一種利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的方法及裝置製造方法

2023-06-04 15:45:11 2

一種利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的方法及裝置。所述方法包括步驟：①將瓦斯氣淨化後與蒸汽和/或天然氣混合形成混合氣，偏離爆炸極限；②上述混合氣與含氧氣體或者與CO2在轉化爐中發生轉化，生成含H2、CO和N2的合成氣；具體地，混合氣與含氧氣體在轉化爐中的轉化是混合氣與含氧氣體在轉化爐燒嘴出口處部分燃燒，燃燒時控制火焰溫度900～1700℃；混合氣與CO2在轉化爐中的轉化是在催化劑作用下進行；控制合成氣在轉化爐出口處溫度850～1300℃、壓力0.1～0.5MPa；③使含H2、CO和N2的合成氣作為全部或部分還原氣進入氣基豎爐還原氧化鐵生成還原鐵。本發明提高了瓦斯氣的利用價值和效率。
【專利說明】一種利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明是關於一種利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的方法及裝置。
【背景技術】
[0002]直接還原鐵(DRI)又稱海綿鐵，是一種不用高爐冶煉而得到的金屬鐵，生產DRI的工藝叫非高爐煉鐵工藝。DRI的生產工藝分煤基和氣基兩類。其中目前氣基法佔DRI產量的90%，典型工藝是罐式法(HYL法)和豎爐法(Midrex法)，豎爐法採用豎型移動床還原反應器，其主要分兩個部分:還原區，在高溫下還原氣體在該區中循環，800°C以上的氫氣和一氧化碳還原氧化鐵生成DRI，氫氣和一氧化碳生成水和二氧化碳；以及位於還原區下部的冷區，在DRI出料前，經過在冷卻迴路中循環的含氫氣和一氧化碳的冷卻氣體將冷卻區的DRI冷卻至環境溫度。[0003]氣基法所用還原劑主要是天然氣，經蒸汽轉化或部分氧化生產合成氣CCHH2，而中國天然氣價格昂貴，在東部沿海一些地區天然氣價格已達5元/m3，而採用大型煤氣化生產的精製合成氣價格也在0.8元/m3以上，因此尋找一條價格便宜的還原氣原料渠道是大力發展中國DRI生產所必須面對的問題。
[0004]煤層氣是儲存在煤層中的一種非常規天然氣(主要成分是甲烷)，也稱煤層吸附氣，是經地殼運動被埋入地下億萬年前的古代植物在地熱和厭氧細菌的作用下與煤同時生成的，煤在開採過程中煤層氣與空氣混合形成瓦斯氣。瓦斯氣的瓦斯濃度即指CH4濃度，如某煤礦井下抽採的瓦斯氣組成為CH4約50%、O2約10%、N2約35%、CO約2%、CO2約3%。
[0005]瓦斯氣是一種易燃危險氣體，極易爆炸，因為甲烷的爆炸極限為5%~15%，因而限制了其的綜合利用。目前瓦斯氣主要用於發電，但由於受多種因素影響，發電的經濟效益受到限制。大量的瓦斯氣仍然沒有充分利用而排放，造成溫室氣體的增加及資源的浪費。
[0006]CN1420077A公開了一種利用瓦斯氣生產合成氣的方法，其中通過向煤礦瓦斯氣中添加含氫的合成弛放氣，並經過加氫脫氧過程，降低煤礦瓦斯氣中的氧含量；通過吸附過程排出煤礦瓦斯氣中的氮氣，製得富甲烷氣；再通過蒸汽轉化過程，製得合成氣。該方法主要是用於甲醇和二甲醚的合成。
[0007]經查，未見有關將瓦斯氣用於還原鐵生產的工藝及流程的技術報導。

【發明內容】

[0008]本發明的一個目的在於提供一種高效且環保的利用瓦斯氣製備合成氣將鐵礦石還原成DRI的工藝方法。
[0009]本發明的另一目的在於提供用於實施上述方法的裝置。
[0010]為達到上述目的，本發明首先提供了一種利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的方法，該方法包括以下步驟:
[0011]①將抽採出的瓦斯氣淨化後與蒸汽和/或天然氣混合形成混合氣，使其偏離爆炸極限；[0012]②上述混合氣與含氧氣體或者與CO2在轉化爐中發生轉化，生成含H2、CO和N2的合成氣；
[0013]③使含H2XC^PN2的合成氣作為全部或部分還原氣進入氣基豎爐還原氧化鐵生成還原鐵。
[0014]根據本發明的具體實施方案，本發明的利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的方法中，步驟①的混合氣中水蒸汽與甲烷的摩爾比≤0.1。
[0015]根據本發明的具體實施方案，本發明的利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的方法，步驟②中是根據混合氣中014含量選擇該混合氣與含氧氣體或是與0)2混合發生轉化；優選地，當混合氣中CH4含量低於35%時是將混合氣與CO2混合發生催化轉化。
[0016]根據本發明的具體實施方案，本發明的利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的方法，步驟②中:混合氣與含氧氣體在轉化爐中的轉化是混合氣與含氧氣體在轉化爐燒嘴出口處部分燃燒，燃燒時控制火焰溫度為900~1700°C，從而使混合氣中的甲烷與氧或水蒸汽在高溫下發生吸熱轉化反應，生成含4、0)和N2的合成氣；其中，控制燃燒時火焰溫度和進入燒嘴處的物料壓力使合成氣在轉化爐出口處溫度為850~1300°C、壓力為0.1~0.5MPa。優選地，所述含氧氣體為空分氧氣。燃燒時的火焰溫度是通過調節步驟①中與瓦斯氣混合的蒸汽和/或天然氣的量而控制。
[0017]根據本發明的具體實施方案，本發明的利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的方法，步驟②中:混合氣與CO2在轉化爐中的轉化是在催化劑的作用下進行，生成含H2、CO和N2的合成氣；控制燃燒時火焰溫度和進入燒嘴處的物料壓力使合成氣在轉化爐出口處溫度為850~1300°C、壓力為0.1~0.5MPa ;優選地，所述催化劑為載體擔載活性組分組成，其中的活性組分為鎳，載體為氧化鋁、鋁酸鈣、鎂鋁尖晶石和矽鋁酸鉀中的一種或兩種以上的組合；優選以催化劑的總重量計，活性組分鎳的含量為10~30%，載體為70~90%。
[0018]根據本發明的具體實施方案，本發明的利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的方法中，進入豎爐的合成氣的組成滿足(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)的摩爾比不小於0.90。
[0019]根據本發明的具體實施方案，本發明的利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的方法中，氣基豎爐內產生爐頂氣，該爐頂氣引出氣基豎爐後經冷卻，除塵，脫硫，脫N2、CO2優選採用變壓吸附法脫除爐頂氣中的N2XO2，得到淨化尾氣，所述淨化尾氣採用以下一種或多種方式進行使用:
[0020]淨化尾氣充當轉化爐出口的含H2XC^PN2的合成氣的調溫氣與轉化爐出口合成氣直接混合以調轉化爐出口合成氣溫度優選為900-950°C後進入豎爐；
[0021]淨化尾氣被加熱到800~1000°C與含H2、CO和N2的合成氣混合直接作為還原氣進入豎爐；
[0022]淨化尾氣用作燃料用於加熱；優選是將淨化尾氣中的一部分用作燃料以加熱用於返回氣基豎爐的淨化尾氣。
[0023]另一方面，本發明還提供了一種用於實現所述的利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的方法的裝置，該裝置包括通過管路依序串接的瓦斯氣除塵器、第一脫硫塔、轉化爐與氣基豎爐，還包括設置在瓦斯氣除塵器與第一脫硫塔之間管路上的第一氣體混合器和/或設置在第一脫硫塔與轉化爐之間管路上的第二氣體混合器；其中:
[0024]所述瓦斯氣除塵器設有瓦斯氣進口和除塵後瓦斯氣出口 ；該瓦斯氣除塵器是用於對瓦斯氣進行除塵等淨化處理，得到除塵後瓦斯氣；
[0025]所述第一氣體混合器設有除塵後瓦斯氣進口、天然氣進口和氣體出口 ；該第一氣體混合器是用於將除塵後瓦斯氣與天然氣混合，得到瓦斯氣與天然氣的混合氣；
[0026]所述第一脫硫塔設有待脫硫氣體進口和脫硫後氣體出口，待脫硫氣體進口與第一氣體混合器的混合氣體出口，或直接與瓦斯氣除塵器的除塵後瓦斯氣出口連接；該第一脫硫塔是用於對待脫硫氣體進行精脫硫以使所得脫硫氣體含硫量在Ippm以下；
[0027]所述第二氣體混合器脫硫氣體進口、蒸汽進口和混合氣體出口 ；該第二氣體混合器是用於將上述脫硫氣體與蒸汽混合，得到脫硫氣體與蒸汽的混合氣；
[0028]所述轉化爐設有第一氣體進口、第二氣體進口以及轉化後得到的還原氣出口，第一氣體進口與第二混合氣的混合氣體出口連接，或直接與第一脫硫塔的脫硫氣體出口連接；該轉化爐是用於將來自第一脫硫塔的混合氣或第二混合器的混合氣與含氧氣體或CO2轉化為滿足氣基直接還原鐵要求的合成氣；具體地，該轉化爐可以為非催化轉化爐(混合氣與含氧氣體在轉化爐燒嘴出口處部分燃燒轉化，生成含H2、C0和N2的合成氣)或是容置有催化劑的催化轉化爐(混合氣與CO2在催化劑作用下發生轉化，生成含H2、C0和N2的合成氣)；
[0029]所述氣基豎爐設有還原氣進口、球團礦入口、爐頂氣出口和還原鐵出口，還原氣進口與轉化爐的還原氣出口連接；該氣基豎爐是用於利用還原氣及球團礦生產直接還原鐵，並產生爐頂氣。
[0030]根據本發明的具體實施方案，本發明的裝置還包括第一換熱器，該第一換熱器根據需要設置在第一脫硫塔前、第二混合器前或轉化爐前的管路上，用於對進入第一脫硫塔、第二混合器前或轉化爐的 氣體加熱至所需溫度。
[0031]根據本發明的具體實施方案，本發明的裝置進一步包括氣基豎爐的爐頂氣淨化循環系統，該爐頂氣淨化循環系統包括通過管路依序串接的洗滌塔、第二脫硫塔以及變壓吸附塔；其中:
[0032]所述洗滌塔設有爐頂氣進口以及洗滌後尾氣出口，爐頂氣進口與氣基豎爐的爐頂氣出口連接；該洗滌塔是用於對來自氣基豎爐的爐頂氣進行洗滌得到洗滌後尾氣；
[0033]所述第二脫硫塔設有洗滌後尾氣進口以及脫硫尾氣出口，洗滌後尾氣進口與洗滌塔的洗滌後尾氣出口連接；該第二脫硫塔主要是用於脫除洗滌後尾氣中的硫得到脫硫尾氣；
[0034]所述變壓吸附塔設有脫硫尾氣進口以及淨化尾氣出口，脫硫尾氣進口與第二脫硫塔的脫硫尾氣出口連接；該變壓吸附塔主要是用於通過變壓吸附脫除脫硫尾氣中的氮氣和二氧化碳得到淨化尾氣。脫除出的含氮和二氧化碳尾氣進入鍋爐燃燒後淨化達標排放。
[0035]根據本發明的具體實施方案，優選地，本發明的裝置中，所述爐頂氣淨化循環系統還包括第二換熱器，第二換熱器設有淨化尾氣進口以及還原氣出口，淨化尾氣進口與變壓吸附塔的淨化尾氣出口連接；該第二換熱器是用於將淨化尾氣加熱至800~1000°C後作為還原氣返回氣基豎爐用於生產直接還原鐵。更優選地，是將淨化尾氣中的一部分用作燃料以加熱用於返回氣基豎爐的淨化尾氣；
[0036]根據本發明的具體實施方案，優選地，本發明的裝置中，在轉化爐與氣基豎爐之間的管路上可設置用於混合合成氣及淨化尾氣的第三氣體混合器，以將淨化尾氣與自轉化爐出來的合成氣混合後作為豎爐生產還原鐵的還原氣。[0037]本發明中，所述的豎爐具體為豎型移動床反應器，可以是目前生產還原鐵常用的設備，例如Midrex高溫氣基還原鐵豎爐、HyL高溫氣基還原鐵豎爐等。
[0038]本發明中所用的其他設備包括除塵器、脫硫塔、換熱器(加熱器)、氣體混合氣、轉化爐、洗滌塔、變壓吸附塔等均可以採用所屬領域的常規設備，本發明方法中未詳細提及的工序條件例如除塵、洗滌、脫硫、脫氮和脫碳等可以參照所屬領域的現有技術進行操作，各設備及具體操作條件只要能實現本發明中所述的功能或所要求的效果即可。
[0039]綜上所述，本發明提供了一種高效利用瓦斯氣的方法和裝置，通過利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵，既充分利用了這一資源又提高了瓦斯氣利用的經濟效益。因為瓦斯氣經過蒸汽或其它含甲烷氣體的稀釋使之處於爆炸極限之外，使爆炸可能性得於最大限度的排除。在豎爐出口尾氣中用PSA脫除氮氣，也避免了 PSA尾氣中CH4在爆炸極限範圍內的可能性。脫除N2的豎爐尾氣再與轉化爐出口的合成氣混合，可最大限度地降低進豎爐合成氣中的氮氣含量，使豎爐的生產效率基本不受影響，從而極大地提高了瓦斯氣的利用價值和效率，達到了以天然氣為原料生產還原鐵的效果和目標。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1:本發明一具體實施例的利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的裝置的結構示意圖。
[0041]圖2:本發明另一具體實施例的利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的裝置的結構示意圖。
[0042]圖3:甲烷含量約50%的中氮瓦斯氣補天然氣非催化部分氧化結合還原尾氣變壓吸附分離N2和CO2生產DRI還原氣流程圖。
[0043]圖4:甲烷含量約 20%的高氮瓦斯氣補天然氣非催化部分氧化結合還原尾氣變壓吸附分離N2和CO2生產DRI還原氣流程圖。
[0044]圖5:甲烷含量約20%的高氮瓦斯氣補天然氣催化轉化結合還原尾氣變壓吸附分離N2和CO2生產DRI還原氣流程圖。
[0045]圖6:甲烷含量約80%的低氮瓦斯氣不補天然氣非催化部分氧化結合還原尾氣變壓吸附分離N2和CO2生產DRI還原氣流程圖。
【具體實施方式】
[0046]以下通過具體實施例並結合附圖詳細說明本發明的實施過程和所能產生的有益效果，旨在幫助閱讀者更好地理解本發明的實質和特點，不作為對本發明可實施範圍的限定。
[0047]實施例1
[0048]請參見圖1所示，本實施例中提供了一種利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的裝置，該裝置主要包括通過管路依序串接的瓦斯氣除塵器1、第一脫硫塔2、轉化爐3與氣基豎爐4等設備，還包括設置在瓦斯氣除塵器I與第一脫硫塔2之間管路上的第一氣體混合器5和/或設置在第一脫硫塔2與轉化爐3之間管路上的第二氣體混合器6。其中:
[0049]所述瓦斯氣除塵器I設有瓦斯氣進口和除塵後瓦斯氣出口 ；該瓦斯氣除塵器是用於對瓦斯氣進行除塵等淨化處理，得到除塵後瓦斯氣；[0050]所述第一氣體混合器5設有除塵後瓦斯氣進口、天然氣進口和氣體出口 ；該第一氣體混合器是用於將除塵後瓦斯氣與天然氣混合，得到瓦斯氣與天然氣的混合氣；
[0051]所述第一脫硫塔2設有待脫硫氣體進口和脫硫後氣體出口，待脫硫氣體進口與第一氣體混合器的混合氣體出口，或直接與瓦斯氣除塵器的除塵後瓦斯氣出口連接(在未設置第一氣體混合器的情況下)；該第一脫硫塔是用於對待脫硫氣體(上述除塵後瓦斯氣或者上述瓦斯氣與天然氣的混合氣作為待脫硫氣體)進行精脫硫以使所得脫硫氣體含硫量在Ippm以下；
[0052]所述第二氣體混合器6脫硫氣體進口、蒸汽進口和混合氣體出口 ；該第二氣體混合器是用於將上述脫硫氣體(脫硫後的瓦斯氣、或者脫硫後的瓦斯氣與天然氣的混合氣)與蒸汽混合，得到脫硫氣體與蒸汽的混合氣；
[0053]所述轉化爐3設有第一氣體進口、第二氣體進口以及轉化後得到的還原氣出口，第一氣體進口與第二混合氣的混合氣體出口連接，或直接與第一脫硫塔的脫硫氣體出口連接(在未設置第二氣體混合器的情況下)；該轉化爐是用於將來自第一脫硫塔的混合氣或第二混合器的混合氣(即，瓦斯氣與蒸汽和/或天然氣的混合氣)與含氧氣體或CO2轉化為滿足氣基直接還原鐵要求的合成氣，該合成氣是作為生產還原鐵的還原氣，因此本發明中亦稱為還原氣；具體地，該轉化爐為非催化轉化爐(混合氣與含氧氣體在轉化爐燒嘴出口處部分燃燒轉化，生成含H2、CO和N2的合成氣)或容置有催化劑的催化轉化爐(混合氣與CO2在催化劑作用下發生轉化，生成含H2、CO和N2的合成氣)；
[0054]所述氣基豎爐4設有還原氣進口、球團礦入口、爐頂氣出口和還原鐵出口，還原氣進口與轉化爐的還原氣出口連接；該氣基豎爐是用於利用還原氣及球團礦生產直接還原鐵，並產生爐頂氣；
[0055]本發明的裝置還進一步包括第一換熱器7，該第一換熱器根據需要設置在第一脫硫塔前(圖1、圖2、圖3)、第二混合器前(圖4、圖6)或轉化爐前(圖5)的管路上，用於對進入第一脫硫塔、第二混合器前或轉化爐的氣體加熱至所需溫度。
[0056]本實施例的裝置主要是用於利用瓦斯氣制合成氣並生產還原鐵，具體操作時，可按照以下步驟進行:
[0057]①將抽採出的瓦斯氣引入除塵氣除塵後，進入第一脫硫塔或根據需要與蒸汽在第一混合器混合後進入第一脫硫塔脫硫，再根據需要與天然氣在第二混合器中混合，得到瓦斯氣與蒸汽和/或天然氣的混合氣；
[0058]該過程中，控制混合氣偏離爆炸極限；
[0059]優選地，控制混合氣中水蒸汽與甲烷的摩爾比≤0.1 ；
[0060]優選地,脫硫後氣體含硫量≤Ippm ；
[0061]②上述混合氣與含氧氣體或者與CO2在轉化爐中發生轉化，生成含H2、CO和N2的合成氣；
[0062]具體地，是根據混合氣中CH4含量選擇該混合氣與含氧氣體或是與CO2混合發生轉化；當混合氣中CH4含量低於35%時優選是將混合氣與CO2混合發生催化轉化；
[0063]具體地，混合氣與含氧氣體在轉化爐中的轉化是在非催化轉化爐中進行，混合氣與含氧氣體在轉化爐燒嘴出口處部分燃燒，燃燒時控制火焰溫度為900~1700°C (火焰溫度通過調節步驟①中與瓦斯氣混合的蒸汽和/或天然氣的量而控制)，從而使混合氣中的甲烷與氧或水蒸汽在高溫下發生轉化，生成含4、0)和N2的合成氣；其中，控制燃燒時火焰溫度和進入燒嘴處的物料壓力使合成氣在轉化爐出口處溫度為850~1300°C、壓力為0.1~
0.5MPa ;優選地,所述含氧氣體為空分氧氣；
[0064]具體地，混合氣與CO2在轉化爐中的轉化是在催化轉化爐中進行，在催化劑的作用下發生轉化，生成含H2、CO和N2的合成氣；控制燃燒時火焰溫度和進入燒嘴處的物料壓力使合成氣在轉化爐出口處溫度為850~1300°C、壓力為0.1~0.5MPa ;優選地，所述催化劑為載體擔載活性組分組成，其中的活性組分為鎳，載體為氧化鋁、鋁酸鈣、鎂鋁尖晶石和矽鋁酸鉀中的一種或兩種以上的組合；優選以催化劑的總重量計，活性組分鎳的含量為10~30%,載體為70~90% ；
[0065]③使含H2、⑶和N2的合成氣作為還原氣進入氣基豎爐還原氧化鐵生成還原鐵。優選地，控制進氣基豎爐的還原氣溫度為900-950 V。
[0066]實施例2
[0067]請參見圖2所示，與圖1所示的裝置相比，本發明的利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的裝置還可進一步包括氣基豎爐的爐頂氣淨化系統8 (參見圖2中虛線框所示部分)，該爐頂氣淨化系統8包括通過管路依序串接的洗滌塔81、第二脫硫塔82、變壓吸附塔83 ;其中:
[0068]所述洗滌塔81設有爐頂氣進口以及洗滌後尾氣出口，爐頂氣進口與氣基豎爐4的爐頂氣出口連接；該洗滌塔是用於對來自氣基豎爐的爐頂氣進行洗滌(主要是除塵)得到洗滌後尾氣；
[0069]所述第二脫硫塔82設有洗滌後尾氣進口以及脫硫尾氣出口，洗滌後尾氣進口與洗滌塔的洗滌後尾氣出口連接；該第二脫硫塔主要是用於脫除洗滌後尾氣中的硫得到脫硫尾氣；
[0070]所述變壓吸附塔83設有脫硫尾氣進口以及淨化尾氣出口，脫硫尾氣進口與第二脫硫塔的脫硫尾氣出口連接；該變壓吸附塔主要是用於通過變壓吸附(PSA)脫除脫硫尾氣中的氮氣、二氧化碳得到淨化尾氣。
[0071]本發明中，更優選地，可採用以下方式對淨化尾氣進行利用:
[0072]淨化尾氣被加熱到800~1000°C與含H2XC^PN2的合成氣混合直接作為還原氣進入豎爐。請參見圖2所示，根據該優選方案，本發明的利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的裝置中，所述的爐頂氣淨化系統8 (或稱爐頂氣淨化循環系統)還進一步包括第二換熱器84。第二換熱器84設有淨化尾氣進口以及還原氣出口，淨化尾氣進口與變壓吸附塔的淨化尾氣出口連接；該第二換熱器是用於將淨化尾氣加熱至800~1000°C後作為還原氣返回氣基豎爐用於生產直接還原鐵，如圖所示，爐頂氣淨化循環系統還包括連通第二換熱器的還原氣出口與氣基豎爐的管路，以將來自第二換熱器的加熱氣體作為還原氣返回氣基豎爐。第二換熱器的熱源可以是來自部分的淨化尾氣(淨化尾氣中的一部分用作燃料以加熱用於返回氣基豎爐的淨化尾氣)。
[0073]本發明中，淨化尾氣也可充當轉化爐出口的含H2、⑶和隊的合成氣的調溫氣，與含h2、CO和隊的合成氣混合(可根據需要在轉化爐與氣基豎爐之間的管路上設置用於混合合成氣及淨化尾氣的第三氣體混合器，參見圖4、圖5)以調轉化爐出口合成氣溫度為900-950°C後進入豎爐。[0074]圖2所示利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的裝置及利用該裝置生產還原鐵的工藝流程的其他部分與實施例1相同。
[0075]實施例3
[0076]本實施例提供一種甲烷含量約50%的中氮瓦斯氣補天然氣和蒸汽非催化部分氧化制合成氣結合還原尾氣變壓吸附分離N2和CO2生產DRI的工藝，請參見圖3所示。
[0077]原料煤礦瓦斯氣10000Nm3/h，其中甲烷約50%，氧氣約10%，氮氣約37%，少量CO2等，總硫含量低於150mg/Nm3 ;原料經除塵後，混合5000Nm3/h天然氣，換熱升溫至350°C，壓力0.7MPa，進入中溫氧化鋅精脫硫反應器，採用兩個反應器，[0078]中溫氧化鋅精脫硫劑(東營科爾特新材料公司生產)20m3，一開一再生；經精脫硫反應器的混合氣總硫小於0.1ppm,然後與350°C過熱蒸汽560Nm3/h混合,蒸汽與甲燒比值約0.06 ;空分純氧5040Nm3/h經換熱升溫至350°C，在壓力0.7MPa下，原料氣與氧氣兩股氣流進入轉化爐(轉化反應器)控制噴嘴處溫度1460°C進行絕熱非催化部分氧化反應，轉化反應器出口溫度約1060°C，壓力0.4MPa，產品合成氣流量34530Nm3/h，此合成氣中(H2+C0)/(H2+C0+H20+C02)為0.90，指標滿足氣基直接還原鐵要求，可直接用於還原鐵生產。該工藝製造的還原合成氣溫度高達1060°C，可以進入Midrex類型氣基還原鐵豎爐生產。
[0079]使用34530Nm3/h的還原氣可生產直接還原鐵約20t/h，還原鐵後的幹基還原尾氣約24860Nm3/h。該氣體氮氣含量高，約15%。經過冷卻、洗滌、壓縮、精脫硫可達到使總硫含量低於0.1ppm後，採用變壓吸附法脫氮和脫碳。脫除出的含氮和二氧化碳尾氣進入鍋爐燃燒後淨化達標排放。
[0080]脫氮脫碳後的淨化尾氣約16574Nm3/h，含水和二氧化碳很低，(H2+C0) /(H2+C0+H20+C02)≥0.95，是優質的氣基還原鐵還原氣。可以使用其中1660Nm3/h作為燃料將另外的14914Nm3/h的氣體加熱到約900°C，然後與非催化部分氧化的產品氣混合作為豎爐還原氣，也可以直接進入豎爐作為還原氣。由此增產還原鐵約10t/h，實現還原鐵尾氣的充分利用。
[0081]實施例4
[0082]本實施例提供一種甲烷含量約20%的高氮瓦斯氣補天然氣和蒸汽非催化部分氧化制合成氣結合還原尾氣變壓吸附分離N2和CO2生產DRI的工藝，請參見圖4所示。
[0083]原料煤礦瓦斯氣8000Nm3/h，其中甲烷約20%，空氣約80%，總硫含量低於50mg/Nm3 ;原料經除塵後，混合1000ONmVh的天然氣，採用吸附脫硫，精脫硫劑為含約20%氧化鎳的氧化鋅精脫硫劑(東營科爾特新材料公司生產，預先使用氫氣在450°C對脫硫劑進行活化還原)，一開一再生，各裝吸附脫硫劑20立方米，出精脫硫反應器的淨化氣體總硫小於
0.5ppm,然後,將混合氣換熱升溫至600°C,壓力0.8MPa,與過熱蒸汽650Nm3/h混合。混合其中的蒸汽與甲烷比值約0.06 ;空分純氧5750Nm3/h經換熱升溫至600°C，在壓力0.8MPa下，混合好的原料氣與空分氧氣兩股氣流進入轉化反應器(轉化爐)控制噴嘴溫度1650°C進行絕熱非催化部分氧化反應，控制轉化反應器出口溫度約1265°C，壓力0.5MPa，產品合成氣流量40556Nm3/h，此合成氣中(H2+C0) / (H2+C0+H20+C02)為0.90，指標滿足氣基直接還原鐵要求，可直接用於還原鐵生產。
[0084]為了充分利用高溫合成氣的顯熱，可以將進還原鐵豎爐出來經除塵、脫硫、脫氮和脫碳淨化後的19060Nm3/h常溫氣與轉化爐出口氣混合，混合氣溫度可達到約910°C，(H2+CO)/(H2+C0+H20+C02)可以提高到0.93以上，混合氣後的高溫合成氣總量為59616Nm3/h,直接用於Midrex豎爐生產還原鐵可以達到約35t/h。實現的高溫合成氣顯熱的有效利用和還原尾氣的循環利用。
[0085]實施例5
[0086]本實施例提供一種甲烷含量約20%的高氮瓦斯氣補天然氣和蒸汽催化轉化制合成氣結合還原尾氣變壓吸附分離N2和CO2生產DRI的工藝，請參見圖5所示。
[0087]原料煤礦瓦斯氣12000Nm3/h，其中甲烷約20%，空氣約80%，總硫含量低於60mg/Nm3 ;原料經除塵後，混合8000Nm3/h的天然氣，採用吸附脫硫，精脫硫劑為含約20%氧化鎳的氧化鋅精脫硫劑(東營科爾特新材料公司生產，預先使用氫氣在450°C對脫硫劑進行活化還原)，一開一再生，各裝吸附脫硫劑30m3，出精脫硫反應器的淨化氣體總硫小於0.5ppm，然後，將混合氣配入3000Nm3/h的蒸汽，換熱升溫至550°C，在壓力0.8MPa下，與3000Nm3/h的CO2混合，混合氣進行外部加熱的催化轉化反應，催化轉化爐中的催化劑的活性組分為鎳，載體為氧化鋁，優選以該催化劑的總重量計，所述活性組分鎳的含量為10~30%，載體氧化鋁為70~90%，轉化反應爐出口溫度約900°C，壓力0.3MPa，產品合成氣流量42810Nm3/h，此合成氣中(H2+C0)/(H2+C0+H20+C02)為0.96，指標滿足氣基直接還原鐵要求，可直接用於還原鐵生產。
[0088]還原鐵豎爐出來的氣體N2和CO2含量高達約40%。經除塵、脫硫、脫氮和脫碳淨化後的 20000Nm3/h 常溫氣，(H2+C0)/(H2+C0+H20+C02)可以提高到 0.93 以上，採用其中 2000Nm3/h將另外18000Nm3/h加熱到900°C，與轉化的合成氣混合後可以將有效氣(H2+C0)含量提高7%，(H2+C0) / (H2+C0+H20+C02)比值約 0.95，總量為 60810Nm3/h 的還原氣，直接用於 Midrex豎爐生產還原鐵可以達到約35t/h。實現這兩部分氣體的有效利用。
[0089]實施例6
[0090]本實施例提供一種甲烷含量約80%的低氮瓦斯氣不補天然氣補蒸汽非催化部分氧化制合成氣結合還原尾氣變壓吸附分離N2和CO2生產DRI的工藝，參見圖6所示。
[0091]原料煤礦瓦斯氣15000Nm3/h，其中甲烷約80%，空氣約20%，少量CO2等，總硫含量低於100mg/Nm3 ;原料經除塵後，進入常溫氧化鐵脫硫反應器，採用兩個反應器，常溫氧化鐵脫硫劑(東營科爾特新材料公司生產)30m3，一開一再生；經脫硫反應器的淨化氣體總硫小於Ippm,然後預熱到450°C,與過熱蒸汽600Nm3/h混合,蒸汽與甲燒比值約0.05 ;空分純氧6000Nm3/h經換熱升溫至450°C，在壓力0.7MPa下，原料氣與氧氣兩股氣流進入轉化爐控制噴嘴處溫度1350°C進行絕熱非催化部分氧化反應，且控制轉化反應器出口溫度約950°C，壓力0.3MPa，產品合成氣流量38616Nm3/h，此合成氣中(H2+C0) / (H2+C0+H20+C02)為0.93，指標滿足氣基直接還原 鐵要求，可直接用於Midrex類型氣基還原鐵豎爐進行還原鐵生產。
[0092]使用此38616Nm3/h的還原氣可生產直接還原鐵約23t/h，還原鐵後的幹基還原尾氣約27030Nm3/h。經過冷卻、洗滌、壓縮後進行精脫硫，使總硫含量低於lppm。該氣體氮氣含量約7.4%，不需要採用脫氮工藝，可以採用變壓吸附法脫碳，然後脫碳淨化尾氣氮氣含量
9.3%，流量約 21760Nm3/h，含水和二氧化碳很低，(H2+C0) / (H2+C0+H20+C02)≥ 0.95，利用其中2200Nm3/h作為燃料加熱其餘19560Nm3/h的脫碳淨化氣加熱到約910°C，直接進入豎爐作為還原氣。由此增產還原鐵約12t/h，實現還原鐵尾氣的充分利用。
【權利要求】
1.一種利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的方法，該方法包括步驟: ①將抽採出的瓦斯氣淨化後與蒸汽和/或天然氣混合形成混合氣，使其偏離爆炸極限； ②上述混合氣與含氧氣體或者與CO2在轉化爐中發生轉化，生成含H2、CO和N2的合成氣; ③使含H2XC^PN2的合成氣作為全部或部分還原氣進入氣基豎爐還原氧化鐵生成還原鐵。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟①的混合氣中水蒸汽與甲烷的摩爾比^ 0.10
3.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟②中: 混合氣與含氧氣體在轉化爐中的轉化是混合氣與含氧氣體在轉化爐燒嘴出口處部分燃燒，燃燒時控制火焰溫度為900~1700°C,從而使混合氣中的甲烷與氧或水蒸汽在高溫下發生吸熱轉化反應，生成含H2、C0和隊的合成氣；其中，控制燃燒時火焰溫度和進入燒嘴處的物料壓力使合成氣在轉化爐出口處溫度為850~1300°C、壓力為0.1~0.5MPa ;優選地,所述含氧氣體為空分氧氣； 混合氣與CO2在轉化爐中的轉化是在催化劑的作用下進行，生成含H2、CO和N2的合成氣；控制燃燒時火焰溫度和進入燒嘴處的物料壓力使合成氣在轉化爐出口處溫度為850~1300°C、壓力為0.1~0.5MPa ;優選地，所述催化劑為載體擔載活性組分組成，其中的活性組分為鎳，載體為氧化鋁、 鋁酸鈣、鎂鋁尖晶石和矽鋁酸鉀中的一種或兩種以上的組合；優選以催化劑的總重量計，活性組分鎳的含量為10~30%，載體為70~90%。
4.根據權利要求1或3所述的方法，其中，步驟②中是根據混合氣中CH4含量選擇該混合氣與含氧氣體或是與CO2混合發生轉化；優選地，當混合氣中CH4含量低於35%時是將混合氣與CO2混合發生催化轉化。
5.根據權利要求3所述的方法，其中，燃燒時的火焰溫度是通過調節步驟①中與瓦斯氣混合的蒸汽和/或天然氣的量而控制。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，進入豎爐的合成氣的組成滿足(H2+C0)/(H2+C0+H20+C02)的摩爾比不小於0.90。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，氣基豎爐內產生爐頂氣，該爐頂氣引出氣基豎爐後經冷卻，除塵，脫硫，脫n2、CO2優選採用變壓吸附法脫除爐頂氣中的n2、CO2，得到淨化尾氣，所述淨化尾氣採用以下一種或多種方式進行使用: 淨化尾氣充當轉化爐出口的含H2XC^PN2的合成氣的調溫氣與轉化爐出口合成氣直接混合以調轉化爐出口合成氣溫度優選為900-950°C後進入豎爐； 淨化尾氣被加熱到800~1000°C與含H2、CO和N2的合成氣混合直接作為還原氣進入豎爐； 淨化尾氣用作燃料用於加熱；優選是將淨化尾氣中的一部分用作燃料以加熱用於返回氣基豎爐的淨化尾氣。
8.一種用於實現權利要求1~7任一項所述的利用瓦斯氣制合成氣生產還原鐵的方法的裝置，該裝置包括通過管路依序串接的瓦斯氣除塵器、第一脫硫塔、轉化爐與氣基豎爐，還包括設置在瓦斯氣除塵器與第一脫硫塔之間管路上的第一氣體混合器和/或設置在第一脫硫塔與轉化爐之間管路上的第二氣體混合器；其中: 所述瓦斯氣除塵器設有瓦斯氣進口和除塵後瓦斯氣出口 ；該瓦斯氣除塵器是用於對瓦斯氣進行除塵等淨化處理，得到除塵後瓦斯氣； 所述第一氣體混合器設有除塵後瓦斯氣進口、天然氣進口和氣體出口 ；該第一氣體混合器是用於將除塵後瓦斯氣與天然氣混合，得到瓦斯氣與天然氣的混合氣； 所述第一脫硫塔設有待脫硫氣體進口和脫硫後氣體出口，待脫硫氣體進口與第一氣體混合器的混合氣體出口，或直接與瓦斯氣除塵器的除塵後瓦斯氣出口連接；該第一脫硫塔是用於對待脫硫氣體進行精脫硫以使所得脫硫氣體含硫量在Ippm以下； 所述第二氣體混合器脫硫氣體進口、蒸汽進口和混合氣體出口 ；該第二氣體混合器是用於將上述脫硫氣體與蒸汽混合，得到脫硫氣體與蒸汽的混合氣； 所述轉化爐設有第一氣體進口、第二氣體進口以及轉化後得到的還原氣出口，第一氣體進口與第二混合氣的混合氣體出口連接，或直接與第一脫硫塔的脫硫氣體出口連接；該轉化爐是用於將來自第一脫硫塔的混合氣或第二混合器的混合氣與含氧氣體或CO2轉化為滿足氣基直接還原鐵要求的合成氣； 所述氣基豎爐設有還原氣進口、球團礦入口、爐頂氣出口和還原鐵出口，還原氣進口與轉化爐的還原氣出口連接；該氣基豎爐是用於利用還原氣及球團礦生產直接還原鐵，並產生爐頂氣。
9.根據權利要求8所述的裝置，該裝置還包括第一換熱器，該第一換熱器根據需要設置在第一脫硫塔前、第二混合器前或轉化爐前的管路上，用於對進入第一脫硫塔、第二混合器前或轉化爐的氣體加熱至所需溫度。`
10.根據權利要求8或9所述的裝置，該裝置進一步包括氣基豎爐的爐頂氣淨化循環系統，該爐頂氣淨化循環系統包括通過管路依`序串接的洗滌塔、第二脫硫塔以及變壓吸附塔；其中: 所述洗滌塔設有爐頂氣進口以及洗滌後尾氣出口，爐頂氣進口與氣基豎爐的爐頂氣出口連接；該洗滌塔是用於對來自氣基豎爐的爐頂氣進行洗滌得到洗滌後尾氣； 所述第二脫硫塔設有洗滌後尾氣進口以及脫硫尾氣出口，洗滌後尾氣進口與洗滌塔的洗滌後尾氣出口連接；該第二脫硫塔主要是用於脫除洗滌後尾氣中的硫得到脫硫尾氣；所述變壓吸附塔設有脫硫尾氣進口以及淨化尾氣出口，脫硫尾氣進口與第二脫硫塔的脫硫尾氣出口連接；該變壓吸附塔主要是用於通過變壓吸附脫除脫硫尾氣中的氮氣和二氧化碳得到淨化尾氣； 優選地，所述爐頂氣淨化循環系統還包括第二換熱器，第二換熱器設有淨化尾氣進口以及還原氣出口，淨化尾氣進口與變壓吸附塔的淨化尾氣出口連接；該第二換熱器是用於將淨化尾氣加熱至800~KKKTC後作為還原氣返回氣基豎爐用於生產直接還原鐵；更優選地，是將淨化尾氣中的一部分用作燃料以加熱用於返回氣基豎爐的淨化尾氣； 優選地，在轉化爐與氣基豎爐之間的管路上設置用於混合合成氣及淨化尾氣的第三氣體混合器。
【文檔編號】C21B13/02GK103834760SQ201410064908
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月25日 優先權日:2014年2月25日
【發明者】周紅軍, 餘長春, 李然家, 周廣林, 吳全貴 申請人:中國石油大學(北京), 北京中石大新能源研究院有限公司