CN106521074B - 一种利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备及工艺 - Google Patents
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Abstract
一种利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备及工艺，属于还原铁生产设备及工艺技术领域，用于使用甲醇裂解生产直接还原铁。其技术方案是：气基还原竖炉是本发明的主体，它包括提升机、料仓、尾气分离仓、还原管、螺旋输料机构、甲醇裂解管、气体燃烧器、甲醇换热箱体、氢气换热箱体、冷却罐。甲醇通过甲醇汽化器、甲醇换热箱体进入甲醇裂解管，利用还原铁做催化剂实现完全裂解，产生还原剂一氧化碳和氢气；甲醇与氮气和少量的甲烷、一氧化碳组成可调式渗碳气氛生产高碳还原铁，同时可实现二氧化碳近零排放。本发明将甲醇作为气基还原竖炉的原料生产高碳还原铁，实现了煤化工和直接还原铁的结合，为取代天然气生产高碳还原铁开辟了新的途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备及工艺，属于还原铁生产设备及工艺技术领域。
背景技术
我国钢铁工业十三五规划中指出，要发展短流程电炉炼钢。电炉炼钢主要原料是废钢和直接还原铁，直接还原铁除了要求金属化率高以外，含碳量也是非常重要的指标。高碳的直接还原铁在出炉后能抑制金属铁与氧化成分（空气、水）接触后发生再氧化。无需惰性气体保护和压块，从而省去压块环节，并降低了储存和运输成本。在电炉炼钢中使用高碳直接还原铁还具有以下几项好处：1.渗碳体的分解反应是放热反应（FeC=3Fe+C+ΔE-0.4kwh/kg c），可改善电炉的热效应，减小电能消耗；2.有效利用碳元素，相比较其它形式的碳元素来源，直接还原铁中渗碳体在电炉中具有较高的还原率；3.易产生泡沫渣，因为炉内的高碳直接还原铁可与自由氧或化学氧相结合；4.可用相同的系统控制金属物料和碳元素的添加速度；5.高碳直接还原铁可降低喷吹碳粉量，或者不需要喷吹碳粉，喷吹碳粉的使用效果较差，而且成本很高。
目前，世界上最先进的直接还原铁生产工艺是HYL ZR，它利用的是天然气的自重整生产高碳还原铁，但是我国天然气能源短缺，不适合我国的能源结构。现在国内研究的热门技术是利用煤制气生产直接还原铁，提出三十多年没有成功，原因是煤制气工艺流程长，设备复杂，技术跨度大，没有联合机制。再加上现在国家对煤炭资源收紧，推行煤化工大型化，大的煤化工企业又主要建在西北地区，和钢铁企业实体上的联合变得更加困难。
与此同时，甲醇是煤化工生产中最重要的一项产品，既是最终产物又是中间产物。甲醇在我国是过剩产能，现在开工率不足63%，如果能够利用甲醇生产还原铁，不但能够实现煤化工和直接还原铁的结合，为取代高炉炼铁找到一个好方法，也符合国家“去产能、补短板”的产业政策。
本发明最重要的意义是把煤化工与直接还原铁生产通过甲醇连接起来。
甲醇作为气基还原竖炉的原料具有以下优点：1.常温下是液体，安全稳定；2.便于储存和运输；3.分子结构简单；4、不含硫；5.氢碳比高；6.裂解温度低；7.产物中一氧化碳的含量低（意味着反应后CO2含量低），成为首选的化学储氢物质；8.来源非常广泛，市场存量大，煤制气生产甲醇是最主要的来源。同时，甲醇裂解制氢工艺是现在化工行业比较成熟的技术，甲醇在高温及特制催化剂下，产生CO和H2，然后和水蒸气重整，将CO变换成CO2和H2。如果将甲醇裂解制氢工艺直接和气基竖炉相结合，不但成本高，而且甲醇中的C元素绝大部分转变成了二氧化碳而排放。
中国专利申请2016101666856公开了一种利用甲醇直接还原球团矿的工艺。其还原剂来源是甲醇和来自电解水的氢气，裂解温度为750-900℃。在生产方式上，该工艺是间断式生产采用自然降温，并未采取环保措施。此外，其炉体采用管式气氛炉的形式，在推广应用中存在着局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备及工艺，这种设备及工艺可以充分利用甲醇资源，将甲醇作为气基还原竖炉的原料生产高碳还原铁，实现煤化工和直接还原铁的结合，为取代天然气生产高碳还原铁开辟新的途径。
解决上述技术问题的技术方案是：
一种利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备，它包括气基还原竖炉，气基还原竖炉由提升机、料仓、连接管道、尾气分离仓、还原管、螺旋输料机构、甲醇裂解管、气体燃烧器、甲醇换热箱体、氢气换热箱体、螺旋输料通道、冷却罐组成，提升机安装在料仓的顶部，料仓的下端通过连接管道与尾气分离仓相连接，尾气分离仓的下端与还原管相连接，还原管的下方连接甲醇裂解管，螺旋输料机构的上端安装在还原管内，螺旋输料机构的下端直通到甲醇裂解管的底部，还原管的下部管壁上安装气体燃烧器，甲醇裂解管的下端通过水平的螺旋输料通道与冷却罐上端相连接，甲醇裂解管外壁上分别安装甲醇换热箱体和氢气换热箱体，甲醇换热箱体的进气口通过管道与甲醇汽化器相连接，甲醇换热箱体的过热甲醇蒸汽通过甲醇换热箱体的出气口通入甲醇裂解管中，氢气换热箱体的进气口与氢气输送管道相连接，氢气换热箱体的出气口与还原管相连接。
上述利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备，所述尾气分离仓内安装有伞形挡板，伞形挡板的上端与尾气分离仓的入口相对，伞形挡板连接提升杆，提升杆与提升装置相连接，提升装置安装在尾气分离仓外部，在连接管道上安装有氮气喷入口，尾气排气口安装在尾气分离仓的上部。
上述利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备，所述还原管的顶部有一个垂直放置的筒体，螺旋输料机构的顶部支撑铜轴套安装在筒体中，筒体上安装有一氧化碳气体喷入口，一氧化碳气体喷入口与一氧化碳输送管道相连接。
上述利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备，所述还原管的下部管壁上的气体燃烧器为四个，每侧两个上下排列，每个气体燃烧器分别与氧气输送管道和氢气输送管道相连接，在气体燃烧器的下方有还原气体喷射入口，还原气体喷射入口与氢气输送管道相连接，气体燃烧器和还原气体喷射入口的氢气输送管道与氢气换热箱体的氢气出气口相连接。
上述利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备，它还有余热回收装置、旋风除尘器、冷凝器、布袋除尘器、变压吸附塔，余热回收装置、旋风除尘器、冷凝器、布袋除尘器顺序连接在尾气分离仓的尾气排气口与变压吸附塔之间，变压吸附塔为第一变压吸附塔和第二变压吸附塔相连接的双塔结构，第一变压吸附塔的氢气输出管道与氢气换热箱体相连接，第二变压吸附塔的一氧化碳输出管道与还原管的顶部筒体的一氧化碳气体喷入口和甲醇汽化器与甲醇换热箱体的连接管相连接。
一种采用上述设备利用甲醇裂解生产直接还原铁的工艺，它采用以下步骤进行：
a．甲醇由甲醇储罐注入甲醇汽化器，经高温汽化的甲醇蒸汽进入甲醇裂解管的甲醇换热箱体内，逐渐加热成过热甲醇蒸汽，过热甲醇蒸汽从甲醇换热箱体顶部出口排出进入甲醇裂解管内，在甲醇裂解管内金属铁的催化下迅速裂解，与下面的氮气形成了氮基甲醇渗碳气氛，将球团还原为高碳还原铁；
b．尾气分离仓分离出的尾气经过尾气排气口后顺序通过余热回收装置、旋风除尘器、冷凝器、布袋除尘器进入变压吸附塔，经过第一变压吸附塔提取纯度为99%-99.99%氢气，氢气通过氢气输送管道进入氢气换热箱体内，氢气换热箱体的氢气输送到气体燃烧器和还原气体喷射入口，用于进行燃烧和还原反应；
c．第一变压吸附塔的解吸气进入第二变压吸附塔，提取纯度为99%-99.99%的一氧化碳，一氧化碳通过一氧化碳输送管道输送到还原管顶部的一氧化碳气体喷入口和甲醇汽化器与甲醇换热箱体的连接管，作为还原剂和组成渗碳气氛；
d．制氧机制出纯度为93%的纯氧气通过氧气输送管道输送到还原管下部管壁上安装的气体燃烧器，供气体燃烧器使用；
e．制氮机制出纯度为99.99%氮气通过氮气输送管道输送到料仓与尾气分离仓之间的连接管道上的氮气喷入口，氮气一部分进入尾气分离仓由尾气排气口排出，一部分进入料仓，从料仓进口排出，隔离大气与尾气，同时流动的氮气可以起到干燥球团的作用；
f．同时制氮机制出纯度为99.99%氮气通过氮气输送管道输送到甲醇裂解管与冷却罐之间的螺旋输料通道的冷却气体喷入口，氮气一部分进入甲醇裂解管内形成氮基甲醇渗碳气氛，一部分进入冷却罐，即可作为冷却气体，又可作为保护气体，保护还原铁不被氧化和脱碳。
上述利用甲醇裂解生产直接还原铁的工艺，所述步骤a中的经高温汽化的甲醇蒸汽通过管道和来自于变压吸附塔的体积成分5%-10% CO以及体积成分1%-15%甲烷或丙烷混合，CO可以调整与H2的比例，从而增强渗碳气氛，甲烷或丙烷作为富化气，用以加大渗碳量，公知的反应式为：3Fe+CH4=Fe3C+2H2 产生的H2用作还原气。经过与还原铁的换热甲醇蒸汽被加热成400℃-500℃的过热甲醇蒸汽，在与换热后300℃-350℃的还原铁接触后快速裂解产生还原气体，公知的反应式为：CH3OH=CO+2H2，同时与作为保护气和密封气的纯度为99.5%-99.99%的N2，包括体积成分5%-10%CO以及体积成分1%-15%甲烷或丙烷，形成了氮基甲醇的强渗碳气氛，甲醇的裂解与渗碳同时发生。
上述利用甲醇裂解生产直接还原铁的工艺，所述步骤b中的氢气换热后达到700℃-800℃，被分成两部分，一部分与含量体积成分10%-25%的甲烷或丙烷混合进入还原管内，氢气在还原管内继续加热到1000℃-1150℃，甲烷在高温以及还原铁的催化下与氢气和氧气燃烧产生的水发生重整反应，公知的反应式为：CH4+H2O=CO+3H2 ，另一部分氢气与制氧机制出的纯度为93%-95%的氧气分别进入气体燃烧器向还原管内喷入燃烧火焰为还原提供热量。
上述利用甲醇裂解生产直接还原铁的工艺，经尾气分离仓的尾气排气口排出进入余热回收装置的尾气温度为350℃-400℃,在尾气分离仓下部的还原气体为720℃-850℃，在此与球团充分换热还原，还原管最上端温度为850℃，还原管内最高温度为1150℃，还原管内气压控制在0.35-0.4MPa，球团还原完毕的时间为35-50min，过热甲醇蒸汽在甲醇裂解管内金属铁的催化下迅速裂解，在 930℃左右达到完全裂解。
上述利用甲醇裂解生产直接还原铁的工艺，余热回收装置产生的饱和蒸汽再进入过热器，由过热器加热成过热蒸汽，供给背压式汽轮机进而带动发电机发电，发出的电输给系统内部设备使用；过热器的热源来自制氮机尾气含氧量23%-31%的富氧气体与变压吸附塔解吸气含12%-15%可燃气体的燃烧。
本发明的有益效果是：
（1）甲醇利用还原铁余热加热，利用还原铁做催化剂，在炉内实现完全裂解，产生还原剂（CO、H2）。
（2）甲醇与氮气和少量的甲烷、一氧化碳组成可调式渗碳气氛，相当于从碳氢化合物中把碳夺出来，不让其生成二氧化碳，而成为有用的高碳还原铁。
（3）利用尾气里的氢气实现自供热，能源利用效率高且没有污染。
（4）利用工艺自身特点形成了渗碳气氛，将一部分C元素转变为渗碳体进入还原铁，可选择性回收二氧化碳，可实现二氧化碳近零排放。
（5）创新的炉体结构，生产效率更高。
（6）除用甲醇外，煤化气、焦炉煤气也可用于此工艺。
(7) 变压吸附技术的运用，充分发挥了CO和H2各自的还原优势，气体利用率高。
本发明的设备及工艺可以充分利用甲醇资源，将甲醇作为气基还原竖炉的原料生产高碳还原铁，实现煤化工和直接还原铁的结合，为取代天然气生产高碳还原铁开辟新的途径。
本发明是甲醇利用的首创，实现了热、电、化等多元能量的综合高效梯级利用，将煤炭的资源利用率分别从发电的33%-41%与化工的53%，提高到大于80%的综合利用率水平，具有显著的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的气基还原竖炉结构示意图；
图3是甲醇换热箱体和氢气换热箱体的连接展开示意图；
图4是冷却罐的结构示意图；
图5是图4的侧视图。
图中标记如下：提升机1、料仓2、挡板3、连接管道4、氮气喷入口5、尾气分离仓6、伞形挡板7、还原管8、尾气排气口9、螺旋输料机构10、一氧化碳气体喷入口11、筒体12、甲醇裂解管13、气体燃烧器14、还原气体喷射入口15、钢片16、鳍片17、甲醇换热箱体18、过热甲醇蒸汽喷入口19、氢气换热箱体20、螺旋输料通道21、冷却罐22、冷却气体喷入口23、半圆管螺旋水冷却装置24、三角形出口25、伞形套板26、金属杆27、余热回收装置28、过热器29、背压式汽轮机30、发电机31、旋风除尘器32、冷凝器33、布袋除尘器34、第一变压吸附塔35、第二变压吸附塔36、甲醇储罐37、甲醇汽化器38、制氧机39、制氮机40、水箱41、气基还原竖炉42。
具体实施方式
图1显示，本发明的主体是气基还原竖炉42，配套的设备有余热回收装置28、过热器29、背压式汽轮机30、发电机31、旋风除尘器32、冷凝器33、布袋除尘器34、第一变压吸附塔35、第二变压吸附塔36、甲醇储罐37、甲醇汽化器38、制氧机39、制氮机40、水箱41。
以下结合本发明的设备对本发明的工艺流程进行具体说明。
图1显示，余热回收装置28连接在尾气分离仓6的尾气排气口9，尾气分离仓6分离出的尾气经排气口9排出进入余热回收装置28，350℃-400℃的尾气在此进行热交换，把从冷却罐22打入的热水加热成饱和蒸汽，饱和蒸汽再进入过热器29，由过热器29加热成过热蒸汽，供给背压式汽轮机30进而带动发电机31发电，发出的电输给系统内部设备使用。背压式汽轮机30的背压汽则作为热源供甲醇汽化器38使用，用以使甲醇汽化。
图1显示，余热回收装置28还与旋风除尘器32、冷凝器33、布袋除尘器34、第一变压吸附塔35顺序连接，第一变压吸附塔35和第二变压吸附塔36为相连接双塔结构。尾气经过余热回收装置28进行热置换后，进入旋风除尘器32除去大颗粒的粉尘（5-15μm以上），再经过冷凝器33将尾气中的水蒸汽冷凝成液态水排出，为了降低粉尘颗粒含量，还需要经过布袋除尘器34，去除＜5μm的细小颗粒粉尘，才能进入到第一变压吸附塔35，提取纯度为99%-99.99%氢气，然后进入氢气换热箱体20，向气基还原竖炉42和气体燃烧器14提供由尾气中提取的氢气。第一变压吸附塔35的解吸气进入第二变压吸附塔36，提取纯度为99%-99.99%的一氧化碳，输送到还原管8顶部的气体喷入口11，向气基还原竖炉42提供由尾气中提取的一氧化碳。并同时输送到甲醇汽化器与甲醇换热箱体的连接管内，调节还原铁的渗碳气氛。
图1显示，用制氧机39制出纯度为93%的纯氧供气体燃烧器14使用。制氮机40制出纯度为99.99%氮气输送到氮气喷入口5和冷却气体喷入口23。
图1显示，尾气为含氧量23%-31%的富氧气体，与第二变压吸附塔36中含12%-15%可燃气体的尾气一同作为燃烧气体供给过热器29使用，从而生产过热蒸汽。燃烧的尾气回收，这样就可以达到二氧化碳近零排放。
图2显示，本发明的气基还原竖炉42由提升机1、料仓2、连接管道4、尾气分离仓6、还原管8、螺旋输料机构10、甲醇裂解管13、气体燃烧器14、甲醇换热箱体18、氢气换热箱体20、螺旋输料通道21、冷却罐22组成。
图2显示，提升机1安装在料仓2的顶部，料仓2的下端通过连接管道4与尾气分离仓6相连接，尾气分离仓6的下端与还原管8相连接，还原管8的下方连接甲醇裂解管13，螺旋输料机构10的上端安装在还原管8内，螺旋输料机构10的下端直通到甲醇裂解管13的底部，还原管8的下部管壁上安装气体燃烧器14，甲醇裂解管13的下端通过水平的螺旋输料通道21与冷却罐22上端相连接，甲醇裂解管13外壁上分别安装甲醇换热箱体18和氢气换热箱体20，甲醇换热箱体18的进气口通过管道与甲醇汽化器38相连接，甲醇换热箱体18的过热甲醇蒸汽通过甲醇换热箱体18的出气口通入甲醇裂解管13中，氢气换热箱体20的进气口与第一变压吸附塔35的氢气输送管道相连接，氢气换热箱体20的出气口与还原管8和气体燃烧器14相连接。
图2显示，料仓2内部有两个斜向下50°的挡板3，挡板3的底端有近似于椭圆的开口，挡板3用两部分钢板焊接而成，夹角160°-170°。球团依靠自身重力从开口下落，经由一个“S”形的路线从料仓2排出，这样可以增加球团行走距离，阻挡氮气的顺畅排出，增加氮气的排出压力，通过调节料仓2内料面高低平衡与下面尾气的压力，尽可能减少氮气的用量。球团向下经由一根狭长的连接管道4，氮气由氮气喷入口5喷入连接管道4，由压差调节器控制，喷入压力略大于下面的尾气分离仓6压力500Pa左右。氮气一部分进入尾气分离仓6由尾气排气口9排出，一部分进入料仓2，从料仓进口排出，隔离大气与尾气（含有高温的一氧化碳和氢气），同时流动的氮气可以起到干燥球团的作用。
图2显示，在尾气分离仓6入口处有一伞形挡板7，由四根钢杆向上连接到仓外，用电动控制其提升，改变伞形挡板7与入口的距离，用以调节球团的进入速度，从而可以调节料位，进而可以调节尾气压力。一旦氮气系统出现问题，伞形挡板7可以完全堵住进口，及时阻止尾气向外溢出发生危险。球团在伞形挡板7的引导下，均匀的散布在尾气分离仓6内，减小了球团的偏析现象。同时尾气在伞形挡板7的遮挡下，沿边缘向上流动，减小了对球团入口的压力，350℃-400℃尾气在顶部由尾气排气口9排出。在尾气分离仓6下部仓体向斜下方收窄与还原管8连接，720℃-850℃的还原气体在此与球团充分换热还原，生成FeO进入还原管8。
图2显示，还原管8由整根复合离心铸造的耐高温不锈钢管构成，最高工作温度可到1300度，管外层涂有10mm厚隔温材料，可以将温度降低到100度左右，最外层再套一根钢管，用以增强还原管8的机械强度。还原管8内有一根螺旋输料机构10，从还原管8顶部直通到甲醇裂解管13底部，穿出后由电机带动其转动，轴同样用复合离心铸造，内壁涂有6mm厚隔温材料，里面再套一根轴，用以增强螺旋输料机构10轴的机械强度。螺旋输料机构10螺旋叶片直径上下大，中间小，两头最大基本接近还原管8的内径，然后向中间逐渐缩小，最小到还原管8内径的1/5，叶片的倾角为45°。这种结构可以让燃烧热量在中间部位快速扩散，而且让中间部位形成高温高压的还原环境，提高还原气体尤其是氢气的利用率。螺旋输料机构10逆时针旋转，球团在自身重力的作用下，由顶部的螺旋叶片向下推进，改变旋转速度可以控制进料速度。
图2显示，还原管8最上端温度可达850℃左右，还原管8的顶部有一个小的筒体12，螺旋输料机构10的顶部支撑铜轴套就在里面，筒体12上有一氧化碳气体喷入口11，常温的一氧化碳从这里喷入，可以降低筒体内的温度，冷却轴与轴套，保证螺旋输料机构10正常转动，同时一氧化碳在这里得到加热，流向尾气分离仓6，一氧化碳810度以下的气体利用率要高于氢气，这样一氧化碳的还原优势得以在尾气分离仓6利用。还原管8内越往下温度越高，最高到1150℃。叶片直径逐渐的缩小给膨胀的球团留出空间，叶片的旋转增大了球团的空隙率，同时使球团产生滚动、径向位移，高温的还原气体在球团内顺畅流动，分布均匀，增强了还原气氛，也防止了球团的高温黏结。
图2显示，在还原管8下部有上下各两个，共四个气体燃烧器14，燃烧气体为氢气和氧气，火焰直接喷向管内球团，快速而均匀地为还原提供热量。再下面有两个还原气体喷射入口15，气体由加热的氢气和含量10%-25%（体积成分）的甲烷或丙烷组成，氢气为还原气体，在高温下氢气还原利用率要高，甲烷的作用是把氢气和氧气燃烧生产的水蒸气在高温以及还原铁的催化下重整，产生一氧化碳和氢气，从而减小氧化性气氛，增加还原性气氛。方程式如下：CH4+H2O=CO+3H2 球团与还原气体的逆向穿行中充分接触，动力学条件和热力学条件都得以很好的满足，球团从入炉到还原完毕只用35-50min的时间即完成。
图2显示，还原管8下面相连接的是甲醇裂解管13，在甲醇裂解管13内要完成工作是利用还原铁降温过程实现甲醇裂解，并且形成渗碳气氛，对还原铁进行渗碳。甲醇裂解管13由单壁不锈钢管构成，外部有两部分围绕管壁形成的环形箱体组成的换热装置。
图3显示，换热装置为甲醇换热箱体18和氢气换热箱体20。甲醇换热箱体18和氢气换热箱体20内有若干错位焊接的钢片16形成迂回的路径，沿着路径与管壁连接的有鳍片17，管内的球团将热量传递给管壁，管壁的热量再传递给鳍片。
图2、3显示，在甲醇换热箱体18中，气化的甲醇（CH3OH)与含量1%-15%（体积成分）的甲烷（或丙烷）和5%-10%（体积成分）CO由底部通过此路径逐渐加热成过热甲醇蒸汽，至甲醇换热箱体18顶部时已有部分发生裂解，产生一氧化碳和氢气，方程式如下：CH3OH=CO+2H2，过热甲醇蒸汽从甲醇换热箱体18顶部出口排出后再由甲醇裂解管13下部的过热甲醇蒸汽喷入口19进入甲醇裂解管13内，在甲醇裂解管13内金属铁的催化下迅速裂解，在 930℃左右达到完全裂解。过热甲醇蒸汽由过热甲醇蒸汽喷入口19进入甲醇裂解管8内，球团温度为300℃-350℃，与下面的氮气形成了氮基甲醇渗碳气氛，1%-15%（体积成分）甲烷（或丙烷）则作为富化气使用，5%-10%（体积成分）CO的加入增加碳势，通过调节甲烷和CO的含量来调节还原铁的含碳量，在1.2%-3.5%（质量成分）之间可调，用以加大渗碳量，公知的反应式为：3Fe+CH4=Fe3C+2H2 ，产生的H2用作还原气，此刻的球团已成为高碳还原铁。在甲醇裂解管13内壁及此段的螺旋输料机构10上涂有保护涂料，防止过度渗碳而产生裂纹。
图2、3显示，氢气换热箱体20加热的是氢气，一部分供给气体燃烧器14使用，一部分作为还原气由还原气体喷入口15进入还原管8内，还原管8内气压要控制在0.35-0.4MPa，高压操作能提高气体利用率，减小气流，减小灰尘，大大提高生产效率。
图2显示，还原铁在甲醇裂解管13底部的斜面向下通过一个水平的螺旋输料通道21进入冷却罐22。螺旋输料通道21内有纯度为99.5%-99.99%的氮气从冷却气体喷入口23喷入，氮气气压通过压差调节器调节，始终大于甲醇裂解管13内气压500Pa左右。氮气一部分进入甲醇裂解管13内形成氮基甲醇渗碳气氛，一部分进入冷却罐22，即可作为冷却气体，又可作为保护气体，保护还原铁不被氧化和脱碳。同时隔绝大气和还原管8内的还原气体。在设备启动前，氮气作为吹扫气，排空设备内的空气。
图4、5显示，还原铁进入冷却罐22，由顶部中心的锥形体均匀地将还原铁分布在环形的腔体内，冷却罐22的罐体外部为半圆管螺旋水冷却装置24，将还原铁快速冷却，常温的液态水加热后进入余热回收装置28。还原铁冷却到40℃左右经由两个逐渐收窄的三角形出口25排出。锥形体顶部有一个可移动的伞形套板26，下面由一根金属杆27连接，可控制调节伞形套板26的高度。当氮气系统出现问题，伞形套板26可以及时堵住进料口，防止甲醇裂解管13内气体溢出产生危险。通过调节螺旋输料通道21转速可以调节出料速度，改变腔内料面高度，进而调节氮气与甲醇裂解管13内的气压平衡，尽可能减少氮气的用量。
图2显示，尾气分离仓6和还原管8、甲醇裂解管13与冷却罐22要错位连接，其原因主要是为螺旋输料机构10及还原管8、甲醇裂解管13管体的安装、调试、使用、维修、更换提供充足的空间，减小工作难度和工作量。为防止热量损失，除料仓2外，所有设备外部均涂有隔热材料。
为了让本领域技术人员充分理解本发明的原理及操作流程，以上仅以说明为目的。如据此根据规模不同，设备数量的多少，在能源的阶梯利用方面做出更适应生产环境的组合与改进，包括还原气的来源和球团原料的变化，都应在本发明专利的保护范围内。
Claims (10)
1.一种利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备，其特征在于：它包括气基还原竖炉（42），气基还原竖炉（42）由提升机（1）、料仓（2）、连接管道（4）、尾气分离仓（6）、还原管（8）、螺旋输料机构（10）、甲醇裂解管（13）、气体燃烧器（14）、甲醇换热箱体（18）、氢气换热箱体（20）、螺旋输料通道（21）、冷却罐（22）组成，提升机（1）安装在料仓（2）的顶部，料仓（2）的下端通过连接管道（4）与尾气分离仓（6）相连接，尾气分离仓（6）的下端与还原管（8）相连接，还原管（8）的下方连接甲醇裂解管（13），螺旋输料机构（10）的上端安装在还原管（8）内，螺旋输料机构（10）的下端直通到甲醇裂解管（13）的底部，还原管（8）的下部管壁上安装气体燃烧器（14），甲醇裂解管（13）的下端通过水平的螺旋输料通道（21）与冷却罐（22）上端相连接，甲醇裂解管（13）外壁上分别安装甲醇换热箱体（18）和氢气换热箱体（20），甲醇换热箱体（18）的进气口通过管道与甲醇汽化器（38）相连接，甲醇换热箱体（18）的过热甲醇蒸汽通过甲醇换热箱体（18）的出气口通入甲醇裂解管（13）中，氢气换热箱体（20）的进气口与氢气输送管道相连接，氢气换热箱体（20）的出气口与还原管（8）和气体燃烧器（14）相连接。
2.根据权利要求1所述的利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备，其特征在于：所述尾气分离仓（6）内安装有伞形挡板（7），伞形挡板（7）的上端与尾气分离仓（6）的入口相对，伞形挡板（7）连接提升杆，提升杆与提升装置相连接，提升装置安装在尾气分离仓（6）外部，在连接管道（4）上安装有氮气喷入口（5），尾气排气口（9）安装在尾气分离仓（6）的上部。
3.根据权利要求1或2所述的利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备，其特征在于：所述还原管（8）的顶部有一个垂直放置的筒体（12），螺旋输料机构（10）的顶部支撑铜轴套安装在筒体（12）中，筒体（12）上安装有一氧化碳气体喷入口（11），一氧化碳气体喷入口（11）与一氧化碳输送管道相连接。
4.根据权利要求3所述的利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备，其特征在于：所述还原管（8）的下部管壁上的气体燃烧器（14）为四个，每侧两个上下排列，每个气体燃烧器（14）分别与氧气输送管道和氢气输送管道相连接，在气体燃烧器（14）的下方有还原气体喷射入口（15），还原气体喷射入口（15）与氢气输送管道相连接，气体燃烧器（14）和还原气体喷射入口（15）的氢气输送管道与氢气换热箱体（20）的氢气出气口相连接。
5.根据权利要求4所述的利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备，其特征在于：它还有余热回收装置（28）、旋风除尘器（32）、冷凝器（33）、布袋除尘器（34）、变压吸附塔，余热回收装置（28）、旋风除尘器（32）、冷凝器（33）、布袋除尘器（34）顺序连接在尾气分离仓（6）的尾气排气口（9）与变压吸附塔之间，变压吸附塔为第一变压吸附塔（35）和第二变压吸附塔（36）相连接的双塔结构，第一变压吸附塔（35）的氢气输出管道与氢气换热箱体（20）相连接，第二变压吸附塔（36）的一氧化碳输出管道与还原管（8）的顶部筒体（12）的一氧化碳气体喷入口（11）相连接,并与甲醇汽化器（38）与甲醇换热箱体(18)的连接管相连接。
6.一种利用甲醇裂解生产直接还原铁的工艺，它采用权利要求1-5任意一项所述的利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备，其特征在于：它采用以下步骤进行：
a．甲醇由甲醇储罐（37）注入甲醇汽化器（38），经高温汽化的甲醇蒸汽进入甲醇裂解管（13）的甲醇换热箱体（18）内，逐渐加热成过热甲醇蒸汽，过热甲醇蒸汽从甲醇换热箱体（18）顶部出口排出进入甲醇裂解管（13）内，在甲醇裂解管（13）内金属铁的催化下迅速裂解，与下面的氮气形成了氮基甲醇渗碳气氛，将球团还原为高碳还原铁；
b．尾气分离仓（6）分离出的尾气经过尾气排气口（9）后顺序通过余热回收装置（28）、旋风除尘器（32）、冷凝器（33）、布袋除尘器（34）进入变压吸附塔，经过第一变压吸附塔（35）提取纯度为99%-99.99%氢气，氢气通过氢气输送管道进入氢气换热箱体（20）内，氢气换热箱体（20）的氢气输送到气体燃烧器（14）和还原气体喷射入口（15），用于进行燃烧和还原反应；
c．第一变压吸附塔（35）的解吸气进入第二变压吸附塔（36），提取纯度为99%-99.99%的一氧化碳，一氧化碳通过一氧化碳输送管道输送到还原管（8）顶部的一氧化碳气体喷入口（11），和甲醇汽化器(38)与甲醇换热箱体(18)的连接管，作为还原剂和组成渗碳气氛；
d．制氧机（39）制出纯度为93%的纯氧气通过氧气输送管道输送到还原管（8）下部管壁上安装的气体燃烧器（14），供气体燃烧器（14）使用；
e．制氮机（40）制出纯度为99.99%氮气通过氮气输送管道输送到料仓（2）与尾气分离仓（6）之间的连接管道（4）上的氮气喷入口（5），氮气一部分进入尾气分离仓（6）由尾气排气口（9）排出，一部分进入料仓（2），从料仓（2）进口排出，隔离大气与尾气，同时流动的氮气可以起到干燥球团的作用；
f．同时制氮机（40）制出纯度为99.99%氮气通过氮气输送管道输送到甲醇裂解管（13）与冷却罐（22）之间的螺旋输料通道（21）的冷却气体喷入口（23），氮气一部分进入甲醇裂解管（13）内形成氮基甲醇渗碳气氛，一部分进入冷却罐（22），即可作为冷却气体，又可作为保护气体，保护还原铁不被氧化和脱碳。
7.根据权利要求6所述的利用甲醇裂解生产直接还原铁的工艺，其特征在于：所述步骤a中的经高温汽化的甲醇蒸汽通过管道和来自于变压吸附塔的体积成分5%-10% CO以及体积成分1%-15%甲烷或丙烷混合，CO可以调整与H2的比例，从而增强渗碳气氛，甲烷或丙烷作为富化气，用以加大渗碳量，公知的反应式为：3Fe+CH4=Fe3C+2H2产生的H2用作还原气，经过与还原铁的换热甲醇蒸汽被加热成400℃-500℃的过热甲醇蒸汽，在与换热后300℃-350℃的还原铁接触后快速裂解产生还原气体，公知的反应式为：CH3OH=CO+2H2，同时与作为保护气和密封气的纯度为99.5%-99.99%的N2，包括体积成分5%-10%CO以及体积成分1%-15%甲烷或丙烷，形成了氮基甲醇的强渗碳气氛，甲醇的裂解与渗碳同时发生。
8.根据权利要求7所述的利用甲醇裂解生产直接还原铁的工艺，其特征在于：所述步骤b中的氢气换热后达到700℃-800℃，被分成两部分，一部分与含量体积成分10%-25%的甲烷或丙烷混合进入还原管（8）内，氢气在还原管（8）内继续加热到1000℃-1150℃，甲烷在高温以及还原铁的催化下与氢气和氧气燃烧产生的水发生重整反应，公知的反应式为：CH4+H2O=CO+3H2，另一部分氢气与制氧机（39）制出的纯度为93%-95%的氧气分别进入气体燃烧器（14）向还原管（8）内喷入燃烧火焰为还原提供热量。
9.根据权利要求8所述的利用甲醇裂解生产直接还原铁的工艺，其特征在于：经尾气分离仓（6）的尾气排气口（9）排出进入余热回收装置（28）的尾气温度为350℃-400℃,在尾气分离仓（6）下部的还原气体为720℃-850℃，在此与球团充分换热还原，还原管（8）最上端温度为850℃，还原管（8）内最高温度为1150℃，还原管（8）内气压控制在0.35-0.4MPa，球团还原完毕的时间为35-50min，过热甲醇蒸汽在甲醇裂解管（13）内金属铁的催化下迅速裂解，在 930℃左右达到完全裂解。
10.根据权利要求9所述的利用甲醇裂解生产直接还原铁的工艺，其特征在于：余热回收装置（28）产生的饱和蒸汽再进入过热器（29），由过热器（29）加热成过热蒸汽，供给背压式汽轮机（30）进而带动发电机（31）发电，发出的电输给系统内部设备使用，过热器（29）的热源来自制氮机（40）尾气含氧量23%-31%的富氧气体与变压吸附塔解吸气含12%-15%可燃气体的燃烧。
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