CN101597663A - 一种高压粉煤气化制取海绵铁能量回收系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压粉煤气化制取海绵铁能量回收方法及系统，在这种煤基竖炉法生产海绵铁能量回收方法及系统中，氧气和煤粉、水蒸气送入高压粉煤气化炉中完成高温纯氧气化生成CO和H2比例较高的合成气，经过辐射式冷却降温后，合成气先后经过两级回热设备降温至特定温度后再经过除尘器和气体净化设备脱硫脱氮；净化后的高压的低温合成气经过二级回热器吸收煤气的显热加热至特定温度，与经处理回收的竖炉煤气在燃烧室混合，加热后的煤气进入竖炉，与送入的铁矿石反应生成海绵铁和竖炉煤气。本发明的优点是：煤的气化效率高，能适应品位不同的煤种；大大提高了竖炉煤气的回收利用率和简化了竖炉煤气利用系统，同时实现了海绵铁制造的零排放。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压粉煤气化制取海绵铁能量回收系统及方法，用于提高煤基竖炉法生产海绵铁的能源利用效率，属于钢铁冶炼设备及方法技术领域。
背景技术
尽管高炉炼铁是目前炼铁生产的主流，但高炉生产依赖于炼焦煤，高炉、焦炉及烧结对环境会产生污染，而且这种生产方法会带来CO2温室气体的排放，这些问题随着可持续发展的紧迫要求必须着手加以改进。
目前全世界海绵铁与海绵铁热压块(统称海绵铁)的产量已接近6000万t/a。海绵铁是一种代替废钢用于电炉炼钢的原料，是电炉炼纯净钢、优质钢不可缺少的杂质稀释剂，也是转炉炼钢最好的冷却剂，其价格一般比废钢要高。我国已是世界上最大的钢铁生产国，但海绵铁的产量相对较低，每年要进口大量废钢。此外，我国优质钢与电炉钢的比例将不断增加，海绵铁的市场必将越来越大。
目前生产海绵铁的常规方法为直接还原法。直接还原法是指在低于熔化温度之下将铁矿石还原成海绵铁的炼铁生产过程，其产品为直接还原铁(即DRI)，也称海绵铁。直接还原法可分为气基法和煤基法两大类。气基法是用天然气经裂化产出H2和CO气体，作为还原剂，在竖炉、罐式炉或流化床内将铁矿石中的氧化铁还原成海绵铁。煤基法是用煤作还原剂，在回转窑、隧道窑等设备内将铁矿石中的氧化铁还原，主要有FASMET法等。直接还原法的缺点是：对原料要求较高；气基法要有天然气来生产CO和H2；煤基要用灰熔点高、反应性好的煤。为了克服这两个缺点，通过煤气化来生产海绵铁是一种重要的选择。通常的Corex两段制取海绵铁的工艺流程使得炼铁工艺大为简化，同时降低了炼铁能耗，但该工艺中的煤粉细末由于粒径过细而不能得到有效利用。从资源考虑必须避开当前钢铁生产困难的焦点，要使用非炼焦煤，煤的粒度应是粉煤。
近几十年来新型粉煤气化技术的工业化取得了较大进展，一批以粉煤为原料，以氧气为气化剂，高温、高压、高转化率的煤气化炉在IGCC与化工领域得到应用并建设了一批大型工业装置。新型高效粉煤气化炉的发展也影响到钢铁工业，一些单位已经开始研发用粉煤与非炼焦煤气化生产海绵铁(DRI)与热压块(HBI)的技术，大型工业生产装置也已开始建设。
煤气化用来生产炼铁还原气，竖炉对炼铁还原气的要求希望煤气中的有效组分尽量高(CO+H2≥90％)，氧化度尽量低((CO2+H2O)/(CO+H2+CO2+H2O≤5％)；还原气入口温度850℃左右，压力0.1MPa～0.8MPa，含尘量≤20mg/Nm3。根据国内外大量试验证明，在高温条件下，(H2+CO)混合气体在还原氧化球团或块矿时，其转化率在40％左右。
众所周知，高压对煤气化是有利的，目前粉煤气化炉的设计压力通常为2MPa～9MPa；而世界上生产海绵铁的竖炉的生产技术是成熟的，主流方法有Midrex与HYL两种，技术成熟的竖炉设备的压力只有0.1～0.8MPa。因此，无论是Midrex法还是HYL法，高压粉煤气化炉与竖炉之间的压力衔接都是需要研究的问题，在两者之间必须要设置减压设备流程才能连接起来。若设置这种减压设备，设备需要在高温、煤气含尘量大和压降大的情况下运行，设备的抗磨损，防噪音问题不易解决。
中国专利ZL00116216.0公开了一种煤造气竖炉还原铁矿石的海绵铁生产工艺及其装置，该生产工艺和装置中利用煤气膨胀机将煤气的压力能转换为机械能，但是该方法虽然有效地将压力降低，却没有很好的利用高温粗煤气的热能，因此膨胀机的能源转化效率有限，并没有合理的利用煤气自身具有的压力能。此外，该流程采用水煤浆给料的气化炉，其能源利用效率和冷煤气效率都无法和干煤粉气化炉相媲美，大量的有效能损耗于水煤浆中液态水的蒸发。因为竖炉排放的尾气中还含有大量的有效气体成分，具有非常可观的回收价值，但该方法并没有给出竖炉煤气详细的回收方案。
中国专利ZL95106752.4公开了一种煤基熔融床造气竖炉法生产海绵铁的方法，但该方法需要使用块煤，不能使用碎煤和煤屑，因此对煤的质量要求较高。而且该方法的气化压力低，气化强度低，不适合现代化的大型钢铁联合企业使用。
发明内容
针对上述背景技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种改进的高压粉煤气化竖炉法制取海绵铁的能量回收系统及方法，该方法不仅能克服气基法中天然气制气的局限性，还原气加热效率低，加热管寿命低及粉矿还原效率低等问题，而且也能解决煤基法中设备效率低、设备不成熟、环境性能差及煤质要求高等问题。同时，不仅可用高硫、低灰熔点煤和粉矿作为原料，而且利用了竖炉的高效，还可以利用碎煤、煤屑来造气的高压粉煤气化炉，采用辐射式高温粗煤气冷却器，最重要的是提出了一套合理用能的海绵铁制造方案。
为了达到上述目的，本发明的产品技术方案是提供一种高压粉煤气化制取海绵铁能量回收系统，包括高压粉煤气化炉，其特征在于，在高压粉煤气化炉上连接有带水冷壁的辐射式粗煤气冷却器，带水冷壁的辐射式粗煤气冷却器的出口连接串联的二级回热装置及一级回热装置或直接连接一级回热装置，一级回热装置的出口与回热进口之间依次串联有除尘器和脱硫脱氮设备，一级回热装置的回热出口依次连接CO变换设备、煤气透平及第一脱水和脱CO2装置，当辐射式粗煤气冷却器的出口与二级回热装置相连时，脱CO2装置与二级回热装置的回热进口相连，当辐射式粗煤气冷却器的出口直接与一级回热装置相连时，在脱CO2装置的出口上连接有加热装置，在煤气透平上连接有发电机，在二级回热装置的回热出口或加热装置的出口上依次连接有燃烧室及竖炉，竖炉的煤气出口依次连接余热锅炉、第二脱水和脱CO2装置及煤气压缩机，煤气压缩机的出口连接二级回热装置或加热装置的进口。
本发明的方法技术方案是提供了一种高压粉煤气化制取海绵铁能量回收方法，其特征在于，步骤为：
步骤1、将氧气和由CO2携带的煤粉、水蒸气送入压力为2MPa～9MPa温度为1200～1600℃高压粉煤气化炉中高温纯氧气化3～10s生成高温高压的粗煤气；
步骤2、高温高压的粗煤气先经过辐射式粗煤气冷却器降至800℃～950℃后，再依次经过二级回热装置和一级回热装置或者直接经过一级回热装置后降至除尘器的工作温度，再经除尘器和脱硫脱氮设备进行除尘及脱硫脱氮净化处理；
步骤3、净化后的高压煤气经过一级回热装置吸收粗煤气的显热后，先经过CO变换装置将H2与CO的体积比调节为0.6～10后，再通过煤气透平将煤气中的热能和压力能转化为机械能输出，带动发电机发电；
步骤4、透平后的煤气经第一脱水和脱CO2装置脱除水分和CO2后通过二级回热装置吸收高温高压粗煤气的显热而再次被加热或者通过加热装置加热，然后与经余热锅炉、第二脱水和脱CO2装置及煤气压缩机处理回收的竖炉煤气在燃烧室内混合，并与通入的纯氧燃烧后加热至900℃～1000℃；
步骤5、加热后的煤气进入竖炉，与送入的铁矿石反应生成海绵铁和竖炉煤气，竖炉煤气再进入余热锅炉、第二脱水和脱CO2装置及煤气压缩机进行循环利用。
进一步，步骤1所述由CO2携带的煤粉的浓度为2～80(kg煤粉)/(kg CO2)，送入气化炉的汽煤比为0.05～0.7(kg水蒸气)/(kg煤粉)。
步骤2所述二级回热装置和一级回热装置的出口温度分别由回热装置的金属耐受温度、热量平衡和保证煤气在该温度下不发生析碳的原则确定，均不得高于500℃。
步骤4所述通入纯氧的氧煤比为0.3～0.9(kg氧气)/(kg煤粉)，热装置的加热温度为至200～500℃。
与现有技术相比，本发明的改进点在于：1、采用以CO2携带粉煤为进料的加压气化方式，因此不仅煤的气化效率高(碳的转化率高达97％)，能适应品位不同的煤种，对煤的热值尤其对煤的灰熔点无严格的限制，且生产出来的还原气纯度很高(CO+H2≥95％)，冷煤气效率高；2、在高压承压外壳内布置水冷壁，采用辐射式冷却器降低高温粗煤气的温度，可以取消冷煤气再循环系统，而换热主要由水冷壁来完成；3、采用了两级回热装置将粗煤气的显热交换给净化后的煤气，净化后的煤气加热后送入煤气透平做功，实现了余压和余热的高效利用；4、采用了气体变换装置，可以灵活调节还原气中的H2/CO的比例，因此造气部分可以与不同的竖炉形式相配合，实现最大的气体利用率；5、由于采用了先用粗煤气显热加热还原煤气，再利用自身燃烧的方式直接将还原煤气加热至竖炉需要的温度，因此加热效率高，不会产生析碳而造成的碳沉积，同时加热设备简单，操作方便，投资成本低；6、在竖炉排气的压力条件下采用余热锅炉回收竖炉尾气的能量，有利于减小余热锅炉尺寸，减小锅炉热损失，提高锅炉效率；7、将竖炉排放的含有大量可燃气体的竖炉尾气经过脱水和脱CO2处理，经加压后送入二级回热装置并最终返回竖炉作为还原气，大大提高了竖炉煤气的回收利用率和简化了竖炉煤气利用系统，同时实现了海绵铁制造的零排放。
综上所述，本发明的优点在于：煤的气化效率高，能适应品位不同的煤种；实现了余压和余热的高效利用；实现最大的气体利用率；不会产生析碳而造成的碳沉积，同时加热设备简单，操作方便，投资成本低；减小余热锅炉热损失，提高余热锅炉效率；大大提高了竖炉煤气的回收利用率和简化了竖炉煤气利用系统，同时实现了海绵铁制造的零排放。
附图说明
图1为本发明提供的一种高压粉煤气化制取海绵铁能量回收系统图；
图2为本发明提供的一种采用加热装置的高压粉煤气化制取海绵铁能量回收系统图。
具体实施方式
以下结合实施例来具体说明本发明。
实施例1
如图1所示，为本发明提供的一种高压粉煤气化制取海绵铁能量回收系统，包括高压粉煤气化炉1，在高压粉煤气化炉1上依次串联有带水冷壁的辐射式粗煤气冷却器2、二级回热装置3和一级回热装置4，一级回热装置4的出口与回热进口之间依次串联有除尘器5和脱硫脱氮设备6，一级回热装置4的回热出口依次连接CO变换设备7、煤气透平8及第一脱水和脱CO2装置10后与二级回热装置3的回热进口相连，在煤气透平8上连接有发电机9，在二级回热装置3的回热出口上依次连接有燃烧室11及竖炉12，竖炉12的煤气出口依次连接余热锅炉13、第二脱水和脱CO2装置14及煤气压缩机15，煤气压缩机15的出口连接二级回热装置3的进口。带水冷壁的辐射式粗煤气冷却器2包括高压承压外壳，在高压承压外壳内布置水冷壁，由水冷壁来完成换热。
本发明提供的一种气化生产能力为1000t/d的高压粉煤气化制取海绵铁能量回收方法，其步骤为：
步骤1、将氧气和由CO2携带的煤粉、水蒸气送入压力为2MPa温度为1200℃的高压粉煤气化炉1中高温纯氧气化10s生成高温高压的粗煤气；由CO2携带的煤粉的浓度为2(kg煤粉)/(kg CO2)，送入气化炉的汽煤比为0.05(kg水蒸气)/(kg煤粉)，携带有煤粉的CO2及水蒸气的通入量分别为7t/h及3.8t/h。
步骤2、高温高压的粗煤气先经过辐射式粗煤气冷却器2降至800℃后，再依次经过二级回热装置3和一级回热装置4后降至除尘器的工作温度，再经除尘器5和脱硫脱氮设备6进行除尘及脱硫脱氮净化处理；二级回热装置3和一级回热装置4的出口温度分别由回热装置的金属耐受温度、热量平衡和保证煤气在该温度下不发生析碳的原则确定，在本实施例中温度均为450℃；
步骤3、净化后的高压煤气经过一级回热装置4吸收粗煤气的显热后，先经过CO变换装置7将H2与CO的体积比调节为0.6后，再通过煤气透平8将煤气中的热能和压力能转化为机械能输出，带动发电机9发电；
步骤4、透平后的煤气经第一脱水和脱CO2装置10脱除水分和CO2后通过二级回热装置3吸收高温高压粗煤气的显热而再次被加热，然后与经余热锅炉13、第二脱水和脱CO2装置14及煤气压缩机15处理回收的竖炉煤气在燃烧室11内混合，并与通入的纯氧燃烧后加热至900℃；所述通入纯氧的量为3250Nm3/h，通入纯氧的氧煤比为0.3(kg氧气)/(kg煤粉)；
步骤5、加热后的煤气进入竖炉12，与送入的铁矿石反应生成海绵铁和竖炉煤气，竖炉煤气再进入余热锅炉13、第二脱水和脱CO2装置14及煤气压缩机15进行循环利用。
实施例2
如图2所示，本实施例运用的系统，包括高压粉煤气化炉1，在高压粉煤气化炉1上依次串联有带水冷壁的辐射式粗煤气冷却器2和一级回热装置4，一级回热装置4的出口与回热进口之间依次串联有除尘器5和脱硫脱氮设备6，一级回热装置4的回热出口依次连接CO变换设备7、煤气透平8及第一脱水和脱CO2装置10后与加热装置16的进口相连，在煤气透平8上连接有发电机9，在加热装置16的出口上依次连接有燃烧室11及竖炉12，竖炉12的煤气出口依次连接余热锅炉13、第二脱水和脱CO2装置14及煤气压缩机15，煤气压缩机15的出口连接加热装置16的进口。
本发明提供的方法，其步骤为：
步骤1、将氧气和由CO2携带的煤粉、水蒸气送入压力为9MPa温度为1600℃高压粉煤气化炉1中高温纯氧气化3s生成高温高压的粗煤气；所述由CO2携带的煤粉的浓度为80(kg煤粉)/(kg CO2)，送入气化炉的汽煤比为0.7(kg水蒸气)/(kg煤粉)，携带有煤粉的CO2及水蒸气的通入量分别为7t/h及3.8t/h。
步骤2、高温高压的粗煤气先经过辐射式粗煤气冷却器2降至950℃后，再经过一级回热装置4后降至除尘器的工作温度，再经除尘器5和脱硫脱氮设备6进行除尘及脱硫脱氮净化处理；一级回热装置4的出口温度由回热装置的金属耐受温度、热量平衡和保证煤气在该温度下不发生析碳的原则确定，在本实施例中温度为500℃；
步骤3、净化后的高压煤气经过一级回热装置4吸收粗煤气的显热后，先经过CO变换装置7将H2与CO的体积比调节为10后，再通过煤气透平8将煤气中的热能和压力能转化为机械能输出，带动发电机9发电；
步骤4、透平后的煤气经第一脱水和脱CO2装置10脱除水分和CO2后通过加热装置16加热至500℃，然后与经余热锅炉13、第二脱水和脱CO2装置14及煤气压缩机15处理回收的竖炉煤气在燃烧室11内混合，并与通入的纯氧燃烧后加热至1000℃；所述通入纯氧的量为3250Nm3/h，通入纯氧的氧煤比为0.9(kg氧气)/(kg煤粉)；
步骤5、加热后的煤气进入竖炉12，与送入的铁矿石反应生成海绵铁和竖炉煤气，竖炉煤气再进入余热锅炉13、第二脱水和脱CO2装置14及煤气压缩机15进行循环利用。
实施例3
本实施例中的系统与实施例2相同，本实施例的步骤与实施例2的不同之处在于，步骤4所述的加热装置的加热温度为200°。其他步骤与实施例2相同。
实施例4
高压粉煤气化炉1内压力为4MPa，竖炉12内压力为0.4MPa，煤气产量为100000Nm3/h。
步骤1、将氧气和由CO2携带的煤粉、水蒸气送入压力为4MPa温度为1400℃高压粉煤气化炉1中高温纯氧气化7s生成高温高压的粗煤气；
步骤2、粗煤气经过带水冷壁的辐射式粗煤气冷却器2降温至950℃，再先后经过二级回热装置3和一级回热装置4降温至200℃，然后再经除尘器5和脱硫脱氮设备6之后温度降为40℃；
步骤3、在一级回热装置4里，净化后的煤气吸收粗煤气的显热升温至450℃，然后经过CO变换设备7调节H2/CO比，然后进入煤气透平8将煤气中的热能和压力能转化为机械能输出，带动发电机9发电，煤气透平8的进出口压比为10，压力为4MPa温度为450℃的煤气经过煤气透平8变成压力为0.4MPa温度为107℃的煤气，做功10.4MW；
步骤4、压力为0.4MPa温度为107℃的煤气经过脱水和脱CO2装置10脱水和脱除CO2之后，与从煤气压缩机15回送的煤气混合进入二级回热装置3而被加热至450℃，在燃烧室11内燃烧5％的可燃气体将气体加热至900℃，送入竖炉12；
步骤5、在竖炉12内，铁矿石被还原成海绵铁排出竖炉，未反应完全的竖炉煤气仍含有约60％的可燃气体，压力为0.4MPa，经余热锅炉13冷却后变成60℃、0.4MPa的低温煤气，再经过脱水和脱CO2装置14脱除水分和CO2后，温度进一步降至40℃，再经过煤气压缩机15后，将煤气升压后送至二级回热装置3。系统中各主要节点的煤气组分参见表1。
表1粗煤气和净化后的煤气成分
| CO | CO2 | H2 | CH4 | N2 | H2O | H2S | |
| 气化炉内粗煤气 | 70.7 | 2.4 | 24 | 0.03 | 0.5 | 2.3 | 0.15 |
| 脱硫脱氮后煤气 | 72.5 | 2.4 | 24.6 | 0.03 | 0.5 | 0.2 | 0.0008 |
| 入竖炉煤气 | 32.4 | 1.30 | 61.3 | 0.02 | 0.32 | 4.64 | 0.0002 |
Claims (7)
1.一种高压粉煤气化制取海绵铁能量回收系统，包括高压粉煤气化炉(1)，其特征在于，在高压粉煤气化炉(1)上连接有带水冷壁的辐射式粗煤气冷却器(2)，带水冷壁的辐射式粗煤气冷却器(2)的出口连接串联的二级回热装置(3)及一级回热装置(4)或直接连接一级回热装置(4)，一级回热装置(4)的出口与回热进口之间依次串联有除尘器(5)和脱硫脱氮设备(6)，一级回热装置(4)的回热出口依次连接CO变换设备(7)、煤气透平(8)及第一脱水和脱CO2装置(10)，当辐射式粗煤气冷却器(2)的出口与二级回热装置(3)相连时，脱CO2装置(10)与二级回热装置(3)的回热进口相连，当辐射式粗煤气冷却器(2)的出口直接与一级回热装置(4)相连时，在脱CO2装置(10)的出口上连接有加热装置(16)，在煤气透平(8)上连接有发电机(9)，在二级回热装置(3)的回热出口或加热装置(16)的出口上依次连接有燃烧室(11)及竖炉(12)，竖炉(12)的煤气出口依次连接余热锅炉(13)、第二脱水和脱CO2装置(14)及煤气压缩机(15)，煤气压缩机(15)的出口连接二级回热装置(3)或加热装置(16)的进口。
2.如权利要求1所述的一种高压粉煤气化制取海绵铁能量回收系统，其特征在于，所述带水冷壁的辐射式粗煤气冷却器(2)包括高压承压外壳，在高压承压外壳内布置水冷壁，由水冷壁来完成换热。
3.一种利用如权利要求1所述的一种高压粉煤气化制取海绵铁能量回收系统的方法，其特征在于，步骤为：
步骤1、将氧气和由CO2携带的煤粉、水蒸气送入压力为2MPa～9MPa温度为1200～1600℃高压粉煤气化炉(1)中高温纯氧气化3～10s生成高温高压的粗煤气；
步骤2、高温高压的粗煤气先经过辐射式粗煤气冷却器(2)降至800℃～950℃后，再依次经过二级回热装置(3)和一级回热装置(4)或者直接经过一级回热装置(4)后降至除尘器的工作温度，再经除尘器(5)和脱硫脱氮设备(6)进行除尘及脱硫脱氮净化处理；
步骤3、净化后的高压煤气经过一级回热装置(4)吸收粗煤气的显热后，先经过CO变换装置(7)将H2与CO的体积比调节为0.6～10后，再通过煤气透平(8)将煤气中的热能和压力能转化为机械能输出，带动发电机(9)发电；
步骤4、透平后的煤气经第一脱水和脱CO2装置(10)脱除水分和CO2后通过二级回热装置(3)吸收高温高压粗煤气的显热而再次被加热或者通过加热装置(16)加热，然后与经余热锅炉(13)、第二脱水和脱CO2装置(14)及煤气压缩机(15)处理回收的竖炉煤气在燃烧室(11)内混合，并与通入的纯氧燃烧后加热至900℃～1000℃；
步骤5、加热后的煤气进入竖炉(12)，与送入的铁矿石反应生成海绵铁和竖炉煤气，竖炉煤气再进入余热锅炉(13)、第二脱水和脱CO2装置(14)及煤气压缩机(15)进行循环利用。
4.如权利要求2所述的一种高压粉煤气化制取海绵铁能量回收方法，其特征在于，步骤1所述由CO2携带的煤粉的浓度为2～80(kg煤粉)/(kg CO2)，送入气化炉的汽煤比为0.05～0.7(kg水蒸气)/(kg煤粉)。
5.如权利要求2所述的一种高压粉煤气化制取海绵铁能量回收方法，其特征在于，步骤2所述二级回热装置(3)和一级回热装置(4)的出口温度分别由回热装置的金属耐受温度、热量平衡和保证煤气在该温度下不发生析碳的原则确定，均不得高于500℃。
6.如权利要求2所述的一种高压粉煤气化制取海绵铁能量回收方法，其特征在于，步骤4所述通入纯氧的氧煤比为0.3～0.9(kg氧气)/(kg煤粉)。
7.如权利要求2所述的一种高压粉煤气化制取海绵铁能量回收方法，其特征在于，步骤4所述的加热装置(16)的加热温度为至200～500℃。
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