CN105733689A - 一种气基竖炉用还原气的制备系统以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气基竖炉用还原气的制备系统以及方法，所述系统包括蓄热式旋转床、气化炉、变换装置和气基竖炉；所述蓄热式旋转床依次经过气化炉、余热回收装置以及水洗塔与所述变换装置相连；所述蓄热式旋转床还依次经过冷却分离装置、气体净化装置以及转化炉与所述变换装置相连；所述变换装置经过所述余热回收装置与气基竖炉相连。本发明所提供的系统以及方法回收利用半焦气化过程中产生的热量加热还原气，同时，利用气化过程中副产的饱和蒸汽完成甲烷蒸汽重整反应，综合利用系统所产生的热量，提高了系统的能源利用率及经济效益。

Description

一种气基竖炉用还原气的制备系统以及方法
技术领域
本发明涉及化工和冶金生产领域，具体涉及一种气基竖炉用还原气的制备系统以及方法。
背景技术
非高炉炼铁技术是一种主要以非焦煤为燃料、不用焦炭或使用少量焦炭生产铁产品的炼铁方法。开发非高炉炼铁技术的主要目的就是要摆脱对冶金焦的依赖，扩大炼铁生产中非炼焦煤的使用比例并推进冶金能源、资源的高效循环利用。
在新疆、内蒙等缺乏焦煤而非焦煤资源丰富而且廉价的地区，大型煤制气、竖炉海绵铁联合流程具有很强的竞争力。由于缺乏天然气和富矿资源，我国迄今尚没有建设技术成熟、节能的大型气基直接还原竖炉、粉矿直接还原工业生产等炼铁前沿技术生产装置，尚缺乏成熟的大型气基直接还原竖炉炼铁生产技术的应用经验，但是目前在山西省、内蒙古和江苏省都有企业在筹建煤制气竖炉直接还原工程。
我国的能源结构为“富煤、贫油、少气”，适合发展以煤气化为气源的直接还原炼铁工艺。采用最新一代的洁净煤气化技术的大型竖炉直接还原工艺技术是目前最节能、低排放、高效率的大型化先进炼铁工艺，流程中避免了环境污染最严重的烧结和焦化工序，在能耗及排放方面联合工艺与高炉流程相比具有明显的优势，是我国钢铁工业及直接还原产业的发展方向。
传统的气基竖炉直接还原工艺以天然气为基础，使其推广应用受到了限制，只在天然气丰富的国家和地区才得以工业化应用。近年随着技术的发展，以COREX输出煤气、煤气化气和焦炉煤气等作还原气源进行直接还原铁生产的技术被提出，并逐渐成熟。尤其是以煤气化气为还原气源技术的开发，对那些缺少天然气，又不具备用焦炉煤气等为还原气源条件的地区或者钢铁企业，具有很重要的意义。
主焦煤的资源极为有限而且分布地域不均匀，仅占我国煤炭资源总量的25％左右。尽管我国是煤炭资源大国，但是随着我国钢铁产量的飞跃发展，据有关方面的预测，我国的炼焦煤资源只够使用30年。
与传统的高炉流程相比，气基竖炉直接还原/废钢电炉流程具有流程相对较短、不用炼焦煤、单套设备产量大、节能、减排CO2效果明显的技术优势，是钢铁工业摆脱焦煤资源羁绊，降低能耗，减少CO2排放，是无焦炼铁技术的主流。
发明内容
本发明的目的是提供一种气基竖炉用还原气的制备系统以及方法，将中低阶煤原料经过热解提质-气化得到适用于气基竖炉直接还原制备海绵铁的还原气，综合利用系统所产生的热量，不限煤种并能得到高附加值的副产物焦油，提高了系统的能源利用率及经济效益。
具体而言，本发明提供了一种气基竖炉用还原气的制备系统，所述系统包括蓄热式旋转床、气化炉、变换装置和气基竖炉。
本发明所述蓄热式旋转床的俯视图可参考图2所示，所述蓄热式旋转床采用蓄热式辐射管提高旋转床内温度，中低阶煤通过进料区的进料装置进入蓄热式旋转床内，经过加热区进行热解提质反应，反应得到气体产物和固体产物。所述气体产物从炉顶和/或炉侧的集气管出后进入冷却分离装置进行后续反应；所述固体产物经过出料区的出料装置排出炉外，通过干熄焦装置冷却降温后进入气化炉进行后续反应。
具体而言，所述蓄热式旋转床依次经过气化炉、余热回收装置以及水洗塔，与所述变换装置相连。所述蓄热式旋转床中产生的固体产物(半焦)通过出料装置排出炉外，并经干法熄焦冷却至～40℃后出料，由磨煤系统制备成90％以上粒径在5～95μm之间的煤焦粉，经二氧化碳密相输送至气化炉内完成气化反应，生成的高温合成气经余热回收装置回收热量，再经过水洗塔冷却、净化后，得到～40℃左右的常温合成气，所述常温合成气与下述还原气1混合后进入变换系统内进行变换反应。
同时，所述蓄热式旋转床还依次经过冷却分离装置、气体净化装置以及转化炉，与所述变换装置相连。所述蓄热式旋转床中产生的气体产物(荒煤气)经炉顶和/或炉侧的集气管收集后送入气体冷却装置(如：油气冷却塔)，冷却分离后得到焦油和不凝气，所述不凝气经气体净化装置(包括脱硫、除苯等工序)净化后得到净煤气(主要含有CO、H2、CH4等，其中CH4含量约为20％～50％)，所述净煤气进入转化炉完成水蒸气重整反应后得到还原气1，所述还原气1与所述常温合成气混合后进入变换系统内进行变换反应。作为优选方案，所述气体净化装置可通过燃烧原料气管道与所述蓄热式旋转床相连，从而使部分未参与制备还原气的反应的净煤气为蓄热式旋转床供能；具体而言，所述净煤气部分进入转化炉反应生成还原气1，剩余部分回送至蓄热式旋转床作为燃烧原料气，用于提高蓄热式旋转床床内温度。
所述变换装置经过所述余热回收装置与气基竖炉相连，使经变换反应后的还原气2通过所述余热回收装置被加热至合适温度后，直接送入气基竖炉内完成还原反应；具体而言，所述余热回收装置通过回收高温合成气中的高温热量，然后利用这部分高热加热还原气2至780～950℃后，送入气基竖炉，将球团矿还原成为目标产物海绵铁。所述蓄热体回收装置为两套或者更多，交替使用，以保证系统的稳定运行。
本发明所述的气化炉优选为可产生饱和水蒸汽的水夹套式水冷壁气流床气化炉，其结构可参考图3所示。所述气化炉内使用气化剂；所述气化剂为纯氧或富氧空气和过热蒸汽，气化剂通过上述顶置烧嘴的气化剂通道送入气化炉燃烧室内，气化剂纯氧或富氧空气和过热蒸汽可混合均匀后通过烧嘴的同一通道送入，也可分别通过烧嘴的两个通道送入。所述气化炉中使用冷却水(饱和水)，所述冷却水(饱和水)从汽包而来，所述饱和水通过热水循环泵在水夹套与汽包之间循环利用，并及时补充新鲜水至汽包，以保证水夹套-汽包系统的稳定运行。
所述气化炉中，冷却水(饱和水)从水夹套下方进入，从水夹套上方出，然后送入汽包，产生饱和蒸汽。作为优选方案，所述气化炉可通过水蒸汽管道与所述转化炉相连，使上述过程中产生的饱和蒸汽送入转化炉与净煤气中的CH4发生重整反应生成CO和H2。
本发明同时提供了一种制备气基竖炉还原气的方法；所述方法包括以下步骤：
(1)将原料煤破碎后输入蓄热式旋转床进行加热提质，得到固体产物和气体产物；所述原料煤优选为中低阶煤，更优选为褐煤或/和长焰煤；
(2)所述固体产物粉碎后送入气化炉进行气化反应制得高温合成气，经余热回收、水洗降温后得常温合成气；
同时，所述气体产物经冷却后分离，得焦油和不凝气；所述不凝气净化后得净煤气；
(3)所述净煤气与饱和蒸汽在转化炉内发生甲烷-水蒸汽重整反应得到还原气1，再与步骤(2)所得常温合成气混合后进行变换反应得到H2/CO＞0.7的还原气2，加热后直接送入气基竖炉内，即可。
本发明原料煤优选为中低阶煤，如褐煤或/和长焰煤。
本发明所述方法中，所述蓄热式旋转床采用蓄热式辐射管控制旋转床内温度，被预热至500～700℃。
为了确保反应的顺利进行并得到所需产物，所述气化炉内的温度控制在1100～1400℃。
所述高温合成气通过余热回收装置回收余热，降温至200～300℃，再进入水洗塔冷却至40℃以下。
所述步骤(3)中，还原气2被余热回收装置加热至780～950℃后，后直接送入气基竖炉内，即可。
为了实现能量的充分利用，本发明优选步骤(2)所得净煤气中，部分参与步骤(3)所述反应，剩余部分作为蓄热式旋转床辐射管燃烧的燃料，为蓄热式旋转床供能。
为了实现能量的充分利用，本发明优选将气化炉内产生的饱和水蒸汽通入转化炉中，与净煤气进行甲烷-水蒸汽重整反应。
本发明所述方法优选采用本发明提供的系统实施。
具体而言，原料煤破碎后通过进料装置送入蓄热式旋转床，所述蓄热式旋转床提前被加热至500～700℃，原料煤被加热提质，得到固体产物半焦和气体产物荒煤气。
气体产物荒煤气经炉顶和/或炉侧的集气管收集后送入油气冷却塔，冷却分离后得到焦油和不凝气。所得焦油经进一步加工可制得轻质汽柴油。所得不凝气经进一步净化，包括脱硫、除苯等工序，得到净煤气，所述净煤气一部分回送至蓄热式旋转床作为燃烧原料气，用于提高蓄热式旋转床床内温度；另一部分送入转化炉，与水蒸气发生重整反应得到还原气1，然后与半焦气化所得的合成气混合，处理后用作还原气2。
固体产物半焦通过出料装置排出炉外，并经干法熄焦冷却至～40℃后出料。所得成品半焦由磨煤系统制备成90％以上粒径在5～95μm之间的煤焦粉，然后经惰性气体(氮气或二氧化碳)密相输送送入所述气流床气化炉内进行气化反应，生成的高温合成气经余热回收装置、水洗塔冷却、净化后，与上述转化炉出来的还原气1混合，经变换处理后，得到的还原气2中H2/CO比例为0.5～4.0，优选为＞0.7，适用于气基竖炉直接还原铁矿制备海绵铁。
原料由密相输送泵送至气化炉炉顶，通过顶置烧嘴与气化剂通过不同的通道同时喷入气化炉燃烧室内完成气化反应，炉内温度1100～1400℃。高温合成气通过余热回收装置回收余热，将高温合成气温度降低至200～300℃，然后送入水洗塔冷却至～40℃左右的常温合成气。所述常温合成气与上述转化炉出来的还原气1混合后送入变换工序，经过水汽变换反应后得到H2/CO＝0.5～4.0，优选为H2/CO＞0.7的还原气2。所述灰渣进入燃烧室下方的分离室，通过分离室中的水封初步冷却高温灰渣，然后进入渣锁斗进一步冷却后排出炉外。
本发明提供的技术方案具有以下显著优势：
(1)本发明所提供的系统及方法主要处理中低阶煤，中低阶煤具有挥发分高、含水量大等特点，无法直接进入气流床进行气化反应。本发明提供的方法，对入炉煤种无要求，而且除可以得到高效洁净的合成气外，还可以有效回收中低阶煤产生的高附加值焦油，焦油经进一步加工可制得轻质汽柴油；
(2)本发明所提供的系统及方法是采用中低阶煤热解-气化制备气基竖炉直接还原铁用还原气，煤种适应性强，以球团矿为主要的铁质原料；
(3)本发明所提供的系统及方法回收利用半焦气化过程中产生的热量加热还原气，同时，利用气化过程中副产的饱和蒸汽完成甲烷蒸汽重整反应，综合利用系统所产生的热量，提高了系统的能源利用率及经济效益。
附图说明
图1为实施例1提供的气基竖炉还原气的制备系统示意图；图中：1、蓄热式旋转床；2、气化炉；3、余热回收装置；4、水洗塔；5、冷却分离装置；6、气体净化装置；7、转化炉；8、变换系统装置；9、气基竖炉；
图2为实施例1提供的蓄热式旋转床俯视图；
图3为实施例1提供的气化炉结构示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供了一种气基竖炉还原气的制备系统，如图1所示，包括蓄热式旋转床1(其俯视图如图2所示)和变换系统装置8；
所述蓄热式旋转床依次经过气化炉2、余热回收装置3以及水洗塔4，与所述变换系统装置8相连；所述蓄热式旋转床还依次经过冷却分离装置5、气体净化装置6以及转化炉7，与所述变换系统装置8相连；
所述气化炉2为水夹套式水冷壁气流床气化炉，其结构如图3所示汽；所述气化炉2通过水蒸汽管道与所述转化炉7相连；
所述气体净化装置6通过燃烧原料气管道与所述蓄热式旋转床1相连；
所述余热回收装置3由两组交替使用的蓄热体回收装置组成；所述变换系统装置8经过所述余热回收装置3与气基竖炉9相连。
实施例2
本实施例提供了一种利用实施例1所述系统制备气基竖炉还原气的方法，具体为：
原料褐煤破碎后通过进料装置送入蓄热式旋转床，所述蓄热式旋转床提前被加热至500～700℃，原料煤被加热提质，得到固体产物半焦和气体产物荒煤气。气体产物荒煤气经炉顶和/或炉侧的集气管收集后送入油气冷却塔，冷却分离后得到焦油和不凝气，不凝气经脱硫、除苯等工序净化后得到净煤气，所述净煤气一部分回送至蓄热式旋转床作为燃烧原料气，用于提高蓄热式旋转床床内温度；另一部分经转化炉完成水蒸气重整反应后得到还原气1，然后与半焦气化所得的合成气混合，处理后用作还原气2。
固体产物半焦通过出料装置排出炉外，并经干法熄焦冷却至～40℃后出料。所得成品半焦由磨煤系统制备成90％以上粒径在5～95μm之间的煤焦粉，经二氧化碳密相输送至气流床气化炉内完成气化反应，生成的高温合成气经余热回收装置、水洗塔冷却、净化后，得到～40℃左右的常温合成气。该合成气与上述转化炉出来的还原气1混合后进入水汽变换工序，将混合气中的H2/CO比例为调整为1.5，得到适用于气基竖炉直接还原的还原气2。该还原气2通过前述余热回收装置，被加热至850℃左右后直接送入气基竖炉内完成直接还原反应得到海绵铁。
实施例3
本实施例提供了一种利用实施例1所述系统制备气基竖炉还原气的方法，具体为：
原料长焰煤破碎后通过进料装置送入蓄热式旋转床，所述蓄热式旋转床提前被加热至500～700℃，原料煤被加热提质，得到固体产物半焦和气体产物荒煤气。气体产物荒煤气经炉顶和/或炉侧的集气管收集后送入油气冷却塔，冷却分离后得到焦油和不凝气，不凝气经脱硫、除苯等工序净化后得到净煤气，所述净煤气一部分回送至蓄热式旋转床作为燃烧原料气，用于提高蓄热式旋转床床内温度；另一部分经转化炉完成水蒸气重整反应后得到还原气1，然后与半焦气化所得的合成气混合，处理后用作还原气2。
固体产物半焦通过出料装置排出炉外，并经干法熄焦冷却至～40℃后出料。所得成品半焦由磨煤系统制备成90％以上粒径在5～95μm之间的煤焦粉，经二氧化碳密相输送至气流床气化炉内完成气化反应，生成的高温合成气经余热回收装置、水洗塔冷却、净化后，得到～40℃左右的常温合成气。该合成气与上述转化炉出来的还原气1混合后进入水汽变换工序，将混合气中的H2/CO比例为调整为2.0，得到适用于气基竖炉直接还原的还原气2。该还原气2通过前述余热回收装置，被加热至900℃左右后直接送入气基竖炉内完成直接还原反应得到海绵铁。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种气基竖炉用还原气的制备系统，其特征在于，包括蓄热式旋转床、气化炉、变换装置和气基竖炉；
所述蓄热式旋转床依次经过气化炉、余热回收装置以及水洗塔与所述变换装置相连；所述蓄热式旋转床还依次经过冷却分离装置、气体净化装置以及转化炉与所述变换装置相连；
所述变换装置经过所述余热回收装置与气基竖炉相连。
2.根据权利要求1所述的制备系统，其特征在于，所述气化炉为水夹套式水冷壁气流床气化炉，可产生饱和水蒸汽；
所述气化炉通过水蒸汽管道与所述转化炉相连。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述气体净化装置通过燃烧原料气管道与所述蓄热式旋转床相连。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的装置，其特征在于，所述余热回收装置由两组以上蓄热体回收装置组成。
5.一种气基竖炉用还原气的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将原料煤破碎后输入蓄热式旋转床进行加热提质，得到固体产物和气体产物；所述原料煤优选为中低阶煤，更优选为褐煤或/和长焰煤；
(2)所述固体产物粉碎后送入气化炉进行气化反应制得高温合成气，经余热回收、水洗降温后得常温合成气；
同时，所述气体产物经冷却后分离，得焦油和不凝气；所述不凝气净化后得净煤气；
(3)所述净煤气与饱和蒸汽在转化炉内发生甲烷-水蒸汽重整反应得到还原气1，再与步骤(2)所得常温合成气混合后进行变换反应得到H2/CO＞0.7的还原气2，加热后直接送入气基竖炉内，即可。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述蓄热式旋转床采用蓄热式辐射管控制旋转床内温度。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述还原气2被余热回收装置加热至780～950℃。
8.根据权利要求5～7任意一项所述的方法，其特征在于，所述高温合成气通过余热回收装置回收余热，降温至200～300℃，再进入水洗塔冷却至40℃以下。
9.根据权利要求5～8任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所得净煤气中，部分参与步骤(3)所述反应，剩余部分作为蓄热式旋转床辐射管燃烧的燃料。
10.根据权利要求5～9任意一项所述的方法，其特征在于，所述气化炉产生的蒸汽进入转化炉参与甲烷重整反应。
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