利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法及系統的製作方法

2023-05-24 07:11:26 1

利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法及系統。該方法包括以下步驟：將通過常規淨化、精脫硫處理和脫不飽和烴處理後的焦爐氣與轉爐煤氣、高爐煤氣、淨化尾氣中的一種或兩種以上混合氣混合成原料混合氣，使原料混合氣與含氧氣體在轉化爐燒嘴出口處燃燒，得到高溫混合氣；向高溫混合氣中添加CO2、含CO2的氣體和/或水蒸汽，然後使其與催化轉化爐中的催化劑接觸，轉化得到高H2和CO濃度的合成氣；合成氣直接進入豎爐還原氧化鐵生產還原鐵，豎爐還原尾氣經過冷卻除塵淨化後得到淨化尾氣。本發明還提供了一種利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的系統。
【專利說明】利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法及系統，屬於直接還原鐵生產【技術領域】。
【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，經過在一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]中國有大量的焦爐氣(COG)資源，除一部分用於發電、生產純氫、加熱燃料和生產甲醇外，約三分之一資源放入火炬燒掉。並且在鋼鐵企業中存在大量的低熱值燃氣富餘，放空的高爐氣和轉爐氣等。隨著節能技術的進步，熱風爐的雙預熱技術、蓄熱化加熱爐技術等不斷湧現，大量的低熱值燃氣被利用，焦爐氣的富餘已無可置疑。以鞍鋼為例，預測2006年高爐煤氣富餘46萬m3/h，焦爐氣富餘4-6萬m3/h。
[0005]焦爐氣主要成分為H2 (55-66%)、CH4 (18-26%)、CO (6-8%)，其餘為二氧化碳、氮氣和C2以上烴及少量氧和硫雜質，是優質的DRI還原氣。
[0006]中國專利申請CN100523228C公開了一種利用焦爐氣制還原氣生產海綿鐵的方法，是把焦爐氣精脫硫後補加一定量的C02，利用焦爐氣中的CH4和CO2的轉化來生產高質量的還原鐵合成氣，一部分還原尾氣用作燃料，由於CO2的補加和與CH4的吸熱反應，需燃燒大量的焦爐氣來外供反應熱，供熱效率低，煙氣能耗損失大，與加O2氧化直接產熱相比，設備投資大，熱損失大，能耗高，補加的CO2也增加能耗和分離成本。
[0007]中國專利申請CN101392192B公開了一種焦爐氣二氧化碳轉化及氣基豎爐直接還原鐵生產方法，該申請中把焦爐氣深度淨化脫硫後補加氧氣、二氧化碳和水蒸汽作為氣體轉化劑，因過程中添加水蒸汽太多，轉化後要冷卻至40°C進行脫水處理，然後再升溫進氣基豎爐，該工藝對高溫合成氣的降溫和升溫過程導致能耗高。

【發明內容】

[0008]為解決上述問題，本發明的目的在於提供一種還原鐵的生產方法，其是利用焦爐氣通過催化轉化法生產合成氣，然後再生產直接還原鐵的方法，具有易於控制，工藝簡單，能耗低等特點。
[0009]本發明的目的還在於提供一種利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的系統。
[0010]為達到上述目的，本發明提供了一種利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法，其包括以下步驟:
[0011]將通過常規淨化、精脫硫處理和脫不飽和烴處理後的焦爐氣與「轉爐煤氣、高爐煤氣、淨化尾氣中的一種或兩種以上混合氣」混合成原料混合氣，使原料混合氣與含氧氣體在轉化爐燒嘴出口處燃燒，得到高溫混合氣，燃燒時控制火焰溫度為1100-1800°c，其中，精脫硫處理後的焦爐氣的硫含量< IOppm,烯烴和芳烴濃度小於5000ppm ；
[0012]向高溫混合氣中添加0)2、含CO2的氣體和/或水蒸汽，然後使其與催化轉化爐中的催化劑接觸，使焦爐氣中的烴類在催化劑上與CO2和/或水蒸汽發生轉化反應，燃燒反應產生的熱量為轉化反應提供熱量，轉化得到高H2和CO濃度的合成氣，並將催化轉化爐出口處的合成氣的溫度控制為850-1050°C ；
[0013]催化轉化後得到的合成氣直接進入豎爐還原氧化鐵生產還原鐵，豎爐還原尾氣經過冷卻除塵淨化後得到淨化尾氣。
[0014]在上述方法中，優選地，淨化尾氣返回與焦爐氣混合重新進入轉化爐或者一部分用作燃料加熱另一部分淨化尾氣，然後直接進入豎爐作為還原氣。
[0015]可以與焦爐氣等混合的「淨化尾氣」指的是生產還原鐵之後由豎爐排出的還原尾氣經過淨化得到的淨化尾氣，即豎爐排出的還原尾氣經過冷卻除塵淨化後得到的淨化尾氣。上述的豎爐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。
[0016]在上述方法中，在對焦爐氣進行精脫硫處理的同時進行脫不飽和烴的處理(例如通過採用加氫脫硫催化劑進行)，使其烯烴和芳烴濃度小於5000ppm,優選小於IOOppm,以避免造成後續轉化催化劑的積炭。
[0017]在上述方法中，催化轉化得到的高H2和CO濃度的合成氣是一種H2O含量低的還原氣體，優選地，豎爐入口合成氣的組成滿足(h2+co) / (H2+C0+H20+C02)的摩爾比至少為0.90。
[0018]在上述方法中，優選地，含氧氣體為純氧，例如空分產生的純氧。
[0019]在上述方法中，優選地，催化轉化爐出口處的合成氣的壓力為0.1-1.0MPa0
[0020]在上述方法中，優選地，催化轉化爐中的催化劑的活性組分為鎳，助劑為鈣、鎂、鋇和鉀等中的一種或兩種以上的組合，載體為氧化鋁、鋁酸鈣、氧化鎂、鎂鋁尖晶石和矽鋁酸鉀等中的一種或兩種以上的組合；更優選地，以該催化劑的總重量計，活性組份鎳的含量為5-15wt%，助劑的含量為0.l_7wt%，餘量為載體。
[0021]在上述方法中，豎爐排出的還原尾氣可以進行冷卻除塵淨化，優選地，該冷卻除塵淨化包括精脫硫處理，脫硫後的淨化尾氣的硫含量< lOppm。上述精脫硫處理可以採用氧化鋅脫硫劑，脫硫劑的用量可以根據需要按照常規的做法進行控制。
[0022]在上述方法中，優選地，焦爐氣的精脫硫處理的催化劑的活性組分為鎳、鈷、鑰、鐵和鎢等中的一種或兩種以上的組合，載體為氧化鋁、氧化鋅、氧化矽、氧化鎂等中的一種或兩種以上的組合；更優選地，以該催化劑的總重量計，以該催化劑的總重量計，活性組分的含量為8-25wt%，載體的含量為75-92wt%。催化劑的用量可以根據需要按照常規的做法進行控制。[0023]在上述方法中，優選地，焦爐氣的精脫硫處理的壓力為0.3-1.5MPa，溫度為120-400°C，體積空速為 400-800(?'
[0024] 在上述方法中，優選地，淨化尾氣在脫除CO2後進行回用或用作燃料；更優選地，脫除CO2的方法為胺法、變壓吸附法或碳酸丙烯酯法。
[0025]在上述方法中，優選地,原料混合氣的含硫量< IOppm ;更優選地,原料混合氣的含硫量< 3ppm。
[0026]本發明還提供了一種利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的系統，其包括淨化器、第一精脫硫塔、催化轉化爐、氣體混合器、豎爐、冷卻器、洗滌器、第二精脫硫塔、脫碳塔、加熱器，其中:
[0027]所述淨化器設有焦爐氣輸入口，並且其出口與所述第一精脫硫塔連接；
[0028]所述第一精脫硫塔設有C02/H20入口，其出口與所述催化轉化爐連接，並且，在第一精脫硫塔和催化轉化爐的連接管道上設有其他氣體輸入管道；
[0029]氣體混合器分別設有含氧氣體入口和C02/H20入口，其出口與催化轉化爐連接；
[0030]所述催化轉化爐的出口與所述豎爐連接；
[0031]所述豎爐設有球團礦入口、爐頂氣出口和還原鐵出口，其通過爐頂氣出口與所述冷卻器連接；
[0032]所述冷卻器與所述洗滌器連接；
[0033]所述洗滌器與所述第二精脫硫塔連接；
[0034]所述第二精脫硫塔與所述脫碳塔連接；
[0035]所述脫碳塔設有還原氣出口和CO2出口，並通過還原氣出口與所述加熱器連接；
[0036]所述加熱器與所述豎爐連接。
[0037]在上述利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的系統中，該淨化器用於對作為原料氣的焦爐氣進行淨化處理；
[0038]第一精脫硫塔用於對淨化後的焦爐氣進行精脫硫處理和脫不飽和烴處理，C02/H20入口用於輸入CO2和/或H2O以用於控制轉化爐噴嘴處的火焰溫度，其他氣體輸入管道用於輸入「轉爐煤氣、高爐煤氣、淨化尾氣中的一種或兩種以上的混合氣」；
[0039]氣體混合器用於將含氧氣體和「C02和/或H20」進行混合以用於控制轉化爐噴嘴處的火焰溫度；
[0040]催化轉化爐用於進行催化轉化並將所獲得的含H2和CO的合成氣輸入豎爐以作為還原氣；
[0041]所述豎爐設有球團礦入口、爐頂氣出口和還原鐵出口，其通過爐頂氣出口與所述洗滌器連接；其中，球團礦入口用於向豎爐中輸入鐵礦，爐頂氣出口用於將豎爐產生的爐頂氣(還原尾氣)輸入洗滌器，還原鐵出口用於將生產得到的直接還原鐵輸出；
[0042]洗滌器用於對豎爐產生的還原尾氣進行洗滌處理；
[0043]第二精脫硫塔用於對經過洗滌的還原尾氣進行精脫硫處理，以得到淨化尾氣；
[0044]脫碳塔用於對淨化尾氣進行脫CO2處理，CO2出口用於將脫除的CO2輸出，這部分CO2可以補充到原料混合氣或含氧氣體中，也可以用作他用；還原氣出口用於將脫碳後的淨化尾氣輸入加熱器，以便在加熱後送入豎爐作為還原氣參與還原反應；
[0045]加熱器用於對要輸入豎爐的淨化尾氣進行加熱處理。[0046]在上述系統中，各個組成部分所採用的設備均可以是現有的設備，只要能夠實現相應的功能即可。
[0047]本發明所提供的利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法可以採用上述系統按照以下步驟進行:
[0048]使焦爐氣進入淨化器進行淨化(除塵、脫油、壓縮)，之後進入第一精脫硫塔與催化劑接觸進行精脫硫並進行脫不飽和烴處理，降低烯烴和芳烴的含量，然後與來自外部的其他氣體(轉爐煤氣、高爐煤氣、淨化尾氣中的一種或兩種以上的混合氣)混合得到原料混合氣並在預熱之後進入催化轉化爐，含氧氣體經過預熱之後進入催化轉化爐；
[0049]在催化轉化爐中，含氧氣體和原料混合氣混合併在催化轉化爐的噴嘴處部分燃燒(部分氧化)，進行甲烷的乾重整和/或蒸汽重整，得到高H2和CO濃度的合成氣，為了控制部分燃燒時的火焰溫度，可以在進入催化轉化爐之前的含氧氣體或原料混合氣中混入一定量的二氧化碳和/或水蒸汽；
[0050]使合成氣進入豎爐，對球團礦等進行還原得到直接還原鐵，並通過還原鐵出口輸出，豎爐頂部產生的還原尾氣(爐頂氣)進入冷卻器進行冷卻，然後進入洗滌器中進行洗滌，洗滌之後的幹氣進入第二精脫硫塔與氧化鋅催化劑接觸進行精脫硫處理得到淨化尾氣，淨化尾氣再進入脫碳塔脫除其中的CO2 (CO2通過CO2出口排出)，之後進入加熱器進行加熱，再進入豎爐參與還原反應，淨化尾氣也可以在經過第二精脫硫塔之後直接排出，以用於其他用途。
[0051]焦爐氣主要成分為H2 (55-66%)、CH4 (18-26%)、CO (6-8%)，其餘為二氧化碳、氮氣和C2以上烴(包括烯烴和烷烴)，及少量氧和硫雜質。通過採用本發明所提供的方法，對焦爐氣進行常規淨化、精脫硫 處理和脫不飽和烴處理，可以使焦爐氣中的羰基硫、噻吩類硫化合物、不飽和烴(例如烯烴、芳烴等)儘可能地被脫除，避免轉化鎳催化劑的失活，有利於工業生產經濟性地運行，另一方面通過利用焦爐氣生產還原氣，適於大規模生產DRI。
[0052]通過採用本發明所提供的方法能夠充分利用好現有焦爐氣，可以避免在生產過程中將焦爐氣充當燃料和放空。
[0053]採用本發明的方法能夠儘可能地把甲烷轉化成CO和H2,所得到的還原氣中的有效氣含量高，焦爐還原氣在800°C左右就有很高的鐵還原率和還原速度，生產DRI的溫度低，能夠達到很好的節能和提高生產效率的效果。
[0054]總之，本發明提供的利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法和系統是利用焦爐氣通過催化轉化法生產合成氣，然後再生產直接還原鐵的方法和系統，通過對焦爐氣精脫硫，使之達到後續轉化催化劑要求，然後配氧氣燃燒，為後續轉化反應提供熱量，並控制各項工藝指標使合成氣符合豎爐氣基直接還原鐵的要求，該方法具有易於控制，工藝簡單，能耗低等特點，特別適合具有空分純氧的企業。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0055]圖1為實施例1提供的利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的系統的結構示意圖；
[0056]圖2為實施例2提供的利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法的流程示意圖；[0057]圖3為實施例3提供的利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法的流程示意圖；
[0058]圖4為實施例4提供的利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法的流程示意圖。
[0059]主要附圖標號說明:
[0060]淨化器I第一精脫硫塔2催化轉化爐3氣體混合器4豎爐5冷卻器6洗滌器7第二精脫硫塔8脫碳塔9加熱器10
【具體實施方式】
[0061]為了對本發明的技術特徵、目的和有益效果有更加清楚的理解，現對本發明的技術方案進行以下詳細說明，但不能理解為對本發明的可實施範圍的限定。
[0062]實施例1
[0063]本實施例提供了一種利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的系統，其結構如圖1所示。該系統包括淨化器1、第一精脫硫塔2、催化轉化爐3、氣體混合器4、豎爐5、冷卻器6、洗滌器7、第二精脫硫塔8、脫碳塔9、加熱器10，其中:
[0064]所述淨化器I設有焦爐氣輸入口，並且其出口與所述第一精脫硫塔2連接；
[0065]所述第一精脫硫塔2設有C02/H20入口，其出口與所述催化轉化爐3連接，並且，在第一精脫硫塔2和催化轉化爐3的連接管道上設有其他氣體輸入管道；
[0066]所述氣體混合器4分別設有含氧氣體入口和C02/H20入口，其出口與所述催化轉化爐3連接；
[0067]所述催化轉化爐3的出口與所述豎爐5連接；
[0068]所述豎爐5設有球團礦入口、爐頂氣出口和還原鐵出口，其通過爐頂氣出口與所述冷卻器6連接；
[0069]所述冷卻器6與所述洗滌器7連接；
[0070]所述洗滌器7與所述第二精脫硫塔8連接；
[0071]所述第二精脫硫塔8與所述脫碳塔9連接；
[0072]所述脫碳塔9設有還原氣出口和CO2出口，並通過還原氣出口與所述加熱器10連接；
[0073]所述加熱器10與所述豎爐5連接。
[0074]本實施例所提供的利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的系統可以按照以下步驟進行直接還原鐵的生產:
[0075]使焦爐氣進入淨化器I進行淨化(除塵、脫油、壓縮)，之後進入第一精脫硫塔2與催化劑接觸進行精脫硫和脫不飽和烴處理，在採用臨氫加氫吸附脫硫的同時也會飽和焦爐氣中的烯烴和芳烴，然後通過其他氣體輸入管道輸入的其他氣體(轉爐煤氣、高爐煤氣、淨化尾氣中的一種或兩種以上的混合氣)混合得到原料混合氣並在預熱之後進入催化轉化爐3，含氧氣體經過預熱之後進入催化轉化爐3 ；
[0076]在催化轉化爐3中，含氧氣體和原料混合氣混合併在催化轉化爐3的噴嘴處部分燃燒(部分氧化)，進行甲烷的乾重整和/或蒸汽重整，得到高H2和CO含量的合成氣，為了控制部分燃燒時的火焰溫度，可以在進入催化轉化爐3之前的含氧氣體或原料混合氣中混入一定量的二氧化碳和/或水蒸汽，例如通過氣體混合器4向含氧氣體中混入二氧化碳和/或水蒸汽；
[0077]使催化轉化爐3中產生的高H2和CO含量的合成氣進入豎爐5，對球團礦等進行還原得到直接還原鐵，並通過還原鐵出口輸出，豎爐5頂部產生的還原尾氣(爐頂氣)進入冷卻器6進行冷卻，然後進入洗滌器7中進行洗滌，洗滌之後的幹氣進入第二精脫硫塔6與氧化鋅催化劑接觸進行精脫硫處理得到淨化尾氣，淨化尾氣再進入脫碳塔9脫除其中的CO2(CC)2通過CO2出口排出)，之後進入加熱器10進行加熱，再進入豎爐5參與還原反應。
[0078]實施例2
[0079]本實施例提供了一種利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法，其包括以下步驟，其流程如圖2所示，可以採用圖1所示的系統進行:
[0080]原料焦爐氣的流量為20000Nm3/h，其中，以體積比計，甲烷的含量約為22%，氫氣的含量約為59%，還含有少量C02、CO、N2和C2+組分，總硫含量低於350ppm ；
[0081]原料焦爐氣進入淨化器I進行除塵、深度脫油、加壓後，換熱至220°C，在1.1MPa的壓力下，進入吸附脫硫的精脫硫反應器(第一精脫硫塔2)，共兩個反應器，一開一再生，各裝臨氫吸附精脫硫劑25m3，臨氫吸附精脫硫劑含15wt%鎳和5被％鎢，其餘組分為氧化鋅、氧化鋁及氧化鎂，含量分別為70被％、5被％和5wt% (該臨氫吸附精脫硫劑為CUPB-XTS系列臨氫吸附脫硫劑，由東營科爾特新材料有限公司生產)，臨氫加氫吸附脫硫同時也飽和了焦爐氣中的烯烴和芳烴，出精脫硫反應器的淨化氣體的總硫含量小於0.5ppm，其烯烴和芳烴濃度小於lOOppm，然後預熱到600°C ；
[0082]以空分氧氣(含氧98%)作為烴類轉化的氧化劑(即含氧氣體)，其流量約為3168Nm3/h,預熱到600°C，`必要時可以通過氣體混合器4輸入適量二氧化碳和/或水蒸汽，以控制燃燒時火焰的溫度；
[0083]在0.SMPa的壓力下，原料焦爐氣和含氧氣體這兩股氣流進入催化轉化爐3的噴嘴處混合併部分燃燒，火焰溫度控制為1500-1700°C，部分燃燒後得到的高溫混合氣進入催化轉化爐3的催化劑床層，在催化劑作用下發生甲烷二氧化碳乾重整轉化和甲烷蒸汽轉化，得到合成氣，催化轉化爐3中的催化劑裝量為20m3，焦爐氣的轉化催化劑為CUPB-DR系列(由東營科爾特新材料有限公司生產，含鎳約10wt%，餘量為耐高溫鋁矽鎂鑭複合氧化物異形載體)，催化轉化爐4出口處的合成氣的溫度約為1020°C，減壓至0.3MPa，合成氣的流量約為30460Nm3/h，其中，H2:H2O= 14.9:1和CO: C02=21.3:1，均為摩爾比，豎爐入口合成氣的組成中，(H2+C0)/(H2+C0+H20+C02)的摩爾比為0.95，指標達到氣基直接還原鐵要求，可直接用於還原鐵生產；
[0084]上述步驟製造的合成氣的溫度高達1020°C，氧化度為5.6%，H2:CO的摩爾比值較高，約為2.92:1，將其輸入Midrex高溫氣基還原鐵豎爐5進行生產。
[0085]使用流量為30460Nm3/h的合成氣生產直接還原鐵，產量約為20t/h，還原鐵後的還原尾氣經過冷卻器6進行冷卻、洗滌器7進行洗滌、壓縮後進入第二精脫硫塔8採用精脫硫工藝進行脫硫，得到淨化尾氣，洗滌後的幹基還原尾氣的流量約為21320Nm3/h，淨化尾氣的總硫含量低於0.5ppm，然後在脫碳塔9中採用變壓吸附法對淨化尾氣進行脫碳。經過脫硫脫碳淨化後的淨化尾氣的流量約為17660Nm3/h，水和二氧化碳的含量很低，氧化度約3.5%，是優質的氣基直接還原鐵還原氣，可以使用其中1960Nm3/h的部分作為燃料將另外的15700Nm3/h的氣體加熱到約900°C (可以通過加熱器10進行)，然後使這部分氣體與合成氣(催化轉化的產品氣)混合或直接作為豎爐還原氣，由此可以增產還原鐵約10t/h，實現還原鐵尾氣的合理利用。
[0086]實施例3
[0087]本實施例提供了一種利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法，其包括以下步驟，其流程如圖3所示:
[0088]原料焦爐氣的流量為25000Nm3/h，其中，以體積比計，甲烷的含量約為25%，氫氣的含量約為56%，還含有少量C02、CO、N2和C2+組分，總硫含量低於200ppm ；
[0089]原料焦爐氣經加壓、除塵、深度脫油後，換熱升溫至250°C，在1.4MPa的壓力下，進入加氫脫硫反應器，內裝36m3鐵鑰加氫催化劑(鐵5wt%、鑰12wt%、餘為氧化鋁)，有機硫經加氫轉化為硫化氫，加氫脫硫同時也飽和焦爐氣中的烯烴和芳烴，然後進入工業上常規鐵錳脫硫劑反應器，進行中溫脫硫，脫硫反應器共兩個，各裝85噸常規鐵錳脫硫劑(氧化鐵35wt%、餘為氧化錳)，一開一再生，用於保持連續生產，經精脫硫的焦爐氣中總硫小於lppm，使其烯烴和芳烴濃度小於5000ppm，然後換熱升溫至550°C ；
[0090]以混合有約8%(體積)水蒸汽的空分氧氣作為氧化劑，氣流量為4600Nm3/h，經換熱器預熱到550°C ；
[0091]在0.6MPa的壓力下，原料焦爐氣和含氧氣體兩股氣流進入催化轉化爐噴嘴處進行混合併部分燃燒，火焰溫度控制為1400-1600°C，部分燃燒後得到的高溫混合氣進入催化轉化爐的催化劑床層，在催化劑作用下發生甲烷二氧化碳乾重整轉化和甲烷蒸汽轉化，得到合成氣，催化轉化反應器的催化 劑裝填量為25m3，焦爐氣的轉化催化劑為CUPB-DR系列(由東營科爾特新材料有限公司生產)，含鎳約12%、餘量為耐高溫鎂鋁鈣複合氧化物異形載體；催化轉化爐出口處的合成氣的溫度約為990°C，壓力約為0.5MPa，合成氣的流量約為39650Nm3/h，其中，H2:H2O=I1.4:1和CO:C02=19.2:1,均為摩爾比，豎爐入口合成氣組成滿足:(H2+C0) / (H2+C0+H20+C02)的摩爾比為0.94，指標滿足氣基直接還原鐵要求，可直接用於還原鐵生產；
[0092]上述步驟製造的合成氣的溫度高達990°C，氧化度為7.0%, H2:CO的摩爾比值為
2.77:1，將其輸入HYL高溫氣基還原鐵豎爐進行生產；
[0093]使用流量為39650Nm3/h的合成氣生產直接還原鐵，產量約為25t/h，還原鐵後的還原尾氣經過冷卻、洗滌、壓縮後的還原尾氣進行精脫硫處理得到淨化尾氣，經過洗滌後得到的幹基還原尾氣的流量約為27750Nm3/h，淨化尾氣的總硫含量降低至低於lppm，然後採用碳酸丙烯酯法對淨化尾氣進行脫碳；脫硫脫碳淨化後的淨化尾氣的流量約為23000Nm3/h，水和二氧化碳的含量很低，氧化度約為4.0%，是優質的氣基直接還原鐵還原氣，可以使用其中2600Nm3/h的部分作為燃料將另外的20400Nm3/h的氣體加熱到約920°C，然後使被加熱的氣體與合成氣(催化轉化的產品氣)混合作為豎爐還原氣，由此可以增產還原鐵約13t/h，實現還原鐵尾氣的有效利用。
[0094]實施例4
[0095]本實施例提供了一種利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法，其包括以下步驟，其流程如圖4所示:
[0096]原料焦爐氣的流量為22000Nm3/h，其中，以體積比計，甲烷的含量約為20%，氫氣的含量約為60%，其餘為少量C02、CO、N2和C2+組分，總硫含量低於250ppm ；
[0097]原料焦爐氣經壓縮、除塵、脫油後，換熱升溫至300°C，在0.9MPa的壓力下進入臨氫吸附精脫硫反應器，臨氫加氫吸附脫硫同時也飽和了焦爐氣中的烯烴和芳烴，採用兩個反應器各裝臨氫吸附精脫硫劑15m3，一開一再生；精脫硫劑為含鈷鑰臨氫吸附脫硫劑，其餘組分為氧化鋅和氧化矽，該精脫硫劑為含鈷5wt%、鑰20wt%的臨氫吸附加氫脫硫劑，其餘組分為氧化鋅70wt%和氧化矽5wt%(該精脫硫劑為CUPB-XTS系列臨氫吸附脫硫劑，由東營科爾特新材料有限公司生產)，經精脫硫反應器的焦爐氣的總硫含量小於0.lppm，脫硫後的焦爐氣進行脫不飽和烴處理，使其烯烴和芳烴濃度小於lOOOppm，然後換熱升溫至650°C ；
[0098]以含10v%的二氧化碳的空分氧氣作為氧化劑，其流量為3432Nm3/h，換熱升溫至650 0C ；
[0099]在0.7MPa的壓力下，原料焦爐氣和含氧氣體兩股氣流進入催化轉化爐噴嘴處進行混合併部分燃燒，火焰溫度控制為1200-1400°C，部分燃燒後得到的高溫混合氣進入催化轉化爐的催化劑床層，在催化劑作用下發生甲烷二氧化碳乾重整轉化和甲烷蒸汽轉化，得到合成氣，轉化反應器催化劑裝量為20m3，焦爐氣轉化催化劑為CUPB-DR系列(由東營科爾特新材料有限公司生產)，含鎳約7wt%，餘為耐高溫鋁鎂鋇鉀複合氧化物異形載體，催化轉化爐出口處的合成氣的溫度約為950°C，壓力約為0.3MPa，合成氣的流量約為33470Nm3/h，其中，H2:H20=17.3:1和C0:C02=27.0:1，均為摩爾比，豎爐入口合成氣的組成中，(H2+C0)/(H2+C0+H20+C02)的摩爾比為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；
[0100]上述步驟製造的合成氣的溫度高達950°C，氧化度為4.8%，H2:C0的摩爾比值為
3.06:1，將其輸入Midrex高溫氣基還原鐵豎爐進行生產；
[0101]使用流量為3 3470的Nm3/h的合成氣生產直接還原鐵，產量約為21t/h，還原鐵後的還原尾氣經過冷卻、洗滌、壓縮後進行精脫硫得到淨化尾氣，經過洗滌處理得到的幹基還原尾氣的流量約為23430Nm3/h，淨化尾氣的總硫含量降低到低於0.lppm，然後採用胺法脫碳，脫硫脫碳淨化後的淨化尾氣的流量約19410Nm3/h，水和二氧化碳的含量很低，氧化度約為5.0%，是優質的氣基直接還原鐵還原氣，可以使用其中2180Nm3/h的部分作為燃料將另外的17230Nm3/h的氣體加熱到約910°C，然後使被加熱的氣體與合成氣(催化轉化的產品氣)混合作為豎爐還原氣，由此增產還原鐵約llt/h，實現還原鐵尾氣的有效利用。
【權利要求】
1.一種利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法，其包括以下步驟: 將通過常規淨化、精脫硫處理和脫不飽和烴處理後的焦爐氣與轉爐煤氣、高爐煤氣、淨化尾氣中的一種或兩種以上混合氣混合成原料混合氣，使原料混合氣與含氧氣體在轉化爐燒嘴出口處燃燒，得到高溫混合氣，燃燒時控制火焰溫度為1100-1800°c，其中，精脫硫處理後的焦爐氣的硫含量< IOppm,烯烴和芳烴濃度小於5000ppm ； 向高溫混合氣中添加0)2、含CO2的氣體和/或水蒸汽，然後使其與催化轉化爐中的催化劑接觸，使焦爐氣中的烴類在催化劑上與CO2和/或水蒸汽發生轉化反應，燃燒反應產生的熱量為轉化反應提供熱量，轉化得到高H2和CO濃度的合成氣，並將催化轉化爐出口處的合成氣的溫度控制為850-1050°C ； 催化轉化後得到的合成氣直接進入豎爐還原氧化鐵生產還原鐵，豎爐還原尾氣經過冷卻除塵淨化後得到淨化尾氣。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述淨化尾氣與焦爐氣混合重新進入催化轉化爐，或者一部分用作燃料加熱另一部分淨化尾氣，然後直接進入豎爐作為還原氣。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中，所述豎爐入口合成氣的組成滿足(H2+C0)/(H2+C0+H20+C02)的摩爾比至少為0.90。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述含氧氣體為純氧。
5.如權利要求1所述的方法，其中，催化轉化爐出口處的合成氣的壓力為0.1-1.0MPa0
6.如權利要求1-5中任一項所述的方法，其中，所述催化轉化爐中的催化劑的活性組分為鎳，助劑為鈣、鎂、鋇和鉀中的一種或兩種以上的組合，載體為氧化鋁、鋁酸鈣、氧化鎂、鎂鋁尖晶石、矽鋁酸鉀中的一 種或兩種以上的組合；優選地，以該催化劑的總重量計，活性組份鎳的含量為5-15wt%，助劑 含量為0.l_7wt%，餘為載體。
7.如權利要求1所述的方法，其中，所述冷卻除塵淨化包括精脫硫處理，脫硫後的淨化尾氣的硫含量< IOppm ;優選地，所述精脫硫採用氧化鋅脫硫劑。
8.如權利要求1所述的方法，其中，所述焦爐氣的精脫硫處理的催化劑的活性組分為鎳、鈷、鑰、鐵和鎢中的一種或兩種以上的組合,載體為氧化鋁、氧化鋅、氧化矽、氧化鎂中的一種或兩種以上的組合；優選地，以該催化劑的總重量計，活性組分的含量為8-25wt%，載體的含量為75-92wt%。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述焦爐氣的精脫硫處理的壓力為0.3-1.5MPa，溫度為120-400°C，體積空速為400-800(?'
10.如權利要求1所述的方法，其中，所述淨化尾氣在脫除CO2後進行回用或用作燃料；優選地，所述脫除CO2的方法為胺法、變壓吸附法或碳酸丙烯酯法。
11.如權利要求1-10中任一項所述的方法，其中，所述原料混合氣的含硫量<IOppm;優選地，所述原料混合氣的含硫量≤3ppm。
12.一種利用焦爐氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的系統，其包括淨化器、第一精脫硫塔、催化轉化爐、氣體混合器、豎爐、冷卻器、洗滌器、第二精脫硫塔、脫碳塔、加熱器，其中: 所述淨化器設有焦爐氣輸入口，並且其出口與所述第一精脫硫塔連接； 所述第一精脫硫塔設有C02/H20入口，其出口與所述催化轉化爐連接，並且，在第一精脫硫塔和催化轉化爐的連接管道上設有其他氣體輸入管道； 所述氣體混合器分別設有含氧氣體入口和C02/H20入口，其出口與所述催化轉化爐連接； 所述催化轉化爐的出口與所述豎爐連接； 所述豎爐設有球團礦入口、爐頂氣出口和還原鐵出口，其通過爐頂氣出口與所述冷卻器連接； 所述冷卻器與所述洗滌器連接； 所述洗滌器與所述第二精脫硫塔連接； 所述第二精脫硫塔與所述脫碳塔連接； 所述脫碳塔設有還原氣出口和CO2出口，並通過還原氣出口與所述加熱器連接； 所述加熱器與所述豎爐連接。
【文檔編號】C22B5/12GK103525964SQ201310464490
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月8日 優先權日:2013年10月8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