一種利用焦爐煤氣製取冶金還原氣的組合工藝的製作方法
2023-11-05 05:51:17 1
本發明屬於冶金還原氣製取技術領域，具體為一種利用焦爐煤氣製取冶金還原氣的組合工藝。
背景技術：
直接還原鐵(DRI-Direct Reduced Iron)是精鐵粉或氧化鐵在爐內經冶金還原氣直接還原形成的低碳多孔狀物質，其化學成分穩定，雜質含量少，是廢鋼的替代品之一。冶金還原氣的主要成分為CO和H2，相對於傳統的高爐煉鐵，採用冶金還原氣對鐵礦石進行直接還原，實現了無焦煉鐵，且碳耗低、CO2排放少。因此，利用冶金還原氣煉鐵對降低一次性礦物能源消耗、保護環境等有很重要的意義。
目前製取冶金還原氣的主要來源還是天然氣或富甲烷氣的重整反應，但是在天然氣資源匱乏的國家和地區該方法很難實現。我國是煉焦大國，煉焦行業每年都會副產大量焦爐煤氣。焦爐煤氣是焦煤在煉焦爐中經過高溫乾餾後，在產出焦炭和焦油產品的同時所產生的一種可燃性氣體，是煉焦工業的副產品。焦爐煤氣的主要成分為H2（55-60%）、CH4（23-27%）、CO（5-8%），此外還含有苯等碳氫化合物。利用焦爐煤氣製取冶金還原氣則顯得意義重大。現有的利用焦爐煤氣製取冶金還原氣的方法，申請號為201210000587.7的「一種利用焦爐煤氣生產海綿鐵的方法」的專利，公開的方法是：將淨化後的焦爐煤氣進行預熱；預熱後的焦爐煤氣在流化床入口處與通入的氧氣進行不完全燃燒，並使含有CO+H2的還原氣的溫度升高到900℃-1000℃，再在流化床內與鐵精粉或鐵礦進行對流還原，生成海綿鐵。該方法的主要缺點在於沒有對焦爐煤氣淨化進行系統闡述；又如申請號為201410088900.6的「一種焦爐煤氣改質直接還原鐵礦石系統裝置及方法」的專利，公開的方法是：利用高溫脫硫劑（MO和CeO1.72）實現脫硫淨化，然後將焦爐煤氣與鐵礦石還原尾氣按一定配比混合後在高溫催化床中進行重整反應得到冶金還原氣，最後直接還原鐵礦石，鐵礦石還原尾氣。該方法的主要缺點是焦爐煤氣處理不乾淨，特別是硫化物的處理，會對後續工段造成影響。以上專利報導中均是使用了甲烷的重整反應來生產冶金還原氣，但是甲烷的重整反應需要新建大型的轉化爐，這也增加了設備功耗和產品成本。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對現有焦爐煤氣製取冶金還原氣方法的不足之處，提出一種利用焦爐煤氣製取冶金還原氣的組合工藝，即採用焦爐煤氣淨化-分離組合工藝來生產冶金還原氣的同時得到富甲烷氣。即通過膜分離和PSA技術，分離得到H2，CH4和CO。H2和CO可以通過不同配比，進而滿足各類煉鐵工藝所需的還原氣組成。CH4可以根據需求作為返回焦爐的燃燒氣或者廠區內鍋爐燃燒等使用，充分利用甲烷燃燒熱。該組合工藝特別適合中國、印度此類煉焦大國，同時缺少天然氣資源的地區和國家。
本發明目的通過下述技術方案來實現：
一種利用焦爐煤氣製取冶金還原氣的組合工藝，以焦爐煤氣為原料，經預淨化後進入氣櫃，再經壓縮機增壓、深度淨化、變溫吸附後，進行膜分離得到氫氣，經膜分離提氫後的氣體進入變壓吸附裝置，將甲烷、氮氣和CO分離，獲得的CO和H2可作為還原氣使用，而富甲烷氣則可以根據需求作為返回焦爐的燃燒氣或者廠區內鍋爐燃燒等使用，充分利用甲烷燃燒熱。
所述方法的具體步驟如下：
（1）預淨化
首先將壓強為7-10kPa的原料氣焦爐煤氣進入預淨化裝置，所述的預淨化是在淨化器中裝填焦炭，利用焦炭的吸附性脫除焦爐煤氣中的焦油、萘雜質，焦油含量降至4mg/Nm3以下，萘含量降至10mg/Nm3以下，具體依據所選擇的壓縮機型式和壓縮機廠家要求進行靈活調節。
（2）氣櫃
第（1）步完成後，焦爐煤氣進入氣櫃。所述氣櫃是針對焦爐煤氣氣源組成氣量波動而作為緩衝作用。
（3）壓縮
第（2）步氣櫃出來的焦爐煤氣經壓縮機增壓至0.2MPa，達到後續操作單元對原料氣壓力的要求。除工藝流程本身的壓力損失外，後續工序的操作壓力均在這一壓力下進行。
（4）深度淨化
第（3）步完成後，焦爐煤氣再進行深度淨化。所述的深度淨化主要包括兩部分，第一部分採用碳基吸附劑進一步脫除焦油、萘，使其脫除指標分別達到焦油小於1mg/Nm3，萘指標小於1mg/Nm3。第二部分採用溼法脫硫粗脫硫，將H2S和有機硫的硫含量降低至10mg/Nm3，粗脫硫工藝根據裝置原料氣硫含量和原料氣規模優選經濟合理的工藝方案。
（5）變溫吸附
第（4）步完成後，焦爐煤氣進入變溫吸附單元。本單元採用常溫吸附、升溫脫附的操作方法使原料氣中的苯和氨的含量小於10mg/Nm3。吸附劑採用改性矽膠和特種活性炭複合吸附劑，所述變溫吸附淨化吸附操作溫度為常溫，吸附劑再生需要加熱。
（6）膜分離
第（5）步完成後，焦爐煤氣進行膜分離。膜分離裝置利用原有壓力作為推動力，使氫氣在膜的低壓側富集，一部分與變壓吸附工序得到的CO混合，得到可直接用於還原鐵的冶金還原氣，另一部分輸送到用戶需要的入口。
（7）變壓吸附
經第（6）步處理後的氣體進入PSA裝置，PSA將甲烷、氮氣和CO分離，獲得的CO和H2可作為還原氣混合使用，而富甲烷氣則可以根據需求作為返回焦爐的燃燒氣或者廠區內鍋爐燃燒等使用，充分利用甲烷燃燒熱。
本發明的積極效果是：
（1）焦爐煤氣中雜質脫除更徹底。在焦爐煤氣淨化過程中，先經預淨化粗脫焦油萘，再經深度淨化、變溫吸附，避免了雜質對設備的影響，所製取的冶金還原氣完全滿足各種還原鐵技術的要求。
（2）實現工業排放氣綜合利用，經濟環保。整個工藝過程無連續汙染物排放，硫、焦油及粉塵均得到固化收集。裝置具有運行穩定，可靠性高、熱量利用率高的優點，達到工業排放氣回收利用、節能減排、變廢為寶的效果。
（3）通過新的組合工藝得到的H2和CO可以根據任何冶金工藝對還原氣的要求，合理配比，達到最優的還原效果。
（4）通過PSA得到的富甲烷氣，富甲烷氣可以作為燃料，還可以作為甲烷重整的原料，充分的利用了焦爐煤氣中的各個重要組分。
附圖說明
圖1為本發明的工藝流程示意圖。
具體實施方式
本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
本說明書（包括任何附加權利要求、摘要）中公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換。即，除非特別敘述，每個特徵只是一系列等效或類似特徵中的一個例子而已。
實施例1：
一種利用焦爐煤氣製取冶金還原氣的組合工藝，所述工藝的具體步驟如下：
（1）預淨化
焦爐煤氣流量為30000Nm3/h，其中，以體積比計，H2含量為57.5%，CO含量為7%，CH4含量為24.4%，CO2含量為2.3%，N2含量為5%，多碳烴含量為3.5%，O2含量為0.3%，總體積百分含量之和為100%。雜質含量為：苯、甲苯含量約3500mg/Nm3，萘含量約200mg/Nm3，焦油及粉塵含量約110mg/Nm3，氨含量約48mg/Nm3，H2S含量約200mg/Nm3，有機硫含量約200mg/Nm3。該組成的原料焦爐煤氣溫度40℃，壓力7kPa，進入預淨化裝置，利用焦炭的吸附性將焦油含量降至4mg/Nm3以下，萘含量降至10mg/Nm3以下。
（2）氣櫃
第（1）步完成後，焦爐煤氣進入氣櫃。所述氣櫃是針對焦爐煤氣氣源組成氣量波動而作為緩衝作用。
（3）壓縮
第（2）步氣櫃出來的焦爐煤氣經壓縮機增壓至0.2MPa，達到後續操作單元對原料氣壓力的要求。除工藝流程本身的壓力損失外，後續工序的操作壓力均在這一壓力下進行。
（4）深度淨化
第（3）步完成後，焦爐煤氣再進行深度淨化。所述的深度淨化主要包括兩部分，第一部分採用碳基吸附劑進一步脫除焦油、萘，使其脫除指標分別達到焦油小於1mg/Nm3，萘指標小於1mg/Nm3。第二部分採用溼法脫硫粗脫硫，將H2S和有機硫的硫含量降低至10mg/Nm3，粗脫硫工藝根據裝置原料氣硫含量和原料氣規模優選經濟合理的工藝方案。
（5）變溫吸附
第（4）步完成後，焦爐煤氣進入變溫吸附單元。本單元採用常溫吸附、升溫脫附的操作方法使原料氣中的苯和氨的含量小於10mg/Nm3。吸附劑採用改性矽膠和特種活性炭複合吸附劑，所述變溫吸附淨化吸附操作溫度為常溫，吸附劑再生需要加熱。
（6）膜分離
第（5）步完成後，焦爐煤氣進行膜分離。膜分離裝置利用原有壓力作為推動力，得到富氫氣14663Nm3/h。其中，與變壓吸附工序得到的CO混合的氫氣量為3080Nm3/h，混合後得到可直接用於還原鐵的冶金還原氣，剩餘11583Nm3/h氫氣輸送到用戶需要的入口。
（7）變壓吸附
經第（6）步處理後的氣體進入PSA裝置，PSA將甲烷、氮氣和CO分離，獲得1596Nm3/h的CO，與膜分離得到的H2可作為還原氣混合使用，同時得到9120Nm3/h的富甲烷氣。
實施例2
一種利用焦爐煤氣製取冶金還原氣的組合工藝，同實施例1，其中：
第（1）步中，焦爐煤氣流量為40000Nm3/h，其中，以體積比計，H2含量為57.1%，CO含量為7%，CH4含量為24%，CO2含量為2.5%，N2含量為5%，多碳烴含量為3.9%，O2含量為0.5%，總體積百分含量之和為100%。雜質含量為：苯、甲苯含量約3500mg/Nm3，萘含量約150mg/Nm3，焦油及粉塵含量約100mg/Nm3，氨含量約45mg/Nm3，H2S含量約180mg/Nm3，有機硫含量約200mg/Nm3。該組成的原料焦爐煤氣溫度40℃，壓力7kPa，進入預淨化裝置，利用焦炭的吸附性將焦油含量降至4mg/Nm3以下，萘含量降至10mg/Nm3以下。
第（6）步中，焦爐煤氣進行膜分離。膜分離裝置利用原有壓力作為推動力，得到富氫氣23158Nm3/h。其中，與變壓吸附工序得到的CO混合的氫氣量為4867Nm3/h，混合後得到可直接用於還原鐵的冶金還原氣，剩餘18291Nm3/h氫氣輸送到用戶需要的入口。
第（7）步中，經第（6）步處理後的氣體進入PSA裝置，PSA將甲烷、氮氣和CO分離，獲得2433Nm3/h的CO，與膜分離得到的H2可作為還原氣混合使用，同時得到14308Nm3/h的富甲烷氣。
本發明並不局限於前述的具體實施方式。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。