CN107142349A - 一种利用高温气冷反应堆供热生产海绵铁的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用高温气冷反应堆供热生产海绵铁的系统，包含：竖炉，竖炉的上部排气口通过管道与除尘器相连；除尘器通过管道依次与蒸气发生器、CO2脱除器、加湿器以及中间换热器相连；中间换热器具有第一入口、第二入口、第一出口、第二出口；第一入口与加湿器的出口相连，第一出口通过管道与竖炉的下部进气口相连；第二入口及第二出口分别通过管道与高温气冷反应堆的出口及入口相连。本发明还公开了一种利用上述系统生产海绵铁的方法。本发明采用清洁的核能作为直接还原铁工艺能量来源，可减少工艺过程中天然气、焦炉煤气的消耗量，能够有效的降低CO2排放。

Description

一种利用高温气冷反应堆供热生产海绵铁的系统及方法
技术领域
本发明涉及冶金领域，特别涉及一种利用高温气冷反应堆供热生产海绵铁的系统及方法。
背景技术
我国是钢铁生产大国，2015年我国大陆粗钢产量为8.04亿吨，占全球总产量49.5％。但是钢铁产业结构不合理，铁钢比例高、电炉钢比例小，部分特殊的钢材品种还需进口。我国生铁产量主要以高炉炼铁-转炉炼钢的长流程为主生产的，能源资源消耗大、CO2排放高。气基竖炉直接还原技术作为主要的非高炉炼铁技术在国外已得到成熟应用，具有能耗低，无需高炉炼铁涉及到的烧结、焦化两个高耗能、高污染工序。具有流程短、节能减排效果明显的优势，是改善钢铁产品结构，提高钢铁产品质量，实现清洁冶炼的重要生产技术。
与高炉等长流程相比，气基竖炉直接还原技术可有效降低CO2排放。但就其自身而言，该工艺中天然气重整器所需热量全部来源来自于天然气及炉顶气的燃烧，仍然产生大量的CO2气体排放到大气中，带来严重的环境问题。气基竖炉主要有Midrex和HYL-Ⅲ工艺，主要采用天然气外部重整方法制取还原气，进而还原铁矿石。工艺中采用外部重整器，以Ni基等贵金属作为催化剂，催化重整甲烷制取还原气。对于采用焦炉煤气生产海绵铁工艺，几乎均是将竖炉的炉顶气处理后与焦炉煤气混合成原料气，然后在外部的高温重整器中进行转化，使CH4与水蒸气、CO2发生转化反应生成CO和H2。此种方法需要转化炉，同时对H2/CO的比值要求较为严格，且甲烷转化需要如Ni基等贵重金属催化剂，投资、运行费用较高。
核能作为一种清洁的一次能源，具有能量密度高优点。目前，在国内利用核能技术已建有多个核电站，并进入商业运营阶段。核能的产生过程不向环境排放温室气体和其它有害废物，是一种无排放的能源，应用于炼铁领域，将有效的降低化石能源的消耗，减少CO2排放。模块式球床高温气冷堆作为第四代气冷反应堆堆型之一，具有安全性好、效率高和用途广泛，且适合小容量建造等优点，能够提供充足的热量。
综上所述，目前国内外采用的天然气/焦炉煤气直接还原生产海绵铁的工艺流程，均存在各自的缺陷和不足，还需进一步改进。
发明内容
基于上述问题，本发明提出了一种如下利用高温气冷反应堆供热生产海绵铁的系统，包含：
竖炉，竖炉的上部排气口通过管道与除尘器相连；
除尘器通过管道依次与蒸气发生器、CO2脱除器、加湿器以及中间换热器相连；
中间换热器具有第一入口、第二入口、第一出口、第二出口；
第一入口与加湿器的出口相连，第一出口通过管道与竖炉的下部进气口相连；
第二入口及第二出口分别通过管道与高温气冷反应堆的出口及入口相连。
根据本发明的一个实施例，中间换热器中平行排列多个双层换热管。
根据本发明的一个实施例，双层换热管具有换热管内壁及换热管外壁，内外壁之间填充有液态合金，液态合金优选为镓铟锡合金。
根据本发明的一个实施例，中间换热器具有排气管道，排气管道末端部连接有气体分析设备。
根据本发明的一个实施例，中间换热器的底部具有高密度合金支撑结构。
根据本发明的一个实施例，高温气冷反应堆以氦气作为循环冷却剂。
根据本发明的一个实施例，中间换热器与竖炉之间连接有喷氧提温装置。
根据本发明的一个实施例，氦气由第二入口通入并由第二出口通出。
本发明还提供了一种利用上述系统生产海绵铁的方法，包含以下步骤：
将氦气通过高温气冷反应堆的入口与出口以及换热器的第二入口与第二出口在高温气冷反应堆与换热器之间循环；
将竖炉的入炉煤气通过第一入口通入到换热器并通过第一出口通出，入炉煤气与氦气在换热器中进行热交换并被加热，热交换的方式为从气冷反应堆通出的高温氦气进入到中间换热器并将热量传递给中间换热器，并由中间换热器将热量传递给入炉煤气；
将被加热的入炉煤气从竖炉的下部进气口通入；
入炉煤气在竖炉内高温海绵铁的催化作用下，进行甲烷与水蒸气的重整反应生成还原气，并对铁矿石进行还原得到海绵铁。
根据本发明的一个实施例，还原过程中产生的炉顶气由竖炉的上部排气口排出。
根据本发明的一个实施例，入炉煤气由焦炉煤气、炉顶气以及水蒸气混合后并由加湿器补充水蒸气后形成。
根据本发明的一个实施例，入炉煤气在通入竖炉前通过喷氧提温装置进行喷氧操作以提高入炉煤气的温度。
根据本发明的一个实施例，入炉煤气在竖炉中进行甲烷与水蒸气的重整反应，生成的还原气在竖炉内上升的过程中与高温海绵铁发生还原反应。
根据本发明的一个实施例，由上部排气口排出的炉顶气由除尘器进行除尘，随后进入蒸气发生器，产生水蒸气为甲烷和水蒸气的重整反应提供原料。
根据本发明的一个实施例，除尘后的炉顶气在CO2脱除器中脱碳并与焦炉煤气、炉顶气混合以重复利用。
通过采用上述技术方案，取得了以下诸多有益效果：
本发明采用清洁的核能作为直接还原铁工艺能量来源，可减少工艺过程中天然气、焦炉煤气的消耗量，能够有效的降低CO2排放。高温气冷堆技术产生的高温热，能够将入炉煤气加热至要求的温度，保证炉内反应具有良好的动力学条件。利用竖炉炉内还原出的新鲜海绵铁的催化作用，以及利用海绵铁和CH4的渗碳反应，使煤气中的CH4在竖炉内转化改质，生成CO和H2，避免了外部转化炉的投资和Ni基等贵重金属催化剂的消耗费用。在整个工艺流程中，通过对炉顶气中CO2的吸收，可再次通入炉内循环利用。该流程中所有的CO和H2全部用于作还原气，提高了还原气利用率，降低入炉煤气的消耗量，节约能源。采用水蒸气重整可以提高还原气中H2的含量，H2还原铁矿石产生的水蒸气对环境无污染，降低CO2排放。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点在与附图结合对实施例进行的描述中将更加明显并容易理解，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的利用高温气冷反应堆供热生产海绵铁的系统的结构示意图。
图2示出了根据本发明的实施例的利用高温气冷反应堆供热生产海绵铁的系统的换热器的结构示意图。
具体实施方式
应当理解，在示例性实施例中所示的本发明的实施例仅是说明性的。虽然在本发明中仅对少数实施例进行了详细描述，但本领域技术人员很容易领会在未实质脱离本发明主题的教导情况下，多种修改是可行的。相应地，所有这样的修改都应当被包括在本发明的范围内。在不脱离本发明的主旨的情况下，可以对以下示例性实施例的设计、操作条件和参数等做出其他的替换、修改、变化和删减。
如图1所示的海绵铁的生产系统，包括竖炉1、除尘器2、蒸汽发生器3、CO2脱除器4、加湿器5、中间换热器6以及在本实施例中为球床式高温气冷堆7的核反应堆。竖炉1具有气体入口以及气体出口，气体出口依次与除尘器2、蒸汽发生器3、CO2脱除器4、加湿器5、中间换热器6以及竖炉1的气体入口以管路连接。
球床式高温气冷堆7采用惰性气体氦气作为循环冷却气，堆芯出口氦气温度为950℃，压力为3MPa，可为焦炉煤气的自重整反应高温供热。
高温氦气进入高温气冷堆7与竖炉1之间的中间换热器6，将高温热量传递给中间换热器6。竖炉1的入炉煤气通入中间换热器6被加热至920℃，煤气压力为0.4MPa。从中间换热器6通出的高温煤气再采用喷氧部分氧化的方式提温后，温度提高至1020℃。随后通入竖炉1，在竖炉1内的高温海绵铁的催化作用下进行甲烷和水蒸气的重整反应，生成的还原气在上升过程中还原铁矿石。其中入炉煤气成分为：40.4％H2、15.6％CO、24.7％CH4、2.5％CO2、4.8％水蒸气、12％N2。350～400℃的竖炉炉顶气成分为：32.6％H2、12.2％CO、12.6％CH4、9.7％CO2、9.3％N2、23.5％水蒸气。经过旋风除尘器2除尘后，炉顶气进入蒸汽发生器3生产低温蒸汽，为竖炉1内的自重整反应提供部分原料，其余反应需要的水蒸气通过加湿器5补充。经过后续加压和CO2脱除器4脱碳等工序处理得到的炉顶气可以与天然气、水蒸气混合作为重整反应的入炉煤气以循环利用。
由于本发明中采用高温气冷堆7以氦气为核反应堆的冷却气。如采用普通换热器，由于本发明中两路气体都是在高温高压工况下运行，冷还原气中的CO、H2等容易通过换热管壁扩散，进入高温气冷堆的氦气循环系统中，并且随着设备不断运行，高温气冷堆的氦气循环系统中CO、H2等含量不断增加，这些杂质气体的混入，对高温气冷堆的安全运行形成危害，因此需要设计一套可防止有害气体进入的高温气冷堆的氦气循环系统的中间换热器6。
如图2所示，本发明的中间换热器6为圆形或其他任意适当的形状，其包括第一入口61，第一入口61位于中间换热器6的下部，用于接入冷还原气；第一出口62，第一出口62位于中间换热器6的上部，用于输出热还原气；第二入口63，第二入口63位于中间换热器6一侧的下部，用于接入高温氦气；第二出口64，第二出口64位于中间换热器6另一侧的上部用于输出低温氦气；换热器内部的换热管纵向排列，每个换热管具有内壁68以及外壁67，内外壁之间为液态合金66；中间换热器6的底部具有高密度合金支撑结构65，以及连接液态合金气相区69的排气管道691，排气管道691的末端部连接气体分析设备。
冷还原气由中间换热器6的第一入口61进入换热管内，在高温换热管加热下升温至900～950℃，升温后的高温还原气由顶部的第一出口62排出。
高温氦气由第二入口63进入换热管外空间，将热量由管外传入管内，其中换热管内壁68和外壁67之间为低熔点液态合金66，其导热性优异，沸点高。
进一步低熔点液态合金66可为镓铟锡合金，沸点在1200℃以上。还原气中各成分在高温高压下经换热管内壁68扩散进入液态合金填充区，在液态合金66中，气体聚集上浮，在液态合金气相区69内形成一定浓度的混合气体，该空间外接排气管道691，并进行气体实时分析，当该区域气相中H2含量偏高时，则对该区域内液态合金66进行更换，并将含有一定H2的液态合金进行脱氢处理，然后进行循环利用。
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)

1.一种利用高温气冷反应堆供热生产海绵铁的系统，其特征在于，包含：
竖炉，所述竖炉的上部排气口通过管道与所述除尘器相连；
所述除尘器通过管道依次与蒸气发生器、CO2脱除器、加湿器以及中间换热器相连；
所述中间换热器具有第一入口、第二入口、第一出口、第二出口；
所述第一入口与所述加湿器的出口相连，所述第一出口通过管道与所述竖炉的下部进气口相连；
所述第二入口及第二出口分别通过管道与所述高温气冷反应堆的出口及入口相连。
2.根据权利要求1所述的利用高温气冷反应堆供热生产海绵铁的系统，其特征在于，所述高温气冷反应堆以氦气作为循环冷却剂。
3.根据权利要求1所述的利用高温气冷反应堆供热生产海绵铁的系统，其特征在于，所述中间换热器与所述竖炉之间连接有喷氧提温装置。
4.根据权利要求2所述的利用高温气冷反应堆供热生成海绵铁的系统，其特征在于，所述氦气由第二入口通入并由第二出口通出。
5.一种利用权利要求1-4中任一项所述的系统生产海绵铁的方法，其特征在于，包含以下步骤：
将氦气通过高温气冷反应堆的入口与出口以及换热器的第二入口与第二出口在所述高温气冷反应堆与换热器之间循环；
将竖炉的入炉煤气通过第一入口通入到所述换热器并通过第一出口通出，所述入炉煤气与所述氦气在所述换热器中进行热交换并被加热；
将被加热的所述入炉煤气从所述竖炉的下部进气口通入；
所述入炉煤气在所述竖炉内发生重整反应生成还原气，并对铁矿石还原得到所述海绵铁。
6.根据权利要求5所述的生产海绵铁的方法，其特征在于，还原过程中产生的炉顶气由竖炉的上部排气口排出。
7.根据权利要求6所述的生产海绵铁的方法，其特征在于，所述入炉煤气由焦炉煤气、炉顶气以及水蒸气混合后并由加湿器补充水蒸气后形成。
8.根据权利要求5所述的生产海绵铁的方法，其特征在于，所述入炉煤气在通入所述竖炉前通过喷氧提温装置进行喷氧操作。
9.根据权利要求6所述的生产海绵铁的方法，其特征在于，由所述上部排气口排出的所述炉顶气由除尘器进行除尘处理。
10.根据权利要求9所述的生产海绵铁的方法，其特征在于，除尘后的所述炉顶气在CO2脱除器中脱碳并与所述焦炉煤气、炉顶气混合以重复利用。
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