CN104313228A - 一种利用ch4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺，工艺路线为：经净化、调节压力后的富CH4原料气和富氧空气分别经预热后，进入非催化富氧转化炉，并在所述非催化富氧转化炉中发生燃烧反应并升温，将其中的CH4转化成CO和H2，形成高温转化气；与此同时，竖炉炉顶气经降温、除尘、加压后进入氢气提纯装置中制得提纯氢气，提纯氢气经预热后进入所述催化富氧转化炉的下部，与所述经燃烧反应生成的高温转化气混合，形成还原煤气；还原煤气然后进入竖炉将铁矿石还原成海绵铁；该直接还原工艺不仅具有工艺流程短、节能减排、烧嘴使用寿命长、投资成本低的优点，并且能够防止海绵铁黏结和防止析碳。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺，属于铁或钢的冶炼技术领域。
背景技术
钢铁工业是国民经济的基础产业，也是我国能源资源消耗和污染排放的重点行业。为加快钢铁工业结构调整和产业升级，转变钢铁工业发展方式，促进节约、清洁和可持续发展，国家在《钢铁产业调整和振兴规划》中提出将“加强非高炉冶炼-炼钢、精炼-直接轧制全新流程清洁工艺技术研发和试验”等作为推进全行业节能减排的重点任务，全面推行清洁生产。
直接还原工艺作为典型的非高炉炼铁工艺，是实现钢铁生产短流程，即废钢/海绵铁(DRI)－电炉流程的重要环节。气基竖炉直接还原工艺的原料气可采用天然气、焦炉煤气、煤层气、兰碳排放气等富甲烷煤气，针对我国多煤少天然气的资源特点，发展利用焦炉煤气、煤层气、兰碳排放气等富甲烷煤气加大型化竖炉的直接还原工艺具有较为宽广的市场前景。
目前国内针对焦炉煤气等富甲烷煤气的气基竖炉直接还原工艺提出了相应的技术路线，主要的有以下几类：
1)利用焦炉煤气和净化脱碳后的竖炉炉顶气一起，加湿后再加热至1000℃左右进入竖炉还原铁矿石，该技术路线的关键在于利用高温和海绵铁的催化作用，使部分CH4发生改质反应生成CO+H2补充还原气，但该工艺路线需要脱碳和喷氧提温，同时在1000℃左右的温度下，若还原气气氛控制不好，则存在海绵铁容易黏结的缺陷；
2)利用氧气、焦炉煤气、二氧化碳、水蒸汽在转化炉内转化后，再和炉顶气混合，经脱硫脱碳后加热至800℃进入竖炉还原铁矿石，同时要求H2/CO>1.5；该技术路线的工艺路线复杂，加热炉为避免析碳对气体成分有严格限制，转化后的高温煤气先降温再加热，存在原料气利用效率较低、能耗较高的缺陷；
3)利用焦炉煤气和净化、降温后的炉顶气混合，在加热炉中加热至900℃～950℃使焦炉煤气中的CH4与炉顶气中的CO2和H2O发生反应，生成CO+H2后进入竖炉还原铁矿石；该技术路线存在经净化降温后的炉顶气中的H2O、CO2等氧化剂含量较低，不足以与焦炉煤气中的CH4反应，导致CH4在加热炉中大量析碳堵塞炉管，同时在900℃～950℃的温度下，CH4与H2O、CO2的反应不充分，进入竖炉后在高温(900℃～950℃)和海绵铁的催化下容易发生CH4的大量析碳，并引起黏结，这在焦炉煤气CH4含量过高或原料气为天然气时更为明显。
4)利用富CH4煤气与净化、降温后的炉顶气混合，在加热炉中加热后与纯氧进行非催化转化生成CO+H2，再与净化、降温后的炉顶气混合降温后进入竖炉还原铁矿石。该技术路线原料气与纯氧反应，反应温度高，烧嘴使用寿命短，为延长烧嘴寿命需要通入蒸汽，这样会导致还原气氧化度提高，不利于矿石的还原。
综上所述，目前国内针对天然气、焦炉煤气等富甲烷煤气气基竖炉直接还原工艺的技术路线，存在工艺流程长、转化工艺复杂、转化不充分、竖炉容易黏结、转化烧嘴使用寿命短、转化气氧化度高等技术缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺，该直接还原工艺不仅具有工艺流程短、节能减排、烧嘴使用寿命长、投资成本低的优点，并且能够防止海绵铁黏结和防止析碳。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺方法，工艺路线为：经净化、调节压力后的富CH4原料气和富氧空气分别经预热后，进入非催化富氧转化炉，并在所述非催化富氧转化炉中发生燃烧反应并升温，将其中的CH4转化成CO和H2，形成高温转化气；与此同时，竖炉炉顶气经降温、除尘、加压后进入氢气提纯装置中制得提纯氢气，提纯氢气经预热后进入所述催化富氧转化炉的下部，与所述经燃烧反应生成的高温转化气混合，形成还原煤气；还原煤气然后进入竖炉将铁矿石还原成海绵铁。
其中，
由于富CH4原料气和富氧空气反应，反应温度低，所述非催化富氧转化炉中不需要使用蒸汽降温。如此，转化炉的喷嘴能具有较长的使用寿命，并保证还原煤气的还原度。
优选的，所述富CH4原料气为焦炉煤气或天然气。
优选的，所述富CH4原料气经预热后，温度不超过400℃；更优选为300℃～400℃。
优选的，所述富氧空气的富氧率为35％-60％。
优选的，所述富氧空气经预热后，温度不超过300℃；更优选为200℃-300℃。
优选的，使燃烧反应生成的高温转化气的温度为1200℃～1450℃；而且该温度值可通过控制所述富氧空气与富CH4原料气体积比进行调节。
优选的，所述混合形成的还原煤气的温度为850℃～1000℃。
优选的，所述混合形成的还原煤气中，CO和H2的总体积与CO2和H2O的体积之比不小于10；更优选为10～13。
优选的，所述竖炉炉顶气经除尘降温至40℃，并加压至0.4～0.8MPa，满足后续氢提纯装置的要求。
优选的，所述氢气提纯装置为真空变压吸附氢提纯装置(VPSA)。
优选的，所述真空变压吸附氢提纯装置制得的氢气的纯度达到85％以上。
所述氢气提纯装置中生成的氢气，作为掺冷气，经预热后与燃烧生成的高温转化气混合降温后进入竖炉，掺冷氢气流量及预热温度，根据实际工艺条件确定。
所述真空变压吸附氢提纯装置产生的解吸气含有部分CO、CH4等可燃气体，可作为管式加热炉及其他用户的燃料气。
优选的，所述富CH4原料气、富氧空气和提纯氢气在同一个管式加热炉中进行预热。
优选的，所述管式加热炉的加热原料可以是富CH4原料气和/或所述真空变压吸附氢提纯装置产生的解吸气。
本发明的技术效果及优点在于：
1、本发明利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺，首先将富CH4原料气在管式加热炉中进行预热处理，预热温度低于400℃，不会发生析碳。另外，管式炉预热温度低，外排烟气少，对管材要求不高，使得管式炉的投资较低，相比其它工艺技术路线，在投资和排放上的优势十分明显。
2、本发明原料气与富氧空气反应，温度较低，可以在不使用蒸汽降温的情况下延长转化炉烧嘴使用寿命，同时保证还原气的还原度。
3、本发明利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺的工艺流程简单，工艺参数可控性强，通过控制VPSA所制氢气流量来控制还原气的还原度，通过控制氢气预热温度来控制还原气温度，针对不同的矿石调节不同的还原度及还原煤气温度，有效防止海绵铁黏结。
4、本发明利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺不使用催化剂，不存在H2S导致催化剂失效的情况，对富CH4原料气中H2S含量无严格限制，尤其适合焦炉煤气这类H2S含量较高的原料气。
附图说明
图1 CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺的工艺流程图
附图标记：
1、管式加热炉；2、非催化富氧转化炉；3、竖炉；4、换热器；5、洗涤塔；6、加压器；7、真空变压吸附氢提纯装置；
①富氧空气；②富CH4原料气；③提纯氢气。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的技术方案。应理解，本发明提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤；还应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明提供的CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺，如图1所示：
焦炉煤气或天然气等经净化、调压后作为富CH4原料气与富氧空气(富氧率35％-60％)分别经管式加热炉预热，富CH4原料气预热至温度不超过400℃、富氧空气预热至温度不超过300℃；预热后，两股气体进入非催化富氧转化炉中发生燃烧反应并升温，将其中的CH4转化成CO和H2，形成高温转化气，温度在1200℃～1450℃。
与上述同时，来自还原生成海绵铁的竖炉的炉顶气经换热器降温至200℃～220℃后，进入洗涤塔经水洗除尘降温至40℃，然后经加压机加压至0.4～0.8MPa后进入真空变压吸附氢提纯装置(VPSA)制得纯度为85％以上的提纯氢气；提纯氢气经所述管式加热炉预热后，进入所述催化富氧转化炉的下部，与所述经转化反应生成的高温转化气混合，形成还原煤气，并使混合气体降温至850℃～1000℃，混合形成的还原煤气中CO和H2的总体积与CO2和H2O的体积之比不小于10，然后进入所述竖炉中将铁矿石还原成海绵铁。
作为优选的实施情况，所述管式加热炉的加热原料可以是富CH4原料气和/或所述真空变压吸附氢提纯装置产生的解吸气。
作为优选的实施情况，所述混合形成的还原煤气中，CO和H2的总体积与CO2和H2O的体积之比为10～13；
作为优选的实施情况，所述富CH4原料气预热至300℃～400℃、富氧空气预热至200-300℃。
以下通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步的阐释：
实施例1：
还原钛钒磁铁矿制海绵铁
焦炉煤气经净化、加压后作为富CH4原料气与富氧空气分别经管式加热炉预热，富CH4原料气预热至400℃、富氧空气预热至250℃；预热后，两股气体进入非催化富氧转化炉中发生燃烧反应并升温，将其中的CH4转化成CO和H2，形成温度在1340℃的高温转化气，。
与上述同时，来自还原生成海绵铁的竖炉的炉顶气经换热器降温至210℃后，进入洗涤塔经水洗除尘降温至40℃，然后经加压机加压至0.45MPa后进入真空变压吸附氢提纯装置(VPSA)制得纯度达85％以上的提纯氢气；提纯氢气全部作为掺冷气，经所述管式加热炉预热后进入所述催化富氧转化炉的下部，与所述经燃烧反应生成的高温转化气混合，形成还原煤气，并通过控制用于掺冷的提纯氢气的流量和预热温度，控制还原煤气中CO和H2的总体积与CO2和H2O的体积之比为11，并使混合气体降温至1000℃，然后进入所述竖炉中将其中的钒钛磁铁矿还原成海绵铁。
由于本实施例中将富CH4原料气预热至400℃，未超过析碳温度，所以不会发生析碳。另外，管式炉预热温度低，外排烟气少，对管材要求不高，使得管式炉的投资较低，相比其它工艺技术路线，在投资和排放上的优势十分明显。
再则，原料气与富氧空气反应，可以在不使用蒸汽降温的情况下延长转化炉烧嘴使用寿命，同时保证还原气的还原度。
通过控制VPSA所制氢气流量来控制还原煤气的还原度，通过控制氢气预热温度来控制还原煤气温度，针对不同的矿石调节不同的还原度及还原煤气温度，有效防止海绵铁黏结。
最后由于该工艺不使用催化剂，不存在H2S导致催化剂失效的情况，对富CH4原料气中H2S含量无严格限制，尤其适合焦炉煤气这类H2S含量较高的原料气。
实施例2
还原普通铁矿制海绵铁
天然气经净化、调压后作为富CH4原料气与富氧空气分别经管式加热炉预热，富CH4原料气预热至350℃、富氧空气预热至260℃；预热后，两股气体进入非催化富氧转化炉中发生燃烧反应并升温，将其中的CH4转化成CO和H2，形成温度在1350℃高温转化气。
与上述同时，来自还原生成海绵铁的竖炉的炉顶气经换热器降温至210℃后，进入洗涤塔经水洗除尘降温至40℃，然后经加压机加压至0.8MPa后进入真空变压吸附氢提纯装置(VPSA)制得纯度达85％以上的提纯氢气；提纯氢气全部作为掺冷气，经所述管式加热炉预热后进入所述催化富氧转化炉的下部，与所述经燃烧反应生成的高温转化气混合，形成还原煤气，并通过控制用于掺冷的提纯氢气的流量和预热温度，控制还原煤气中CO和H2的总体积与CO2和H2O的体积之比为10，并使混合气体降温至900℃，然后进入所述竖炉中将铁矿石还原成海绵铁。
由于将富CH4原料气预热至350℃，未超过析碳温度，所以不会发生析碳。另外，管式炉预热温度低，外排烟气少，对管材要求不高，使得管式炉的投资较低，相比其它工艺技术路线，在投资和排放上的优势十分明显。
再则，原料气与富氧空气反应，可以在不使用蒸汽降温的情况下延长转化炉烧嘴使用寿命，同时保证还原气的还原度。
通过控制VPSA所制氢气流量来控制还原煤气的还原度，通过控制氢气预热温度来控制还原煤气温度，针对不同的矿石调节不同的还原度及还原煤气温度，有效防止海绵铁黏结。
最后由于该工艺不使用催化剂，不存在H2S导致催化剂失效的情况，对富CH4原料气中H2S含量无严格限制，尤其适合焦炉煤气这类H2S含量较高的原料气。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺方法，工艺路线为：经净化、调节压力后的富CH4原料气和富氧空气分别经预热后，进入非催化富氧转化炉，并在所述非催化富氧转化炉中发生燃烧反应并升温，将其中的CH4转化成CO和H2，形成高温转化气；与此同时，竖炉炉顶气经降温、除尘、加压后进入氢气提纯装置中制得提纯氢气，提纯氢气经预热后进入所述催化富氧转化炉的下部，与所述经燃烧反应生成的高温转化气混合，形成还原煤气；还原煤气然后进入竖炉将铁矿石还原成海绵铁。
2.如权利要求1所述的一种利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺方法，其特征在于，所述富CH4原料气为焦炉煤气或天然气。
3.如权利要求1所述的一种利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺方法，其特征在于，所述富氧空气的富氧率为35％-60％。
4.如权利要求1所述的一种利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺方法，其特征在于，所述富CH4原料气经预热后，温度不超过400℃；所述富氧空气经预热后，温度不超过300℃。
5.如权利要求1所述的一种利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺方法，其特征在于，所述燃烧反应生成的高温转化气的温度为1200℃～1450℃。
6.如权利要求1所述的一种利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺方法，其特征在于，所述混合形成的还原煤气的温度为850℃～1000℃。
7.如权利要求1所述的一种利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺方法，其特征在于，所述混合形成的还原煤气中，CO和H2的总体积与CO2和H2O的总体积之比不小于10。
8.如权利要求1所述的一种利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺方法，其特征在于，所述富CH4原料气、富氧空气和提纯氢气在同一个管式加热炉中进行预热。
9.如权利要求8所述的一种利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺方法，其特征在于，所述氢气提纯装置为真空变压吸附氢提纯装置。
10.如权利要求9所述的一种利用CH4非催化富氧转化生产海绵铁的直接还原工艺方法，其特征在于，所述管式加热炉的加热原料为富CH4原料气和/或所述真空变压吸附氢提纯装置产生的解吸气。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |