关于天然气重整制备富氢还原...量及化学平衡衡算图的应用例_沈峰满.pdf

第5 8卷 第7期 2 0 2 3年7月钢 铁I r o na n dS t e e lV o l.5 8,N o.7,p 9-1 6 J u l y2 0 2 3 D O I:1 0.1 3 2 2 8/j.b o y u a n.i s s n 0 4 4 9-7 4 9 x.2 0 2 2 0 7 5 0关于天然气重整制备富氢还原气体过程中析碳问题的调控 H-C-O体系质量及化学平衡衡算图的应用例沈峰满1,章苇玲1,2,郑艾军3,郑海燕1,丁智敏1,李 季1(1.东北大学冶金学院,辽宁 沈阳1 1 0 8 1 9;2.宝钢湛江钢铁有限公司制造管理部,广东 湛江5 2 4 0 7 2;3.河钢集团宣化钢铁集团有限责任公司,河北 宣化0 7 5 1 0 0)摘 要:采用天然气重整或焦炉煤气重整工艺制备富氢还原气体时,若操作参数控制不当将会出现碳的析出问题,影响制备富氢气体工序的稳定顺行,因此研究控制制备富氢还原气体过程中的析碳非常必要。应用“H-C-O体系质量及化学平衡衡算图”和化学平衡原理,探讨了天然气重整或焦炉煤气重整工艺制备富氢还原气体过程中的“析碳”问题。在假设天然气重整或焦炉煤气重整体系处于临界析碳状态的前提下,确定了析碳曲线与还原气体nH2/nC O、重整温度和体系总压等因素的对应关系,从热力学角度给出了天然气重整或焦炉煤气重整制备富氢还原气体工艺中的临界析碳曲线、“析碳区”与“非析碳区”以及控制析碳且能满足直接还原铁要求的给定nH2/nC O值富氢还原气体制备时的重整温度与体系总压等工艺参数。结果表明,为了确保nH2/nC O和有效成分(H2)+(C O)合量同时满足直接还原气体组成要求,在体系总压Pt o t=0.1MP a条件下重整温度须高于8 0 0;随着体系总压的升高,CH4的转化率呈下降趋势;对于低nH2/nC O(=2),随着体系总压的升高析碳区域将增大;但对于nH2/nC O(=5),随着体系总压的升高析碳区域反而变小,这是因为当nH2/nC O较低时,碳的气化反应为主流反应,提高压力将增强析碳,而当nH2/nC O较高时,甲烷分解反应为主流反应,压力升高将妨碍甲烷分解,抑制了析碳的缘故;另外,体系总压过高将无法获得有效成分(H2)+(C O)合量满足直接还原铁工艺要求的还原气体。关键词:富氢直接还原铁;富氢还原气体;天然气重整或焦炉煤气重整;H-C-O体系质量及化学平衡衡算图;析碳控制;热力学分析文献标志码:A 文章编号:0 4 4 9-7 4 9 X(2 0 2 3)0 7-0 0 0 9-0 8R e g u l a t i o no f c a r b o nd e p o s i t i o nd u r i n gp r e p a r a t i o np r o c e s so fh y d r o g e n-r i c hr e d u c i n gg a sb yn a t u r a l g a s r e f o r m i n g A na p p l i c a t i o ne x a m p l eo fH-C-Os y s t e mm a s sb a l a n c ea n dc h e m i c a l e q u i l i b r i u md i a g r a mS HE NF e n g m a n1,Z HANG W e i l i n g1,2,Z HE NGA i j u n3,Z HE NG H a i y a n1,D I NGZ h i m i n1,L I J i1(1.S c h o o l o fM e t a l l u r g y,N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y,S h e n y a n g1 1 0 8 1 9,L i a o n i n g,C h i n a;2.D e p a r t m e n to fT e c h n i c a lM a n a g e m e n t,B a o s t e e lZ h a n j i a n gI r o na n dS t e e lC o.,L t d.,Z h a n j i a n g5 2 4 0 7 2,G u a n g d o n g,C h i n a;3.X u a n h u a I r o na n dS t e e lG r o u pC o.,L t d.,HB I S,X u a n h u a0 7 5 1 0 0,H e b e i,C h i n a)基金项目:国家自然科学基金资助项目(N S F C5 2 2 7 4 3 2 2,N S F C5 1 9 7 4 0 7 3)作者简介:沈峰满(1 9 5 8),男,博士,教授;E-m a i l:s h e n f mm a i l.n e u.e d u.c n;收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 6A b s t r a c t:I f t h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r s i nt h ep r o c e s so fp r e p a r i n gh y d r o g e n-r i c hr e d u c i n gg a sa r en o tp r o p e r l yc o n-t r o l l e d,t h ep r o b l e mo f c a r b o nd e p o s i t i o nw i l l o c c u r,w h i c hw i l l a f f e c t t h e s t a b i l i t yo f t h ep r o c e s s o f p r e p a r i n gh y d r o-g e n-r i c hr e d u c i n gg a sb yu s i n gn a t u r a l g a so rc o k eo v e ng a sa s t h eg a ss o u r c e.T h e r e f o r e,i t i sn e c e s s a r yt o i n v e s t i-g a t ea n dc o n t r o l t h ep r o b l e mo f c a r b o nd e p o s i t i o n i nt h ep r o c e s so fp r e p a r i n gh y d r o g e n-r i c hr e d u c i n gg a s t h a tm e e t st h er e q u i r e m e n t so f t h ed i r e c t r e d u c t i o n i r o np r o c e s s.T h ep r o b l e mo f c a r b o nd e p o s i t i o n i n t h ep r o c e s s o f p r e p a r i n gh y d r o g e n-r i c hr e d u c i n gg a s f r o mn a t u r a lg a sr e f o r m i n go rc o k eo v e ng a sr e f o r m i n gp r o c e s sw a sd i s c u s s e db yu s i n gt h e H-C-Os y s t e m m a s sa n dc h e m i c a lb a l a n c ed i a g r a m a n dt h ep r i n c i p l eo fc h e m i c a le q u i l i b r i u m.A s s u m i n gt h a tt h en a t u r a l g a s r e f o r m i n go r c o k e o v e ng a s r e f o r m i n gs y s t e mi s a t t h e c r i t i c a l s t a t e o f c a r b o nd e p o s i t i o n,t h e r e l a t i o n-s h i p sb e t w e e nt h ec a r b o nd e p o s i t i o nc u r v ea n dt h ef a c t o r so fnH2/nC Oo f t h er e d u c t i o ng a s,r e f o r m i n gt e m p e r a t u r e,a n dt o t a l s y s t e mp r e s s u r ew e r ed e t e r m i n e d,t h ec r i t i c a l c a r b o nd e p o s i t i o nc u r v e i nt h ep r o c e s so fr e f o r m i n gn a t u r a l钢 铁第5 8卷g a so r c o k eo v e ng a s t oh y d r o g e n-r i c hr e d u c i n gg a sw a sg i v e nf r o mt h ep e r s p e c t i v eo f t h e r m o d y n a m i c s,t h e c a r b o nd e p o s i t i o nr e g i o n a n d n o n-c a r b o nd e p o s i t i o nr e g i o n w e r e o b t a i n e d,a n d t h ep r o c e s sp a r a m e t e r s,s u c ha s t h e r e f o r-m i n gt e m p e r a t u r eo fh y d r o g e n-r i c hr e d u c i n gg a sa n dt h e t o t a l s y s t e mp r e s s u r e,w h i c hc a n i n h i b i t t h e c a r b o nd e p o s i-t i o na n dm e e t t h e r e q u i r e dnH2/nC Oo f d i r e c t r e d u c t i o n i r o n,w e r e g i v e n.T h e r e s u l t s s h o wt h a t i no r d e r t o e n s u r enH2/nC Oa n dt h e t o t a l a m o u n to f t h ee f f e c t i v ec o m p o s i t i o no f(H2)+(C O)s i m u l t a n e o u s l ym e e tt h er e q u i r e m e n t sf o rt h ec o m p o s i t i o no f t h ed i r e c tr e d u c t i o ng a s,t h er e f o r m i n gt e m p e r a t u r em u s tb eh i g h e rt h a n8 0 0 u n d e rPt o t=0.1MP a;T h ec o n v e r s i o no fCH4d e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e