CN103525965B

CN103525965B - 利用焦炉气非催化转化生产气基直接还原铁的方法及系统

Info

Publication number: CN103525965B
Application number: CN201310464502.5A
Authority: CN
Inventors: 周红军; 余长春; 李然家; 周广林; 吴全贵
Original assignee: Beijing Zhong Shi Great New Forms Of Energy Research Institute Co Ltd; China University of Petroleum Beijing
Current assignee: Beijing Zhong Shi Great New Forms Of Energy Research Institute Co Ltd; China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2033-10-08
Also published as: CN103525965A

Abstract

本发明涉及一种利用焦炉气非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：将通过常规净化和精脱硫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的混合气混合形成原料混合气，使原料混合气与含氧气体混合并在转化炉烧嘴出口处部分燃烧，燃烧时控制火焰温度为1100-2300℃，使焦炉气中的烃类与二氧化碳或水蒸汽在高温下发生转化，生成含H₂和CO的合成气；使含H₂和CO的合成气进入竖炉还原氧化铁生产直接还原铁，竖炉排出的还原尾气经过冷却、洗涤、脱碳、脱硫净化后得到净化尾气。本发明还提供了一种利用焦炉气非催化转化生产气基直接还原铁的系统。

Description

利用焦炉气非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非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。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冷却至需要的温度。

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还原气原料。

中国专利申请CN102605132A公开了一种利用焦炉气生产直接还原铁的方法，该方法中焦炉气没有精脱硫和专一的催化转化过程，焦炉气经加热后进入还原炉，还原铁含硫量高，焦炉气中甲烷因转化不安全利用率低。

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、二氧化碳和水蒸气作为气体转化剂，该过程中添加水蒸气太多，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

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种生产直接还原铁（DRI）的方法，该方法针对焦炉气精脱硫处理后的非催化转化，控制燃烧温度和氧化剂，生产满足气基竖炉法生产直接还原铁要求的合成气，具有工艺简单，设备投资低等优点。

本发明的目的还在于提供一种利用焦炉气非催化转化生产气基直接还原铁的系统。

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

将通过常规净化和精脱硫处理后的焦炉气与“转炉煤气、高炉煤气、净化尾气中的一种或两种以上的混合气”混合形成原料混合气，使原料混合气与含氧气体混合并在转化炉烧嘴出口处部分燃烧，燃烧时控制火焰温度为1100-2300℃，使焦炉气中的烃类与二氧化碳和/或水蒸汽在高温下发生转化，生成含H₂和CO的合成气；

使含H₂和CO的合成气进入竖炉还原氧化铁生产直接还原铁，竖炉排出的还原尾气经过冷却、洗涤、脱碳、脱硫净化后得到净化尾气。

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、洗涤、脱碳、脱硫净化后得到的净化尾气。上述的竖炉可以是目前生产直接还原铁常用的设备，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，转化后得到的合成气直接进入竖炉还原氧化铁生产直接还原铁，竖炉排出的还原尾气经过冷却、洗涤、脱碳、脱硫净化后得到净化尾气，净化尾气可以部分返回与焦炉气混合重新进入转化炉，也可适当换热后与部分燃烧得到的合成气混合，返回竖炉进行利用，也可以对进入竖炉的合成气进行调温，还可以使用一部分净化尾气作为燃料将其余净化后的竖炉尾气加热到约800-1000℃，然后使被加热的尾气与部分燃烧得到的合成气混合直接作为还原气进入竖炉；即优选地，净化尾气采用以下方式中的一种或几种进行使用：

返回与焦炉气混合重新进入转化炉；

适当换热后与转化炉出口的含H₂和CO的合成气混合并进入竖炉；

对进入竖炉的合成气的温度进行调节；或者，

使用一部分净化尾气作为燃料将其余净化尾气加热到800-1000℃，然后使被加热的净化尾气与含H₂和CO的合成气混合直接作为还原气进入竖炉。

在上述方法中，进入竖炉的含H₂和CO的合成气是以H₂和CO为主要成分、水和二氧化碳含量较低的还原气体，优选地，进入竖炉的合成气的组成满足(H₂+CO)/(H₂+CO+H₂O+CO₂)的摩尔比不小于0.90。

在上述方法中，“部分燃烧”指的是原料混合气与含氧气体在转化炉烧嘴出口处进行绝热非催化部分氧化反应，控制火焰温度以产生足够的热量，使原料混合气中的甲烷等烃类化合物与二氧化碳进行干重整转化，同时还可以与水蒸汽进行转化。根据本发明的具体技术方案，优选地，对于火焰温度的控制通过在含氧气体或原料混合气中添加二氧化碳和/或水蒸汽进行；更优选地，添加的“二氧化碳和/或水蒸汽”与“含氧气体或原料混合气”的摩尔比≤0.1，即(CO₂+H₂O)/原料混合气(摩尔比)≤0.1或者(CO₂+H₂O)/含氧气体(摩尔比)≤0.1。

在上述方法中，优选地，所采用的含氧气体为纯氧，例如空分生产的纯氧。

在上述方法中，优选地，含H₂和CO的合成气在转化炉出口处的温度为900-1400℃。

在上述方法中，优选地，含H₂和CO的合成气在转化炉出口处的压力为0.1-1.0MPa。

在上述方法中，竖炉排出的还原尾气可以进行除尘净化，该净化包括精脱硫处理，净化后还原尾气的硫含量≤10ppm，优选地，竖炉排出的还原尾气的脱硫净化处理为精脱硫处理，净化后得到的净化尾气的硫含量≤10ppm。对于还原尾气的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，对于焦炉气的精脱硫处理所采用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，活性组分的含量为8-25%，载体的含量为75-92%。催化剂的用量可以根据需要按照常规做法进行控制。

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

在上述方法中，优选地，净化尾气在脱除CO₂后再回用或用作燃料；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，具体的脱碳过程可以按照常规方式进行。

本发明还提供了一种利用焦炉气非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、转化炉、气体混合器、竖炉、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；该净化器用于对作为原料气的焦炉气进行净化处理；

所述第一精脱硫塔设有CO₂/H₂O入口，其出口与所述转化炉连接，并且，在第一精脱硫塔和转化炉的连接管道上设有其他气体输入管道；第一精脱硫塔用于对净化后的焦炉气进行精脱硫处理，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”；

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

所述转化炉的出口与所述竖炉连接，用于生产含H₂和CO的合成气并将其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；

所述洗涤器与所述第二精脱硫塔连接，洗涤器用于对竖炉产生的还原尾气进行洗涤处理；

所述第二精脱硫塔与所述脱碳塔连接，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；

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，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；脱碳后的净化尾气可以在加热之后进入竖炉作为还原气参与还原反应。

所述加热器与所述竖炉连接，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非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，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转化炉，含氧气体经过预热之后进入转化炉；

在转化炉中，含氧气体和原料混合气混合并在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，得到含H₂和CO的合成气，为了控制部分燃烧时的火焰温度，可以在进入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；

使含H₂和CO的合成气进入竖炉，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出口用于将脱除的CO₂输出），之后净化尾气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和精脱硫处理，可以使焦炉气中的羰基硫、噻吩类硫化合物尽可能地被脱除，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非催化转化生产气基直接还原铁的方法及系统是利用焦炉气制成的还原气生产直接还原铁的方法和系统，该方法和系统针对焦炉气精脱硫处理后的非催化转化，控制燃烧温度和氧化剂，生产合成气满足气基竖炉法生产还原铁的要求，工艺简单，设备投资低，特别适合有空分纯氧的企业，如钢铁焦炭联合企业，既可以实现焦炉气的高效利用，又可以改变中国的钢铁结构。

附图说明

图1为实施例1提供的利用焦炉气非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提供的利用焦炉气非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提供的利用焦炉气非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提供的利用焦炉气非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转化炉3气体混合器4竖炉5洗涤器6第二精脱硫塔7脱碳塔8加热器9

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非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、转化炉3、气体混合器4、竖炉5、洗涤器6、第二精脱硫塔7、脱碳塔8、加热器9，其中：

净化器1设有焦炉气输入口，其出口与第一精脱硫塔2连接；

第一精脱硫塔2设有CO₂/H₂O入口，其出口与转化炉3连接，并且，二者的连接管道上设有其他气体输入管道；

气体混合器4分别设有含氧气体入口和CO₂/H₂O入口，其出口与转化炉3连接；

转化炉3的出口与竖炉5连接；

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洗涤器6连接；

洗涤器6与第二精脱硫塔7连接，第二精脱硫塔7与脱碳塔8连接；

脱碳塔8设有还原气出口，并通过该还原气出口与加热器9连接，另外，脱碳塔8还设有CO₂出口，用于输出从净化尾气中脱除的CO₂；

加热器9与竖炉5连接。

本实施例所提供的利用焦炉气非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，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转化炉3，含氧气体经过预热之后进入转化炉3；

在转化炉3中，含氧气体和原料混合气混合并在转化炉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，得到含H₂和CO的合成气，为了控制部分燃烧时的火焰温度，可以在进入转化炉3之前的含氧气体或原料混合气中混入适量的二氧化碳和/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；

使转化炉3中产生的含H₂和CO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，并通过还原铁出口将制备的直接还原铁输出，竖炉5顶部产生的还原尾气（炉顶气）进入洗涤器6中进行洗涤，洗涤之后的干气进入第二精脱硫塔7与氧化锌催化剂接触进行精脱硫处理得到净化尾气，净化尾气进入脱碳塔8脱除其中的CO₂（CO₂通过CO₂出口排出），之后进入加热器9进行加热，再作为还原气进入竖炉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非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：

原料焦炉气的流量为22500Nm³/h，其中，以体积比计，甲烷含量约为20%，氢气含量约为60%，其余为少量CO₂、CO、N₂和C₂ ⁺组分，总硫含量低于300ppm；

原料焦炉气进入净化器1经除尘、脱油、压缩后，换热升温到200℃，在1.2MPa的压力下，进入第一精脱硫塔2，即临氢吸附脱硫的精脱硫反应器，共两个反应器，可一开一再生，也可串并联使用，精脱硫剂含15wt%的镍和5wt%的钨，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），两个方面反应器各装入精脱硫剂50立方米，流出精脱硫反应器的净化气体的总硫含量小于0.5ppm，通过其他气体输入管道补加一定量的净化尾气，将其预热到600℃；

以空分氧气(含氧98%)作为烃类转化的氧化剂（即含氧气体），氧化剂流量约为3510Nm³/h，预热到600℃；

在0.7MPa的压力下，使原料焦炉气与氧化剂进入转化炉3的喷嘴进行绝热非催化部分氧化反应，燃烧时控制火焰温度约为1200-1700℃，以产生足够热量用于转化反应，在高温下，部分焦炉气中的甲烷等烃类化合物与二氧化碳进行干重整转化，同时还与水蒸汽进行转化，得到含H₂和CO的合成气，在转化炉3出口处，该合成气的温度约为940℃，压力约为0.3MPa，合成气的流量约为34120Nm³/h，其中，H₂:H₂O=16.3:1、CO:CO₂=23.8:1，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，该指标满足气基直接还原铁的要求，可直接用于还原铁生产；

上述步骤制造的还原气（含H₂和CO的合成气）的温度高达940℃，氧化度为5.1%，H₂:CO摩尔比值为3.06:1，将其输入Midrex高温气基还原铁竖炉5生产，在该竖炉中，球团矿的输入量为47t/h。

使用流量为34120Nm³/h的还原气生产直接还原铁，产量约为20t/h，还原铁后的炉顶气（还原尾气）进行冷却、洗涤、压缩后，进入脱碳塔8采用胺法脱碳，然后进入第二精脱硫塔7采用常规ZnO精脱硫工艺进行脱硫可以得到净化尾气（经过洗涤器6洗涤后得到的干基还原尾气的流量约为23880Nm³/h），其中，常规ZnO脱硫剂的用量为50立方米，可以使净化尾气的总硫含量降低到低于0.5ppm；

脱碳脱硫净化后的净化尾气的流量约为19790Nm³/h，水和二氧化碳的含量很低，氧化度低于5%，是优质的气基还原铁还原气，可以使用其中2200Nm³/h的部分作为燃料将另外的17590Nm³/h的气体加热到约900℃，通过加热器9实现，然后使被加热的气体与含H₂和CO的合成气（即非催化部分氧化的产品气）混合作为竖炉还原气，由此可以增产还原铁约11t/h，实现还原铁尾气的高效利用。

实施例3

本实施例提供了一种利用焦炉气非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26000Nm³/h，其中，以体积比计，甲烷的含量约为25%，氢气的含量约为56%，另含有少量CO₂、CO、N₂和C₂ ⁺组分，总硫含量低于350ppm；

原料焦炉气经除尘、脱油、压缩后，换热升温至300℃，在1.0MPa的压力下，进入临氢吸附精脱硫反应器，采用两个反应器，可一开一再生，也可串并联使用，各装临氢吸附精脱硫剂56m³（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）；该精脱硫剂为含钴5wt%、钼20wt%的加氢脱硫剂，其余组分为氧化锌70wt%和氧化硅5wt%，经精脱硫处理的焦炉气的总硫含量小于0.1ppm，然后换热升温至550℃；

以含6%(体积比)二氧化碳的空分氧气作为氧化剂（加入的二氧化碳用于调节火焰的温度），其流量为4900Nm³/h，换热升温至550℃；

在0.8MPa的压力下，使原料焦炉气与氧化剂两股气流进入转化炉的喷嘴直接进行绝热非催化部分氧化反应，得到含H₂和CO的合成气，燃烧时的火焰温度控制为约1400-1900℃，转化炉出口处的合成气的温度约为1020℃，压力约为0.8MPa，合成气的流量约为41300Nm³/h，其中，H₂:H₂O=10.5:1、CO:CO₂=18.7:1，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0.93，指标满足气基直接还原铁要求，可直接用于还原铁生产；

上述步骤制造的还原气（含H₂和CO的合成气）的温度高达1020℃，氧化度为7.5%，H₂:CO摩尔比值为2.75:1，将其输入HyL高温气基还原铁竖炉生产，在该竖炉中，球团矿的输入量为59t/h。

使用流量为41300Nm³/h的还原气生产直接还原铁，产率约为26t/h，还原铁后的炉顶气（还原尾气）进行尾气冷却、洗涤、压缩后采用变压吸附法脱碳，然后进行精脱硫得到净化尾气，其中，洗涤后得到的干基还原尾气的流量约为28910Nm³/h，精脱硫采用ZnO为脱硫剂，用量为20m³，净化尾气的总硫含量低于0.1ppm；

脱碳脱硫净化后的净化尾气的流量约为23950Nm³/h，水和二氧化碳的含量很低，氧化度低于3%，是优质的气基还原铁还原气，可以使用其中2700Nm³/h的部分作为燃料将另外的21250Nm³/h的气体加热到约920℃，然后使被加热的气体与含H₂和CO的合成气（即非催化部分氧化的产品气）混合作为竖炉还原气，可以直接进入竖炉作为还原气，由此可以增产还原铁约13t/h，实现还原铁尾气的充分利用。

实施例4

本实施例提供了一种利用焦炉气非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21000Nm³/h，其中，以体积比计，甲烷的含量约为22%，氢气的含量约为59%，另含有少量CO₂、CO、N₂和C₂ ⁺组分，总硫含量低于200ppm；

原料焦炉气经除尘、深度脱油、压缩后，换热升温至250℃，进入加氢脱硫反应器，内装30m³铁钼加氢催化剂（铁5wt%、钼12wt%、余量为氧化铝），有机硫经加氢转化为硫化氢，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70吨常规铁锰脱硫剂（氧化铁含量为35wt%，余量为氧化锰），一开一再生，用于保持连续生产，经精脱硫的焦炉气的总硫含量小于1ppm，脱硫后的焦炉气换热升温至650℃；

以混合约8%（体积）水蒸汽的空分氧气作为氧化剂，流量控制为3360Nm³/h，经换热器预热到650℃；

在0.6MPa的压力下，使原料焦炉气与氧化剂进入转化炉的喷嘴直接进行绝热非催化部分氧化反应，燃烧时的火焰温度控制为约1300-1600℃，得到含H₂和CO的合成气，转化炉出口处的合成气的温度约为970℃，压力约为0.3MPa，合成气流量约为32170Nm³/h，其中，H₂:H₂O=15.0:1、CO:CO₂=23.7:1，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；

上述步骤制造的还原合成气的温度高达970℃，氧化度为5.5%，H₂:CO的摩尔比值为2.90:1，将其输入Midrex高温气基还原铁竖炉生产，在该竖炉中，球团矿的输入量为45t/h。

使用流量为32170Nm³/h的还原气生产直接还原铁，产量约为20t/h，还原铁后的炉顶气（即还原尾气）进行冷却、洗涤、压缩后采用碳酸丙烯酯法脱碳，然后采用与原料焦炉气相同的铁锰脱硫剂进行精脱硫得到净化尾气，其中，洗涤后得到的干基还原尾气的流量约为22520Nm³/h，精脱硫采用ZnO为脱硫剂，用量为20m³，净化尾气的总硫含量低于1ppm；

脱碳脱硫净化后的净化尾气的流量约为18660Nm³/h，水和二氧化碳含量很低，氧化度低于4%，是优质的气基还原铁还原气，可以使用其中2100Nm³/h的部分作为燃料将另外的16560Nm³/h的气体加热到约910℃，然后使被加热的气体与含H₂和CO的合成气（即非催化部分氧化的产品气）混合或直接作为竖炉还原气，由此增产还原铁约10t/h，实现还原铁尾气的充分利用。

Claims

1.一种利用焦炉气非催化转化生产气基直接还原铁的方法，其包括以下步骤：

将通过常规净化和精脱硫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的混合气混合形成原料混合气，使原料混合气与含氧气体混合并在转化炉烧嘴出口处部分燃烧，燃烧时控制火焰温度为1100-2300℃，使焦炉气中的烃类与二氧化碳或水蒸汽在高温下发生转化，生成含H₂和CO的合成气，该含H₂和CO的合成气在转化炉出口处的温度为900-1400℃；

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述净化尾气采用以下方式中的一种或几种进行使用：

返回与焦炉气混合重新进入转化炉；

对进入竖炉的合成气的温度进行调节；或者，

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述竖炉入口的合成气的组成满足(H₂+CO)/(H₂+CO+H₂O+CO₂)的摩尔比不小于0.90。

4.如权利要求1所述的方法，其中，对于火焰温度的控制通过在含氧气体或原料混合气中添加二氧化碳和/或水蒸汽进行。

5.如权利要求4所述的方法，其中，添加的二氧化碳和/或水蒸汽与含氧气体或原料混合气的摩尔比≤0.1。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述含氧气体为纯氧。

7.如权利要求1所述的方法，其中，含H₂和CO的合成气在转化炉出口处的压力为0.1-1.0MPa。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述竖炉排出的还原尾气的脱硫净化处理为精脱硫处理，净化后得到的净化尾气的硫含量≤10ppm。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述还原尾气的精脱硫处理采用氧化锌脱硫剂。

10.如权利要求8所述的方法，其中，所述还原尾气的精脱硫处理采用氧化锌脱硫剂。

11.如权利要求1所述的方法，其中，焦炉气的精脱硫处理所采用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。

12.如权利要求11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8-25％，载体的含量为75-92％。

13.如权利要求1-12中任一项所述的方法，其中，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。

14.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述净化尾气在脱除CO₂后再回用或用作燃料。

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