CN103866072B - 利用热解气制备铁单质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用热解气制备铁单质的方法，包括：（1）将热解气与转化剂混合，其中，热解气是通过对中低阶煤、废旧轮胎、生物质或者垃圾等进行热解处理而得到的；（2）将步骤（1）中所得到的混合物在转化炉中进行转化反应，以便获得还原气；（3）利用步骤（2）中所得到的还原气在竖炉中对铁矿石进行还原，以便获得铁单质和反应尾气；（4）利用余热锅炉对反应尾气进行余热回收处理，以便获得水蒸气和经过降温处理的反应尾气；以及（5）将经过降温处理的反应尾气的一部分与水蒸气作为转化剂返回至步骤（1）与热解气混合，将经过降温处理的反应尾气的另一部分返回至步骤（2）中作为转化炉的燃料。利用该方法制备铁单质可以显著降低成本。
Description
技术领域
本发明属于冶金领域，具体而言，本发明涉及利用热解气制备铁单质的方法。
背景技术
直接还原铁（DRI），是铁矿石在低于熔化温度下直接还原得到的含铁单质产品。直接还原铁化学成分稳定，杂质含量少，是废钢的替代品之一，是电炉炼纯净钢、优质钢不可缺少的杂质稀释剂，是转炉炼钢优质的冷却剂，是发展钢铁冶金短流程不可或缺的原料。直接还原铁已列为我国钢铁工业发展的主要方向之一。
目前，工业生产直接还原铁的方法主要分为气基法和煤基法两大类。全球约76%的直接还原铁是通过气基法生产。气基法以MIDREX法和HYL法为主，均主要以天然气为制气来源。此外，HYL和国内专家也提出可使用焦炉煤气、煤制气等气源的气基还原工艺。然而，我国天然气资源短缺，因此以天然气为能源不利于气基竖炉技术在国内的推广应用。焦炉煤气由焦煤资源通过焦化工序产生，焦煤资源正在日益短缺，焦化工序能耗高、污染重，因此以焦炉煤气为能源只适宜在局部地区推广。煤气化制气技术日益成熟，但是投资高，因此以煤为能源生产直接还原铁的效益不佳，不利于推广。
因此，生产直接还原铁的气源制备方法还有待进一步改进，以便国内的推广应用。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种利用热解气制备铁单质的方法，该方法采用资源丰富的热解气作为原料制取还原气冶炼金属矿石，拓宽了气源范围，降低了传统冶炼方法采用天然气、气化煤气或者焦炉煤气作为原料制备还原气冶炼金属矿石的成本。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种利用热解气制备铁单质的方法，（1）将热解气与转化剂混合，其中，所述热解气是通过对中低阶煤、废旧轮胎、生物质或垃圾等进行热解处理而得到的；（2）将步骤（1）中所得到的混合物在转化炉中进行转化反应，以便获得还原气，其中，所述还原气中氢气和一氧化碳的总含量为至少80体积%；（3）利用步骤（2）中所得到的所述还原气在竖炉中对铁矿石进行还原，以便获得铁单质和反应尾气；（4）利用余热锅炉对所述反应尾气进行余热回收处理，以便获得水蒸气和经过降温处理的反应尾气；以及（5）将所述经过降温处理的反应尾气的一部分与所述水蒸气作为转化剂返回至步骤（1）与所述热解气混合，将所述经过降温处理的反应尾气的另一部分返回至步骤（2）中作为转化炉的燃料。
由此本发明实施例的制备铁单质的方法采用热解气转化制取还原气还原金属矿石，热解气可以是利用中低阶煤进行热解过程中产生的，或者利用废旧轮胎、生物质或者垃圾产生的热解气。因此热解气的来源比较丰富，并且热解气中含有大量的还原性气体，将其进行转化处理后可作为还原气用于还原金属矿石。由此不仅可以充分利用这部分热解气，同时还可以降低采用天然气或者焦炉煤气作为还原气冶炼金属矿石的成本。
另外，根据本发明上述实施例的制备铁单质的方法还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一些实施例，在步骤（5）中，基于所述经过降温的反应尾气的总体积，将55～85体积%的所述经过降温的反应尾气与所述水蒸气作为转化剂返回至步骤（1）与所述热解气混合，将剩余的所述经过降温处理的反应尾气的另一部分返回至步骤（2）中作为转化炉的燃料。由此完成对反应尾气的合理再利用。
根据本发明的一些实施例，所述热解气是通过对中低阶煤进行热解处理而得到的，并且基于所述热解气的总体积，所述热解气含有20～40体积%的H2、10～20体积%的CO、10～25体积%的CO2、20～35体积%CH4、5～10体积%的碳原子数不小于2的烃类。
根据本发明的一些实施例，所述热解气是通过对废旧轮胎进行热解处理而得到的，并且基于所述热解气的总体积，所述热解气含有10～20体积%的H2、2～5体积%的CO、10～20体积%的CO2、40～50体积%CH4、5～10体积%的碳原子数不小于2的烃类。
根据本发明的一些实施例，所述经过加压的气体混合物与所述水蒸气是按照体积比为1：0～0.3进行混合的。由此可以进一步提高热解气的转化率。
根据本发明的一些实施例，所述经过加压的气体混合物与所述水蒸气是按照体积比为1：0.3～0.7进行混合的。由此可以进一步提高热解气的转化率。
根据本发明的一些实施例，所述经过降温处理的反应尾气的温度为35～40摄氏度。
根据本发明的一些实施例，所述转化反应是在压力为3～8bar、温度为400～1000摄氏度的条件下进行的。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的利用热解气制备铁单质的方法的流程图。
图2是根据本发明的另一个实施例的利用热解气制备铁单质的方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
相关技术中，气基法工业生产直接还原铁主要以天然气、焦炉煤气或者煤制气作为还原气，然而目前由于天然气和焦炉煤气日益短缺，煤制气成本高等因素阻碍了气基还原技术的推广和应用。本发明的发明人大胆地尝试以热解气作为还原气代替天然气、焦炉煤气或者煤制气用于工业生产直接还原铁，由于热解气来源广泛，成本低，并且其中含有一定量的还原性气体。因此以热解气作为还原气用于生产铁单质可以拓宽气源的来源范围，降低生产成本，有利于国内的推广应用。然而，由于热解气中的还原性气体氢气和一氧化碳的含量较天然气、焦炉煤气和煤制气中含量少，采用现有的天然气的转化方法很难将热解气转化成可利用的还原气。因此，将热解气转化成可利用的还原气具有一定困难。本发明在着重解决上述技术问题的基础上提出了一种以热解气为还原气来源冶炼铁矿石的方法。
下面参考附图详细描述本发明具体实施例的利用热解气制备铁单质的方法。如图1所示，本发明实施例的利用热解气制备铁单质的方法可以包括下列步骤：
（1）将热解气与转化剂混合，其中，热解气是通过对中低阶煤、废旧轮胎、生物质或者垃圾进行热解处理而得到的；
（2）将步骤（1）中所得到的混合物在转化炉中进行转化反应，以便获得还原气，其中，所述还原气中氢气和一氧化碳的总含量为至少80体积%；
（3）利用步骤（2）中所得到的还原气在竖炉中对铁矿石进行还原，以便获得铁单质和反应尾气；
（4）利用余热锅炉对所述反应尾气进行余热回收处理，以便获得水蒸气和经过降温处理的反应尾气；以及
（5）将所述经过降温处理的反应尾气的一部分与所述水蒸气作为转化剂返回至步骤（1）与所述热解气混合，将所述经过降温处理的反应尾气的另一部分返回至步骤（2）中作为转化炉的燃料。
由此本发明实施例的利用热解气制备铁单质的方法利用自身产生的反应尾气对热解气进行转化获得还原气对铁矿石进行还原。该方法以热解气代替现有相关技术中的天然气或者焦炉煤气作为还原气用于还原铁矿石，由此弥补了我国天然气和焦煤资源短缺以致气基还原金属矿石技术的发展弊端。
在一些实施例中，采用的热解气的来源并不受特别限制，例如可以是通过对中低阶煤、废旧轮胎、生物质或者垃圾进行热解处理而得到的。由于上述热解气中含有大量的还原性气体，因此本发明实施例的利用热解气制备铁单质的方法将上述各热解气与转化剂混合后进行转化，进而获得可利用的还原气用于还原铁矿石。由此可以拓宽气源的范围，降低相关技术中的采用天然气或者焦炉煤气作为还原气冶炼金属矿石的成本。同时对大量的热解气进行有效利用，避免了资源浪费。
根据本发明的具体实施例，将热解气与转化剂混合可以具体包括下列步骤：
（1-1）将上述步骤（4）中得到的经过降温处理的反应尾气的一部分与热解气混合；
（1-2）将步骤（1-1）中所得到的混合物进行加压处理，以便得到经过加压的气体混合物；
（1-3）将经过加压的气体混合物与水蒸气进行混合，以便完成将热解气与转化剂混合。
由此将反应尾气的一部分与水蒸气作为转化剂与热解气混合，并且利用上述方法得到的热解前的混合物具有一定压力，由此满足竖炉生产的压力要求。根据本发明的具体实施例，热解气与反应尾气和水蒸气的混合物在转化炉内进行转化反应，具体为热解气中的高碳烃首先转化成甲烷和一氧化碳，然后甲烷进一步转化成富含氢气和一氧化碳的还原气。根据本发明的具体实施例，热解气的转化反应可以在转化炉中进行。
另外，根据本发明的具体实施例，由于热解气的种类有多种，每种热解气中各组分的含量也不尽相同。因此，将热解气的转化为可利用的还原气比较复杂。根据本发明的具体示例，采用的热解气的类型并不受特别限制，例如可以是通过对中低阶煤进行热解处理而得到的，发明人通过中低阶煤热解产生的热解气的成分进行测定，得知基于该热解气的总体积，热解气中含有20～40体积%的H2、10～20体积%的CO、10～25体积%的CO2、20～35体积%CH4、15～25体积%碳原子数不小于2的烃类。基于中低阶煤热解气的各组分和含量，发明人通过大量实验发现，可以将水蒸气与经过加压的气体混合物按照体积比为0～0.3:1进行混合。由此可以将热解气转化为合格的还原气。根据本发明的具体实施例，通过上述方法转化得到的还原气中氢气和一氧化碳的总含量为至少85体积%。由此利用该热解气还原铁矿石不仅可以代替资源短缺、价格昂贵的天然气和焦炉煤气，拓宽竖炉用气源的来源范围，还可以进一步推广气基还原铁矿石技术应用。
根据本发明的另一个具体实施例，采用的热解气还可以是通过对对废旧轮胎进行热解处理而得到的，并且基于该热解气的总体积，该热解气中含有10～20体积%的H2、2～5体积%的CO、10～20体积%的CO2、40～50体积%CH4、15～25体积%的碳原子数不小于2的烃类。基于上述废旧轮胎热解气的成分和含量，发明人将水蒸气与经过加压的气体混合物按照0.3～0.7:1的体积比混合进行转化。由此通过采用上述体积配比制备得到的还原气中氢气和一氧化碳的总含量为至少85体积%。利用上述废旧轮胎热解气转化得到的还原气可以有效对铁矿石进行还原，由此采用该热解气可以代替资源短缺、价格昂贵的天然气和焦炉煤气用于铁矿石的冶炼，还可以进一步推广气基还原铁矿石技术应用。
根据本发明的具体实施例，上述利用热解气制备铁单质的方法还可以进一步包括：将步骤（4）中获得的降温处理后的反应尾气进行除尘处理。由此可以进一步提高利用该反应尾气对热解气进行转化的转化率，以便得到合格的还原气。根据本发明的具体实施例，除尘处理可以采用湿法洗涤的方法，由此经过处理后的反应尾气的温度为35～40摄氏度，由此其中的饱和蒸汽可作为转化剂。
根据本发明的另一个具体实施例，经过降温处理的反应尾气可以分成两部分利用，例如步骤（5）所述，将经过降温处理的反应尾气的一部分与水蒸气作为转化剂返回至步骤（1）与热解气混合，将经过降温处理的反应尾气的另一部分返回至步骤（2）中作为转化炉的燃料。当然，作为转化剂的反应尾气的量可以根据采用的热解气特点控制，由此可以进一步保证热解气可以转化得到合格的还原气。根据本发明的具体实施例，基于所述经过降温的反应尾气的总体积，可以将55～85体积%的经过降温的反应尾气与水蒸气作为转化剂返回至步骤（1）与热解气混合，并将剩余的经过降温处理的反应尾气的另一部分返回至步骤（2）中作为转化炉的燃料。由此可以进一步保证提供足够量的转化剂和转化温度，以便保证转化效果。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例
参考图2，采用某地褐煤热解气对铁矿石进行冶炼，其中，某地褐煤热解气的主要含有24%体积H2、11%体积CO、22%体积CO2、27%体积CH4、9%体积C2+、6%体积H2O及氮气等。将褐煤热解气与60%降温除尘的反应尾气混合加压至3bar，掺入蒸汽后通入转化炉，发生转化反应，其中，蒸汽与褐煤热解气的体积比为0.1，转化反应的温度为450～900℃，压力为4bar。由此制备得到的还原气中含有H2和CO的总体积至少为85体积%，还原气温度为900℃。将转化得到的还原气通入竖炉还原块状金属矿石原料，制得产品直接还原铁。竖炉顶部排出的反应尾气，经余热锅炉降温处理并产出水蒸汽，将经过降温处理的反应尾气进一步进行洗涤除尘。将经过洗涤除尘后的约45体积%的反应尾气中通入转化炉中作为转化炉的燃料提供热量，剩余部分反应尾气与水蒸气作为转化剂分批次与褐煤热解气混合。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种利用热解气制备铁单质的方法，其特征在于，包括：
(1)将热解气与转化剂混合，其中，所述热解气是通过对中低阶煤、废旧轮胎、生物质或者垃圾进行热解处理而得到的；
(2)将步骤(1)中所得到的混合物在转化炉中进行转化反应，以便获得还原气，其中，所述还原气中氢气和一氧化碳的总含量为至少80体积％；
(3)利用步骤(2)中所得到的所述还原气在竖炉中对铁矿石进行还原，以便获得铁单质和反应尾气；
(4)利用余热锅炉对所述反应尾气进行余热回收处理，以便获得水蒸气和经过降温处理的反应尾气；以及
(5)将所述经过降温处理的反应尾气的55～85体积％与所述水蒸气作为转化剂返回至步骤(1)与所述热解气混合，将所述经过降温处理的反应尾气的另一部分返回至步骤(2)中作为转化炉的燃料，
其中，将热解气与转化剂混合包括：
(1-1)将部分所述经过降温处理的反应尾气与热解气混合；
(1-2)将步骤(1-1)中所得到的混合物进行加压处理，以便得到经过加压的气体混合物；
(1-3)将所述经过加压的气体混合物与所述水蒸气进行混合，以便完成将所述热解气与所述转化剂混合，
所述转化反应是在压力为3～8bar、温度为400～1000摄氏度的条件下进行的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)进一步包括：
(4-1)将所述经过降温处理的反应尾气进行除尘处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(5)中，基于所述经过降温的反应尾气的总体积，将55～85体积％的所述经过降温的反应尾气与所述水蒸气作为转化剂返回至步骤(1)与所述热解气混合，将剩余的所述经过降温处理的反应尾气的另一部分返回至步骤(2)中作为转化炉的燃料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热解气是通过对中低阶煤进行热解处理而得到的，并且基于所述热解气的总体积，所述热解气含有20～40体积％的H2、10～20体积％的CO、10～25体积％的CO2、20～35体积％的CH4、5～10体积％的碳原子数不小于2的烃类。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热解气是通过对废旧轮胎进行热解处理而得到的，并且基于所述热解气的总体积，所述热解气含有10～20体积％的H2、2～5体积％的CO、10～20体积％的CO2、40～50体积％CH4、15～25体积％碳原子数不小于2的烃类。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述经过加压的气体混合物与所述水蒸气是按照体积比为1：0～0.3进行混合的。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述经过加压的气体混合物与所述水蒸气是按照体积比为1：0.3～0.7进行混合的。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经过降温处理的反应尾气的温度为35～40℃。
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