CN108220520A - 一种采用热解生产竖炉还原气的装置与方法 - Google Patents

一种采用热解生产竖炉还原气的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用热解生产竖炉还原气的装置及方法。所述装置包括热解炉、竖炉；热解炉包括第一腔体及第二腔体，热解荒煤气经热解炉第二腔体处理后，再经加热炉加热即可通入竖炉还原铁矿石，无需建设填装由大量昂贵催化剂的重整炉，系统得到简化，维护成本低。既直接充分利用了700‑900℃的热解荒煤气的全部显热，能源利用效率显著提高；又通过在第二腔体设置辐射管保证海绵铁催化重整热解荒煤气制备优质还原气的合适反应温度，使得重整转化效率大大提高,生产出满足下游竖炉成分要求的优质还原气，提高竖炉生产效率；无热解荒煤气分离净化系统，且不需建设填装催化剂的重整炉，整个系统简单、投资小、生产成本低。

Description

一种采用热解生产竖炉还原气的装置与方法
技术领域
本发明涉及化工冶金领域，涉及生产竖炉还原气的装置。
同时涉及生产竖炉还原气的方法。
背景技术
褐煤、长焰煤等低阶煤，具有挥发分高、活性强等特点，因其中的水分和氧含量高而热值低，直接燃烧或气化利用效率低，经济价值远不如高阶煤，因此大规模开发低阶煤必须先对其进行加工提质才能更好利用。热解处理，是处理低阶煤的最科学有效的方法之一。常说的热解是指煤在隔绝空气或在惰性气体条件下持续加热至较高温度时，所发生的一系列物理变化和化学反应，最终得到气体(热解气)、液体(焦油)、及固体(半焦)等产物，其中热解气可作为竖炉直接还原炼铁的原料气。
竖炉直接还原炼铁技术，是一种绿色低碳的炼铁新技术，属于非高炉炼铁工艺。竖炉法具有能耗低、污染小、产品质量稳定等特点。目前世界范围内，76％的直接还原铁是通过气基法生产，主要以天然气为制气原料、水蒸气或二氧化碳为转化剂，在装有镍基催化剂的重整转化炉内制备高品质的还原气。目前这类工艺工业化生产装置主要集中在中东、南美等天然气储量丰富、价格低廉地区；而对于天然气比较稀缺、价格昂贵地区，则无法采用该工艺技术进行建设生产以获得良好的经济效益。中国的能源禀赋特点是“富煤少气缺油”，难以采用天然气重整—竖炉直接还原工艺，还原气由煤炭制取将是最佳选择。
专利CN201610657153《一种热解炉与竖炉联用系统及处理煤的方法》中介绍了一种热解炉与竖炉联用系统与方法，系统由热解炉、分离净化系统、重整变换系统和竖炉构成。煤炭经热解炉热解产生半焦与高温热解荒煤气(700-900℃)，高温热解荒煤气经分离净化系统进行洗涤冷却、分离热解油、脱硫处理，得到低温净化热解气(低于50℃)，热解气再经重整变换系统处理后生成符合竖炉要求的还原气通入竖炉还原铁矿石。其中，热解荒煤气分离净化系统由初冷塔、鼓风机、电捕焦油器及脱苯塔等一套复杂的冷却、脱焦及脱苯装置构成，热解荒煤气经分离净化系统处理后回收少量的煤焦油。
该现有技术主要的不足之处在于：
1、热解荒煤气中因含有5-15％的CH4，不适合直接作为竖炉的还原气，需经装填有大量昂贵镍基催化剂的重整转化炉处理后再通入竖炉，且对入重整炉气体中的硫含量有严格限制。此外，热解荒煤气中含约10-20％的H2O(g)及5-10％的CO2等不利于还原铁矿石的氧化性成分，需进一步降低这二者含量后，才能变成优质还原气用于还原铁矿石。
2、热解荒煤气含有一定量的焦油等有机物，直接作为还原气通入竖炉可能对竖炉的正常运行产生不利影响。
3、700-900℃的热解荒煤气显热未被利用。
4、热解荒煤气分离净化系统工序复杂、投资大，煤焦油捕集与进一步利用成本高。
故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种装置，能够进一步的处理热解荒煤气，使热解荒煤气显热能更好的被直接利用，且装置中又不需要热解荒煤气分离净化系统，从而不需建设加热炉或重整炉，整个系统简单、投资小、生产成本低。
本发明还提供了使用上述装置生产竖炉还原气的方法。
为达到上述目的，本生产竖炉还原气的装置可采用如下技术方案：
一种采用热解生产竖炉还原气的装置，包括热解炉、加热炉、竖炉；热解炉内设有相互独立的两个腔体及荒煤气导出装置，所述两个腔体分为第一腔体及第二腔体；第一腔体内具有第一辐射管；第二腔体内具有第二辐射管；所述第一腔体顶部具有第一进料口而底部具有第一出料口；第二腔体顶部具有第二进料口而底部具有第二出料口；荒煤气导出装置包括位于第一腔体内的进气管、位于第二腔体内的出气管、同时与进气管和出气管连通并延伸出热解炉的排尘管；所述第二腔体的上方设有净热解气出口，该净热解气出口通过管道与加热炉连接，所述竖炉上设有还原气入口，所述还原气入口同样通过管道与加热炉连接。
有益效果：
通过本装置的结构设计，热解荒煤气经热解炉第二腔体处理后，再经加热炉加热即可通入竖炉还原铁矿石，无需建设填装由大量昂贵催化剂的重整炉，系统得到简化，维护成本低。既直接充分利用了700-900℃的热解荒煤气的全部显热，能源利用效率显著提高；又通过在第二腔体设置辐射管保证海绵铁催化重整热解荒煤气制备优质还原气的合适反应温度，使得重整转化效率大大提高,生产出满足下游竖炉成分要求的优质还原气，提高竖炉生产效率；无热解荒煤气分离净化系统，且不需建设填装催化剂的重整炉，整个系统简单、投资小、生产成本低。
为达到上述目的，本发明中生产竖炉还原气的方法可采用如下技术方案：
一种使用上述装置的生产竖炉还原气的方法：
粉状低阶煤由第一进料口加入第一腔体并在800-950℃热解形成提质煤和热解荒煤气；热解荒煤气进入荒煤气导出装置的进气管。
海绵铁从第二进料口加入第二腔体内，海绵铁与自荒煤气导出装置输出的热解荒煤气进行逆流接触；海绵铁由荒煤气导出装置排出的热解荒煤气进行催化重整、除尘和吸附焦油处理后，形成的550-700℃净热解气从热解气出口排出热解炉；净热解气通入加热炉加热至850-950℃后从还原气入口通入竖炉内用以还原竖炉内的铁矿石。
有益效果：热解炉第一腔体完成对低阶煤的热解，第二腔体能气基还原铁矿石生产海绵铁，且海绵铁中携带能提供后续熔分热量或还原剂的提质煤粉尘与焦油。
从炉顶加入海绵铁往下移动，过程中对热解炉第一腔体生产的热解荒煤气进行催化重整、除尘与吸附焦油等处理，然后热解荒煤气被重整转化成CH4<6.5％、C2+<0.3％、H2+CO>83％、H2O+CO2<8％的净热解气，该净热解气中粉尘和焦油含量显著降低。热解荒煤气经热解炉第二腔体处理后，再经加热炉加热即可通入竖炉还原铁矿石，无需建设填装由大量昂贵催化剂的重整炉，系统得到简化，维护成本低。既直接充分利用了700-900℃的热解荒煤气的全部显热，能源利用效率显著提高；又通过在第二腔体设置辐射管保证海绵铁催化重整热解荒煤气制备优质还原气的合适反应温度，使得重整转化效率大大提高,生产出满足下游竖炉成分要求的优质还原气，提高竖炉生产效率；无热解荒煤气分离净化系统，且不需建设填装催化剂的重整炉，整个系统简单、投资小、生产成本低。
附图说明
图1为本发明中生产竖炉还原气的装置的结构示意图；
图2为图1中荒煤气导出装置的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
本实施例提供一种生产竖炉还原气的装置。
请结合图1及图2所示，该装置包括热解炉1、加热炉2、竖炉3；
热解炉内设有相互独立的两个腔体及荒煤气导出装置5，所述两个腔体分为第一腔体及第二腔体。所述第一腔体及第二腔体中间通过设置一个隔墙4而隔离开，所述荒煤气导出装置5还包括与所述隔墙4固定的固定装置5-6。第一腔体内具有第一辐射管10；第二腔体内具有第二辐射管11。所述第一腔体顶部具有第一进料口6而底部具有第一出料口8。第二腔体顶部具有第二进料口7而底部具有第二出料口9。荒煤气导出装置5包括位于第一腔体内的进气管5-1、位于第二腔体内的出气管5-3、同时与进气管和出气管连通并延伸出热解炉的排尘管5-2。
所述第二腔体的上方设有净热解气出口12，该净热解气出口12通过管道与加热炉2连接。所述竖炉上设有还原气入口3-1，所述还原气入口3-1同样通过管道与加热炉2连接。
请参阅图2，所述荒煤气导出装置的进气管5-1包括进气段511及自进气段511顶部倾斜向下延伸的中间段512，且该中间段512与水平方向呈50-70°，中间段512的末端与排尘管5-2连通。出气管5-3包括自中间段512底部倾斜向上延伸的延伸段531及自延伸段531弯折向下延伸的出气段532，延伸段531与水平方向呈50-70°。排尘管5-2的底部设有排尘储罐5-4，排尘储罐下设置有排尘口5-5。
该装置结构设计遵循达到以下方法的目的：
粉状低阶煤由第一进料口6加入热解炉1第一腔体，在800-950℃热解形成的提质煤和热解荒煤气分别从第一出料口8和荒煤气导出装置5排出，辐射管10通过燃烧气体燃料为热解炉第一腔体供热。海绵铁从第二进料口7加入热解炉1第二腔体，海绵铁与由荒煤气导出装置5排出的热解荒煤气进行逆流接触，催化CH4、C2+、焦油等与荒煤气所含的H2O和CO2重整转化生成有效气H2、CO，然后形成的550-700℃净热解气从热解气出口12排出热解炉1。重整转化反应是需要吸收大量热量的，为提高重整转化效率，在出气管5-3附近重整段设置有辐射管11以提供热量，使重整段控制在800-950℃。第二腔体海绵铁还吸附脱除热解油气中的大部分粉尘与焦油，最终使用过的海绵铁从第二出料口9排出热解炉1。净热解气通入加热炉2加热至850-950℃后从还原气入口3-1通入竖炉还原铁矿石。荒煤气导出装置5收集到的提质煤粉尘经排尘储罐储存与冷却后，从排尘口5-5排出炉外。
其中：
热解炉第一腔体完成对低阶煤的热解，第二腔体能气基还原铁矿石生产海绵铁，且海绵铁中携带能提供后续熔分热量或还原剂的提质煤粉尘与焦油。
进气管5-1的进气口与底部提质煤堆积顶端距离1-2m，且优选呈喇叭口，中间段512呈水平向下趋势，与水平方向呈50-70°。(有利于降低进入右侧的热解荒煤气的粉尘含量)
出气管5-3的延伸段531呈水平向上趋势，与水平方向呈50-70°。(有利于降低进入右侧的热解荒煤气的粉尘含量)
第二腔体中入炉氧化球团颗粒为8-25mm。
从热解炉还原气入口12排出的净热解气摩尔含量CH4<6.5％、C2+<0.3％、H2+CO>83％、H2O+CO2<8％、焦油等有机物含量<4.5g/Nm3。
实施例二
本实施例提供一种使用上述装置的生产竖炉还原气的方法。
请结合图1和图2。
100t/h、粒度小于3mm的长焰煤由第一进料口6加入热解炉1第一腔体，在850℃热解形成的提质煤和热解荒煤气分别从第一出料口8和荒煤气导出装置5排出，辐射管10通过燃烧气体燃料为热解炉第一腔体供热。进气结构5-1，进气段与竖直方向角度0°，进气口与底部提质煤堆积顶端距离1.2m，呈喇叭口，出气段呈水平向下趋势，与水平方向呈70°。出气管5-3，出气段与竖直方向角度10°，进气段呈水平向上趋势，与水平方向呈50°。15-25mm质量含量占95％的煤基红土镍矿海绵铁从第二进料口7加入热解炉1第二腔体，海绵铁与由荒煤气导出装置5排出热解荒煤气进行逆流接触，催化CH4、C2+、焦油等与荒煤气所含的H2O和CO2重整转化生成有效气H2、CO，然后形成的5.5万Nm3/h净热解气从热解气出口12排出。在第二腔体出气管5-3附近重整段设置有辐射管11以提供热量，使重整段控制在850℃，重整段由出气管5-3出口至往上8m区段，右侧竖直通道截面积约0.25m2，海绵铁移动速度0.3m/s。第二腔体海绵铁还吸附脱除大部分的粉尘与焦油，最终使用过的海绵铁从第二出料口9排出热解炉1。从净热解气12排出的净热解气摩尔含量CH4＝6.3％、C2+＝0.2％、H2+CO＝84％、H2O+CO2＝7.5％、焦油等有机物含量＝4.3g/Nm3、粉尘含量1.7g/Nm3。620℃净热解气通入加热炉2加热至950℃后从还原气入口3-1通入竖炉还原全铁58％的钒钛氧化球团。荒煤气导出装置5收集到的提质煤粉尘经排尘储罐储存与冷却后，从排尘口5-5排出炉外，该提质煤粉尘与第二出料口排出的提质煤混合后进行进一步利用。热解炉第二腔体排出的红土镍矿海绵铁携带有10kg/t的提质煤粉尘和3kg/t的焦油等有机物，再进一步投入到电炉深度还原熔分时无需再加煤粉等还原剂。
实施例三
本实施例提供一种使用上述装置的生产竖炉还原气的方法。
150t/h、粒度小于3mm的褐煤由第一进料口6加入热解炉1第一腔体，在950℃热解形成的提质煤和热解荒煤气分别从第一出料口8和荒煤气导出装置5排出，辐射管10通过燃烧气体燃料为热解炉第一腔体供热。进气结构5-1，进气段与竖直方向角度10°，进气口与底部提质煤堆积顶端距离1.8m，呈喇叭口，出气段呈水平向下趋势，与水平方向呈50°。出气管5-3，出气段与竖直方向角度10°，进气段呈水平向上趋势，与水平方向呈70°。8-16mm质量含量占95％、金属化率86％的气基钒钛海绵铁从第二进料口7加入热解炉1第二腔体，海绵铁与由荒煤气导出装置5排出热解荒煤气进行逆流接触，催化CH4、C2+、焦油等与荒煤气所含的H2O和CO2重整转化生成有效气H2、CO，然后形成的8.2万Nm3/h净热解气从热解气出口12排出。在第二腔体出气管5-3附近重整段设置有辐射管11以提供热量，使得重整段控制在950℃，重整段由出气管5-3出口至往上11m区段，右侧竖直通道截面积约0.3m2，海绵铁移动速度0.7m/s。第二腔体海绵铁还吸附脱除大部分的粉尘与焦油，最终使用过的海绵铁从第二出料口9排出热解炉1。从净热解气12排出的净热解气摩尔含量CH4＝4.8％、C2+＝0.08％、H2+CO＝86％、H2O+CO2＝6.3％、焦油等有机物含量＝3.5g/Nm3、粉尘含量1.7g/Nm3。700℃净热解气通入加热炉2加热至860℃后从还原气入口3-1通入竖炉还原全铁58％的钒钛氧化球团。荒煤气导出装置5收集到的提质煤粉尘经排尘储罐储存与冷却后，从排尘口5-5排出炉外，该提质煤粉尘与第二出料口排出的提质煤混合后进行进一步利用。热解炉第二腔体排出的钒钛海绵铁携带有10kg/t的提质煤粉尘和2kg/t的焦油等有机物，再进一步投入到电炉深度还原熔分时无需再加煤粉等还原剂。

Claims (7)

1.一种采用热解生产竖炉还原气的装置，其特征在于：包括热解炉、加热炉、竖炉；
热解炉内设有相互独立的两个腔体及荒煤气导出装置，所述两个腔体分为第一腔体及第二腔体；第一腔体内具有第一辐射管；第二腔体内具有第二辐射管；所述第一腔体顶部具有第一进料口而底部具有第一出料口；第二腔体顶部具有第二进料口而底部具有第二出料口；荒煤气导出装置包括位于第一腔体内的进气管、位于第二腔体内的出气管、同时与进气管和出气管连通并延伸出热解炉的排尘管；
所述第二腔体的上方设有净热解气出口，该净热解气出口通过管道与加热炉连接，所述竖炉上设有还原气入口，所述还原气入口同样通过管道与加热炉连接。
2.根据权利要求1所述生产竖炉还原气的装置，其特征在于：所述荒煤气导出装置的进气管包括进气段及自进气段顶部倾斜向下延伸的中间段，且该中间段与水平方向呈50-70°，中间段的末端与排尘管连通；出气管包括自中间段底部倾斜向上延伸的延伸段及自延伸段弯折向下延伸的出气段，所述出气段与竖直方向角度±10°，延伸段与水平方向呈50-70°。
3.根据权利要求2所述生产竖炉还原气的装置，其特征在于：排尘管的底部设有排尘储罐，排尘储罐下设置有排尘口。
4.根据权利要求3所述生产竖炉还原气的装置，其特征在于：所述第一腔体及第二腔体中间通过设置一个隔墙而隔离开，所述荒煤气导出装置还包括与所述隔墙固定的固定装置。
5.一种使用如权利要求1-5中任一项装置的生产竖炉还原气的方法，其特征在于：
粉状低阶煤由第一进料口加入第一腔体并在800-950℃热解形成提质煤和热解荒煤气；热解荒煤气进入荒煤气导出装置的进气管；
海绵铁从第二进料口加入第二腔体内，海绵铁与自荒煤气导出装置输出的热解荒煤气进行逆流接触；海绵铁由荒煤气导出装置排出的热解荒煤气进行催化重整、除尘和吸附焦油处理后，形成的550-700℃净热解气从热解气出口排出热解炉；净热解气通入加热炉加热至850-950℃后从还原气入口通入竖炉内用以还原竖炉内的铁矿石。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于：由荒煤气导出装置排出的热解荒煤气进行催化重整、除尘和吸附焦油处理的方式为，海绵铁催化CH4、C2+、焦油等与荒煤气所含的H2O和CO2重整转化生成有效气H2、CO。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于：使用过的海绵铁从第二出料口排出热解炉；使用过的粉状低阶煤从第一出料口排出热解炉。
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