一種以煤層氣為還原氣直接還原鐵的方法及系統與流程

2023-10-09 16:05:09

本發明涉及冶金技術領域，更具體地，涉及一種以煤層氣為原料的還原氣直接還原鐵的方法及系統。

背景技術：

直接還原鐵是指一種鐵礦石在爐內低於熔化溫度條件下還原生產海綿鐵的煉鐵生產過程。2015年，全世界直接還原鐵產量為7257萬噸，其中氣基豎爐法生產直接還原鐵約佔80％。目前成熟的hylⅲ法以天然氣和部分爐頂氣為原料，通過原料天然氣、轉化劑水蒸汽在重整爐內的催化重整反應製取還原氣，經加熱爐加熱至900～950℃後通入豎爐還原鐵礦石。這兩種工藝都是以天然氣為氣源通過重整後製取還原煉鐵所需要的還原氣，這類方法更適合於天然氣儲量豐富並且價格低廉的中東、北美以及俄羅斯等地區。而在我國這類天然氣儲量不豐富的國家使用天然氣為原料進行豎爐法生產直接還原鐵存在成本偏高等問題。

現有技術中使用瓦斯氣和天然氣製成混合氣還原鐵，為了使瓦斯氣偏離爆炸極限，採用的方法是充入了大量的天然氣，極大提高了混合氣中甲烷的濃度。但是其處理流程長，在氣體處理過程中由於氧氣的存在，還是存在發生爆炸的危險。並且該項技術處理前提是給瓦斯氣充入大量的天然氣，這對於天然氣匱乏或成本高的地區依然很難大規模推廣。

因此，為了克服現有技術中天然氣匱乏等技術缺陷，需要一種新型的直接還原鐵的系統和方法。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的是提供一種以煤層氣為原料的還原氣直接還原鐵的方法及系統。煤層氣從礦井下抽採的過程中會混入大量的空氣，形成不同比例的甲烷與空氣的混合氣。我國煤層氣資源儲量豐富，而目前總體利用率偏低。因此，使用煤層氣作為原料進行豎爐冶煉海綿鐵，既可以降低氣源成本，又可以利用大量存在煤層氣資源，解決我國天然氣匱乏，成本偏高的問題。

為達到上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種以煤層氣為原料的還原氣直接還原鐵的方法，包括以下步驟：

步驟一：將煤層氣進行脫氧處理後送入混合器中；

步驟二：在混合器中，煤層氣與豎爐爐頂氣混合成混合氣後，進入水洗塔降溫除塵後進入氣液分離器進行氣液分離；

步驟三：在氣液分離器中分離出的混合氣分別進入豎爐的冷卻氣入口、變壓吸附裝置及加熱爐，變壓吸附裝置將混合氣脫氮；進入加熱爐的混合氣用於加熱爐的燃料氣；

步驟四：將步驟三中脫氮後的混合氣通入重整爐調質成還原氣；

步驟五：將還原氣經過加熱爐加熱後通入豎爐中作為還原過程氣體原料使用；

步驟六：鐵礦制的氧化球團與還原氣在豎爐中發生反應得到海綿鐵產品。

進一步地，步驟三中進入豎爐的冷卻氣入口的混合氣用作冷卻氣冷卻處於豎爐冷卻段的海綿鐵產品。。

進一步地，步驟三中進入豎爐的冷卻氣入口的混合氣佔通入豎爐的還原氣的體積比為5-15％。

進一步地，步驟一中煤層氣是甲烷和空氣的混合氣體，其中甲烷佔混合氣體的體積百分數的30％-80％。

進一步地，步驟四中的還原氣的成分是(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)的摩爾比不小於0.9。

進一步地，重整爐中使用的催化劑為鎳或鎳基合金催化劑。

進一步地，步驟五中經加熱爐加熱後還原氣的溫度為900℃以上。

進一步地，煤層氣與爐頂氣混合體積比為0.15-0.45:1。

根據本發明，提供一種實現上述方法的系統，包括：

煤層氣脫氧裝置，該煤層氣脫氧裝置用於進行煤層氣的脫氧，煤層氣脫氧裝置具有第一進口和第一出口，第一進口用於輸入煤層氣；

混合器，該混合器具有第二煤層氣進口、第二爐頂氣進口和第二出口，混合器的第二煤層氣進口與煤層氣脫氧裝置的第一出口連通；

豎爐，該豎爐具有爐頂氣出口、球團進口、產品出口、還原氣進口和冷卻氣入口；豎爐的爐頂氣出口與混合器的第二爐頂氣進口連通；

水洗塔，該水洗塔具有第三進口和第三出口，水洗塔的第三進口與混合器的第二出口連通；

氣液分離器，該氣液分離器具有第四進口和第四出口，氣液分離器的第四進口與水洗塔的第三出口連通，第四出口接有三向分流閥，三向分流閥包含第一分流口、第二分流口和第三分流口；

變壓吸附裝置，該變壓吸附裝置具有第五進口和第五出口，變壓吸附裝置的第五進口與第一分流口連通；

重整爐，該重整爐具有第六進口和第六出口，重整爐的第六進口與變壓吸附裝置的第五出口連通；以及

加熱爐，該加熱爐具有第七進口、第七出口和燃料氣入口，加熱爐的第七進口與重整爐的第六出口連通，燃料氣入口與第二分流口連通；

加熱爐的第七出口與豎爐的還原氣入口相連；

第三分流口與豎爐的冷卻氣入口相連。

進一步地，煤層氣脫氧裝置採用雙塔變壓吸附裝置，其中雙塔變壓吸附裝置的吸附劑採用炭分子篩吸附劑或者炭分子篩與活性碳混合吸附劑。

更進一步地，炭分子篩與活性碳混合吸附劑的炭分子篩與活性碳的質量比為1:1-2:1。

進一步地，雙塔變壓吸附裝置的操作條件是室溫下，單塔吸附時間為60-150s，置換時間為30-60s，煤層氣吸附壓力為0.2-0.4mpa。

進一步地，雙塔變壓吸附裝置的工作過程是一個變壓吸附過程包括吸附、置換、均壓、脫附等步驟；雙吸附塔異步操作，塔1吸附、置換操作時塔2進行脫吸，然後均壓並且再進行反向操作。

進一步地，變壓吸附裝置為除氮裝置。

進一步地，變壓吸附裝置的吸附劑為沸石分子篩、炭分子篩和活性碳的一種。

本發明的煤層氣和爐頂氣的混合原理在於：

脫氧後煤層氣與爐頂氣的混合比例需要考慮煤層氣中ch4含量與爐頂氣中co2含量而定，一般的煤層氣與爐頂氣混合體積比為：0.45:1～0.15:1。目的是為了儘量使煤層氣中的ch4在重整爐中充分反應生成還原性co與h2；

具體發生的主要化學反應為：ch4+co2＝2co+2h2。

本發明的有益效果是：

1.本發明採用煤層氣作為豎爐反應的氣體原料，豎爐系統生產過程中對氮氣有一定的接受能力，在煤層氣處理過程中只要脫氧就可以直接進入還原氣製備系統，減小了煤層氣的處理難度，工藝易於實現。

2.本發明利用脫氧處理後煤層氣含有氮氣的成分特點與爐頂氣混合後，將水洗降溫後的少部分混合氣直接通入豎爐下部作為冷卻氣使用，一方面水洗後的煤層氣與爐頂氣混合後其中甲烷比例為10％～20％，還存在大量的co、h2、n2、與co2，上述氣體少部分直接通入豎爐底部冷卻段可以直接作為冷卻氣使用，同時由於其成分含有甲烷的特點，實現冷卻的同時對海綿鐵起到增碳作用，不需要專門配製增碳冷卻氣。另一方面本發明不採用冷卻氣回收系統而使冷卻氣直接進入還原段，實現了設備、能耗的最優化。

3.本發明將水洗降溫後的大部分混合氣通過脫氮裝置去除掉氮氣後，重整、加熱作為還原氣來使用，這樣豎爐還原段使用的是低氮還原氣，使豎爐本身可以容納冷卻氣上升到還原段後所含氮氣帶來的影響，從而保證豎爐的直接還原過程，另外控制入爐還原氣溫度較高，以保證可以重整掉冷卻氣帶入的少部分甲烷，去除甲烷含量過高對還原反應所帶來的影響。

附圖說明

圖1是按照本發明的實施例的由豎爐直接煉鐵的系統的示意圖；

圖2是按照本發明的實施例的由豎爐直接煉鐵的工藝流程圖。

附圖標記

1豎爐、2混合器、3水洗塔、4氣液分離器、5變壓吸附裝置、6重整爐、7加熱爐、8煤層氣脫氧裝置。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

如圖1所示，本發明使用的系統包括豎爐1、混合器2、水洗塔3、氣液分離器4、變壓吸附裝置5、重整爐6、加熱爐7和煤層氣脫氧裝置8。

煤層氣脫氧裝置8用於進行煤層氣的脫氧，煤層氣脫氧裝置8具有第一進口和第一出口，第一進口用於輸入煤層氣；混合器2具有第二煤層氣進口、第二爐頂氣進口和第二出口，混合器2的第二煤層氣進口與煤層氣脫氧裝置8的第一出口連通；豎爐1具有爐頂氣出口、球團進口、產品出口、還原氣進口和冷卻氣入口；豎爐1的爐頂氣出口與混合器2的第二爐頂氣進口連通；水洗塔3具有第三進口和第三出口，水洗塔3的第三進口與混合器2的第二出口連通；氣液分離器4具有第四進口和第四出口，氣液分離器4的第四進口與水洗塔3的第三出口連通，第四出口接有三向分流閥，三向分流閥包含第一分流口、第二分流口和第三分流口；變壓吸附裝置5具有第五進口和第五出口，變壓吸附裝置5的第五進口與第一分流口連通，用於通入混合氣；重整爐6具有第六進口和第六出口，重整爐6的第六進口與變壓吸附裝置5的第五出口連通；加熱爐7具有第七進口、第七出口和燃料氣入口，加熱爐7的第七進口與重整爐6的第六出口連通，燃料氣入口與第二分流口連通，分流的混合氣進入所述加熱爐7的燃料氣入口作為燃料氣使用；加熱爐7的第七出口與豎爐1的還原氣入口相連；第三分流口與豎爐1的冷卻氣入口相連，分流的混合氣進入所述豎爐1的冷卻氣入口作為冷卻氣使用。

變壓吸附裝置5為除氮裝置。變壓吸附裝置5的吸附劑為沸石分子篩、炭分子篩和活性碳的一種。

煤層氣脫氧裝置8採用雙塔變壓吸附裝置，主要設備有兩個吸附塔、真空泵、緩衝罐，吸附劑採用炭分子篩或炭分子篩與活性碳的混合吸附劑，雙塔變壓吸附條件為吸附溫度為室溫，單塔吸附時間為60-150s，置換時間為30-60s，煤層氣吸附壓力為0.2-0.4mpa。吸附劑為混合吸附劑時，炭分子篩與活性碳的質量比為1:1-2:1,處理後的煤層氣可以根據豎爐爐頂氣壓力調節一致後直接與爐頂氣混合；一個變壓吸附過程包括吸附、置換、均壓、脫附等步驟，兩吸附塔異步操作，塔1吸附、轉換操作時塔2進行脫吸，然後均壓並且再次進行兩塔反向操作。

實施例1

如圖1和2所示，本實施例使用的如上所述的系統進行還原鐵，並且使用開採的煤層氣，其中甲烷體積分數為45％。爐頂氣為h2、co、n2與co2的混合氣體，溫度為400℃，循環與煤層氣混合使用；

步驟100中，將煤層氣在煤層氣脫氧裝置8中進行脫氧處理，吸附劑是炭分子篩，反應條件為：吸附溫度為室溫20℃，單塔吸附時間150s,置換時間60s,吸附壓力0.25mpa,處理後的煤層氣輸出壓力與豎爐爐頂氣壓力相同為150kpa,變壓吸附後去除掉煤層氣中95％以上的氧氣。然後將脫氧之後的煤層氣送入混合器中。在步驟200中，脫氧後的煤層氣1200nm3/h與爐頂氣2800nm3/h在混合器2中進行充分混合後，在步驟300中將混合氣通入水洗塔3進行降溫除塵處理，然後通過氣液分離器4後，將體積比8％的混合氣分流從豎爐1底部冷卻氣入口通入豎爐冷卻段(步驟401)；將剩餘的混合氣中75％在變壓吸附裝置5中脫氮(在步驟402中)，17％進入加熱爐7作為燃料氣供加熱爐7燃燒。在步驟500中，脫氮後的混合氣加入含鎳基催化劑重整爐6進行重整調質，得到含h2/co的體積比為1.5並且(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)為0.92的還原氣。

在步驟600中，將調質後的還原氣在加熱爐7中加熱到900℃，從豎爐1中下部還原氣入口通入豎爐本體中，還原氣在豎爐1中將鐵礦制的氧化球團還原成為海綿鐵產品。海綿鐵產品進入豎爐的冷卻段，使用從氣液分離器4分流出的300nm3/h混合氣進行冷卻(步驟403)，之後上述300nm3/h混合氣還可以上升至豎爐的還原段作為還原氣參與到下一輪氧化球團的還原(步驟404)。

實施例2

如圖1和2所示，本實施例使用的如上所述的系統進行還原鐵，並且使用開採的煤層氣，其中甲烷體積分數為30％。頂氣為h2、co、n2與co2的混合氣體，溫度為400℃，循環與煤層氣混合使用；

步驟100中，將煤層氣在煤層氣脫氧裝置8中進行脫氧處理，吸附劑是炭分子篩與活性碳的質量比為2:1的混合吸附劑，反應條件為：吸附溫度為室溫25℃，單塔吸附時間100s，置換時間50s,吸附壓力0.4mpa，處理後的煤層氣輸出壓力與豎爐爐頂氣壓力相同為200kpa,變壓吸附後去除掉煤層氣中95％以上的氧氣。然後將脫氧之後的煤層氣送入混合器中。在步驟200中，脫氧後的煤層氣1200nm3/h與爐頂氣2700nm3/h在混合器2中進行充分混合後，在步驟300中將混合氣通入水洗塔3進行降溫除塵處理，然後通過氣液分離器4後，將體積比5％的混合氣分流從豎爐1底部冷卻氣入口通入豎爐冷卻段(步驟401)；將剩餘的混合氣中60％在變壓吸附裝置5中脫氮(在步驟402中)，35％進入加熱爐7作為燃料氣供加熱爐7燃燒。在步驟500中，脫氮後的混合氣加入含鎳基催化劑重整爐6進行重整調質，得到含h2/co為1.8並且(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)為0.90的還原氣。

在步驟600中，將調質後的還原氣在加熱爐7中加熱到950℃，從豎爐1中下部還原氣入口通入豎爐本體中，還原氣在豎爐1中將鐵礦制的氧化球團還原成為海綿鐵產品。海綿鐵產品進入豎爐的冷卻段，使用從氣液分離器4分流出的450nm3/h混合氣進行冷卻(步驟403)，之後上述450nm3/h混合氣還可以上升至豎爐的還原段作為還原氣參與到下一輪氧化球團的還原(步驟404)。

實施例3

如圖1和2所示，本實施例使用的如上所述的系統進行還原鐵，並且使用開採的煤層氣，其中甲烷體積分數為80％。爐頂氣為h2、co、n2與co2的混合氣體，溫度為400℃，循環與煤層氣混合使用；

步驟100中，將煤層氣在煤層氣脫氧裝置8中進行脫氧處理，吸附劑是炭分子篩與活性碳的質量比為1:1的混合吸附劑，反應條件為：吸附溫度為室溫20℃，單塔吸附時間60s,置換時間30s,吸附壓力0.2mpa,處理後的煤層氣輸出壓力與豎爐爐頂氣壓力相同為150kpa,變壓吸附後去除掉煤層氣中95％以上的氧氣。然後將脫氧之後的煤層氣送入混合器中。在步驟200中，脫氧後的煤層氣600nm3/h與爐頂氣3000nm3/h在混合器2中進行充分混合後，在步驟300中將混合氣通入水洗塔3進行降溫除塵處理，然後通過氣液分離器4後，將體積比15％的混合氣分流從豎爐1底部冷卻氣入口通入豎爐冷卻段(步驟401)；將剩餘的混合氣中70％在變壓吸附裝置5中脫氮(在步驟402中)，15％進入加熱爐7作為燃料氣供加熱爐7燃燒。在步驟500中，脫氮後的混合氣加入含鎳基合金催化劑重整爐6進行重整調質，得到含h2/co為1.2並且(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)為0.92的還原氣。

在步驟600中，將調質後的還原氣在加熱爐7中加熱到900℃，從豎爐1中下部還原氣入口通入豎爐本體中；還原氣在豎爐1中將鐵礦制的氧化球團還原成為海綿鐵產品。海綿鐵產品進入豎爐的冷卻段，使用從氣液分離器4分流出的300nm3/h混合氣進行冷卻(步驟403)，之後上述300nm3/h混合氣還可以上升至豎爐的還原段作為還原氣參與到下一輪氧化球團的還原(步驟404)。

本實例1-3使用的鐵礦制的氧化球團可以是由精鐵礦或者釩鈦鐵礦等含鐵礦物原料製成。

本發明提出利用煤層氣資源作為氣體原料進行豎爐直接還原生產海綿鐵，煤層氣通過變壓吸附裝置脫除氧氣去除氣源爆炸的隱患，然後按一定比例與豎爐爐頂氣混合，除塵降溫脫氮後在重整爐內進行重整反應並加熱通入豎爐作為還原氣原料進行海綿鐵生產，既利用了大量存在的煤層氣資源又避免了其存在的爆炸風險。同時水洗塔除塵降溫後的含氮氣體分流一部分從豎爐下部通往冷卻段，在豎爐內對反應後原料進行冷卻降溫，然後到達豎爐中部繼續與還原氣一起參與豎爐還原段反應。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並非用來限定本發明的實施範圍；如果不脫離本發明的精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明權利要求的保護範圍當中。