечивает достаточное время пребывания железной руды в шахтной печи для проведения восстановительной реакции. Диаметр шахты обычно составляет от 4 до 6 метров, что обеспечивает равномерное распределение материала в шахтной печи и полный контакт водорода с железной рудой. Материал футеровки шахтной печи должен обладать высокой термостойкостью, износостойкостью и эрозионной стойкостью. В качестве футеровочного материала обычно используется огнеупорный кирпич, огнеупорность которого должна превышать 1700 °C, чтобы выдерживать высокие температуры в шахтной печи. Толщина футеровки должна быть разумно рассчитана в соответствии с масштабом и требованиями к эксплуатации шахтной печи, обычно от 300 до 500 мм, чтобы обеспечить стабильную работу футеровки в течение длительного времени и снизить риск потери тепла и повреждения печи.
- Система распределения газа: Равномерное распределение водорода в шахтной печи является ключом к обеспечению эффекта восстановления. Система распределения газа должна быть способна равномерно транспортировать водород во все части шахтной печи. Для достижения этой цели обычно используют пористую распределительную пластину или устройство впрыска газа. Скорость открытия распределительной пластины обычно составляет от 15% до 25%, а угол впрыска и скорость впрыска устройства впрыска также должны быть точно рассчитаны, чтобы гарантировать, что водород может равномерно проходить через слой материала и полностью контактировать с железной рудой. Кроме того, для обеспечения нормальной работы системы распределения газа также необходимо регулярно проверять и обслуживать ее, чтобы предотвратить засорение или повреждение.
- Система контроля температуры: Контроль температуры в вертикальной печи имеет решающее значение для реакции восстановления. Температура зоны восстановления обычно поддерживается в диапазоне от 800 до 1000 ℃. Этот температурный диапазон может обеспечить плавную реакцию восстановления между водородом и железной рудой, избегая при этом чрезмерной температуры, вызывающей размягчение и агломерацию железной руды, что влияет на проницаемость и нормальную работу вертикальной печи. Температура зоны предварительного нагрева обычно составляет от 400 до 600 ℃. Предварительный нагрев железной руды увеличивает ее реакционную активность после попадания в зону восстановления. Температура зоны охлаждения поддерживается на уровне 100-200 ℃, что позволяет медленно охлаждать восстановленное губчатое железо и обеспечивать его стабильные физические свойства. Для точного контроля температуры в вертикальной печи необходимо установить несколько датчиков температуры для мониторинга температуры каждой зоны в режиме реального времени и ее корректировки с помощью нагревательных и охлаждающих устройств.

Технические характеристики производственных процессов
- Загрузка и распределение: Процесс загрузки должен обеспечивать равномерную подачу материала в вертикальную печь. Используйте подходящее загрузочное оборудование, такое как ленточные конвейеры, вибрационные питатели и т. д., для равномерной транспортировки железной руды к верхней части вертикальной печи. Распределение должно обеспечивать равномерное распределение железной руды по поперечному сечению вертикальной печи, чтобы избежать локального скопления материала или пустот. Как правило, равномерное распределение достигается с помощью роторного распределителя или многотрубчатого распределителя, а погрешность равномерности распределения должна контролироваться в пределах ±5%.
- Контроль реакции восстановления: В процессе восстановления необходимо строго контролировать расход и давление водорода. Расход водорода регулируется в зависимости от производительности шахтной печи и производительности переработки железной руды. Как правило, на каждую тонну полученного железа расходуется от 2500 до 3000 кубических метров водорода. Давление водорода поддерживается в диапазоне от 0,5 до 1,5 МПа. Стабильное давление обеспечивает нормальный расход и реакцию водорода в шахтной печи. При этом необходимо тщательно контролировать ход реакции восстановления. Контролируя изменения состава газа и температуры в шахтной печи, следует своевременно корректировать рабочие параметры для обеспечения эффективного и стабильного протекания реакции восстановления.
- Выгрузка продукта и последующая обработка: Восстановленное губчатое железо выгружается из нижней части шахтной печи. Скорость выгрузки должна соответствовать скорости загрузки и скорости реакции восстановления для обеспечения динамического равновесия материала в шахтной печи. После выгрузки губчатое железо необходимо пройти последующую обработку, включая охлаждение, просеивание и магнитную сепарацию. Температура охлажденного губчатого железа должна быть снижена до уровня ниже 50°C для последующего хранения и транспортировки. Просеивание предназначено для удаления не прореагировавших мелких частиц руды и примесей, а размер частиц просеянного материала должен контролироваться ниже 3 мм. Магнитная сепарация предназначена для дальнейшего повышения чистоты губчатого железа, отделения магнитных примесей и доведения содержания железа в губчатом железе до более чем 92%.
Технические условия безопасности и охраны окружающей среды
- Меры безопасности: Водород является горючим и взрывоопасным газом, поэтому цехвертикальной печи должен быть оснащен полным комплексом средств защиты безопасности. Установите устройство обнаружения утечек водорода с точностью
обнаружения, которое может обнаруживать утечки с концентрацией водорода менее 0,1%.
При обнаружении утечки водорода следует немедленно активировать сигнальное устройство и принять соответствующие аварийные меры, такие как отключение подачи водорода, вентиляция и т. д. В то же время в цехе строго запрещено открытое пламя и статическое электричество, а все электрооборудование должно соответствовать требованиям взрывозащиты. Операторы должны носить антистатическую спецодежду и средства индивидуальной защиты для обеспечения личной безопасности.
- Требования по охране окружающей среды: Отходящие газы, образующиеся в процессе производства железа прямым восстановлением в вертикальных водородных печах, в основном состоят из непрореагировавшего водорода и небольшого количества водяного пара. Выбросы отходящих газов должны соответствовать действующим национальным стандартам по охране окружающей среды, а концентрация водорода в выбросах должна быть менее 100 ppm. Для снижения шума, создаваемого вертикальной печью в процессе производства, следует принять эффективные меры по снижению шума, такие как установка звукоизоляционных кожухов и амортизирующих подкладок, чтобы уровень шума за пределами цеха не превышал 85 децибел. Кроме того, твердые отходы, такие как шлак, образующиеся в процессе производства, должны собираться и перерабатываться надлежащим образом, чтобы избежать загрязнения окружающей среды.

1｡ Состоит из непрерывной вертикальной печи и нагревательной печи.

Технологический газ нагревается, а затем направляется в вертикальную печь для риформинга.
Состоит из одной вертикальной печи непрерывного действия и одной нагревательной печи, которая нагревает технологический газ и выводит его в вертикальную печь, где осуществляется перепланировка. Состоит из непрерывной вертикальной печи и нагревательной печи.
Технологический газ нагревается, а затем направляется в вертикальную печь для риформин. В этом процессе используется восстановительный газ с высоким содержанием водорода, высокая температура восстановления (950–1050 ℃), рабочее давление ~0,8 МПа, а
время восстановления обычно составляет более 10 часов.
В этом процессе используется газ с высоким содержанием водорода, высокая температура восстановления (950–1050 ℃), рабочее давление ~ 0,8 МПа, работа при высоком давлении, а время восстановления обычно превышает 10 часов ｡ В этом процессе
используется восстановительный газ с высокими требованиями к температуре (950–1050 °С). ℃), рабочее давление ~0,8 МПа, время восстановления обычно составляет более 10 часов.
Средняя степень металлизации продукта может достигать ≥94%, содержание углерода можно контролировать на уровне 1,5%~3,0%, а качество остается стабильным;
Средняя степень металлизации продукта может достигать ≥94%, контролировать содержание углерода 1,5% ~ 3,0%, качество стабильное; Средняя степень металлизации продукции может достигать ≥94%, содержание можно контролировать на уровне 1,5%~3,0%, качество остается стабильным;
Поглощающая башня CO2 сконфигурирована для селективного удаления H2, O и CO2, из восстановительного газа с целью повышения коэффициента использования восстановительного газа.
Абсорбционная колонна CO2 сконфигурирована для избирательного удаления H2O и CO2 из восстановительного газа и повышения коэффициента использования восстановительного газа. H2, O и CO2.

1. Углубленный Анализ Механизма Процесса

1.1 Управление Процессом Восстановления Водорода Разложение на стадии реакции:
Fe2O3→H2Fe3O4→H2FeO→H2FeFe2O3H2Fe3O4H2FeOH2Fe
Fe2O3→H2Fe3O4→H2FeO→H2FeFe2O3 H2Fe3O4 H2FeOH2Fe

Ограничение скорости: диффузия FeO→Fe в твердом состоянии (энергия активации ≈ 120 кДж/моль), которую необходимо оптимизировать следующими мерами: Пористость гранул увеличивается до ≥35% (добавление известнякового порообразователя) Поддержание парциального давления H₂ > 2,5 бар (снижение сопротивления диффузии).

Термодинамические граничные условия:
открытый текст
| Температурный диапазон | Преимущества | Риски |
| 800-850℃ | Предотвращение спекания железа (стабильная зона α-Fe) | Снижение скорости восстановления на 30% |
| 950-1000℃ | Значительное улучшение кинетики реакции | Рост зерен железа (>50 мкм) |

Решение: внедрить градиентный контроль температуры

Верхняя зона предварительного нагрева: 820 ℃ (против прилипания) → Средняя основная зона восстановления: 960 ℃ (ускоренная реакция) → Нижняя зона охлаждения: 600 ℃ (фиксированная микроструктура).

1.2 Усовершенствование Системы Циркуляции Газа

Потребление энергии при регенерации башни дегидратации: использование отходящего тепла для регенерации горячего воздуха (экономия 30% пара) Циклическое использование H₂: Динамическая регулировка количества восполняемого водорода с помощью онлайн-масс-спектрометра (цикл обратной связи ≤ 0,5 с)

2. Углубленная Разработка Основного Оборудования

2.1 Инновация В Конструкции Корпуса Вертикальной Печи

Конструкция огнеупорного слоя (от горячей поверхности к холодной):

Моделирование гидромеханики материала Система распределения:

Проблема: Поток воздуха с кромки приводит к неравномерному восстановлению (разница в степени металлизации между центром и краем >5%)

Меры противодействия:
Динамическая регулировка наклона желоба (изменяется на 40°–60° в зависимости от уровня материала) Конструкция направляющего конуса верхней части печи: угол отклонения направляющей пластины 15° (проверка CFD равномерности потока газа >90%)

2.2 Интеграция Системы Производства И Хранения Водорода

Основные параметры электролизера PEM:
| Параметры | Значения | Техническая основа |
| Плотность тока | 3 А/см² | Предел мембранного электрода (Nafion™ 117) |
| Эффективность электролиза | 53 кВт⋅ч/кг H₂ | Ниже теоретического значения (39,4) из-за омических потерь |
| Адаптация к колебаниям давления | ±10 бар/мин | Соответствие требованиям пульсации водорода вертикальной печи |

Конструкция изоляции резервуара для хранения жидкого водорода:

Вакуумная многослойная изоляция (ВМИ): 30 слоев алюминиевой фольги + стекловолокнистая бумага (вакуум между слоями <10⁻³ Па)
Суточная скорость испарения: <0,03% (газ BOG возвращается в систему производства водорода).

3. Углубленный Анализ Системы Управления Безопасностью

Тройная защита для контроля утечек:
Первичный мониторинг: распределенный электрохимический датчик (точность 1 ppm, время отклика <3 с)
Вторичное подтверждение: открытый оптический путь TDLAS (длина пути 200 м, предел обнаружения 0,1% НПВ)
Трехуровневая утилизация
Микроутечка: разбавление вытяжным вентилятором (частота воздухообмена >12 раз/ч) Концентрация >1% по объему: срабатывание азотной завесы (скорость покрытия 10 м/с)
Взрывозащищенная конструкция вертикальной печи:
Сброс давления: разрывная мембрана (P_r=5,5 бар) + пружинный предохранительный клапан (P_s=4,8 бар).
Меры по подавлению взрыва: подача смешанного газа N₂-CO₂ в верхнюю часть печи (для снижения O₂ <8%).
Модель прогнозирования скорости металлизации в реальном времени:
η металлизация = k0⋅e−Ea/RT⋅(PH2)0,5⋅t0,8+Характеристики руды η металлизация=k0⋅e−Ea/RT⋅(PH2)0,5⋅t0,8+Характеристики руды

Входные параметры: k₀: коэффициент активности руды (онлайн-анализ РФА соотношения Fe²⁺/Fe³⁺) t: фактическое время пребывания (инверсия уровня радара)
Выход управления: Динамическая регулировка заданного значения температуры печи (±15℃)

4. Основная Технология Оптимизации Энергоэффективности
4.1 Каскадное Использование Отходящего Тепла

4.2 Гибкая Регулировка Силовой Нагрузки

Стратегия связи производства водорода с вертикальной печью:

Когда цена на электроэнергию в электросети пиковая (>50 долл. США/МВт·ч):
- Снижение нагрузки вертикальной печи до 70% (температура восстановления снижена до 900 ℃)
- Резервуар для хранения жидкого водорода выделяет водород для восполнения пробела

Когда цена на электроэнергию низкая (<20 долл. США/МВт·ч):
- Электролизер работает на полной нагрузке, резервуар для хранения жидкого водорода хранит энергию

Экономические преимущества: Годовая экономия электроэнергии составляет 24 миллиона долларов (на основе разницы в цене электроэнергии во времени использования)

5. Углубленная Экономическая И Техническая Оценка
5.1 Анализ Чувствительности Затрат

5.2 Учет Сокращения Выбросов Углерода
Выбросы за жизненный цикл (область охвата 1+2+3):

*Примечание: согласно расчету коэффициента выбросов сети 0,5 тCO₂/МВт·ч, если используется 100% зеленой электроэнергии, это составляет 0

6.Опыт и компетенции: