CN106521073A - 一种利用炉顶气制备直接还原铁的系统及方法 - Google Patents

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范志辉
刘亮
员晓
曹志成
吴道洪
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    • C21B13/0073—Selection or treatment of the reducing gases

Abstract

本发明公开了一种利用炉顶气制备直接还原铁的系统及方法。系统包括：气基竖炉，具有氧化物料入口、还原气入口、高温炉顶气出口和直接还原铁出口；洗涤器，具有高温炉顶气入口和净化炉顶气出口，高温炉顶气入口与高温炉顶气出口相连；压缩机，具有净化炉顶气入口和压缩炉顶气出口，净化炉顶气入口与净化炉顶气出口相连；除氮装置，具有压缩炉顶气入口、净化气出口和富氮气出口，压缩炉顶气入口与压缩炉顶气出口相连；脱硫脱碳塔，具有净化气入口、第一还原气出口和CO2出口，净化气入口与净化气出口相连；加热炉，具有低温还原气入口和高温还原气出口，低温还原气入口与第一还原气出口相连，高温还原气出口与还原气入口相连。所得直接还原铁品质高。

Description

一种利用炉顶气制备直接还原铁的系统及方法
技术领域
本发明属于直接还原炼铁技术领域，具体涉及一种利用炉顶气制备直接还原铁的系统及方法。
背景技术
直接还原铁(DRI)又称海绵铁，是铁矿石在低于熔化温度下直接还原得到的含铁产品。海绵铁是一种废钢的代用品，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。
生产直接还原铁的工艺称为直接还原法，属于非高炉炼铁工艺，分为气基法和煤基法两大类。其中，76％的直接还原铁是通过气基法生产的。气基法采用还原气(其主要成分为CO和H2)还原铁矿石，制备直接还原铁。目前，还原气主要以天然气为原料制得，其制备成本很高。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用炉顶气制备直接还原铁的新工艺，降低直接还原铁的生产成本。
本发明首先提供了一种利用炉顶气制备直接还原铁的系统，所述系统包括：
气基竖炉，具有氧化物料入口、还原气入口、高温炉顶气出口和直接还原铁出口；
洗涤器，具有高温炉顶气入口和净化炉顶气出口，所述高温炉顶气入口与所述气基竖炉的高温炉顶气出口相连；
压缩机，具有净化炉顶气入口和压缩炉顶气出口，所述净化炉顶气入口与所述洗涤器的净化炉顶气出口相连；
除氮装置，具有压缩炉顶气入口、净化气出口和富氮气出口，所述压缩炉顶气入口与所述压缩机的压缩炉顶气出口相连；
脱硫脱碳塔，具有净化气入口、第一还原气出口和CO2出口，所述净化气入口与所述脱氮装置的净化气出口相连；
加热炉，具有低温还原气入口和高温还原气出口，所述低温还原气入口与所述脱硫脱碳塔的第一还原气出口相连，所述高温还原气出口与所述气基竖炉的还原气入口相连。
在本发明的一些实施例中，所述系统还包括：
逆变换炉，具有H2入口、燃料气入口、第一CO2入口、第二CO2入口和高温混合气体出口，所述第一CO2入口与所述脱硫脱碳塔的CO2出口相连；
间冷器，具有混合气体入口、第二还原气出口和水出口，所述混合气体入口与所述逆变换炉的高温混合气体出口相连，所述第二还原气出口与所述加热炉的低温还原气入口相连。
在本发明的一些实施例中，所述系统还包括换热器，所述换热器具有低温H2入口、第一低温CO2入口、第二低温CO2入口、高温混合气体入口、预热H2出口、第一预热CO2出口、第二预热CO2出口和低温混合气体出口，所述第一低温CO2入口与所述脱硫脱碳塔的CO2出口相连，所述高温混合气体入口与所述逆变换炉的高温混合气体出口相连，所述预热H2出口与所述逆变换炉的H2入口相连，所述第一预热CO2出口与所述逆变换炉的第一CO2入口相连，所述第二预热CO2出口与所述逆变换炉的第二CO2入口相连，所述低温混合气体出口与所述间冷器的混合气体出口相连。
此外，本发明还提供了一种利用上述系统制备直接还原铁的方法，所述方法包括如下步骤：
准备氧化物料；
将从所述气基竖炉中排出的高温炉顶气送入所述洗涤器中除尘和脱水，获得净化炉顶气；
将所述净化炉顶气送入所述除氮装置中除氮，获得净化气；
将所述净化气送入所述脱硫脱碳塔中，脱硫脱碳，获得第一还原气；
将所述第一还原气送入所述加热炉中加热，获得高温还原气；
将所述高温还原气送入所述气基竖炉中，用于还原所述氧化物料，获得直接还原铁。
在本发明的一些实施例中，所述脱硫脱碳塔还会排出CO2，再加入新的CO2，然后在催化剂的作用下，混合CO2与H2进行逆变换反应，再除去反应制得的高温混合气体中的水蒸气，获得第二还原气，将所述第二还原气加热后送入所述气基竖炉中制备直接还原铁。
在本发明的一些实施例中，将所述高温混合气体与所述混合CO2和所述H2进行换热，回收所述高温混合气体的热量。
在本发明的一些实施例中，所述催化剂为铜基催化剂或铁基催化剂。
在本发明的一些实施例中，将所述第一还原气和所述第二还原气加热至800℃-950℃，再送入所述气基竖炉中，用于制备直接还原铁。
在本发明的一些实施例中，所述混合CO2与所述H2的体积比为10-20:80-90。
在本发明的一些实施例中，所述混合CO2和所述H2在500℃-700℃的温度下进行逆变换反应。
本发明采用炉顶气作为原料，制备直接还原铁用还原气，炉顶气的循环利用率为100％以上。不仅节约了原料，还降低了系统能耗，从而降低了直接还原铁的生产成本。
其次，本发明采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气，既减少了投资，又降低了能耗。本发明制得的还原气的还原能力强，还原气中CO和H2的含量高于85％，且还原气中水蒸气的含量低于5％；由其制得的直接还原铁的品质高。
此外，本发明的炉顶气经过脱硫脱碳处理后再循环利用，因此本发明提供的工艺可用于还原高硫氧化物球团。
本发明可用于工业化生产装置，特别是大中型工业试验装置。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种利用炉顶气制备直接还原铁的系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中的一种利用上述制备直接还原铁的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
本发明提供的采用气基法生产直接还原铁的系统包括：气基竖炉，具有氧化物料入口、还原气入口、高温炉顶气出口和直接还原铁出口；洗涤器，具有高温炉顶气入口和净化炉顶气出口，高温炉顶气入口与气基竖炉的高温炉顶气出口相连；压缩机，具有净化炉顶气入口和压缩炉顶气出口，净化炉顶气入口与洗涤器的净化炉顶气出口相连；除氮装置，具有压缩炉顶气入口、净化气出口和富氮气出口，压缩炉顶气入口与压缩机的压缩炉顶气出口相连；脱硫脱碳塔，具有净化气入口、第一还原气出口和CO2出口，净化气入口与脱氮装置的净化气出口相连；加热炉，具有低温还原气入口和高温还原气出口，低温还原气入口与脱硫脱碳塔的第一还原气出口相连，高温还原气出口与气基竖炉的还原气入口相连。
从气基竖炉排出的炉顶气的主要成分为CO、CO2和H2，其中，CO和H2的总含量更是高达70％。经过净化、除氮和脱硫脱碳处理后，即制得还原气，在本发明中，该还原气被称为第一还原气。
本发明采用炉顶气作为原料，制备直接还原铁用还原气，炉顶气的循环利用率为100％以上。不仅节约了原料，还降低了系统能耗，从而降低了直接还原铁的生产成本。
其次，本发明采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气，既减少了投资，又降低了能耗。本发明制得的还原气的还原能力强，还原气中CO和H2的含量高于85％，且还原气中水蒸气的含量低于5％；由其制得的直接还原铁的品质高。
此外，本发明的炉顶气经过脱硫脱碳处理后再循环利用，因此本发明提供的工艺可用于还原高硫氧化物球团。
在本发明优选的实施例中，参考图1，上述系统还包括系统还包括：逆变换炉和间冷器。
逆变换炉具有H2入口、燃料气入口、第一CO2入口、第二CO2入口和高温混合气体出口，第一CO2入口与脱硫脱碳塔的CO2出口相连。
间冷器具有混合气体入口、第二还原气出口和水出口，混合气体入口与逆变换炉的高温混合气体出口相连，第二还原气出口与加热炉的低温还原气入口相连。
在上述优选的实施例中，从脱硫脱碳塔排出的CO2进一步与H2进行反应，制备CO，获得主要成分为CO和H2的高温混合气体，将此该高温混合气体冷却，脱除其中的水蒸气，获得还原气，在本发明中，将该还原气称为第二还原气。
在上述的优选实施例中，在反应初期，从气基竖炉中排出炉顶气不多，因此其含有的CO2的量也不足以供气基竖炉使用，因此加入了比较多的新CO2，本发明由炉顶气制得的CO2称为第一还原气，将加入的新CO2称为第二还原气。
在上述优选实施例中，采用炉顶气中的CO2进一步制备第二还原气，不仅提高了产品的经济价值，降低了系统能耗，而且整个工艺只有少量的CO2排放，对环境友好。
在本发明优选的实施例中，参考图1，上述系统还包括换热器，换热器具有低温H2入口、第一低温CO2入口、第二低温CO2入口、高温混合气体入口、预热H2出口、第一预热CO2出口、第二预热CO2出口和低温混合气体出口，第一低温CO2入口与脱硫脱碳塔的CO2出口相连，高温混合气体入口与逆变换炉的高温混合气体出口相连，预热H2出口与逆变换炉的H2入口相连，第一预热CO2出口与逆变换炉的第一CO2入口相连，第二预热CO2出口与逆变换炉的第二CO2入口相连，低温混合气体出口与间冷器的混合气体出口相连。
其中，换热器用于回收逆变换炉制得的高温混合气体的热量，回收的热量被用于预热进入逆变换炉的物料，热量利用率高。
本发明进一步提供了一种利用上述系统制备直接还原铁的方法，该方法包括如下步骤：
准备氧化物料；
将从气基竖炉中排出的高温炉顶气送入洗涤器中除尘和脱水，获得净化炉顶气；
将净化炉顶气送入除氮装置中除氮，获得净化气；
将净化气送入脱硫脱碳塔中，脱硫脱碳，获得第一还原气；
将第一还原气送入加热炉中加热，获得高温还原气；
将高温还原气送入气基竖炉中，用于还原氧化物料，获得直接还原铁。
其中，制得的净化气中N2含量≤8％。
经过大量实验发现，脱硫脱碳塔还会排出CO2，该CO2占上述净化气的10％-20％。同前所述，可再加入部分新的CO2，然后在催化剂的作用下，将混合CO2与H2进行逆变换反应，再除去反应制得的高温混合气体中的水蒸气，制备第二还原气。将第二还原气加热后送入气基竖炉中制备直接还原铁。
经过大量的实验发现，上述混合CO2与H2的体积比优选为10-20:80-90，在此比例下制得的第二还原气中的H2/CO的比例大概在1.5-2左右，由其制得的直接还原铁的含铁率高。
同前所述，可将高温混合气体与混合CO2和H2进行换热，回收高温混合气体的热量，降低系统的能耗。
同前所述，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气。在本发明优选的实施例中，催化剂为铜基催化剂或铁基催化剂，其价格低廉，且催化效果好。
在本发明优选的实施例中，由于采用了高温混合气体预热进入逆变换炉的物料，因此，物料在进行逆变换反应时所需的热量不用太多。经过大量实验发现，在上述优选的实施例中，在500℃-700℃的温度下，逆变换反应即可反应得比较彻底。
还原反应所需的温度大约为800℃-950℃。同前所述，还可第一还原气和第二还原气加热至800℃-950℃，再送入气基竖炉中，用于制备直接还原铁。
需要说明的是，上述系统中各装置的有益效果和上述利用该系统制备直接还原铁的方法的有益效果有部分重叠，为了更加简洁，在方法部分并未过多叙述。此外，本发明所有提及的气体的百分含量均为体积含量，气体的百分比均为体积百分比。
下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述发明内容中所示。下述实施例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。
实施例1
本实施例提供一种采用气基法生产直接还原铁的系统，图1为其结构示意图。
如图1所示，该系统包括：气基竖炉1、洗涤器2、压缩机3、除氮装置4、脱硫脱碳塔5、换热器6、逆变换炉7、间冷器8和加热炉9。
气基竖炉1具有氧化物料入口、还原气入口、高温炉顶气出口和直接还原铁出口。
洗涤器2具有高温炉顶气入口和净化炉顶气出口，高温炉顶气入口与气基竖炉1的高温炉顶气出口相连。
压缩机3具有净化炉顶气入口和压缩炉顶气出口，净化炉顶气入口与洗涤器2的净化炉顶气出口相连。
除氮装置4具有压缩炉顶气入口、净化气出口和富氮气出口，压缩炉顶气入口与压缩机3的压缩炉顶气出口相连。
脱硫脱碳塔5具有净化气入口、第一还原气出口和CO2出口，净化气入口与脱氮装置4的净化气出口相连。
换热器6具有低温H2入口、第一低温CO2入口、第二低温CO2入口、高温混合气体入口、预热物料出口和低温混合气体出口，第一低温CO2入口与脱硫脱碳塔5的CO2出口相连。本实施例将上述预热H2出口、第一预热CO2出口和第二预热CO2出口连接，形成一个预热物料出口，减少了系统中的管路。
逆变换炉7具有预热物料入口、燃料气入口和高温混合气体出口，预热物料入口与换热器6的预热物料出口相连，高温混合气体出口与换热器6的高温混合气体入口相连。由于在换热器6中，预热H2、第一预热CO2和第二预热CO2混合后再送入逆变换炉7中，因此，本实施例中的逆变换炉7也只设置有一个预热物料入口，其作用与上文中提及的H2入口、第一CO2入口和第二CO2入口的作用相同。
间冷器8具有混合气体入口、第二还原气出口和水出口，混合气体入口与换热器6的低温混合气体出口相连。
加热炉9具有低温还原气入口和高温还原气出口，低温还原气入口分别与脱硫脱碳塔5的第一还原气出口和间冷器8的第二还原气出口相连，高温还原气出口与气基竖炉的还原气入口相连。
实施例2
本实施例提供一种利用实施例1所述的系统制备直接还原铁的方法，其工艺流程如图2所示，具体如下：
准备原料：全铁品位为62％的氧化球团、H2和CO2，H2和CO2的纯度为95％，其余成分为N2。
制备还原气：
1)将从气基竖炉1中排出的高温炉顶气送入洗涤器2中除尘和脱水，获得净化炉顶气。将净化炉顶气送入压缩机3中进行压缩，获得压缩炉顶气。将压缩炉顶气送入除氮装置4中脱除N2，获得净化气。将净化气送入脱硫脱碳塔5中，脱硫脱碳后，获得第一还原气、第一CO2和富氮气。
2)将第一CO2送入换热器6中，再往其中加入H2和新的CO2(即第二CO2)，获得预热的H2和CO2的混合气。H2和CO2的体积比为80:20，预热后的混合气的温度约为550℃。将预热后的混合气送入逆变换炉7中，进行逆变换反应，获得高温混合气体，将高温混合气体再送回换热器6中预热H2和CO2，然后再送入间冷器8中，除去其中的水蒸气，获得第二还原气。
3)将第一还原气和第二还原气送入加热炉9中，加热至约950℃，获得高温还原气。
逆变换7炉所用的催化剂为铜基催化剂，逆变换反应的温度为500℃。制得的高温还原气中H2O、CO2和N2的含量分别为2.3％、3.3％和6.3％，H2和CO的总含量为88.1％。
刚开炉时，送入换热器6中的CO2均为第二CO2。运行10h后，加入的第二CO2仅占总CO2的1％。脱硫脱碳塔5制得的为第一CO2与净化气的体积比为7:50。脱硫脱碳塔5制得的富氮气为28Nm3/DRI。
还原铁矿石：将高温还原气送入气基竖炉1中还原上述氧化球团，制备直接还原铁。制得的直接还原铁的金属化率为93％。
实施例3
本实施例提供一种利用实施例1所述的系统制备直接还原铁的方法，其工艺流程如图2所示，具体如下：
准备原料：全铁品位为67％的氧化球团、H2和CO2，H2和CO2的纯度为99％，其余成分为N2。
制备还原气：
1)将从气基竖炉1中排出的高温炉顶气送入洗涤器2中除尘和脱水，获得净化炉顶气。将净化炉顶气送入压缩机3中进行压缩，获得压缩炉顶气。将压缩炉顶气送入除氮装置4中脱除N2，获得净化气。将净化气送入脱硫脱碳塔5中，脱硫脱碳后，获得第一还原气、第一CO2和富氮气。
2)将第一CO2送入换热器6中，再往其中加入H2和新的CO2(即第二CO2)，获得预热的H2和CO2的混合气。H2和CO2的体积比为90:10，预热后的混合气的温度约为550℃。将预热后的混合气送入逆变换炉7中，进行逆变换反应，获得高温混合气体，将高温混合气体再送回换热器6中预热H2和CO2，然后再送入间冷器8中，除去其中的水蒸气，获得第二还原气。
3)将第一还原气和第二还原气送入加热炉9中，加热至约800℃，获得高温还原气。
逆变换7炉所用的催化剂为铁基催化剂，逆变换反应的温度为700℃。制得的高温还原气中H2O、CO2和N2的含量分别为2.3％、3.1％和6.1％，H2和CO的总含量为88.5％。
刚开炉时，送入换热器6中的CO2均为第二CO2。运行10h后，加入的第二CO2仅占总CO2的1％。脱硫脱碳塔5制得的为第一CO2与净化气的体积比为8:50。脱硫脱碳塔5制得的富氮气为2Nm3/DRI。
还原铁矿石：将高温还原气送入气基竖炉1中还原上述氧化球团，制备直接还原铁。制得的直接还原铁的金属化率为95％。
从上述实施例可知，采用本发明提供的工艺制得的直接还原铁的品质高，且生产成本低。
综上，本发明采用炉顶气作为原料，制备直接还原铁用还原气，炉顶气的循环利用率为100％以上。不仅节约了原料，还降低了系统能耗，从而降低了直接还原铁的生产成本。
其次，本发明采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气，既减少了投资，又降低了能耗。本发明制得的还原气的还原能力强，还原气中CO和H2的含量高于85％，且还原气中水蒸气的含量低于5％；由其制得的直接还原铁的品质高。
此外，本发明的炉顶气经过脱硫脱碳处理后再循环利用，因此本发明提供的工艺可用于还原高硫氧化物球团。
本发明可用于工业化生产装置，特别是大中型工业试验装置。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种利用炉顶气制备直接还原铁的系统，其特征在于，所述系统包括：
气基竖炉，具有氧化物料入口、还原气入口、高温炉顶气出口和直接还原铁出口；
洗涤器，具有高温炉顶气入口和净化炉顶气出口，所述高温炉顶气入口与所述气基竖炉的高温炉顶气出口相连；
压缩机，具有净化炉顶气入口和压缩炉顶气出口，所述净化炉顶气入口与所述洗涤器的净化炉顶气出口相连；
除氮装置，具有压缩炉顶气入口、净化气出口和富氮气出口，所述压缩炉顶气入口与所述压缩机的压缩炉顶气出口相连；
脱硫脱碳塔，具有净化气入口、第一还原气出口和CO2出口，所述净化气入口与所述脱氮装置的净化气出口相连；
加热炉，具有低温还原气入口和高温还原气出口，所述低温还原气入口与所述脱硫脱碳塔的第一还原气出口相连，所述高温还原气出口与所述气基竖炉的还原气入口相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
逆变换炉，具有H2入口、燃料气入口、第一CO2入口、第二CO2入口和高温混合气体出口，所述第一CO2入口与所述脱硫脱碳塔的CO2出口相连；
间冷器，具有混合气体入口、第二还原气出口和水出口，所述混合气体入口与所述逆变换炉的高温混合气体出口相连，所述第二还原气出口与所述加热炉的低温还原气入口相连。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括换热器，所述换热器具有低温H2入口、第一低温CO2入口、第二低温CO2入口、高温混合气体入口、预热H2出口、第一预热CO2出口、第二预热CO2出口和低温混合气体出口，所述第一低温CO2入口与所述脱硫脱碳塔的CO2出口相连，所述高温混合气体入口与所述逆变换炉的高温混合气体出口相连，所述预热H2出口与所述逆变换炉的H2入口相连，所述第一预热CO2出口与所述逆变换炉的第一CO2入口相连，所述第二预热CO2出口与所述逆变换炉的第二CO2入口相连，所述低温混合气体出口与所述间冷器的混合气体出口相连。
4.一种利用权利要求1-3中任一所述系统制备直接还原铁的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
准备氧化物料；
将从所述气基竖炉中排出的高温炉顶气送入所述洗涤器中除尘和脱水，获得净化炉顶气；
将所述净化炉顶气送入所述除氮装置中除氮，获得净化气；
将所述净化气送入所述脱硫脱碳塔中，脱硫脱碳，获得第一还原气；
将所述第一还原气送入所述加热炉中加热，获得高温还原气；
将所述高温还原气送入所述气基竖炉中，用于还原所述氧化物料，获得直接还原铁。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在在于，所述脱硫脱碳塔还会排出CO2，再加入新的CO2，然后在催化剂的作用下，混合CO2与H2进行逆变换反应，再除去反应制得的高温混合气体中的水蒸气，获得第二还原气，将所述第二还原气加热后送入所述气基竖炉中制备直接还原铁。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述高温混合气体与所述混合CO2和所述H2进行换热，回收所述高温混合气体的热量。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述催化剂为铜基催化剂或铁基催化剂。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述第一还原气和所述第二还原气加热至800℃-950℃，再送入所述气基竖炉中，用于制备直接还原铁。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述混合CO2与所述H2的体积比为10-20:80-90。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述混合CO2和所述H2在500℃-700℃的温度下进行逆变换反应。
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