一種富氧高爐煤氣制氨合成氣的方法
2023-06-06 17:44:36
專利名稱：一種富氧高爐煤氣制氨合成氣的方法
技術領域：
本發明涉及一種富氧高爐煤氣制氨合成氣的方法，屬於資源綜合利用領域。
背景技術：
冶金行業是高耗能高排放行業，其耗能量佔我國總能耗的10%左右。國家 「十一五」規劃把單位⑶P能耗在「十五」基礎上下降20%作為目標，冶金行業節能減排首 當其衝。鋼鐵行業是高消耗、高汙染的「大戶」，而且是六大耗能行業中的「大戶」。鋼鐵工 業節能減排工作的成效關係到全社會整體節能減排工作的成效。高爐煉鐵是現代鋼鐵生產的重要工藝之一，煉鐵高爐所用的還原劑是焦炭、煤、 重油等，用空氣鼓風生產還原劑CO並提供高溫熱量，由於空氣中氮含量很高，稀釋了還原 氣中的C0，故高爐煤氣中的CO含量低，氮含量高，高爐排出的煤氣中含CO 24-26% ；CO2 14-16% ；Η21-2% ；CH4O. 3-0. 8% ;N256_59%。熱值3200_4000kj/Nm3。目前，由於高爐煤氣 品質低，用處不大，只作為熱風爐、加熱爐、焦爐、鍋爐等的燃料用。氨合成氣的主要原料也為焦炭、煤、重油、天然氣，通過氣化爐製取滿足氨合成氣 要求的水煤氣，製取水煤氣的方法常用的有常壓間隙法、常壓連續富氧氣化法、加壓氣化法 以及近年發展起來的純氧熔渣氣化法。合成氨也是耗能大戶，每噸合成氨平均消耗標準煤1400kg計算，我國年產合成氨 3500萬噸，消耗標準煤4900萬噸。高爐生產It鐵大約要消耗450_550kg焦炭，我國鋼鐵行業年消耗標準煤2億多 噸，如果鋼鐵工業排放的高爐煤氣利用25%，則對全國工業C02減排的貢獻率將達3%。如 果能把高爐煤氣作為氨合成氣利用起來，高爐煤氣制合成氨可滿足合成氨市場要求，可以 省掉合成氨消耗掉的焦炭、煤、重油以及供應緊缺的天然氣，對節能減排具有重大理論意 義。
發明內容
本發明目的是提供一種富氧高爐煤氣制氨合成氣的方法，是利用高爐煤氣製取合 成氨原料氣的方法來回收利用生產排放廢氣中的C0，使其成為合成氨的原料，把煉鐵高爐 作為富氧熔渣氣化爐，對合理使用資源、節能減排，實現低碳經濟，變廢為寶具有十分重要 的現實意義。本發明的富氧高爐煤氣制氨合成氣的方法目的是這樣實現的其特徵在於該方法 為通過煉鐵高爐空氣鼓風改為富氧鼓風，將高爐煤氣中的一氧化碳濃度提高至氨合成氣 需要的濃度，再通過脫硫、部分變換和低溫變換將CO轉換為H2,脫除二氧化碳和微量C0，滿 足氨合成氣的要求。該方法包括(1)富氧鼓風高爐空氣鼓風改為富氧鼓風，富氧鼓風使用的氧氣濃度59 63%，富氧量每噸生鐵580 650m3 ；(2)ADA脫硫在常溫下，用常規ADA溶液，將高爐煤氣中的H2S脫至50mg/m3以下；(3)部分變換變換爐分為二段，控制蒸汽比為1. 1 1. 3，一段變換觸媒用中溫觸 媒，一段進口溫度300 340°C，一段出口溫度430 450°C，二段觸媒用高溫觸媒，觸媒層 溫度控制在470 480°C，變換爐出口 CO 15 20%，H2 40 45%範圍內；(4)精脫硫變換後串聯精脫硫，精脫硫採用氧化鋅脫硫劑，操作溫度250 280°C，將總 S 脫至 0. Ippm ；(5)中-低_低變換變換爐分為三段，一段中溫變換用中溫變換催化劑，由部分 變換送來的溫度250°C，經換熱器換熱後進一段溫度320°C，經一段反應後出口溫度400°C ； 二段低溫變換用低溫變換催化劑，由一段出來的氣體經換熱器和水加熱器後溫度降低 至190°C，進入二段低變觸媒層，反應後溫度220°C ；三段低溫變換由二段低溫變換來的 氣體經第一調溫水加熱器後溫度下降至180°C，進入三段低溫觸媒層，反應後溫度上升至 185°C，使CO降低至1.5%以下;(6)脫碳變壓吸附脫除CO2和少量C0，吸附劑用分子篩，吸附器在0. 6 0. 7mpa 壓力和常溫下將二氧化碳和CO脫除，使出口 CO2和CO均小於lOppm。本發明的原理分四部分工藝1、高爐空氣鼓風該為富氧鼓風高爐煉鐵需要的熱量是由焦炭或煤粉、重油、天然氣等在風口前與空氣中的氧燃 燒，放出大量的熱，滿足高爐對爐料加熱、Fe2O3的還原、熔化、造扎等過程的需要。高爐爐缸 內的焦炭燃燒反應，是在氧量一定而焦炭過剩的條件下進行的，從反應原理看出，一是煉鐵 工藝過程可由氧量來控制整個高爐的熱平衡；二是沒有過剩的氧，燃燒產物主要是CO以及 氧氣中帶入的N2, CO2很少。這就有可能用控制富氧空氣中氧含量又能滿足高爐的熱平衡， 又能達到氨合成氣(CCHH2)與N2的比例為3. 1 3. 2的要求。在風口前氧氣比較充足，最初是完全燃燒，放出大量的熱量，富氧中的N2不參與反 應，N2的需要量為χ = (0. 31-0. 32) (CCHH2)，反應如下C+02+xN2 = C02+xN2+4006600kj當CO2離開風口後，與C產生氣化反應，吸收部分熱量，反應如下C02+C = 2C0-165800kj爐缸中燃燒的總反應如下2C+02+xN2 = 2C0+xN2+3840800kj目前，國內每煉一噸生鐵所消耗的焦炭量，平均為500公斤/噸生鐵，冶金焦含碳 量按80%計算，每煉一噸生鐵所消耗的純碳量為400公斤/噸，S卩1噸生鐵需要的純碳為 33. 33kgmolο將上述方程改寫成實用方程如下33. 3C+16. 6502+10. 7N2 = 33. 3C0+10. 7N22、脫硫高爐煤氣本身已有完善的除塵系統，含塵量已滿足要求，高爐煤氣中含硫量 300 400mg/m3，先用用ADA溶液粗脫，反應如下H2S+Na2C03 = NaHS+NaHC03
NaHS+ (x_l) S+NaHC03 = Na2Sx+C02+H20再用氧化鋅精脫除H2S和有機硫，反應如下C0S+H2 = H2S+C0H2S+ZnO = ZnS+H203、高爐煤氣用蒸汽變換為變換氣其反應如下CCHH2O = C02+H24、變換氣脫碳變換氣脫除CO2和微量CO即為合成氨精練氣。本發明通過改變高爐鼓風組分，高爐煤氣經淨化、部分變換、低溫變換、脫碳等工 藝技術後，滿足氨合成氣的要求，供合成氨使用。本發明是通過以下工藝方法來實現的1、富氧鼓風高爐空氣鼓風改為富氧鼓風，富氧鼓風使用的氧氣濃度59 63%， 富氧量每噸生鐵580 650m3 ；2、ADA脫硫在常溫下，用常規ADA溶液，將高爐煤氣中的H2S脫至50mg/m3以下；3、部分變換變換爐分為二段，控制蒸汽比為1. 1 1. 3，一段變換觸媒用中溫觸 媒，一段進口溫度300 340°C，一段出口溫度430 450°C，二段觸媒用高溫觸媒，觸媒層 溫度控制在470 480°C，變換爐出口 CO 15 20%，H2 40 45%範圍內；4、精脫硫為了保護低溫催化劑和變壓吸附硫化氫的濃度，變換後串聯精脫硫，精 脫硫採用氧化鋅脫硫劑，操作溫度250 280°C，將總S脫至0. Ippm ；5、中-低_低變換變換爐分為三段，一段中溫變換用中溫變換催化劑，由部分 變換送來的溫度250°C，經換熱器換熱後進一段溫度320°C，經一段反應後出口溫度400°C ； 二段低溫變換用低溫變換催化劑，由一段出來的氣體經換熱器和水加熱器後溫度降低 至190°C，進入二段低變觸媒層，反應後溫度220°C ；三段低溫變換由二段低溫變換來的 氣體經第一調溫水加熱器後溫度下降至180°C，進入三段低溫觸媒層，反應後溫度上升至 185°C，使CO降低至1. 5%以下。6、脫碳變壓吸附脫除CO2和少量C0，吸附劑用分子篩，吸附器在0. 6 0. 7mpa壓 力和常溫下將二氧化碳和CO脫除，使出口 CO2和CO均小於lOppm。本發明達到的技術指標(1)每噸生鐵高爐煤氣量900 IOOOm3,高爐煤氣成分=CO 75. 7% N2 24. 3% ；(2)每噸生鐵除了熱風爐自用外，剩餘高爐煤氣可生產合成氨200 220kg， IOOOm3高爐日產鐵1500噸，可日產合成氨330噸，年產合成氨10. 9萬噸。每噸合成氨標準 煤消耗1369kg，即年節約標煤14萬噸。本發明通過煉鐵高爐空氣鼓風改為富氧鼓風、引出部分高爐煤氣經脫硫、部分變 換和低溫變換、脫碳等工藝及設備來實現。高爐煤氣經洗滌除塵後，含塵量小於10mg/m3，進 入ADA脫硫，將H2S脫至50mg/m3以下，用壓縮機加壓至0. 7 0. 8mpa,送部分變換，將高濃 度一氧化碳變換20%，用氧化鋅精脫硫，將硫化物脫至0. IPPM以下，然後送中低低變工序 將一氧化碳降低至1. 5%以下，最後用變壓吸附將氣體中的CO2和CO除去而製得氫與氮之 比為3. 1 3. 2的氨合成氣。
本發明具有的優點及效果(1)煉鐵與合成氨生產組成聯合體，煉鐵高爐成為合成氨關鍵設備一氣化爐，合成 氨裝置省掉了原料輸送及氣化爐部分，合成氨工藝流程縮短；(2)提高了資源利用率，對合成氨來說不需要原料，成本大大下降，有顯著的經濟 效益，如果煉鐵與合成氨的成本再合理分配，生鐵成本也下降；(3)減少了合成氨的原料輸送和氣化兩大部分，投資節省；(4)節能減排效果顯著。可以省掉合成氨消耗掉的焦炭、煤、重油以及供應緊缺的 天然氣，年節約標準煤達5000萬噸。如果鋼鐵工業排放的高爐煤氣利用25%，則對全國工 業CO2減排的貢獻率將達3%。
圖1是本發明的富氧高爐煤氣製取氨合成氣流程框圖。圖2是本發明的富氧高爐煤氣製取氨合成氣流程圖。
具體實施例方式本發明通過煉鐵高爐空氣鼓風改為富氧鼓風，將高爐煤氣中的一氧化碳濃度提高 至氨合成氣需要的濃度，再通過脫硫、部分變換和低溫變換將CO轉換為H2，脫除二氧化碳和 微量C0，滿足氨合成氣的要求，組成一個煉鐵_合成氨綜合利用聯合體，以達到節能減排之 目的。圖1中，本發明的工藝方法如下1、富氧鼓風高爐空氣鼓風改為富氧鼓風；2、ADA 脫硫；3、部分變換變換爐分為二段，一段變換觸媒用中溫觸媒，二段觸媒用高溫觸媒；4、精脫硫變換後串聯精脫硫，精脫硫採用氧化鋅脫硫劑；5、中-低_低變換變換爐分為三段，一段中溫變換二段低溫變換三段低溫變 換；6、脫碳變壓吸附脫除CO2和少量CO。實施例1 圖2中，富氧高爐煤氣製取氨合成氣流程高爐容積248米3，日產生鐵100噸，空氣鼓風改為富氧鼓風，60%的富氧量2700 3000m7/h，抽出高爐煤氣2800 3100m7h，合成氨1噸/h，年產合成氨8000噸。煉鐵高爐空氣鼓風改為富氧鼓風。高爐煤氣從煉鐵高爐1頂部引出進入洗滌除塵 裝置2除塵冷卻後，小部分煤氣送往熱風爐3用以加熱富氧12，富氧加熱後進入煉鐵高爐 1，大部分煤氣經脫硫裝置4脫硫後進入煤氣櫃5貯存並穩定組分，然後用煤氣壓縮機6壓 縮至0. 8mpa,進入變換氣熱交換器7，與來自部分變換爐8的變換氣換熱後溫度升至300 330°C進入部分變換爐，控制蒸汽比，進行部分變換生成一定比例的CO和H2以及CO2，將熱 量傳給淨化氣後溫度降至250 270°C，進入氧化鋅脫硫槽9，溫度250°C，送給中低低變裝 置10，將變換氣中的CO降低至1，5%以下，進入變壓吸附裝置11，將變換氣中的CO2和CO 含量降低至IOppm以下，即為氨合成氣13。實施例2 富氧高爐煤氣製取氨合成氣流程
高爐容積1000米3，日產生鐵1500噸，空氣鼓風改為富氧鼓風，60%的富氧量 40000 45000m7/h，抽出高爐煤氣45000 50000m7h，合成氨16噸/h，年產合成氨12 13萬噸。流程相同。實施例3 富氧高爐煤氣製取氨合成氣流程高爐容積2000米3，日產生鐵3500噸，空氣鼓風改為富氧鼓風，60%的富氧量 90000 95000m7/h，抽出高爐煤氣110000 11700m7h，合成氨38噸/h，年產合成氨30
萬噸。流程相同。
權利要求
1.一種富氧高爐煤氣制氨合成氣的方法，其特徵在於該方法為通過煉鐵高爐空氣鼓 風改為富氧鼓風，將高爐煤氣中的一氧化碳濃度提高至氨合成氣需要的濃度，再通過脫硫、 部分變換和低溫變換將CO轉換為H2,脫除二氧化碳和微量C0，滿足氨合成氣的要求。
2.如權利要求1所述的富氧高爐煤氣制氨合成氣的方法，其特徵在於該方法包括(1)富氧鼓風高爐空氣鼓風改為富氧鼓風，富氧鼓風使用的氧氣濃度59 63%，富氧 量每噸生鐵580 650m3 ；(2)ADA脫硫在常溫下，用常規ADA溶液，將高爐煤氣中的H2S脫至50mg/m3以下；(3)部分變換變換爐分為二段，控制蒸汽比為1.1 1. 3，一段變換觸媒用中溫觸媒， 一段進口溫度300 340°C，一段出口溫度430 450°C，二段觸媒用高溫觸媒，觸媒層溫度 控制在470 480°C，變換爐出口 CO 15 20%，H2 40 45%範圍內；(4)精脫硫變換後串聯精脫硫，精脫硫採用氧化鋅脫硫劑，操作溫度250 280°C，將 總S脫至0. Ippm ；(5)中-低_低變換變換爐分為三段，一段中溫變換用中溫變換催化劑，由部分變 換送來的溫度250°C，經換熱器換熱後進一段溫度320°C，經一段反應後出口溫度400°C ； 二段低溫變換用低溫變換催化劑，由一段出來的氣體經換熱器和水加熱器後溫度降低 至190°C，進入二段低變觸媒層，反應後溫度220°C ；三段低溫變換由二段低溫變換來的 氣體經第一調溫水加熱器後溫度下降至180°C，進入三段低溫觸媒層，反應後溫度上升至 185°C，使CO降低至1.5%以下;(6)脫碳變壓吸附脫除CO2和少量C0，吸附劑用分子篩，吸附器在0.6 0. 7mpa壓力 和常溫下將二氧化碳和CO脫除，使出口 CO2和CO均小於lOppm。
全文摘要
本發明涉及一種富氧高爐煤氣制氨合成氣的方法，該方法通過煉鐵高爐空氣鼓風改為富氧鼓風，將高爐煤氣中的一氧化碳濃度提高至氨合成氣需要的濃度，再通過脫硫、部分變換和低溫變換將CO轉換為H2，脫除二氧化碳和微量CO，滿足氨合成氣的要求，組成一個煉鐵-合成氨綜合利用聯合體，以達到節能減排之目的。提高了資源利用率，對合成氨來說不需要原料，成本大大下降，有顯著的經濟效益，將煉鐵與合成氨的成本再進行合理分配，生鐵成本也下降；減少了合成氨的原料輸送和氣化兩大部分，投資節省，節能減排效果顯著。
文檔編號C01B3/16GK102101643SQ20101059718
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年12月20日
發明者寧平, 殷在飛, 王 華, 王學謙 申請人:昆明理工大學