一種利用高溫氣冷反應堆供熱生產海綿鐵的系統及方法與流程
2023-05-13 00:39:46
本發明涉及冶金領域，特別涉及一種利用高溫氣冷反應堆供熱生產海綿鐵的系統及方法。
背景技術：
我國是鋼鐵生產大國，2015年我國大陸粗鋼產量為8.04億噸，佔全球總產量49.5％。但是鋼鐵產業結構不合理，鐵鋼比例高、電爐鋼比例小，部分特殊的鋼材品種還需進口。我國生鐵產量主要以高爐煉鐵-轉爐煉鋼的長流程為主生產的，能源資源消耗大、co2排放高。氣基豎爐直接還原技術作為主要的非高爐煉鐵技術在國外已得到成熟應用，具有能耗低，無需高爐煉鐵涉及到的燒結、焦化兩個高耗能、高汙染工序。具有流程短、節能減排效果明顯的優勢，是改善鋼鐵產品結構，提高鋼鐵產品質量，實現清潔冶煉的重要生產技術。
與高爐等長流程相比，氣基豎爐直接還原技術可有效降低co2排放。但就其自身而言，該工藝中天然氣重整器所需熱量全部來源來自於天然氣及爐頂氣的燃燒，仍然產生大量的co2氣體排放到大氣中，帶來嚴重的環境問題。氣基豎爐主要有midrex和hyl-ⅲ工藝，主要採用天然氣外部重整方法製取還原氣，進而還原鐵礦石。工藝中採用外部重整器，以ni基等貴金屬作為催化劑，催化重整甲烷製取還原氣。對於採用焦爐煤氣生產海綿鐵工藝，幾乎均是將豎爐的爐頂氣處理後與焦爐煤氣混合成原料氣，然後在外部的高溫重整器中進行轉化，使ch4與水蒸氣、co2發生轉化反應生成co和h2。此種方法需要轉化爐，同時對h2/co的比值要求較為嚴格，且甲烷轉化需要如ni基等貴重金屬催化劑，投資、運行費用較高。
核能作為一種清潔的一次能源，具有能量密度高優點。目前，在國內利用核能技術已建有多個核電站，並進入商業運營階段。核能的產生過程不向環境排放溫室氣體和其它有害廢物，是一種無排放的能源，應用於煉鐵領域，將有效的降低化石能源的消耗，減少co2排放。模塊式球床高溫氣冷堆作為第四代氣冷反應堆堆型之一，具有安全性好、效率高和用途廣泛，且適合小容量建造等優點，能夠提供充足的熱量。
綜上所述，目前國內外採用的天然氣/焦爐煤氣直接還原生產海綿鐵的工藝流程，均存在各自的缺陷和不足，還需進一步改進。
技術實現要素：
基於上述問題，本發明提出了一種如下利用高溫氣冷反應堆供熱生產海綿鐵的系統，包含：
豎爐，豎爐的上部排氣口通過管道與除塵器相連；
除塵器通過管道依次與蒸氣發生器、co2脫除器、加溼器以及中間換熱器相連；
中間換熱器具有第一入口、第二入口、第一出口、第二出口；
第一入口與加溼器的出口相連，第一出口通過管道與豎爐的下部進氣口相連；
第二入口及第二出口分別通過管道與高溫氣冷反應堆的出口及入口相連。
根據本發明的一個實施例，中間換熱器中平行排列多個雙層換熱管。
根據本發明的一個實施例，雙層換熱管具有換熱管內壁及換熱管外壁，內外壁之間填充有液態合金，液態合金優選為鎵銦錫合金。
根據本發明的一個實施例，中間換熱器具有排氣管道，排氣管道末端部連接有氣體分析設備。
根據本發明的一個實施例，中間換熱器的底部具有高密度合金支撐結構。
根據本發明的一個實施例，高溫氣冷反應堆以氦氣作為循環冷卻劑。
根據本發明的一個實施例，中間換熱器與豎爐之間連接有噴氧提溫裝置。
根據本發明的一個實施例，氦氣由第二入口通入並由第二出口通出。
本發明還提供了一種利用上述系統生產海綿鐵的方法，包含以下步驟：
將氦氣通過高溫氣冷反應堆的入口與出口以及換熱器的第二入口與第二出口在高溫氣冷反應堆與換熱器之間循環；
將豎爐的入爐煤氣通過第一入口通入到換熱器並通過第一出口通出，入爐煤氣與氦氣在換熱器中進行熱交換並被加熱，熱交換的方式為從氣冷反應堆通出的高溫氦氣進入到中間換熱器並將熱量傳遞給中間換熱器，並由中間換熱器將熱量傳遞給入爐煤氣；
將被加熱的入爐煤氣從豎爐的下部進氣口通入；
入爐煤氣在豎爐內高溫海綿鐵的催化作用下，進行甲烷與水蒸氣的重整反應生成還原氣，並對鐵礦石進行還原得到海綿鐵。
根據本發明的一個實施例，還原過程中產生的爐頂氣由豎爐的上部排氣口排出。
根據本發明的一個實施例，入爐煤氣由焦爐煤氣、爐頂氣以及水蒸氣混合後並由加溼器補充水蒸氣後形成。
根據本發明的一個實施例，入爐煤氣在通入豎爐前通過噴氧提溫裝置進行噴氧操作以提高入爐煤氣的溫度。
根據本發明的一個實施例，入爐煤氣在豎爐中進行甲烷與水蒸氣的重整反應，生成的還原氣在豎爐內上升的過程中與高溫海綿鐵發生還原反應。
根據本發明的一個實施例，由上部排氣口排出的爐頂氣由除塵器進行除塵，隨後進入蒸氣發生器，產生水蒸氣為甲烷和水蒸氣的重整反應提供原料。
根據本發明的一個實施例，除塵後的爐頂氣在co2脫除器中脫碳並與焦爐煤氣、爐頂氣混合以重複利用。
通過採用上述技術方案，取得了以下諸多有益效果：
本發明採用清潔的核能作為直接還原鐵工藝能量來源，可減少工藝過程中天然氣、焦爐煤氣的消耗量，能夠有效的降低co2排放。高溫氣冷堆技術產生的高溫熱，能夠將入爐煤氣加熱至要求的溫度，保證爐內反應具有良好的動力學條件。利用豎爐爐內還原出的新鮮海綿鐵的催化作用，以及利用海綿鐵和ch4的滲碳反應，使煤氣中的ch4在豎爐內轉化改質，生成co和h2，避免了外部轉化爐的投資和ni基等貴重金屬催化劑的消耗費用。在整個工藝流程中，通過對爐頂氣中co2的吸收，可再次通入爐內循環利用。該流程中所有的co和h2全部用於作還原氣，提高了還原氣利用率，降低入爐煤氣的消耗量，節約能源。採用水蒸氣重整可以提高還原氣中h2的含量，h2還原鐵礦石產生的水蒸氣對環境無汙染，降低co2排放。
附圖說明
本發明的上述和/或附加的方面和優點在與附圖結合對實施例進行的描述中將更加明顯並容易理解，其中：
圖1示出了根據本發明的實施例的利用高溫氣冷反應堆供熱生產海綿鐵的系統的結構示意圖。
圖2示出了根據本發明的實施例的利用高溫氣冷反應堆供熱生產海綿鐵的系統的換熱器的結構示意圖。
具體實施方式
應當理解，在示例性實施例中所示的本發明的實施例僅是說明性的。雖然在本發明中僅對少數實施例進行了詳細描述，但本領域技術人員很容易領會在未實質脫離本發明主題的教導情況下，多種修改是可行的。相應地，所有這樣的修改都應當被包括在本發明的範圍內。在不脫離本發明的主旨的情況下，可以對以下示例性實施例的設計、操作條件和參數等做出其他的替換、修改、變化和刪減。
如圖1所示的海綿鐵的生產系統，包括豎爐1、除塵器2、蒸汽發生器3、co2脫除器4、加溼器5、中間換熱器6以及在本實施例中為球床式高溫氣冷堆7的核反應堆。豎爐1具有氣體入口以及氣體出口，氣體出口依次與除塵器2、蒸汽發生器3、co2脫除器4、加溼器5、中間換熱器6以及豎爐1的氣體入口以管路連接。
球床式高溫氣冷堆7採用惰性氣體氦氣作為循環冷卻氣，堆芯出口氦氣溫度為950℃，壓力為3mpa，可為焦爐煤氣的自重整反應高溫供熱。
高溫氦氣進入高溫氣冷堆7與豎爐1之間的中間換熱器6，將高溫熱量傳遞給中間換熱器6。豎爐1的入爐煤氣通入中間換熱器6被加熱至920℃，煤氣壓力為0.4mpa。從中間換熱器6通出的高溫煤氣再採用噴氧部分氧化的方式提溫後，溫度提高至1020℃。隨後通入豎爐1，在豎爐1內的高溫海綿鐵的催化作用下進行甲烷和水蒸氣的重整反應，生成的還原氣在上升過程中還原鐵礦石。其中入爐煤氣成分為：40.4％h2、15.6％co、24.7％ch4、2.5％co2、4.8％水蒸氣、12％n2。350～400℃的豎爐爐頂氣成分為：32.6％h2、12.2％co、12.6％ch4、9.7％co2、9.3％n2、23.5％水蒸氣。經過旋風除塵器2除塵後，爐頂氣進入蒸汽發生器3生產低溫蒸汽，為豎爐1內的自重整反應提供部分原料，其餘反應需要的水蒸氣通過加溼器5補充。經過後續加壓和co2脫除器4脫碳等工序處理得到的爐頂氣可以與天然氣、水蒸氣混合作為重整反應的入爐煤氣以循環利用。
由於本發明中採用高溫氣冷堆7以氦氣為核反應堆的冷卻氣。如採用普通換熱器，由於本發明中兩路氣體都是在高溫高壓工況下運行，冷還原氣中的co、h2等容易通過換熱管壁擴散，進入高溫氣冷堆的氦氣循環系統中，並且隨著設備不斷運行，高溫氣冷堆的氦氣循環系統中co、h2等含量不斷增加，這些雜質氣體的混入，對高溫氣冷堆的安全運行形成危害，因此需要設計一套可防止有害氣體進入的高溫氣冷堆的氦氣循環系統的中間換熱器6。
如圖2所示，本發明的中間換熱器6為圓形或其他任意適當的形狀，其包括第一入口61，第一入口61位於中間換熱器6的下部，用於接入冷還原氣；第一出口62，第一出口62位於中間換熱器6的上部，用於輸出熱還原氣；第二入口63，第二入口63位於中間換熱器6一側的下部，用於接入高溫氦氣；第二出口64，第二出口64位於中間換熱器6另一側的上部用於輸出低溫氦氣；換熱器內部的換熱管縱向排列，每個換熱管具有內壁68以及外壁67，內外壁之間為液態合金66；中間換熱器6的底部具有高密度合金支撐結構65，以及連接液態合金氣相區69的排氣管道691，排氣管道691的末端部連接氣體分析設備。
冷還原氣由中間換熱器6的第一入口61進入換熱管內，在高溫換熱管加熱下升溫至900～950℃，升溫後的高溫還原氣由頂部的第一出口62排出。
高溫氦氣由第二入口63進入換熱管外空間，將熱量由管外傳入管內，其中換熱管內壁68和外壁67之間為低熔點液態合金66，其導熱性優異，沸點高。
進一步低熔點液態合金66可為鎵銦錫合金，沸點在1200℃以上。還原氣中各成分在高溫高壓下經換熱管內壁68擴散進入液態合金填充區，在液態合金66中，氣體聚集上浮，在液態合金氣相區69內形成一定濃度的混合氣體，該空間外接排氣管道691，並進行氣體實時分析，當該區域氣相中h2含量偏高時，則對該區域內液態合金66進行更換，並將含有一定h2的液態合金進行脫氫處理，然後進行循環利用。
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。