CN107012278A - 一种以煤层气为还原气直接还原铁的方法及系统 - Google Patents

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范志辉
员晓
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Abstract

本发明涉及一种以煤层气为原料的还原气直接还原铁的方法，该方法包括煤层气进行脱氧处理、煤层气与竖炉炉顶气混合、水洗塔降温除尘、气液分离器进行气液分离、混合气作为冷却气、变压吸附装置进行脱氮、混合气调质成还原气以及含铁氧化球团与还原气在竖炉中发生反应得到海绵铁产品。本发明还涉及实现该方法直接炼铁的系统。本发明利用了煤层气与炉顶气混合后的成分特点，含有较高比例的氮气，将水洗降温后的混合气通入竖炉下部作为冷却气使用，一方面甲烷的存在实现了冷却同时对海绵铁增碳的目的，另一方面不采用冷却气回收系统而使冷却气直接上升进入还原段，实现了设备、能耗的最优化。

Description

一种以煤层气为还原气直接还原铁的方法及系统
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，更具体地，涉及一种以煤层气为原料的还原气直接还原铁的方法及系统。
背景技术
直接还原铁是指一种铁矿石在炉内低于熔化温度条件下还原生产海绵铁的炼铁生产过程。2015年，全世界直接还原铁产量为7257万吨，其中气基竖炉法生产直接还原铁约占80％。目前成熟的HYLⅢ法以天然气和部分炉顶气为原料，通过原料天然气、转化剂水蒸汽在重整炉内的催化重整反应制取还原气，经加热炉加热至900～950℃后通入竖炉还原铁矿石。这两种工艺都是以天然气为气源通过重整后制取还原炼铁所需要的还原气，这类方法更适合于天然气储量丰富并且价格低廉的中东、北美以及俄罗斯等地区。而在我国这类天然气储量不丰富的国家使用天然气为原料进行竖炉法生产直接还原铁存在成本偏高等问题。
现有技术中使用瓦斯气和天然气制成混合气还原铁，为了使瓦斯气偏离爆炸极限，采用的方法是充入了大量的天然气，极大提高了混合气中甲烷的浓度。但是其处理流程长，在气体处理过程中由于氧气的存在，还是存在发生爆炸的危险。并且该项技术处理前提是给瓦斯气充入大量的天然气，这对于天然气匮乏或成本高的地区依然很难大规模推广。
因此，为了克服现有技术中天然气匮乏等技术缺陷，需要一种新型的直接还原铁的系统和方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种以煤层气为原料的还原气直接还原铁的方法及系统。煤层气从矿井下抽采的过程中会混入大量的空气，形成不同比例的甲烷与空气的混合气。我国煤层气资源储量丰富，而目前总体利用率偏低。因此，使用煤层气作为原料进行竖炉冶炼海绵铁，既可以降低气源成本，又可以利用大量存在煤层气资源，解决我国天然气匮乏，成本偏高的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种以煤层气为原料的还原气直接还原铁的方法，包括以下步骤：
步骤一：将煤层气进行脱氧处理后送入混合器中；
步骤二：在混合器中，煤层气与竖炉炉顶气混合成混合气后，进入水洗塔降温除尘后进入气液分离器进行气液分离；
步骤三：在气液分离器中分离出的混合气分别进入竖炉的冷却气入口、变压吸附装置及加热炉，变压吸附装置将混合气脱氮；进入加热炉的混合气用于加热炉的燃料气；
步骤四：将步骤三中脱氮后的混合气通入重整炉调质成还原气；
步骤五：将还原气经过加热炉加热后通入竖炉中作为还原过程气体原料使用；
步骤六：铁矿制的氧化球团与还原气在竖炉中发生反应得到海绵铁产品。
进一步地，步骤三中进入竖炉的冷却气入口的混合气用作冷却气冷却处于竖炉冷却段的海绵铁产品。。
进一步地，步骤三中进入竖炉的冷却气入口的混合气占通入竖炉的还原气的体积比为5-15％。
进一步地，步骤一中煤层气是甲烷和空气的混合气体，其中甲烷占混合气体的体积百分数的30％-80％。
进一步地，步骤四中的还原气的成分是(H2+CO)/(H2+CO+H2O+CO2)的摩尔比不小于0.9。
进一步地，重整炉中使用的催化剂为镍或镍基合金催化剂。
进一步地，步骤五中经加热炉加热后还原气的温度为900℃以上。
进一步地，煤层气与炉顶气混合体积比为0.15-0.45:1。
根据本发明，提供一种实现上述方法的系统，包括：
煤层气脱氧装置，该煤层气脱氧装置用于进行煤层气的脱氧，煤层气脱氧装置具有第一进口和第一出口，第一进口用于输入煤层气；
混合器，该混合器具有第二煤层气进口、第二炉顶气进口和第二出口，混合器的第二煤层气进口与煤层气脱氧装置的第一出口连通；
竖炉，该竖炉具有炉顶气出口、球团进口、产品出口、还原气进口和冷却气入口；竖炉的炉顶气出口与混合器的第二炉顶气进口连通；
水洗塔，该水洗塔具有第三进口和第三出口，水洗塔的第三进口与混合器的第二出口连通；
气液分离器，该气液分离器具有第四进口和第四出口，气液分离器的第四进口与水洗塔的第三出口连通，第四出口接有三向分流阀，三向分流阀包含第一分流口、第二分流口和第三分流口；
变压吸附装置，该变压吸附装置具有第五进口和第五出口，变压吸附装置的第五进口与第一分流口连通；
重整炉，该重整炉具有第六进口和第六出口，重整炉的第六进口与变压吸附装置的第五出口连通；以及
加热炉，该加热炉具有第七进口、第七出口和燃料气入口，加热炉的第七进口与重整炉的第六出口连通，燃料气入口与第二分流口连通；
加热炉的第七出口与竖炉的还原气入口相连；
第三分流口与竖炉的冷却气入口相连。
进一步地，煤层气脱氧装置采用双塔变压吸附装置，其中双塔变压吸附装置的吸附剂采用炭分子筛吸附剂或者炭分子筛与活性碳混合吸附剂。
更进一步地，炭分子筛与活性碳混合吸附剂的炭分子筛与活性碳的质量比为1:1-2:1。
进一步地，双塔变压吸附装置的操作条件是室温下，单塔吸附时间为60-150s，置换时间为30-60s，煤层气吸附压力为0.2-0.4MPa。
进一步地，双塔变压吸附装置的工作过程是一个变压吸附过程包括吸附、置换、均压、脱附等步骤；双吸附塔异步操作，塔1吸附、置换操作时塔2进行脱吸，然后均压并且再进行反向操作。
进一步地，变压吸附装置为除氮装置。
进一步地，变压吸附装置的吸附剂为沸石分子筛、炭分子筛和活性碳的一种。
本发明的煤层气和炉顶气的混合原理在于：
脱氧后煤层气与炉顶气的混合比例需要考虑煤层气中CH4含量与炉顶气中CO2含量而定，一般的煤层气与炉顶气混合体积比为：0.45:1～0.15:1。目的是为了尽量使煤层气中的CH4在重整炉中充分反应生成还原性CO与H2；
具体发生的主要化学反应为：CH4+CO2＝2CO+2H2。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用煤层气作为竖炉反应的气体原料，竖炉系统生产过程中对氮气有一定的接受能力，在煤层气处理过程中只要脱氧就可以直接进入还原气制备系统，减小了煤层气的处理难度，工艺易于实现。
2.本发明利用脱氧处理后煤层气含有氮气的成分特点与炉顶气混合后，将水洗降温后的少部分混合气直接通入竖炉下部作为冷却气使用，一方面水洗后的煤层气与炉顶气混合后其中甲烷比例为10％～20％，还存在大量的CO、H2、N2、与CO2，上述气体少部分直接通入竖炉底部冷却段可以直接作为冷却气使用，同时由于其成分含有甲烷的特点，实现冷却的同时对海绵铁起到增碳作用，不需要专门配制增碳冷却气。另一方面本发明不采用冷却气回收系统而使冷却气直接进入还原段，实现了设备、能耗的最优化。
3.本发明将水洗降温后的大部分混合气通过脱氮装置去除掉氮气后，重整、加热作为还原气来使用，这样竖炉还原段使用的是低氮还原气，使竖炉本身可以容纳冷却气上升到还原段后所含氮气带来的影响，从而保证竖炉的直接还原过程，另外控制入炉还原气温度较高，以保证可以重整掉冷却气带入的少部分甲烷，去除甲烷含量过高对还原反应所带来的影响。
附图说明
图1是按照本发明的实施例的由竖炉直接炼铁的系统的示意图；
图2是按照本发明的实施例的由竖炉直接炼铁的工艺流程图。
附图标记
1竖炉、2混合器、3水洗塔、4气液分离器、5变压吸附装置、6重整炉、7加热炉、8煤层气脱氧装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明使用的系统包括竖炉1、混合器2、水洗塔3、气液分离器4、变压吸附装置5、重整炉6、加热炉7和煤层气脱氧装置8。
煤层气脱氧装置8用于进行煤层气的脱氧，煤层气脱氧装置8具有第一进口和第一出口，第一进口用于输入煤层气；混合器2具有第二煤层气进口、第二炉顶气进口和第二出口，混合器2的第二煤层气进口与煤层气脱氧装置8的第一出口连通；竖炉1具有炉顶气出口、球团进口、产品出口、还原气进口和冷却气入口；竖炉1的炉顶气出口与混合器2的第二炉顶气进口连通；水洗塔3具有第三进口和第三出口，水洗塔3的第三进口与混合器2的第二出口连通；气液分离器4具有第四进口和第四出口，气液分离器4的第四进口与水洗塔3的第三出口连通，第四出口接有三向分流阀，三向分流阀包含第一分流口、第二分流口和第三分流口；变压吸附装置5具有第五进口和第五出口，变压吸附装置5的第五进口与第一分流口连通，用于通入混合气；重整炉6具有第六进口和第六出口，重整炉6的第六进口与变压吸附装置5的第五出口连通；加热炉7具有第七进口、第七出口和燃料气入口，加热炉7的第七进口与重整炉6的第六出口连通，燃料气入口与第二分流口连通，分流的混合气进入所述加热炉7的燃料气入口作为燃料气使用；加热炉7的第七出口与竖炉1的还原气入口相连；第三分流口与竖炉1的冷却气入口相连，分流的混合气进入所述竖炉1的冷却气入口作为冷却气使用。
变压吸附装置5为除氮装置。变压吸附装置5的吸附剂为沸石分子筛、炭分子筛和活性碳的一种。
煤层气脱氧装置8采用双塔变压吸附装置，主要设备有两个吸附塔、真空泵、缓冲罐，吸附剂采用炭分子筛或炭分子筛与活性碳的混合吸附剂，双塔变压吸附条件为吸附温度为室温，单塔吸附时间为60-150s，置换时间为30-60s，煤层气吸附压力为0.2-0.4MPa。吸附剂为混合吸附剂时，炭分子筛与活性碳的质量比为1:1-2:1,处理后的煤层气可以根据竖炉炉顶气压力调节一致后直接与炉顶气混合；一个变压吸附过程包括吸附、置换、均压、脱附等步骤，两吸附塔异步操作，塔1吸附、转换操作时塔2进行脱吸，然后均压并且再次进行两塔反向操作。
实施例1
如图1和2所示，本实施例使用的如上所述的系统进行还原铁，并且使用开采的煤层气，其中甲烷体积分数为45％。炉顶气为H2、CO、N2与CO2的混合气体，温度为400℃，循环与煤层气混合使用；
步骤100中，将煤层气在煤层气脱氧装置8中进行脱氧处理，吸附剂是炭分子筛，反应条件为：吸附温度为室温20℃，单塔吸附时间150s,置换时间60s,吸附压力0.25MPa,处理后的煤层气输出压力与竖炉炉顶气压力相同为150KPa,变压吸附后去除掉煤层气中95％以上的氧气。然后将脱氧之后的煤层气送入混合器中。在步骤200中，脱氧后的煤层气1200Nm3/h与炉顶气2800Nm3/h在混合器2中进行充分混合后，在步骤300中将混合气通入水洗塔3进行降温除尘处理，然后通过气液分离器4后，将体积比8％的混合气分流从竖炉1底部冷却气入口通入竖炉冷却段(步骤401)；将剩余的混合气中75％在变压吸附装置5中脱氮(在步骤402中)，17％进入加热炉7作为燃料气供加热炉7燃烧。在步骤500中，脱氮后的混合气加入含镍基催化剂重整炉6进行重整调质，得到含H2/CO的体积比为1.5并且(H2+CO)/(H2+CO+H2O+CO2)为0.92的还原气。
在步骤600中，将调质后的还原气在加热炉7中加热到900℃，从竖炉1中下部还原气入口通入竖炉本体中，还原气在竖炉1中将铁矿制的氧化球团还原成为海绵铁产品。海绵铁产品进入竖炉的冷却段，使用从气液分离器4分流出的300Nm3/h混合气进行冷却(步骤403)，之后上述300Nm3/h混合气还可以上升至竖炉的还原段作为还原气参与到下一轮氧化球团的还原(步骤404)。
实施例2
如图1和2所示，本实施例使用的如上所述的系统进行还原铁，并且使用开采的煤层气，其中甲烷体积分数为30％。顶气为H2、CO、N2与CO2的混合气体，温度为400℃，循环与煤层气混合使用；
步骤100中，将煤层气在煤层气脱氧装置8中进行脱氧处理，吸附剂是炭分子筛与活性碳的质量比为2:1的混合吸附剂，反应条件为：吸附温度为室温25℃，单塔吸附时间100s，置换时间50s,吸附压力0.4MPa，处理后的煤层气输出压力与竖炉炉顶气压力相同为200KPa,变压吸附后去除掉煤层气中95％以上的氧气。然后将脱氧之后的煤层气送入混合器中。在步骤200中，脱氧后的煤层气1200Nm3/h与炉顶气2700Nm3/h在混合器2中进行充分混合后，在步骤300中将混合气通入水洗塔3进行降温除尘处理，然后通过气液分离器4后，将体积比5％的混合气分流从竖炉1底部冷却气入口通入竖炉冷却段(步骤401)；将剩余的混合气中60％在变压吸附装置5中脱氮(在步骤402中)，35％进入加热炉7作为燃料气供加热炉7燃烧。在步骤500中，脱氮后的混合气加入含镍基催化剂重整炉6进行重整调质，得到含H2/CO为1.8并且(H2+CO)/(H2+CO+H2O+CO2)为0.90的还原气。
在步骤600中，将调质后的还原气在加热炉7中加热到950℃，从竖炉1中下部还原气入口通入竖炉本体中，还原气在竖炉1中将铁矿制的氧化球团还原成为海绵铁产品。海绵铁产品进入竖炉的冷却段，使用从气液分离器4分流出的450Nm3/h混合气进行冷却(步骤403)，之后上述450Nm3/h混合气还可以上升至竖炉的还原段作为还原气参与到下一轮氧化球团的还原(步骤404)。
实施例3
如图1和2所示，本实施例使用的如上所述的系统进行还原铁，并且使用开采的煤层气，其中甲烷体积分数为80％。炉顶气为H2、CO、N2与CO2的混合气体，温度为400℃，循环与煤层气混合使用；
步骤100中，将煤层气在煤层气脱氧装置8中进行脱氧处理，吸附剂是炭分子筛与活性碳的质量比为1:1的混合吸附剂，反应条件为：吸附温度为室温20℃，单塔吸附时间60s,置换时间30s,吸附压力0.2MPa,处理后的煤层气输出压力与竖炉炉顶气压力相同为150KPa,变压吸附后去除掉煤层气中95％以上的氧气。然后将脱氧之后的煤层气送入混合器中。在步骤200中，脱氧后的煤层气600Nm3/h与炉顶气3000Nm3/h在混合器2中进行充分混合后，在步骤300中将混合气通入水洗塔3进行降温除尘处理，然后通过气液分离器4后，将体积比15％的混合气分流从竖炉1底部冷却气入口通入竖炉冷却段(步骤401)；将剩余的混合气中70％在变压吸附装置5中脱氮(在步骤402中)，15％进入加热炉7作为燃料气供加热炉7燃烧。在步骤500中，脱氮后的混合气加入含镍基合金催化剂重整炉6进行重整调质，得到含H2/CO为1.2并且(H2+CO)/(H2+CO+H2O+CO2)为0.92的还原气。
在步骤600中，将调质后的还原气在加热炉7中加热到900℃，从竖炉1中下部还原气入口通入竖炉本体中；还原气在竖炉1中将铁矿制的氧化球团还原成为海绵铁产品。海绵铁产品进入竖炉的冷却段，使用从气液分离器4分流出的300Nm3/h混合气进行冷却(步骤403)，之后上述300Nm3/h混合气还可以上升至竖炉的还原段作为还原气参与到下一轮氧化球团的还原(步骤404)。
本实例1-3使用的铁矿制的氧化球团可以是由精铁矿或者钒钛铁矿等含铁矿物原料制成。
本发明提出利用煤层气资源作为气体原料进行竖炉直接还原生产海绵铁，煤层气通过变压吸附装置脱除氧气去除气源爆炸的隐患，然后按一定比例与竖炉炉顶气混合，除尘降温脱氮后在重整炉内进行重整反应并加热通入竖炉作为还原气原料进行海绵铁生产，既利用了大量存在的煤层气资源又避免了其存在的爆炸风险。同时水洗塔除尘降温后的含氮气体分流一部分从竖炉下部通往冷却段，在竖炉内对反应后原料进行冷却降温，然后到达竖炉中部继续与还原气一起参与竖炉还原段反应。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种以煤层气为原料的还原气直接还原铁的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将煤层气进行脱氧处理后送入混合器中；
步骤二：在混合器中，煤层气与竖炉炉顶气混合成混合气后，进入水洗塔降温除尘后进入气液分离器进行气液分离；
步骤三：在气液分离器中分离出的混合气分别进入竖炉的冷却气入口、变压吸附装置及加热炉，所述变压吸附装置将所述混合气脱氮，所述进入加热炉的混合气用于加热炉的燃料气；
步骤四：将步骤三中脱氮后的混合气通入重整炉调质成还原气；
步骤五：将还原气经过加热炉加热后通入竖炉中作为还原过程气体原料使用；
步骤六：铁矿制的氧化球团与还原气在竖炉中发生反应得到海绵铁产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤三中进入竖炉的冷却气入口的所述混合气用作冷却气冷却处于所述竖炉冷却段的海绵铁产品。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤三中进入竖炉的冷却气入口的所述混合气占通入竖炉的还原气的5-15％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中煤层气是甲烷和空气的混合气体，其中甲烷占混合气体的体积百分数的30％-80％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四中的所述还原气的成分是(H2+CO)/(H2+CO+H2O+CO2)的摩尔比不小于0.9。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重整炉中使用的催化剂为镍或镍基合金催化剂。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤五中经加热炉加热后还原气的温度为900℃以上。
8.一种实现权利要求1-7任一项所述的方法的系统，其特征在于，包括：
煤层气脱氧装置，所述煤层气脱氧装置用于进行煤层气的脱氧，所述煤层气脱氧装置具有第一进口和第一出口，所述第一进口用于输入所述煤层气；
混合器，所述混合器具有第二煤层气进口、第二炉顶气进口和第二出口，所述混合器的所述第二煤层气进口与所述煤层气脱氧装置的所述第一出口连通；
竖炉，所述竖炉具有炉顶气出口、球团进口、产品出口、还原气进口和冷却气入口；所述竖炉的所述炉顶气出口与所述混合器的所述第二炉顶气进口连通；
水洗塔，所述水洗塔具有第三进口和第三出口，所述水洗塔的所述第三进口与所述混合器的所述第二出口连通；
气液分离器，所述气液分离器具有第四进口和第四出口，所述气液分离器的所述第四进口与所述水洗塔的所述第三出口连通，所述第四出口接有三向分流阀，所述三向分流阀包含第一分流口、第二分流口和第三分流口；
变压吸附装置，所述变压吸附装置具有第五进口和第五出口，所述变压吸附装置的所述第五进口与所述第一分流口连通；
重整炉，所述重整炉具有第六进口和第六出口，所述重整炉的所述第六进口与所述变压吸附装置的所述第五出口连通；以及
加热炉，所述加热炉具有第七进口、第七出口和燃料气入口，所述加热炉的所述第七进口与所述重整炉的所述第六出口连通，所述燃料气入口与所述第二分流口连通；
所述加热炉的所述第七出口与所述竖炉的还原气入口相连；
所述第三分流口与所述竖炉的所述冷却气入口相连。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述煤层气脱氧装置采用双塔变压吸附装置，其中所述双塔变压吸附装置的吸附剂采用炭分子筛吸附剂或者炭分子筛与活性碳混合吸附剂。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述变压吸附装置为除氮装置。
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