CN103525964B - 利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的方法及系统。该方法包括以下步骤：将通过常规净化、精脱硫处理和脱不饱和烃处理后的焦炉气与转炉煤气、高炉煤气、净化尾气中的一种或两种以上混合气混合成原料混合气，使原料混合气与含氧气体在转化炉烧嘴出口处燃烧，得到高温混合气；向高温混合气中添加CO₂、含CO₂的气体和/或水蒸汽，然后使其与催化转化炉中的催化剂接触，转化得到高H₂和CO浓度的合成气；合成气直接进入竖炉还原氧化铁生产还原铁，竖炉还原尾气经过冷却除尘净化后得到净化尾气。本发明还提供了一种利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的系统。

Description

利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的方法及系统，属于直接还原铁生产技术领域。

背景技术

直接还原铁(DRI)又称海绵铁，是一种不用高炉冶炼而得到的金属铁，生产DRI的工艺叫非高炉炼铁工艺。DRI的生产工艺分煤基和气基两类。其中目前气基法占DRI产量的90%，典型工艺是罐式法(HYL法)和竖炉法(Midrex法)，竖炉法采用竖型移动床还原反应器，其主要分两个部分：还原区，在高温下还原气体在该区中循环，800℃以上的氢气和一氧化碳还原氧化铁生成DRI，氢气和一氧化碳生成水和二氧化碳；以及位于还原区下部的冷区，在DRI出料前，经过在一冷却回路中循环的含氢气和一氧化碳的冷却气体将冷却区的DRI冷却至环境温度。

气基法所用还原剂主要是天然气，经蒸汽转化或部分氧化生产合成气CO+H₂，而中国天然气价格昂贵，在东部沿海一些地区天然气价格已达5元/m³，而采用大型煤气化生产的精制合成气价格也在0.8元/m³以上，因此寻找一条价格便宜的还原气原料渠道是大力发展中国DRI生产所必须面对的问题。

中国有大量的焦炉气(COG)资源，除一部分用于发电、生产纯氢、加热燃料和生产甲醇外，约三分之一资源放入火炬烧掉。并且在钢铁企业中存在大量的低热值燃气富余，放空的高炉气和转炉气等。随着节能技术的进步，热风炉的双预热技术、蓄热化加热炉技术等不断涌现，大量的低热值燃气被利用，焦炉气的富余已无可置疑。以鞍钢为例，预测2006年高炉煤气富余46万m³/h，焦炉气富余4-6万m³/h。

焦炉气主要成分为H₂(55-66%)、CH₄(18-26%)、CO(6-8%)，其余为二氧化碳、氮气和C₂以上烃及少量氧和硫杂质，是优质的DRI还原气。

中国专利申请CN100523228C公开了一种利用焦炉气制还原气生产海绵铁的方法，是把焦炉气精脱硫后补加一定量的CO₂，利用焦炉气中的CH₄和CO₂的转化来生产高质量的还原铁合成气，一部分还原尾气用作燃料，由于CO₂的补加和与CH₄的吸热反应，需燃烧大量的焦炉气来外供反应热，供热效率低，烟气能耗损失大，与加O₂氧化直接产热相比，设备投资大，热损失大，能耗高，补加的CO₂也增加能耗和分离成本。

中国专利申请CN101392192B公开了一种焦炉气二氧化碳转化及气基竖炉直接还原铁生产方法，该申请中把焦炉气深度净化脱硫后补加氧气、二氧化碳和水蒸汽作为气体转化剂，因过程中添加水蒸汽太多，转化后要冷却至40℃进行脱水处理，然后再升温进气基竖炉，该工艺对高温合成气的降温和升温过程导致能耗高。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种还原铁的生产方法，其是利用焦炉气通过催化转化法生产合成气，然后再生产直接还原铁的方法，具有易于控制，工艺简单，能耗低等特点。

本发明的目的还在于提供一种利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的系统。

为达到上述目的，本发明提供了一种利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的方法，其包括以下步骤：

将通过常规净化、精脱硫处理和脱不饱和烃处理后的焦炉气与“转炉煤气、高炉煤气、净化尾气中的一种或两种以上混合气”混合成原料混合气，使原料混合气与含氧气体在转化炉烧嘴出口处燃烧，得到高温混合气，燃烧时控制火焰温度为1100-1800℃，其中，精脱硫处理后的焦炉气的硫含量≤10ppm，烯烃和芳烃浓度小于5000ppm；

向高温混合气中添加CO₂、含CO₂的气体和/或水蒸汽，然后使其与催化转化炉中的催化剂接触，使焦炉气中的烃类在催化剂上与CO₂和/或水蒸汽发生转化反应，燃烧反应产生的热量为转化反应提供热量，转化得到高H₂和CO浓度的合成气，并将催化转化炉出口处的合成气的温度控制为850-1050℃；

催化转化后得到的合成气直接进入竖炉还原氧化铁生产还原铁，竖炉还原尾气经过冷却除尘净化后得到净化尾气。

在上述方法中，优选地，净化尾气返回与焦炉气混合重新进入转化炉或者一部分用作燃料加热另一部分净化尾气，然后直接进入竖炉作为还原气。

可以与焦炉气等混合的“净化尾气”指的是生产还原铁之后由竖炉排出的还原尾气经过净化得到的净化尾气，即竖炉排出的还原尾气经过冷却除尘净化后得到的净化尾气。上述的竖炉可以是目前生产还原铁常用的设备，例如Midrex高温气基还原铁竖炉、HyL高温气基还原铁竖炉等。

在上述方法中，在对焦炉气进行精脱硫处理的同时进行脱不饱和烃的处理（例如通过采用加氢脱硫催化剂进行），使其烯烃和芳烃浓度小于5000ppm，优选小于100ppm，以避免造成后续转化催化剂的积炭。

在上述方法中，催化转化得到的高H₂和CO浓度的合成气是一种H₂O含量低的还原气体，优选地，竖炉入口合成气的组成满足(H₂+CO)/(H₂+CO+H₂O+CO₂)的摩尔比至少为0.90。

在上述方法中，优选地，含氧气体为纯氧，例如空分产生的纯氧。

在上述方法中，优选地，催化转化炉出口处的合成气的压力为0.1-1.0MPa。

在上述方法中，优选地，催化转化炉中的催化剂的活性组分为镍，助剂为钙、镁、钡和钾等中的一种或两种以上的组合，载体为氧化铝、铝酸钙、氧化镁、镁铝尖晶石和硅铝酸钾等中的一种或两种以上的组合；更优选地，以该催化剂的总重量计，活性组份镍的含量为5-15wt%，助剂的含量为0.1-7wt%，余量为载体。

在上述方法中，竖炉排出的还原尾气可以进行冷却除尘净化，优选地，该冷却除尘净化包括精脱硫处理，脱硫后的净化尾气的硫含量≤10ppm。上述精脱硫处理可以采用氧化锌脱硫剂，脱硫剂的用量可以根据需要按照常规的做法进行控制。

在上述方法中，优选地，焦炉气的精脱硫处理的催化剂的活性组分为镍、钴、钼、铁和钨等中的一种或两种以上的组合，载体为氧化铝、氧化锌、氧化硅、氧化镁等中的一种或两种以上的组合；更优选地，以该催化剂的总重量计，以该催化剂的总重量计，活性组分的含量为8-25wt%，载体的含量为75-92wt%。催化剂的用量可以根据需要按照常规的做法进行控制。

在上述方法中，优选地，焦炉气的精脱硫处理的压力为0.3-1.5MPa，温度为120-400℃，体积空速为400-8000h^-1。

在上述方法中，优选地，净化尾气在脱除CO₂后进行回用或用作燃料；更优选地，脱除CO₂的方法为胺法、变压吸附法或碳酸丙烯酯法。

在上述方法中，优选地，原料混合气的含硫量≤10ppm；更优选地，原料混合气的含硫量≤3ppm。

本发明还提供了一种利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的系统，其包括净化器、第一精脱硫塔、催化转化炉、气体混合器、竖炉、冷却器、洗涤器、第二精脱硫塔、脱碳塔、加热器，其中：

所述净化器设有焦炉气输入口，并且其出口与所述第一精脱硫塔连接；

所述第一精脱硫塔设有CO₂/H₂O入口，其出口与所述催化转化炉连接，并且，在第一精脱硫塔和催化转化炉的连接管道上设有其他气体输入管道；

气体混合器分别设有含氧气体入口和CO₂/H₂O入口，其出口与催化转化炉连接；

所述催化转化炉的出口与所述竖炉连接；

所述竖炉设有球团矿入口、炉顶气出口和还原铁出口，其通过炉顶气出口与所述冷却器连接；

所述冷却器与所述洗涤器连接；

所述洗涤器与所述第二精脱硫塔连接；

所述第二精脱硫塔与所述脱碳塔连接；

所述脱碳塔设有还原气出口和CO₂出口，并通过还原气出口与所述加热器连接；

所述加热器与所述竖炉连接。

在上述利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的系统中，该净化器用于对作为原料气的焦炉气进行净化处理；

第一精脱硫塔用于对净化后的焦炉气进行精脱硫处理和脱不饱和烃处理，CO₂/H₂O入口用于输入CO₂和/或H₂O以用于控制转化炉喷嘴处的火焰温度，其他气体输入管道用于输入“转炉煤气、高炉煤气、净化尾气中的一种或两种以上的混合气”；

气体混合器用于将含氧气体和“CO₂和/或H₂O”进行混合以用于控制转化炉喷嘴处的火焰温度；

催化转化炉用于进行催化转化并将所获得的含H₂和CO的合成气输入竖炉以作为还原气；

所述竖炉设有球团矿入口、炉顶气出口和还原铁出口，其通过炉顶气出口与所述洗涤器连接；其中，球团矿入口用于向竖炉中输入铁矿，炉顶气出口用于将竖炉产生的炉顶气（还原尾气）输入洗涤器，还原铁出口用于将生产得到的直接还原铁输出；

洗涤器用于对竖炉产生的还原尾气进行洗涤处理；

第二精脱硫塔用于对经过洗涤的还原尾气进行精脱硫处理，以得到净化尾气；

脱碳塔用于对净化尾气进行脱CO₂处理，CO₂出口用于将脱除的CO₂输出，这部分CO₂可以补充到原料混合气或含氧气体中，也可以用作他用；还原气出口用于将脱碳后的净化尾气输入加热器，以便在加热后送入竖炉作为还原气参与还原反应；

加热器用于对要输入竖炉的净化尾气进行加热处理。

在上述系统中，各个组成部分所采用的设备均可以是现有的设备，只要能够实现相应的功能即可。

本发明所提供的利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的方法可以采用上述系统按照以下步骤进行：

使焦炉气进入净化器进行净化（除尘、脱油、压缩），之后进入第一精脱硫塔与催化剂接触进行精脱硫并进行脱不饱和烃处理，降低烯烃和芳烃的含量，然后与来自外部的其他气体（转炉煤气、高炉煤气、净化尾气中的一种或两种以上的混合气）混合得到原料混合气并在预热之后进入催化转化炉，含氧气体经过预热之后进入催化转化炉；

在催化转化炉中，含氧气体和原料混合气混合并在催化转化炉的喷嘴处部分燃烧（部分氧化），进行甲烷的干重整和/或蒸汽重整，得到高H₂和CO浓度的合成气，为了控制部分燃烧时的火焰温度，可以在进入催化转化炉之前的含氧气体或原料混合气中混入一定量的二氧化碳和/或水蒸汽；

使合成气进入竖炉，对球团矿等进行还原得到直接还原铁，并通过还原铁出口输出，竖炉顶部产生的还原尾气（炉顶气）进入冷却器进行冷却，然后进入洗涤器中进行洗涤，洗涤之后的干气进入第二精脱硫塔与氧化锌催化剂接触进行精脱硫处理得到净化尾气，净化尾气再进入脱碳塔脱除其中的CO₂（CO₂通过CO₂出口排出），之后进入加热器进行加热，再进入竖炉参与还原反应，净化尾气也可以在经过第二精脱硫塔之后直接排出，以用于其他用途。

焦炉气主要成分为H₂(55-66%)、CH₄(18-26%)、CO(6-8%)，其余为二氧化碳、氮气和C₂以上烃（包括烯烃和烷烃），及少量氧和硫杂质。通过采用本发明所提供的方法，对焦炉气进行常规净化、精脱硫处理和脱不饱和烃处理，可以使焦炉气中的羰基硫、噻吩类硫化合物、不饱和烃（例如烯烃、芳烃等）尽可能地被脱除，避免转化镍催化剂的失活，有利于工业生产经济性地运行，另一方面通过利用焦炉气生产还原气，适于大规模生产DRI。

通过采用本发明所提供的方法能够充分利用好现有焦炉气，可以避免在生产过程中将焦炉气充当燃料和放空。

采用本发明的方法能够尽可能地把甲烷转化成CO和H₂，所得到的还原气中的有效气含量高，焦炉还原气在800℃左右就有很高的铁还原率和还原速度，生产DRI的温度低，能够达到很好的节能和提高生产效率的效果。

总之，本发明提供的利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的方法和系统是利用焦炉气通过催化转化法生产合成气，然后再生产直接还原铁的方法和系统，通过对焦炉气精脱硫，使之达到后续转化催化剂要求，然后配氧气燃烧，为后续转化反应提供热量，并控制各项工艺指标使合成气符合竖炉气基直接还原铁的要求，该方法具有易于控制，工艺简单，能耗低等特点，特别适合具有空分纯氧的企业。

附图说明

图1为实施例1提供的利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的系统的结构示意图；

图2为实施例2提供的利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的方法的流程示意图；

图3为实施例3提供的利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的方法的流程示意图；

图4为实施例4提供的利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的方法的流程示意图。

主要附图标号说明：

净化器1第一精脱硫塔2催化转化炉3气体混合器4竖炉5冷却器6洗涤器7第二精脱硫塔8脱碳塔9加热器10

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的系统，其结构如图1所示。该系统包括净化器1、第一精脱硫塔2、催化转化炉3、气体混合器4、竖炉5、冷却器6、洗涤器7、第二精脱硫塔8、脱碳塔9、加热器10，其中：

所述净化器1设有焦炉气输入口，并且其出口与所述第一精脱硫塔2连接；

所述第一精脱硫塔2设有CO₂/H₂O入口，其出口与所述催化转化炉3连接，并且，在第一精脱硫塔2和催化转化炉3的连接管道上设有其他气体输入管道；

所述气体混合器4分别设有含氧气体入口和CO₂/H₂O入口，其出口与所述催化转化炉3连接；

所述催化转化炉3的出口与所述竖炉5连接；

所述竖炉5设有球团矿入口、炉顶气出口和还原铁出口，其通过炉顶气出口与所述冷却器6连接；

所述冷却器6与所述洗涤器7连接；

所述洗涤器7与所述第二精脱硫塔8连接；

所述第二精脱硫塔8与所述脱碳塔9连接；

所述脱碳塔9设有还原气出口和CO₂出口，并通过还原气出口与所述加热器10连接；

所述加热器10与所述竖炉5连接。

本实施例所提供的利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的系统可以按照以下步骤进行直接还原铁的生产：

使焦炉气进入净化器1进行净化（除尘、脱油、压缩），之后进入第一精脱硫塔2与催化剂接触进行精脱硫和脱不饱和烃处理，在采用临氢加氢吸附脱硫的同时也会饱和焦炉气中的烯烃和芳烃，然后通过其他气体输入管道输入的其他气体（转炉煤气、高炉煤气、净化尾气中的一种或两种以上的混合气）混合得到原料混合气并在预热之后进入催化转化炉3，含氧气体经过预热之后进入催化转化炉3；

在催化转化炉3中，含氧气体和原料混合气混合并在催化转化炉3的喷嘴处部分燃烧（部分氧化），进行甲烷的干重整和/或蒸汽重整，得到高H₂和CO含量的合成气，为了控制部分燃烧时的火焰温度，可以在进入催化转化炉3之前的含氧气体或原料混合气中混入一定量的二氧化碳和/或水蒸汽，例如通过气体混合器4向含氧气体中混入二氧化碳和/或水蒸汽；

使催化转化炉3中产生的高H₂和CO含量的合成气进入竖炉5，对球团矿等进行还原得到直接还原铁，并通过还原铁出口输出，竖炉5顶部产生的还原尾气（炉顶气）进入冷却器6进行冷却，然后进入洗涤器7中进行洗涤，洗涤之后的干气进入第二精脱硫塔6与氧化锌催化剂接触进行精脱硫处理得到净化尾气，净化尾气再进入脱碳塔9脱除其中的CO₂（CO₂通过CO₂出口排出），之后进入加热器10进行加热，再进入竖炉5参与还原反应。

实施例2

本实施例提供了一种利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的方法，其包括以下步骤，其流程如图2所示，可以采用图1所示的系统进行：

原料焦炉气的流量为20000Nm³/h，其中，以体积比计，甲烷的含量约为22%，氢气的含量约为59%，还含有少量CO₂、CO、N₂和C₂ ⁺组分，总硫含量低于350ppm；

原料焦炉气进入净化器1进行除尘、深度脱油、加压后，换热至220℃，在1.1MPa的压力下，进入吸附脱硫的精脱硫反应器（第一精脱硫塔2），共两个反应器，一开一再生，各装临氢吸附精脱硫剂25m³，临氢吸附精脱硫剂含15wt%镍和5wt%钨，其余组分为氧化锌、氧化铝及氧化镁，含量分别为70wt%、5wt%和5wt%（该临氢吸附精脱硫剂为CUPB-XTS系列临氢吸附脱硫剂，由东营科尔特新材料有限公司生产），临氢加氢吸附脱硫同时也饱和了焦炉气中的烯烃和芳烃，出精脱硫反应器的净化气体的总硫含量小于0.5ppm，其烯烃和芳烃浓度小于100ppm，然后预热到600℃；

以空分氧气(含氧98%)作为烃类转化的氧化剂（即含氧气体），其流量约为3168Nm³/h，预热到600℃，必要时可以通过气体混合器4输入适量二氧化碳和/或水蒸汽，以控制燃烧时火焰的温度；

在0.8MPa的压力下，原料焦炉气和含氧气体这两股气流进入催化转化炉3的喷嘴处混合并部分燃烧，火焰温度控制为1500-1700℃，部分燃烧后得到的高温混合气进入催化转化炉3的催化剂床层，在催化剂作用下发生甲烷二氧化碳干重整转化和甲烷蒸汽转化，得到合成气，催化转化炉3中的催化剂装量为20m³，焦炉气的转化催化剂为CUPB-DR系列(由东营科尔特新材料有限公司生产，含镍约10wt%，余量为耐高温铝硅镁镧复合氧化物异形载体)，催化转化炉4出口处的合成气的温度约为1020℃，减压至0.3MPa，合成气的流量约为30460Nm³/h，其中，H₂:H₂O=14.9:1和CO:CO₂=21.3:1，均为摩尔比，竖炉入口合成气的组成中，(H₂+CO)/(H₂+CO+H₂O+CO₂)的摩尔比为0.95，指标达到气基直接还原铁要求，可直接用于还原铁生产；

上述步骤制造的合成气的温度高达1020℃，氧化度为5.6%，H₂:CO的摩尔比值较高，约为2.92:1，将其输入Midrex高温气基还原铁竖炉5进行生产。

使用流量为30460Nm³/h的合成气生产直接还原铁，产量约为20t/h，还原铁后的还原尾气经过冷却器6进行冷却、洗涤器7进行洗涤、压缩后进入第二精脱硫塔8采用精脱硫工艺进行脱硫，得到净化尾气，洗涤后的干基还原尾气的流量约为21320Nm³/h，净化尾气的总硫含量低于0.5ppm，然后在脱碳塔9中采用变压吸附法对净化尾气进行脱碳。经过脱硫脱碳净化后的净化尾气的流量约为17660Nm³/h，水和二氧化碳的含量很低，氧化度约3.5%，是优质的气基直接还原铁还原气，可以使用其中1960Nm³/h的部分作为燃料将另外的15700Nm³/h的气体加热到约900℃（可以通过加热器10进行），然后使这部分气体与合成气（催化转化的产品气）混合或直接作为竖炉还原气，由此可以增产还原铁约10t/h，实现还原铁尾气的合理利用。

实施例3

本实施例提供了一种利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的方法，其包括以下步骤，其流程如图3所示：

原料焦炉气的流量为25000Nm³/h，其中，以体积比计，甲烷的含量约为25%，氢气的含量约为56%，还含有少量CO₂、CO、N₂和C₂ ⁺组分，总硫含量低于200ppm；

原料焦炉气经加压、除尘、深度脱油后，换热升温至250℃，在1.4MPa的压力下，进入加氢脱硫反应器，内装36m³铁钼加氢催化剂（铁5wt%、钼12wt%、余为氧化铝），有机硫经加氢转化为硫化氢，加氢脱硫同时也饱和焦炉气中的烯烃和芳烃，然后进入工业上常规铁锰脱硫剂反应器，进行中温脱硫，脱硫反应器共两个，各装85吨常规铁锰脱硫剂（氧化铁35wt%、余为氧化锰），一开一再生，用于保持连续生产，经精脱硫的焦炉气中总硫小于1ppm，使其烯烃和芳烃浓度小于5000ppm，然后换热升温至550℃；

以混合有约8%(体积)水蒸汽的空分氧气作为氧化剂，气流量为4600Nm³/h，经换热器预热到550℃；

在0.6MPa的压力下，原料焦炉气和含氧气体两股气流进入催化转化炉喷嘴处进行混合并部分燃烧，火焰温度控制为1400-1600℃，部分燃烧后得到的高温混合气进入催化转化炉的催化剂床层，在催化剂作用下发生甲烷二氧化碳干重整转化和甲烷蒸汽转化，得到合成气，催化转化反应器的催化剂装填量为25m³，焦炉气的转化催化剂为CUPB-DR系列(由东营科尔特新材料有限公司生产)，含镍约12%、余量为耐高温镁铝钙复合氧化物异形载体；催化转化炉出口处的合成气的温度约为990℃，压力约为0.5MPa，合成气的流量约为39650Nm³/h，其中，H₂:H₂O=11.4:1和CO:CO₂=19.2:1，均为摩尔比，竖炉入口合成气组成满足：(H₂+CO)/(H₂+CO+H₂O+CO₂)的摩尔比为0.94，指标满足气基直接还原铁要求，可直接用于还原铁生产；

上述步骤制造的合成气的温度高达990℃，氧化度为7.0%，H₂:CO的摩尔比值为2.77:1，将其输入HYL高温气基还原铁竖炉进行生产；

使用流量为39650Nm³/h的合成气生产直接还原铁，产量约为25t/h，还原铁后的还原尾气经过冷却、洗涤、压缩后的还原尾气进行精脱硫处理得到净化尾气，经过洗涤后得到的干基还原尾气的流量约为27750Nm³/h，净化尾气的总硫含量降低至低于1ppm，然后采用碳酸丙烯酯法对净化尾气进行脱碳；脱硫脱碳净化后的净化尾气的流量约为23000Nm³/h，水和二氧化碳的含量很低，氧化度约为4.0%，是优质的气基直接还原铁还原气，可以使用其中2600Nm³/h的部分作为燃料将另外的20400Nm³/h的气体加热到约920℃，然后使被加热的气体与合成气（催化转化的产品气）混合作为竖炉还原气，由此可以增产还原铁约13t/h，实现还原铁尾气的有效利用。

实施例4

本实施例提供了一种利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的方法，其包括以下步骤，其流程如图4所示：

原料焦炉气的流量为22000Nm³/h，其中，以体积比计，甲烷的含量约为20%，氢气的含量约为60%，其余为少量CO₂、CO、N₂和C₂ ⁺组分，总硫含量低于250ppm；

原料焦炉气经压缩、除尘、脱油后，换热升温至300℃，在0.9MPa的压力下进入临氢吸附精脱硫反应器，临氢加氢吸附脱硫同时也饱和了焦炉气中的烯烃和芳烃，采用两个反应器各装临氢吸附精脱硫剂15m³，一开一再生；精脱硫剂为含钴钼临氢吸附脱硫剂，其余组分为氧化锌和氧化硅，该精脱硫剂为含钴5wt%、钼20wt%的临氢吸附加氢脱硫剂，其余组分为氧化锌70wt%和氧化硅5wt%（该精脱硫剂为CUPB-XTS系列临氢吸附脱硫剂，由东营科尔特新材料有限公司生产），经精脱硫反应器的焦炉气的总硫含量小于0.1ppm，脱硫后的焦炉气进行脱不饱和烃处理，使其烯烃和芳烃浓度小于1000ppm，然后换热升温至650℃；

以含10v%的二氧化碳的空分氧气作为氧化剂，其流量为3432Nm³/h，换热升温至650℃；

在0.7MPa的压力下，原料焦炉气和含氧气体两股气流进入催化转化炉喷嘴处进行混合并部分燃烧，火焰温度控制为1200-1400℃，部分燃烧后得到的高温混合气进入催化转化炉的催化剂床层，在催化剂作用下发生甲烷二氧化碳干重整转化和甲烷蒸汽转化，得到合成气，转化反应器催化剂装量为20m³，焦炉气转化催化剂为CUPB-DR系列(由东营科尔特新材料有限公司生产)，含镍约7wt%，余为耐高温铝镁钡钾复合氧化物异形载体，催化转化炉出口处的合成气的温度约为950℃，压力约为0.3MPa，合成气的流量约为33470Nm³/h，其中，H₂:H₂O=17.3:1和CO:CO₂=27.0:1，均为摩尔比，竖炉入口合成气的组成中，(H₂+CO)/(H₂+CO+H₂O+CO₂)的摩尔比为0.96，指标满足气基直接还原铁要求，可直接用于还原铁生产；

上述步骤制造的合成气的温度高达950℃，氧化度为4.8%，H₂:CO的摩尔比值为3.06:1，将其输入Midrex高温气基还原铁竖炉进行生产；

使用流量为33470的Nm³/h的合成气生产直接还原铁，产量约为21t/h，还原铁后的还原尾气经过冷却、洗涤、压缩后进行精脱硫得到净化尾气，经过洗涤处理得到的干基还原尾气的流量约为23430Nm³/h，净化尾气的总硫含量降低到低于0.1ppm，然后采用胺法脱碳，脱硫脱碳净化后的净化尾气的流量约19410Nm³/h，水和二氧化碳的含量很低，氧化度约为5.0%，是优质的气基直接还原铁还原气，可以使用其中2180Nm³/h的部分作为燃料将另外的17230Nm³/h的气体加热到约910℃，然后使被加热的气体与合成气（催化转化的产品气）混合作为竖炉还原气，由此增产还原铁约11t/h，实现还原铁尾气的有效利用。

Claims (19)

1.一种利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的方法，其包括以下步骤：

将通过常规净化、精脱硫处理和脱不饱和烃处理后的焦炉气与转炉煤气、高炉煤气、净化尾气中的一种或两种以上混合气混合成原料混合气，使原料混合气与含氧气体在转化炉烧嘴出口处燃烧，得到高温混合气，燃烧时控制火焰温度为1100-1800℃，其中，精脱硫处理后的焦炉气的硫含量≤10ppm，烯烃和芳烃浓度小于5000ppm；

向高温混合气中添加CO₂、含CO₂的气体和/或水蒸汽，然后使其与催化转化炉中的催化剂接触，使焦炉气中的烃类在催化剂上与CO₂和/或水蒸汽发生转化反应，燃烧反应产生的热量为转化反应提供热量，转化得到高H₂和CO浓度的合成气，并将催化转化炉出口处的合成气的温度控制为850-1050℃；

催化转化后得到的合成气直接进入竖炉还原氧化铁生产还原铁，竖炉还原尾气经过冷却除尘净化后得到净化尾气。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述净化尾气与焦炉气混合重新进入催化转化炉，或者一部分用作燃料加热另一部分净化尾气，然后直接进入竖炉作为还原气。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述竖炉入口合成气的组成满足(H₂+CO)/(H₂+CO+H₂O+CO₂)的摩尔比至少为0.90。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述含氧气体为纯氧。

5.如权利要求1所述的方法，其中，催化转化炉出口处的合成气的压力为0.1-1.0MPa。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述催化转化炉中的催化剂的活性组分为镍，助剂为钙、镁、钡和钾中的一种或两种以上的组合，载体为氧化铝、铝酸钙、氧化镁、镁铝尖晶石、硅铝酸钾中的一种或两种以上的组合。

7.如权利要求6所述的方法，其中，以该催化剂的总重量计，活性组份镍的含量为5-15wt％，助剂含量为0.1-7wt％，余为载体。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述冷却除尘净化包括精脱硫处理，脱硫后的净化尾气的硫含量≤10ppm。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述精脱硫采用氧化锌脱硫剂。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述焦炉气的精脱硫处理的催化剂的活性组分为镍、钴、钼、铁和钨中的一种或两种以上的组合，载体为氧化铝、氧化锌、氧化硅、氧化镁中的一种或两种以上的组合。

11.如权利要求10所述的方法，其中，以该催化剂的总重量计，活性组分的含量为8-25wt％，载体的含量为75-92wt％。

12.如权利要求10所述的方法，其中，所述焦炉气的精脱硫处理的压力为0.3-1.5MPa，温度为120-400℃，体积空速为400-8000h^-1。

13.如权利要求1所述的方法，其中，所述净化尾气在脱除CO₂后进行回用或用作燃料。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述脱除CO₂的方法为胺法、变压吸附法或碳酸丙烯酯法。

15.如权利要求1-5、7-14中任一项所述的方法，其中，所述原料混合气的含硫量≤10ppm。

16.如权利要求6所述的方法，其中，所述原料混合气的含硫量≤10ppm。

17.如权利要求15所述的方法，其中，所述原料混合气的含硫量≤3ppm。

18.如权利要求16所述的方法，其中，所述原料混合气的含硫量≤3ppm。

19.一种利用焦炉气催化转化生产气基直接还原铁的系统，其包括净化器、第一精脱硫塔、催化转化炉、气体混合器、竖炉、冷却器、洗涤器、第二精脱硫塔、脱碳塔、加热器，其中：

所述净化器设有焦炉气输入口，并且其出口与所述第一精脱硫塔连接；

所述第一精脱硫塔设有CO₂/H₂O入口，其出口与所述催化转化炉连接，并且，在第一精脱硫塔和催化转化炉的连接管道上设有其他气体输入管道；

所述气体混合器分别设有含氧气体入口和CO₂/H₂O入口，其出口与所述催化转化炉连接；

所述催化转化炉的出口与所述竖炉连接；

所述竖炉设有球团矿入口、炉顶气出口和还原铁出口，其通过炉顶气出口与所述冷却器连接；

所述冷却器与所述洗涤器连接；

所述洗涤器与所述第二精脱硫塔连接；

所述第二精脱硫塔与所述脱碳塔连接；

所述脱碳塔设有还原气出口和CO₂出口，并通过还原气出口与所述加热器连接；

所述加热器与所述竖炉连接。