CN104030243B - 一种气基竖炉系统还原气净化和尾气处理的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气基竖炉系统还原气净化和尾气处理的系统，包括制粗还原气单元(1)、粗还原气脱硫脱碳单元(2)、脱硫脱碳酸气处理单元(3)、尾气处理及催化剂再生单元(4)、气基竖炉还原炼铁单元(5)；其中，所述制粗还原气单元(1)依次连接所述粗还原气脱硫脱碳单元(2)、所述脱硫脱碳酸气处理单元(3)、所述尾气处理及催化剂再生单元(4)；所述粗还原气脱硫脱碳单元(2)与所述尾气处理及催化剂再生单元(4)、所述气基竖炉还原炼铁单元(5)分别相连；所述气基竖炉还原炼铁单元(5)与所述尾气处理及催化剂再生单元(4)相连。本发明降低了对粗还原气原料的要求，减少了尾气排放及环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及化学化工技术领域，具体涉及一种煤/天然气制粗还原气，作为气基竖炉还原气的脱硫脱碳及尾气处理的系统和方法。
背景技术
目前国外多用产品天然气(其中H2S含量≤20mg/m3)使其部分氧化生产主要成分为CO和H2的还原气作为气基竖炉还原气的原料直接还原炼铁。与国外相比，中国的天然气资源相对匮乏，并且中国的天然气资源中有大部分天然气含有较高的硫化氢，如果能用这部分质量相对较差的天然气作为气基竖炉还原炼铁还原气的合成原料可大大降低生产成本。另外，中国煤炭资源相对丰富，将劣质的原料煤作为气基竖炉还原气的生产原料不仅提高了我国劣质煤炭的利用效率，并且能够进一步降低气基竖炉还原炼铁的生产成本。目前还原气精制主要采用硫含量较低的优质燃料煤作为原料，或者用经过处理的H2S含量为20mg/m3以下的二类天然气为原料。
因此，采用潜硫量较高的天然气或劣质煤作为生产气基竖炉的还原气，增加国内劣质原料煤和天然气的利用率，丰富劣质煤和天然气的利用途径，避免劣质煤直接燃烧释放酸性气体污染大气等是当务之急。本发明采用潜硫量较高的天然气或劣质煤为原料，不仅能够满足气基竖炉还原炼铁还原气质量要求，还能够使得整个气基竖炉还原炼铁系统的H2S和SO2等环境污染物零排放。
发明内容
本发明的目的是解决现有气基竖炉系统还原气的制备净化与尾气处理过程中存在的部分问题，开发潜硫量较高的天然气或劣质煤作为生产气基竖炉的还原气，提供一种气基竖炉系统还原气净化和尾气处理的系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种气基竖炉系统还原气净化和尾气处理的系统，包括制粗还原气单元、粗还原气脱硫脱碳单元、脱硫脱碳酸气处理单元、尾气处理及催化剂再生单元、气基竖炉还原炼铁单元；其中，所述制粗还原气单元依次连接粗还原气脱硫脱碳单元、脱硫脱碳酸气处理单元、尾气处理及催化剂再生单元；所述粗还原气脱硫脱碳单元与尾气处理及催化剂再生单元、气基竖炉还原炼铁单元分别相连；所述气基竖炉还原炼铁单元与尾气处理及催化剂再生单元相连；所述脱硫脱碳酸气处理单元包括克劳斯反应器、液硫贮槽；所述尾气处理及催化剂再生单元包括尾气催化吸收塔和催化剂再生塔。
优选地，所述粗还原气脱硫脱碳单元包括水洗塔、吸收塔、闪蒸罐、再生塔、冷却器、换热器、贫液泵，所述水洗塔依次连接吸收塔、闪蒸罐、换热器、冷却器、贫液泵，所述贫液泵的一端连接到吸收塔一端；所述换热器一端通过管道与再生塔上部相连，所述换热器另一端通过另一管道与再生塔相连。
优选地，所述脱硫脱碳酸气处理单元还包括酸气焚烧炉，所述酸气焚烧炉依次连接克劳斯反应器和液硫贮槽。
优选地，所述尾气处理及催化剂再生单元中的尾气催化吸收塔和催化剂再生塔能够切换操作。
气基竖炉系统还原气净化和尾气处理的系统所用的方法，包括所述制粗还原气单元采用粉煤热解的方法，用氧气与粉煤、水蒸汽制备粗还原气。
优选地，所述制粗还原气单元采用天然气部分氧化的方法，用天然气、水蒸汽和氧气制备粗还原气。
优选地，所述制粗还原气单元中的反应温度为900～1300℃，反应压力为0.3～1.5MPa，是通过调节170～200℃水蒸气的通入量调节产品气的碳氢比。
优选地，所述脱硫脱碳酸气处理单元中酸气焚烧炉的压力为0.01～0.03MPa，温度为900～1300℃，通过控制O2的通入量使得反应后的SO2：H2S>1:2；克劳斯反应器中的温度150～300℃，反应压力为0.01～0.03MPa，空速为1000～2000h-1，催化剂为γ-Al2O3或者TiO2。
优选地，所述尾气处理及催化剂再生单元中的尾气催化吸收塔中的温度为200～500℃，压力为0.01～0.03MPa，空速为100～1000h-1，吸收剂为经过Fe、La改性后的镁铝水滑石。
优选地，所述粗还原气脱硫脱碳单元中的还原气、所述气基竖炉还原炼铁单元中的还原炼铁循环气都能够进入所述尾气处理及催化剂再生单元对催化剂进行再生；所述脱硫脱碳酸气处理单元中的尾气可以进入所述尾气处理及催化剂再生单元进行尾气处理。
本发明提供的有益效果：
(1)该发明能够降低气基竖炉炼铁制备粗还原气原料——煤、天然气质量要求，能适应劣质煤、天然气，当煤或天然气中硫含量升高时仍然能使用该系统，保证气基竖炉炼铁的还原气气质条件，并能达到尾气排放要求；
(2)该发明可实现H2S、SO2零排放，采用该发明工艺，所有气体都进入脱硫脱碳系统进行循环处理，使得气化系统所产生的H2S或SO2全部转换为副产品硫磺从而做到H2S和SO2零排放；
(3)脱硫脱碳酸气中的H2S全部转化，该发明所涉及的脱硫脱碳酸气处理单元与常规克劳斯硫磺回收单元不同的是，使得更多的H2S在酸气焚烧炉中转换为SO2，使得进入克劳斯反应器中的SO2与H2S的比例略大于三分之一，从而保证进入克劳斯反应器中的H2S全部转化。
(4)尾气催化吸收塔可切换操作用于吸收SO2，该发明涉及的尾气处理及催化剂再生单元采用双塔结构，其中一为尾气催化吸收塔，另一个是催化剂再生塔，两塔可以切换使用。确保尾气中的SO2全部吸收，并且切换操作保证了尾气处理过程的连续性。
(5)共用再生气系统，尾气处理及催化剂再生单元所用再生还原气气质组成与气基竖炉还原气一样，均来自于粗还原气脱硫脱碳单元，避免了再建再生气发生单元产生的费用。
(6)再生尾气可循环利用，与气基竖炉循环气一样，再生尾气同样返回粗还原气脱硫脱碳单元进行循环利用，使得还原气得到最大限度的使用，达到减排目的的同时，又可降低煤和天然气的消耗。
附图说明
图1为本发明一种气基竖炉还原气净化及尾气处理系统工艺示流程图
1、制粗还原气单元2、粗还原气脱硫脱碳单元3、脱硫脱碳酸气处理单元4、尾气处理及催化剂再生单元5、气基竖炉还原炼铁单元；
图2粗还原气脱硫脱碳单元流程图
6、水洗塔7、吸收塔8、闪蒸罐9、再生塔10、冷却器11、换热器12、贫液泵；
图3脱硫脱碳酸气处理单元流程图
13、酸气焚烧炉14、克劳斯反应器15、液硫贮槽；
图4尾气处理及催化剂再生单元流程图
16、尾气催化吸收塔17、催化剂再生塔。
具体实施方式
为了更好地说明本发明，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
本实施例采用粉煤热解的方法将氧气与粉煤、水蒸汽作为原料，如图所示具体工艺步骤包括：
(1)粗还原气制备
将原料在粗还原气制备单元1制备粗还原气，温度为1000℃，反应压力为0.8MPa，通过调节200℃水蒸气的通入量调节产品气的碳氢比。由该单元产生的粗还原气的主要成分包括CO2、CO、H2O、H2和H2S，其中CO2含量为3％，硫化氢含量为5g/m3。
(2)粗还原气净化
来自粗还原气制备单元1的粗还原气进入粗还原气脱硫脱碳单元2。首先进入粗还原气水洗塔6，气体自下而上与水洗塔6塔顶喷淋的水逆流接触，洗涤掉夹杂在粗还原气当中的粉尘，压力为0.8MPa，温度为55℃，水洗后的气体从水洗塔6顶部出来后进入吸收塔7。气体从吸收塔7下部进入，与塔顶喷淋的脱硫脱碳溶液逆流接触发生反应，吸收其中的H2S和CO2。净化后还原气主要成分为CO和H2比例为(1:2左右)。其中一路净化后的还原气经过加热器加热后温度为900℃进入气基竖炉还原炼铁单元5。另一路净化后的还原气进入尾气处理及催化剂再生单元4。吸收塔7中的脱硫脱碳溶液通过压差进入闪蒸罐8，经过闪蒸之后的富液通过换热器11由上部进入再生塔9中进行再生，再生塔温度为150℃，压力为常压至0.1MPa。再生之后的脱硫脱碳溶液经过换热器11与脱硫脱碳富液进行换热。换热之后脱硫脱碳溶液的通过冷却器10冷却至45℃后再由贫液泵12打回吸收塔7中完成循环。脱硫脱碳溶液再生之后的酸性气体主要成分为CO2和H2S，进入脱硫脱碳酸气处理单元3。
(3)脱硫脱碳酸气处理
来自脱硫脱碳单元2的酸性气体首先进入酸气焚烧炉13，在此与O2发生反应。酸气焚烧炉13压力为0.03MPa，温度为1000℃，使得部分(略大于三分之一)H2S转化为SO2。发生的反应如下：
2H2S+3O2＝2H2O+2SO2
焚烧之后的酸气进入克劳斯反应器14，在克劳斯催化剂的作用下发生克劳斯反应，反应的温度为260℃，反应压力为0.03MPa，空速为2000h-1反应所需催化剂为γ-Al2O3或者TiO2。克劳斯转化反应如下：
2H2S+SO2＝3S+2H2O
由于在酸气焚烧炉13中发生反应时，控制较多的O2进入。因此进入克劳斯反应器中14的SO2：H2S>1:2从而保证在反应过程中，H2S反应完全。产生的单质硫为液体硫磺，进入液硫贮槽15，温度为210℃，主要成分为CO2和SO2的尾气进入尾气处理及催化剂再生单元4。
(4)尾气处理及催化剂再生
尾气处理及催化剂再生单元由尾气催化吸收塔16和催化剂再生塔17组成，两个塔其中一个塔吸收，另一个塔再生，切换操作。来自脱硫酸气处理单元3的尾气，主要成分为SO2和CO2，由上方进入尾气催化吸收塔16，吸收温度为450℃，压力为0.02MPa，空速为800h-1，吸收剂为经过Fe、La改性后的镁铝水滑石。
尾气经过吸收塔后排出的气体为CO2，可通过压缩冷却回收液态CO2。当其中的尾气催化吸收塔16中的吸附剂达到吸附饱和后，切换催化剂再生塔17作为尾气催化吸收塔。尾气催化吸收塔16切换为催化剂再生塔。再生气同样是来自于粗还原气脱硫脱碳单元2的还原气，再生压力为0.01MPa，再生温度为500℃。经过再生反应后尾气返回粗还原气脱硫脱碳单元2再进行处理，主要成分为H2S、CO2、CO和H2。催化剂再生塔17作为尾气催化吸收塔吸附饱和之后可重复之前的操作。经过尾气处理及催化剂再生单元4处理之后的尾气组成为：CO2含量99.9％，SO2未检出，H2S未检出。
(5)气基竖炉还原炼铁
来自粗还原气脱硫脱碳单元2的还原气进入气基竖炉还原炼铁单元5，在900℃的反应条件下还原氧化铁球团，反应之后的还原炼铁循环气主要成分为H2O、CO2、CO和H2，返回粗还原气脱硫脱碳单元2经过脱硫脱碳处理后循环利用。也可以通入催化剂再生塔17对催化剂进行再生，再由再生循环气进入粗还原气脱硫脱碳单元2循环利用。
实施例2：
采用天然气部分氧化的方法，天然气(硫化氢含量为20g/m3)、水蒸汽和氧气在粗还原气制备单元1制备粗还原气，其中天然气中硫化氢含量为20g/m3，反应温度为900℃，反应压力为0.8MPa，通过调节200℃水蒸气的通入量调节产品气的碳氢比。由该单元产生的粗还原气的主要成分包括CO2、CO、H2O、H2、H2S和SO2，其中CO2为5％，硫化氢含量为8g/m3，二氧化硫为100ppm，其操作条件与实施例1相同，经过尾气处理及催化剂再生单元4处理之后的尾气组成为：CO2含量99.9％，SO2未检出，H2S未检出。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和进步：
(1)该系统针对潜硫量较高(≥5t/d)的还原气气质条件，用脱硫脱碳酸气处理单元和尾气处理及催化剂再生单元代替脱硫槽，可使得气基竖炉还原炼铁系统实现H2S和SO2零排放，并且可回收副产品硫磺和二氧化碳；
(2)该工艺能够降低系统本身的环境污染，做到低碳减排，并且实现了资源的合理利用；
(3)该工艺与原先的只有脱硫槽进行尾气处理的工艺相比避免了H2S脱附带来的二次污染以及脱硫废剂的固体废物污染。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种气基竖炉系统还原气净化和尾气处理的系统，其特征在于，包括制粗还原气单元(1)、粗还原气脱硫脱碳单元(2)、脱硫脱碳酸气处理单元(3)、尾气处理及催化剂再生单元(4)、气基竖炉还原炼铁单元(5)；其中，所述制粗还原气单元(1)依次连接粗还原气脱硫脱碳单元(2)、脱硫脱碳酸气处理单元(3)、尾气处理及催化剂再生单元(4)；所述粗还原气脱硫脱碳单元(2)与所述尾气处理及催化剂再生单元(4)、所述气基竖炉还原炼铁单元(5)分别相连；所述气基竖炉还原炼铁单元(5)与所述尾气处理及催化剂再生单元(4)相连。
2.根据权利要求1所述的气基竖炉系统还原气净化和尾气处理的系统，其特征在于，所述粗还原气脱硫脱碳单元(2)包括水洗塔、吸收塔、闪蒸罐、再生塔、冷却器、换热器、贫液泵，所述水洗塔依次连接吸收塔、闪蒸罐、换热器、冷却器、贫液泵，所述贫液泵的一端连接到所述吸收塔一端；所述换热器一端通过管道与所述再生塔上部相连，所述换热器另一端通过另一管道与所述再生塔相连。
3.根据权利要求1所述的气基竖炉系统还原气净化和尾气处理的系统，其特征在于，所述脱硫脱碳酸气处理单元(3)包括酸气焚烧炉、克劳斯反应器、液硫贮槽。
4.根据权利要求1所述的气基竖炉系统还原气净化和尾气处理的系统，其特征在于，所述尾气处理及催化剂再生单元(4)包括催化剂吸收塔和催化剂再生塔，二者能够切换使用。
5.一种利用权利要求1-4中任一所述的气基竖炉系统还原气净化和尾气处理的系统的方法，其特征在于，所述制粗还原气单元(1)采用粉煤热解的方法，用氧气与粉煤、水蒸汽制备粗还原气或采用天然气部分氧化的方法，用天然气、水蒸汽和氧气制备粗还原气。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述制粗还原气单元(1)中的反应温度为900～1300℃，反应压力为0.3～1.5MPa，是通过调节170～200℃水蒸气的通入量调节产品气的碳氢比。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述脱硫脱碳酸气处理单元(3)中酸气焚烧炉的压力为0.01～0.03MPa，温度为900～1300℃，通过控制O2的通入量使得反应后的SO2：H2S>1:2；克劳斯反应器中的温度150～300℃，反应压力为0.01～0.03MPa，空速为1000～2000h-1，催化剂为γ-Al2O3或者TiO2。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述尾气处理及催化剂再生单元(4)中的催化剂吸收塔中的温度为200～500℃，压力为0.01～0.03MPa，空速为100～1000h-1，吸收剂为经过Fe、La改性后的镁铝水滑石。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述粗还原气脱硫脱碳单元(2)中的还原气、所述脱硫脱碳酸气处理单元(3)中的尾气、所述气基竖炉还原炼铁单元(5)中的还原炼铁循环气都能够进入所述尾气处理及催化剂再生单元(4)中进行处理。
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