氢基竖炉直接还原炼铁技术规范

氢基竖炉直接还原炼铁技术规范本规范依据国家标准化管理委员会2024年碳达峰碳中和国家标准专项计划（计划号：20243779-T-605）编制，由冶金行业相关企业、科研机构及标准化组织联合起草。本规范结合国内氢基竖炉直接还原炼铁技术实践及国际先进技术经验，规定了氢基竖炉直接还原炼铁的术语和定义、基本要求、工艺流程、设备技术要求、生产运行、质量控制、安全环保、节能低碳及检测与评价等内容，适用于以氢气或富氢气体为还原剂、以球团矿（块矿）为原料的新建、改扩建氢基竖炉直接还原炼铁项目的设计、施工、生产运行及管理，旨在规范行业技术行为，推动氢基竖炉直接还原炼铁技术规模化、标准化推广，助力钢铁行业实现碳达峰、碳中和目标。1范围本规范规定了氢基竖炉直接还原炼铁的技术要求、生产操作、质量控制、安全环保、节能及检测评价等相关内容。本规范适用于采用竖炉作为还原反应器，以氢气（纯度≥95%）或富氢气体（氢气体积分数≥70%）为主要还原剂，以铁精矿球团、块矿为原料，生产直接还原铁（DRI）的工艺系统，包括原料预处理、竖炉还原、产品冷却、气体净化、氢气制备与循环等核心环节，不适用于以天然气、煤制气为主要还原剂的传统竖炉直接还原炼铁工艺。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本规范必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本规范；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本规范。GB/T34176-2017高炉炼铁工艺设计规范GB/T29706-2013直接还原铁金属铁含量的测定三氯化铁滴定法GB50016-2014（2018年版）建筑设计防火规范GB50058-2014爆炸危险环境电力装置设计规范GB16297-1996大气污染物综合排放标准GB8978-1996污水综合排放标准GB/T36376-2018氢气储存输送系统安全技术规范YB/T4724-2019直接还原铁DB13/T6121-2025氢基竖炉直接还原炼铁安全规程HJ2001-2010火电厂烟气脱硫工程技术规范氨法3术语和定义下列术语和定义适用于本规范。3.1氢基竖炉直接还原炼铁以氢气或富氢气体为主要还原剂，在竖炉内对铁氧化物原料（球团矿、块矿）进行加热、还原，在低于铁熔点的温度下将铁氧化物还原为金属铁（直接还原铁）的炼铁工艺，核心特点是无焦炭消耗、碳排放显著降低，产品洁净度高。3.2富氢气体氢气体积分数≥70%，其余成分主要为氮气、二氧化碳及少量一氧化碳的混合气体，可通过工业副产氢提纯、绿氢制备等方式获得，是氢基竖炉直接还原炼铁的核心还原剂。3.3直接还原铁（DRI）通过氢基竖炉直接还原工艺生产的以金属铁为主要成分的铁产品，金属铁含量≥90%，碳含量≤0.5%，硫、磷含量≤0.03%，可作为电炉炼钢的优质原料，也可用于转炉炼钢配加。3.4还原气循环系统将竖炉排出的未反应完全的富氢气体进行净化、提纯、加热后，重新送入竖炉参与还原反应的系统，主要包括气体冷却、脱硫脱碳、氢气提纯、气体加热等单元，可提高氢气利用率，降低原料消耗。3.5冷态直接还原铁经冷却系统处理后，温度≤100℃的直接还原铁产品，可直接进行储存、运输，避免产品氧化，保证产品质量稳定。4基本要求4.1原料要求1.铁原料：优先选用铁精矿球团，其次为块矿，原料铁品位≥65%，脉石含量（SiO₂+Al₂O₃）≤8%，硫含量≤0.03%，磷含量≤0.03%，抗压强度≥1500N/个（球团矿），块矿粒度为10~50mm，球团矿粒度为8~18mm，原料中水分含量≤2%，避免水分过高导致竖炉内结团、气流分布不均。2.还原剂：氢气纯度≥95%（体积分数），其中一氧化碳、二氧化碳含量≤2%，硫含量≤0.1mg/m³；富氢气体中氢气体积分数≥70%，一氧化碳含量≤5%，二氧化碳含量≤15%，硫含量≤0.5mg/m³，还原剂中杂质含量需满足还原反应及设备安全运行要求，避免杂质对还原反应、设备及产品质量造成影响。3.辅助原料：根据原料成分及还原反应需求，可适量添加石灰石、白云石等熔剂，熔剂中有效成分（CaO+MgO）≥50%，粒度为5~20mm，添加量需根据原料脉石含量及产品质量要求确定，确保还原过程中脉石形成低熔点炉渣，便于后续分离。4.2工艺系统要求1.工艺系统应包括原料预处理单元、竖炉还原单元、产品冷却单元、气体净化与循环单元、氢气制备与储存单元、控制系统及安全环保系统，各单元需协同运行，确保工艺连续性、稳定性。2.工艺系统设计应遵循“节能、低碳、安全、高效”的原则，氢气利用率≥90%，直接还原铁金属化率≥90%，单位产品氢气消耗≤380m³/t（以纯氢计），单位产品综合能耗≤300kg标准煤/t。3.工艺系统应具备完善的自动控制系统，实现原料输送、还原气流量与温度调节、竖炉炉温与炉压控制、产品冷却等环节的自动化操作，关键参数可实时监测、记录、预警，确保生产过程稳定可控。4.3设备要求1.核心设备（竖炉、还原气加热器、气体净化装置、氢气压缩机）应选用符合国家相关标准及行业规范的产品，设备材质需满足高温、高压、氢气腐蚀等工况要求，竖炉炉体采用耐高温、抗氢脆的合金材质，内衬采用耐火度≥1600℃的耐火材料。2.设备安装应符合GB/T34176-2017的相关要求，安装完成后需进行气密性试验、耐压试验及空载试运行，试验合格后方可投入使用，确保设备运行安全、无泄漏。3.设备应配备完善的安全保护装置，包括超温、超压、泄漏报警装置，紧急切断装置，防爆装置等，氢气储存、输送设备需符合GB/T36376-2018的相关要求，避免氢气泄漏引发安全事故。5工艺流程氢基竖炉直接还原炼铁工艺主要包括原料预处理、竖炉还原、产品冷却、气体净化与循环、氢气制备与储存五个核心环节，工艺流程如图1所示（文字描述如下）。5.1原料预处理铁原料（球团矿、块矿）经皮带输送机送入原料仓，通过筛分设备去除粉末（粒度<5mm）及杂质，筛分合格的原料经干燥设备处理，将水分含量降至≤2%，干燥温度控制在100~120℃，干燥后的原料通过定量给料机送入竖炉顶部的布料装置，确保原料均匀分布在竖炉内，避免局部料层过厚或过薄，影响气流分布及还原效果。熔剂经破碎、筛分后，与铁原料按比例混合，一同送入竖炉。5.2竖炉还原预处理后的原料从竖炉顶部布料装置进入炉内，自上而下缓慢移动；氢气或富氢气体经还原气加热器加热至850~950℃后，从竖炉底部风口送入炉内，自下而上与原料逆流接触，发生还原反应。还原反应温度控制在800~900℃，炉内压力控制在0.1~0.3MPa，还原时间为4~6小时，铁氧化物在氢气作用下逐步还原为金属铁，生成的水蒸气随未反应的还原气从竖炉顶部排出。竖炉内分为预热段、还原段、冷却段，预热段温度控制在400~600℃，主要对原料进行预热，去除原料中的水分及易挥发成分；还原段温度控制在800~900℃，是铁氧化物还原的核心区域；冷却段温度控制在200~400℃，对还原后的直接还原铁进行初步冷却。5.3产品冷却从竖炉底部排出的热态直接还原铁（温度约300~400℃）送入冷却系统，采用间接冷却方式（如水冷、风冷）将产品温度降至≤100℃，冷却介质需经过净化处理，避免污染产品。冷却后的冷态直接还原铁经筛分设备去除粉末及炉渣，筛分合格的产品送入成品仓储存，粉末及炉渣可作为原料循环利用或进行无害化处理。5.4气体净化与循环竖炉顶部排出的尾气（主要成分为氢气、水蒸气、二氧化碳、少量一氧化碳及杂质）首先进入冷却器，将温度降至40~60℃，使水蒸气冷凝为液态水，经气液分离器分离后，液态水送入水处理系统处理，达标后循环利用或排放。冷凝后的尾气进入脱硫脱碳装置，采用物理吸附法或化学吸收法（如氨法）去除其中的二氧化碳、硫化氢等杂质，脱硫脱碳后尾气中二氧化碳含量≤2%，硫化氢含量≤0.1mg/m³。净化后的尾气进入氢气提纯装置，通过变压吸附、膜分离等方式将氢气纯度提升至≥95%，提纯后的氢气与新增的新鲜氢气混合，经还原气加热器加热后，重新送入竖炉参与还原反应，实现氢气循环利用。5.5氢气制备与储存氢气制备可采用绿氢制备（电解水制氢）、工业副产氢提纯（如化工、钢铁行业副产氢）等方式，电解水制氢需采用高效电解槽，氢气纯度≥99.9%，工业副产氢提纯需去除其中的杂质，满足本规范4.1.2的要求。制备后的氢气送入氢气储存装置，储存装置可采用高压气态储存（压力≤40MPa）、低温液态储存等方式，储存装置需符合GB/T36376-2018的相关要求，配备泄漏检测、防爆、紧急泄压等安全装置，氢气储存量需满足生产连续运行2小时以上的需求，确保生产稳定性。6设备技术要求6.1竖炉1.竖炉炉体为圆柱形结构，内径根据生产规模确定，生产规模为10~50万t/a的竖炉，内径为4~8m，炉高为20~30m，炉体采用双层结构，内层为耐火材料，外层为合金钢板，确保炉体耐高温、抗氢脆。2.竖炉顶部设置布料装置，采用旋转布料器，确保原料均匀分布，布料器转速为0.5~2r/min，可根据原料粒度及炉内料层高度调整转速；底部设置排料装置，采用星型排料阀，排料速度为1~5t/h，可根据生产负荷调整排料速度，确保炉内料层高度稳定。3.竖炉底部设置风口装置，风口数量根据炉体内径确定，风口间距为0.5~1m，风口直径为50~100mm，确保还原气均匀分布在炉内，与原料充分接触；炉体设置多个温度、压力检测点，实时监测炉内各区域温度、压力，便于调整工艺参数。6.2还原气加热器1.还原气加热器采用管式换热器，加热介质可采用天然气、电加热或工业余热，加热能力需满足还原气加热至850~950℃的要求，加热效率≥90%。2.加热器材质采用耐高温、抗氢脆的合金材质，管程压力≤0.5MPa，壳程压力≤0.4MPa，加热器设置超温、超压报警装置，当温度超过1000℃、压力超过0.5MPa时，自动报警并切断加热源，确保设备安全运行。3.加热器配备烟气余热回收装置，回收加热过程中产生的烟气余热，用于原料干燥或预热，提高能源利用率，降低综合能耗。6.3气体净化装置1.脱硫脱碳装置采用氨法脱硫脱碳工艺（符合HJ2001-2010的要求），脱硫效率≥99%，脱碳效率≥95%，装置处理能力需满足尾气处理需求，确保净化后气体符合循环利用要求。2.氢气提纯装置采用变压吸附工艺，吸附剂选用分子筛，提纯效率≥95%，氢气回收率≥90%，装置运行压力为1.0~2.0MPa，温度为20~40℃，可根据尾气成分调整吸附、解吸参数，确保氢气纯度达标。3.气体净化装置配备杂质检测装置，实时监测净化后气体中的二氧化碳、硫化氢等杂质含量，当杂质含量超标时，自动切换至备用净化系统，确保循环气质量。6.4氢气压缩机与储存装置1.氢气压缩机采用隔膜式压缩机，压缩能力需满足生产过程中氢气输送及循环的需求，出口压力为0.3~0.5MPa，压缩机转速为1000~1500r/min，配备超温、超压、泄漏报警装置，确保运行安全。2.氢气储存装置采用高压气态储氢罐，储氢压力为20~40MPa，储罐材质采用高强度合金钢材，储罐容积根据生产规模确定，10~50万t/a生产规模的储罐容积为50~200m³，储罐设置压力检测、泄漏检测、紧急泄压装置，泄压气体需送入火炬系统燃烧处理，避免氢气泄漏引发安全事故。7生产运行7.1开机准备1.开机前需对工艺系统各单元进行检查，包括原料仓料位、氢气储存量、设备运行状态、安全保护装置、自动控制系统等，确保各单元正常运行，无泄漏、无故障。2.对竖炉进行烘炉处理，烘炉温度从室温逐步升至800~900℃，烘炉时间为7~10天，升温速率控制在50~100℃/天，避免炉体及内衬因升温过快出现开裂、损坏；烘炉过程中，通入氮气对竖炉进行吹扫，排除炉内空气，避免氢气与空气混合引发爆炸。3.检查还原气循环系统、产品冷却系统、氢气制备系统，确保各系统气密性良好，设备空载试运行合格后，通入氢气进行系统置换，置换至系统内氧含量≤0.5%（体积分数）后，方可启动加热及还原反应。7.2正常运行1.原料输送：根据竖炉生产负荷，调整定量给料机转速，确保原料均匀送入竖炉，料层高度控制在15~25m，料层高度波动范围≤±0.5m，避免料层过高或过低影响还原效果。2.还原气控制：调整氢气（或富氢气体）流量，确保炉内还原气流量稳定，还原气温度控制在850~950℃，炉内压力控制在0.1~0.3MPa，根据炉内温度、压力及产品金属化率，调整还原气流量及温度，确保还原反应稳定进行。3.排料控制：根据炉内料层高度及产品冷却能力，调整排料装置转速，确保排料速度与进料速度、还原反应速度匹配，排料温度控制在300~400℃，避免排料温度过高导致产品氧化。4.气体循环控制：实时监测尾气成分及流量，调整脱硫脱碳装置、氢气提纯装置运行参数，确保净化后氢气纯度≥95%，氢气循环利用率≥90%，根据循环气中杂质含量，及时更换吸附剂、调整吸收液浓度，确保净化效果。5.安全监测：实时监测各单元氢气泄漏情况、设备温度、压力、氧含量等参数，当出现氢气泄漏、超温、超压、氧含量超标等异常情况时，自动报警并启动应急处置措施，确保生产安全。7.3停机操作1.正常停机：逐步降低原料进料速度，同时减少还原气流量，降低竖炉炉温，炉温降至400℃以下后，停止进料及还原气供应，通入氮气对竖炉及还原气循环系统进行吹扫，置换系统内氢气，直至系统内氢含量≤0.5%（体积分数）。停止产品冷却系统、氢气制备系统，关闭各设备电源及阀门，对设备进行清理、检查，做好停机记录。2.紧急停机：当出现氢气大量泄漏、火灾、爆炸、设备严重故障等紧急情况时，立即启动紧急停机程序，切断氢气供应及电源，关闭各阀门，通入氮气进行吹扫，启动应急处置措施，排除故障后，方可重新启动生产。8质量控制8.1原料质量控制1.铁原料、还原剂、熔剂进场时，需进行抽样检测，检测项目包括铁品位、脉石含量、硫含量、磷含量、粒度、水分含量（铁原料），氢气纯度、杂质含量（还原剂），有效成分含量、粒度（熔剂），检测方法符合相关国家标准及行业标准，检测合格后方可入库使用。2.原料储存过程中，需分类储存，避免混料，原料仓设置防潮、防尘装置，定期检测原料水分含量，当水分含量超过2%时，及时进行干燥处理，确保原料质量符合要求。8.2产品质量控制1.直接还原铁产品需按批次进行检测，每批次产品抽样数量≥3个，检测项目包括金属铁含量、碳含量、硫含量、磷含量、粒度，检测方法符合GB/T29706-2013、YB/T4724-2019的相关要求，产品质量需符合表1的规定。项目指标要求金属铁含量（质量分数）≥90%碳含量（质量分数）≤0.5%硫含量（质量分数）≤0.03%磷含量（质量分数）≤0.03%粒度（mm）5~502.产品冷却过程中，控制冷却温度及冷却速度，避免产品氧化，冷却后的产品需进行筛分，去除粉末及炉渣，确保产品粒度符合要求；产品储存过程中，采用密封储存方式，避免与空气、水分接触，防止产品氧化、受潮。8.3工艺参数控制生产过程中，需严格控制竖炉炉温、炉压、还原气温度、还原气流量、原料进料速度、排料速度等工艺参数，工艺参数波动范围需符合表2的规定，定期对工艺参数进行记录、分析，及时调整异常参数，确保生产过程稳定，产品质量合格。工艺参数控制范围波动范围竖炉还原段温度（℃）800~900±30竖炉炉内压力（MPa）0.1~0.3±0.05还原气温度（℃）850~950±20氢气循环利用率（%）≥90±2产品金属化率（%）≥90±19安全环保9.1安全要求1.生产厂区需划分爆炸危险区域，爆炸危险区域划分符合GB50058-2014的相关要求，区域内设置防爆电气设备、防爆灯具，严禁明火作业，严禁携带易燃易爆物品进入区域。2.氢气储存、输送、使用环节需设置泄漏检测装置，检测装置灵敏度≤100μL/L，泄漏检测装置与紧急切断装置联动，当检测到氢气泄漏时，自动报警并切断氢气供应，启动通风装置，将泄漏氢气排出厂区。3.厂区设置火炬系统，用于处理紧急泄压、泄漏的氢气，火炬系统需符合相关安全标准，确保氢气充分燃烧，避免氢气扩散引发安全事故；厂区配备消防设施，包括灭火器、消防栓、消防水系统等，消防设施需定期检查、维护，确保完好有效。4.操作人员需经过专业培训，考核合格后方可上岗，操作人员需熟悉工艺流程、设备操作及应急处置方法，上岗时需穿戴防静电工作服、防静电鞋，严禁穿戴化纤衣物，避免产生静电火花。5.定期对设备、管道进行气密性试验、耐压试验，试验周期为每6个月1次，及时发现并处理泄漏、破损等问题，确保设备、管道运行安全；制定完善的应急预案，包括氢气泄漏、火灾、爆炸等应急处置预案，定期组织应急演练，提高应急处置能力。9.2环保要求1.废气处理：生产过程中产生的尾气经净化处理后，氢气循环利用，少量无法循环的尾气（主要成分为氮气、二氧化碳）经检测达标后排放，排放浓度需符合GB16297-1996的相关要求；原料干燥、设备加热过程中产生的烟气，经余热回收、脱硫除尘处理后，达标排放，烟尘排放浓度≤30mg/m³，二氧化硫排放浓度≤50mg/m³。2.废水处理：生产过程中产生的废水主要包括水蒸气冷凝水、设备冷却水、脱硫脱碳装置废水，废水经收集后送入水处理系统，采用物理、化学方法处理，处理后的废水需符合GB8978-1996的相关要求，可循环用于原料干燥、设备冷却或达标排放。3.固废处理：生产过程中产生的固废主要包括原料筛分粉末、炉渣、吸附剂废剂等，原料筛分粉末、炉渣可作为原料循环利用或用于建材生产；吸附剂废剂属于危险废物，需交由有资质的单位进行无害化处理，严禁随意丢弃。4.噪声控制：生产设备需采取降噪措施，如安装消声器、减震装置等，厂区噪声排放需符合GB12348-2008的相关要求，厂界噪声昼间≤65dB（A），夜间≤55dB（A）；操作人员需佩戴防噪声耳塞，保护听力。5.碳排放控制：采用绿氢制备工艺，降低生产过程中碳排放；优化工艺参数，提高氢气利用率，减少原料消耗，降低单位产品碳排放；建立碳排放监测体系，定期监测生产过程中碳排放量，按照相关要求进行碳排放报告及核查。10节能低碳1.能源利用：优先采用绿氢制备工艺，利用可再生能源（光伏、风电）电解水制氢，降低化石能源消耗；回收竖炉尾气余热、还原气加热器烟气余热，用于原料干燥、预热，提高能源利用率，单位产品综合能耗≤300kg标准煤/t。2.氢气循环利用：优化气体净化与循环系统，提高氢气循环利用率≥90%，减少新鲜氢气消耗，降低原料成本及碳排放；采用高效氢气提纯技术，降低提纯过程中能源消耗。3.设备节能：选用高效、节能型设备，如高效电解槽、节能型还原气加热器、低能耗氢气压缩机等，降低设备运行能耗；优化设备运行参数，避免设备空载、过载运行，提高设备运行效率。4.工艺优化：优化竖炉还原工艺，调整炉温、炉压、还原气流量等参数，提高还原反应效率，缩短还原时间，降低能源消耗；采用优质铁原料，减少脉石含量，降低还原过程中能源消耗及炉渣产生量。11检测与评价11.1检测要求1.原料检测：铁原