CN101023023B - 由焦炉气制备清洁的还原性气体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于制备还原性气体的方法和体系，其中将来自煤炭的挥发性组分转变成适于用作合成气体、用作铁矿直接还原的还原剂和/或用作清洁燃料的还原性气体。

Description

由焦炉气制备清洁的还原性气体的方法和设备
技术领域
本发明涉及制备还原性气体的方法和体系，该还原性气体主要由来自将煤炭转变成冶金焦炭的制造焦炭操作的氢气和一氧化碳组成，本发明尤其涉及这样的方法，其中将来自煤炭的挥发性组分转变成适合化学应用用作合成气、用作铁矿直接还原的还原剂和/或用作清洁燃料的还原性气体。 
背景技术
众所周知，在制备冶金焦炭的过程中，将煤炭加热以除去大多数挥发性组分并大部分地保留碳结构。因此为焦炭提供物理和化学性能，这些性能使它适于在鼓风炉中提供能量和负荷支持。煤炭的挥发物包含许多在焦炉中蒸馏并构成所谓的焦炉气的化合物。焦炉气的量和组成取决于所使用的煤炭特性，但是通常未处理过的焦炉气包含大约44％的水、大约29％的氢气、大约3％的一氧化碳、大约13％的甲烷和许多杂质，如氨、硫、苯类化合物等。 
因为焦炉气具有高热值，它主要在炼钢厂用于加热目的。通常，在许多化学过程中将焦炉气冷却、清洁和处理以分离出有价值的化合物例如氨和其它石化产品，并且在气体最终燃烧之前除去硫。焦炉气的清洁需要复杂的和造价高的化工设备。 
在专利和其它技术文献中有许多建议，将清洁之后的焦炉气单独或与其它的气体组合用于还原铁或用于产生蒸汽和电。 
美国专利4,178,266描述了将焦炉中产生的热的粗焦炉气输送到应用位置同时防止高级烃缩合的方法。该专利教导了通过将含氧气体注入焦炉气流来增加该焦炉气的温度，以使它部分地燃烧。这样的氧气注入可以将该混合物的温度增加到大约950℃到1500℃。注入氧气的目的是避免杂质和高级烃的缩合，从而防止煤气输送系统中的许多问题。该专利没有教导或建议让焦炉气部分燃烧以制备高质量的还原性气体。
英国专利1,566,970描述了处理焦炉气的方法。该专利承认将焦炉气部分燃烧以制备对铁矿的直接还原有用的还原性气体的意义。部分燃烧将焦炉气转变为富含一氧化碳和氢气的裂化气。然而该专利的部分燃烧法具有许多缺点，并且没有教导或建议在改进的方法中考虑能量的方法和设备。 
美国专利4,235,624描述了与上述英国专利1,566,970几乎相同的处理焦炉气的方法。该专利没有象本发明一样教导或建议在处理中结合热能以及包括部分燃烧步骤的焦炉气的清洁。 
虽然该专利大略地教导焦炉气可以在铁矿还原竖式炉(shaftfurnace)中用作还原性气体，但是没有详细描述结合使用焦炉气包含的热能的优选方式。实际上，该专利的权利要求规定该发明在于使用热焦炉气，那意味着将焦炉气引入竖式反应器(shaft reactor)之前将它供应给反应器而不将其冷却。该处理方案具有许多缺点，因为焦炉气从焦炉到竖式反应器的输送中的处理所涉及的所有设备必须为高温操作做好准备。 
相比之下，本发明提供采用实际和经济的方式使用焦炉气的方法和设备，包括在部分燃烧裂化之后马上冷却该焦炉气，并且将在所述部分燃烧中产生的热用于至少两个对还原反应器的操作来说是关键的特殊用途：例如用于将还原性气体再循环到竖式反应器的CO2除去装置，以及用于在使用焦炉气之前将其清洁所需要的硫除去装置。 
发明目的 
因此，本发明的目的是提供处理焦炉气以产生包含氢气和一氧化碳的还原性气体的方法和体系，该还原性气体尤其对铁矿的直接还原有用。 
本发明的另一个目的是提供方法和体系，该方法和体系用于处理焦炉气和制备在化学加工中作为原材料的有用的合成气，或用于产生热、蒸汽、电或功率而避免炼焦厂中通常使用的复杂昂贵的清洁过程。 
本发明的其它目的将在说明书中指出或对本领域技术人员来说将是明显的。 
发明内容
本发明提供处理在焦炉中产生的热的粗焦炉气的方法，该方法包括： 
用含氧气体与所述热的粗焦炉气混合，以在高于大约1000℃的温度下进行所述焦炉气的部分燃烧，产生具有高含量的氢气和一氧化碳热的还原性气体； 
让所述热的还原性气体通过热交换器以产生高温蒸汽； 
使用所述蒸汽的第一部分产生电； 
在除硫装置中除去所述还原性气体中的硫化合物和其它杂质；和 
在所述除硫装置中使用所述蒸汽的第二部分。 
在本发明的优选实施方案中，该方法还包括在直接还原设备中使用至少一部分的所述清洁的还原性气体的附加步骤，该直接还原设备包括直接还原反应器、CO2除去装置和气体加热器。 
在另一个本发明的优选实施方案中，该方法还包括在所述直接还原设备的CO2除去装置中使用所述排出蒸汽的第三部分的附加步骤。 
附图说明
图1是本发明的优选实施方案的示意性过程图。 
图2示出了该过程的实例，该实例在与图1相似的示意性过程图中显示过程参数的值。 
图3是补充图2中显示的过程蒸汽信息的表格。 
图4还示出了该过程的另一个实例，该实例在直接还原设备的示意性进程图中显示根据本发明的焦炉气清洗方法操作的过程参数的值。 
发明详述 
将参考附图描述本发明，应该理解的是本领域技术人员在不脱离由所附权利要求书限定的本发明精神的情况下可以作出许多改变和修改。 
参照图1，数字10表示焦炉组，将煤炭12装入焦炉组，并且在那里通过气体14和空气16的燃烧而加热。以本领域已知的方式将焦炭18从炉10中排出，并通常在大约600℃到700℃的温度下制备热的粗焦炉气20。 
然后用含氧气体22与热的粗焦炉气20混合，该含氧气体22可以在空气分离装置24中由空气26来制备。该空气分离装置24可以是低温的或是PSA型，因为氧气的纯度对于该应用来说不是关键的。该过程也可以用富氧空气来工作，虽然所得还原性气体的质量受到来自所述供应的空气中的氮气的量的影响。 
在大约650℃的温度下的热的粗焦炉气20在燃烧室28中与氧气22经受部分燃烧达到大于大约1000℃的温度。在这个温度下，所有的有机化合物转变成高温还原性气体30，其主要由氢气和一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水的混合物组成。 
让还原性气体30通过热交换器32，在此处该还原性气体30将来自汽包36的蒸汽34加热，并在涡轮机40中使用过热蒸汽38以在发电机42中产生电。经由线44供电，并且在空气分离装置24中用电制备用于焦炉气的部分燃烧的氧气。
从涡轮机40排出的蒸汽46的第一部分50在硫分离装置48中使用，第二个部分52在直接还原设备的CO2分离装置54中使用。 
在通过热交换器32之后，将还原性气体供应给锅炉56，在此处由水60制备蒸汽58并装在汽包36中。从锅炉56出来后，还原性气体62最后在冷却器64中通过直接与水接触而急冷。冷凝水经由管66排出。然后将冷的还原性气体68供应给鼓风机70，然后引入管72以在除硫装置48中用本领域已知的方式进行处理，产生固体硫74和清洁的还原性气体76的气流。 
将还原性气体76的一部分经由管14用于加热焦炉，另一部分78在压缩机80中压缩以注入直接还原反应器82的还原气体回路。将带有颗粒的铁氧化物84，例如铁矿颗粒、块或它们的混合物，供应给还原反应器82，并且靠重力下降通过所述反应器，在那里它们与高温例如大于900℃的还原性气体86接触，由此铁氧化物被还原成金属铁，即DRI或海绵铁88，并且从该还原反应器82的下部排出以在炼钢操作中使用。 
将反应过的还原性气体90从反应器82排出并在冷却器92中冷却，在此处通过冷凝将水从气体中除去，将冷却的气体的一部分94再循环到还原反应器中，另一部分96可以从还原回路中排出并例如在气体加热器98中使用。再循环的还原性气体部分94在压缩机100中压缩并供应给二氧化碳排出装置54，在此处将二氧化碳从该体系中除去，从而通过除去水102和CO2 104而重新获得再循环气体的还原能力，水102和CO2 104是在反应器82中进行的还原反应的主要产物。 
具体实施方式
实施例 
进行体现本发明的设备的计算机-模型计算，并且在图2、3和4中示出结果。这个实施例清楚地显示了本发明在其获得用于制备高质量直接还原铁的还原性气体的应用方面的优点。 

Claims (8)

1.一种处理来自焦炉的热的粗焦炉气以制备清洁的还原性气体的方法，该方法包括：
通过将该热的粗焦炉气与含氧气体混合，在大于1000℃的温度下让该热的粗焦炉气部分地燃烧，以产生具有高含量的氢气和一氧化碳的热的还原性气体；
通过让该热的还原性气体通过热交换器来产生高温蒸汽；
使用该蒸汽的第一部分产生电；和
在除硫装置中使用该蒸汽的第二部分，从所述还原性气体中除去硫化合物和其它杂质以制备所述清洁的还原性气体。
2.权利要求1的方法，该方法还包括在直接还原设备中使用至少一部分的所述清洁的还原性气体，所述直接还原设备包括直接还原反应器、CO2除去装置和气体加热器。
3.权利要求2的方法，该方法还包括在所述直接还原设备的所述CO2除去装置中使用所述蒸汽的第三部分。
4.权利要求3的方法，其中所述直接还原设备用来直接地还原铁矿。
5.权利要求2的方法，其中所述清洁的还原性气体的一部分用来加热所述焦炉。
6.权利要求5的方法，其中将所述清洁的还原性气体的另一部分注入所述直接还原反应器。
7.一种在竖式还原反应器中利用焦炉气还原铁氧化物的方法，包括：
用含氧气体与热的粗焦炉气混合以在高于1000℃的温度下进行所述焦炉气的部分燃烧，从而产生具有高含量的氢气和一氧化碳的热的还原性气体；
让所述热的还原性气体通过热交换器以产生高温蒸汽；
在除硫装置中利用所述蒸汽的第一部分以除去所述还原性气体中的硫化合物和其它杂质；和
在CO2除去装置中利用所述蒸汽的第二部分，在该CO2除去装置中处理排出的还原性气体，以便在将其再循环到所述竖式还原反应器中之前除去二氧化碳。
8.一种直接还原设备，其包括
焦炉组(10)，其中将煤炭(12)装入焦炉组(10)，煤炭(12)在焦炉组(10)中通过气体(14)和第一空气(16)的燃烧而加热，将焦炭(18)从焦炉组(10)中排出，并且在600℃到700℃的温度下制备热的粗焦炉气(20)；
空气分离装置(24)，其中用含氧气体(22)与热的粗焦炉气(20)混合，该含氧气体(22)在空气分离装置(24)中由第二空气(26)来制备；
燃烧室(28)，其中在650℃的温度下的热的粗焦炉气(20)在燃烧室(28)中与含氧气体(22)经受部分燃烧达到大于1000℃的温度，产生主要由氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水的混合物组成的高温的第一还原性气体(30)；
热交换器(32)，汽包(36)，涡轮机(40)，发电机(42)，其中让第一还原性气体(30)通过热交换器(32)，在热交换器(32)中该第一还原性气体(30)将来自汽包(36)的第一蒸汽(34)加热，并在涡轮机(40)中使用过热蒸汽(38)以在发电机(42)中产生电，经由线(44)为空气分离装置(24)供电，并且在空气分离装置(24)中使用电制备用于焦炉气的部分燃烧的氧气；
硫分离装置(48)，其中从涡轮机(40)排出的第二蒸汽(46)的第一部分(50)在硫分离装置(48)中使用；
CO2分离装置(54)，其中从涡轮机(40)排出的第二蒸汽(46)的第二部分(52)在直接还原设备的CO2分离装置(54)中使用；
锅炉(56)，鼓风机(70)，第一冷却器(64)，其中在第一还原性气体(30)通过热交换器(32)之后，将第一还原性气体(30)供应给锅炉(56)，在锅炉(56)中由第一水(60)制备第三蒸汽(58)并装在汽包(36)中，在第二还原性气体(62)从锅炉(56)出来后，第二还原性气体(62)在第一冷却器(64)中通过直接与水接触而急冷，冷凝水经由第一管(66)排出，然后将冷的第三还原性气体(68)供应给鼓风机(70)，然后引入第二管(72)以在硫分离装置(48)中进行处理，产生固体硫(74)和清洁的第四还原性气体(76)的气流；
第一压缩机(80)，直接还原反应器(82)，其中将第四还原性气体(76)的一部分经由第三管用于加热焦炉，另一部分还原性气体即第五还原性气体(78)在第一压缩机(80)中压缩以注入直接还原反应器(82)的还原气体回路，将带有颗粒的铁氧化物(84)供应给直接还原反应器(82)，并且靠重力下降通过所述反应器，在直接还原反应器(82)中铁氧化物(84)与高温的第六还原性气体(86)接触，由此铁氧化物被还原成金属铁，即DRI或海绵铁(88)，并且从该还原反应器(82)的下部排出以在炼钢操作中使用；
第二冷却器(92)，气体加热器(98)，第二压缩机(100)，其中将反应过的第七还原性气体(90)从直接还原反应器(82)排出并在第二冷却器(92)中冷却，在第二冷却器(92)中通过冷凝将作为在直接还原反应器(82)中进行的还原反应的主要产物的水从第七还原性气体(90)中除去，将冷却的第七还原性气体的一部分即第八还原性气体(94)再循环到直接还原反应器(82)中，将冷却的第七还原性气体的另一部分即第九还原性气体(96)从还原回路中排出并在气体加热器(98)中使用，再循环的第八还原性气体(94)部分在第二压缩机(100)中压缩并供应给CO2分离装置(54)，在CO2分离装置(54)中将作为在直接还原反应器(82)中进行的还原反应的主要产物的二氧化碳从该直接还原设备中除去，从而通过除去作为在直接还原反应器(82)中进行的还原反应的主要产物的水和CO2而重新获得再循环气体的还原能力。
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