CN108504813B - 一种煤制气-气基竖炉直接还原系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤制气‑气基竖炉直接还原系统及工艺，其中，该系统包括煤制还原气系统和气基竖炉直接还原系统，煤制还原气系统包括制气单元、除灰湿洗单元、净化单元和换热单元，气基竖炉直接还原系统包括还原气加热单元和气基竖炉单元；制气单元用于将粉煤制成粗煤气；净化单元用于脱硫脱碳，得到净煤气；换热单元用于对净煤气和气基竖炉单元输出的炉顶煤气之间进行换热；还原气加热单元用于将还原气加热至预设温度；气基竖炉单元用于将铁矿石或者氧化球团还原生成海绵铁。本发明中的煤制气‑气基竖炉直接还原系统能够利用廉价的粉煤采用低温纯氧流态化的方式生产出海绵铁，克服了气基竖炉用还原气主要为天然气的限制，大大降低了成本。

Description

一种煤制气-气基竖炉直接还原系统及工艺

技术领域

本发明属于直接还原技术领域，具体涉及一种煤制气-气基竖炉直接还原系统及工艺。

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。随着我国钢铁产能压缩、钢铁企业节能减排压力的加大和钢铁产业结构调整，中国钢铁企业只有走电炉炼钢短流程的工艺路线。而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。随着钢铁企业节能减排压力越来越大，我国将直接还原工艺列为钢铁工业发展的主要方向之一。

生产直接还原铁的工艺称为直接还原工艺，分为气基法和煤基法两大类。目前，世界上近80％的直接还原铁是用气基法生产出来的，主要采用竖炉法，此工艺在中国尚属空白。气基竖炉直接还原工艺，是指利用气体还原剂将铁矿石或氧化球团还原成海绵铁的工艺，具有技术成熟程度高、单机产能大、工序能耗低、单位产能投资低的优点。其产品海绵铁不仅可解决优质废钢短缺问题，还可生产优质的炼钢用优质纯净铁原料，为提高产品质量、等级和附加值创造条件。由于气基竖炉直接还原反应可以在较低温度下进行，不需要建设污染物排放量巨大的炼焦设备和烧结设备而凸现其节能环保优势，是我国炼铁工艺的重要发展方向。

气基竖炉用还原气来源主要有天然气、煤制合成气、焦炉煤气等。目前主要以天然气为制气原料来制备气基竖炉用还原气，但是这类工艺工业化生产装置主要集中在中东、南美等天然气储存丰富、价格低廉的地区，而对于天然气比较稀缺、价格昂贵的地区，该工艺的发展则受到一定的限制。我国天然气比较贫乏，非焦煤资源却十分丰富，以煤为原料制备还原气在技术上是成熟的，煤制气技术在化肥、化工、发电等行业得到了广泛应用。因此，基于国内能源结构现状，将煤制合成气作为还原气来发展气基竖炉直接还原，是我国钢铁企业未来直接还原铁生产的重点发展方向。但是，煤制还原气系统与气基竖炉直接还原系统之间的衔接仍然存在许多问题，仍需广大冶金工作者努力解决。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种煤制气-气基竖炉直接还原系统及工艺，能够将煤制还原气系统与气基竖炉直接还原系统很好地衔接在一起，利用廉价的粉煤生产出更多的海绵铁，克服了气基竖炉用还原气主要为天然气的限制，大大降低了成本，节能减排效果明显。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明一方面提供一种煤制气-气基竖炉直接还原系统，包括煤制还原气系统和气基竖炉直接还原系统，煤制还原气系统包括制气单元、除灰湿洗单元、净化单元和换热单元，气基竖炉直接还原系统包括还原气加热单元和气基竖炉单元；制气单元用于将粉煤制成富含一氧化碳和氢气的粗煤气；除灰湿洗单元用于对粗煤气进行除灰和湿洗；净化单元用于对除灰湿洗单元输出的粗煤气进行脱硫脱碳，得到净煤气；换热单元用于对净煤气和气基竖炉单元输出的炉顶煤气之间进行换热，净煤气经换热后转换为还原气；还原气加热单元用于将还原气加热至预设温度，形成高温还原气；气基竖炉单元用于以高温还原气作为还原剂将铁矿石或者氧化球团还原生成海绵铁；

其中，还原气加热单元包括预热炉和加热炉，预热炉内设置有预热炉管，预热炉管两端分别穿出预热炉，一端用于通入还原气，另一端用于排出预热的还原气；加热炉内设置有若干加热炉管，加热炉管内设置有催化剂，催化剂用于催化预热的还原气中的甲烷的裂解反应；加热炉管两端分别穿出加热炉，一端用于通入预热的还原气，另一端用于向气基竖炉排出高温还原气；加热炉管外设置有均匀布置的烧嘴，加热炉与预热炉连通，烧嘴产生的高温烟气通过连通处由加热炉通入预热炉内，预热炉还设置有排气口。

根据本发明，制气单元采用流化床气化炉，流化床气化炉内还通入氧气和过热蒸汽。

根据本发明，流化床气化炉内的床层温度为900～1050℃。

根据本发明，氧气为纯氧。

根据本发明，气基竖炉单元输出的炉顶煤气经除尘后一部分通入换热单元，换热后的炉顶煤气再进行洗涤、加压后与除灰湿洗单元输出的粗煤气混合形成混合气，再将混合气通入到净化单元进行脱硫脱碳；气基竖炉单元输出的炉顶煤气经除尘后另一部分输送至还原气加热单元中的加热炉内以作为燃料。

根据本发明，混合气经净化单元进行脱硫脱碳处理后输出的净煤气的成分为：H₂+CO>905％、H₂/CO>1.5、CH₄<10％、H₂S<3mg/Nm³、粉尘<10mg/Nm³。

根据本发明，气基竖炉单元具有海绵铁冷装或者海绵铁热装两种出料方式。

根据本发明，海绵铁冷装出料时，将冷却气由气基竖炉单元下部喷入炉内，使海绵铁冷却至50℃以下，然后排出气基竖炉单元。

根据本发明，海绵铁热装出料时，依靠重力输送直接送往电炉。

根据本发明，除灰湿洗单元包括除灰单元、锅炉单元和湿洗单元；除灰单元用于对粗煤气进行除灰；锅炉单元用于将除灰后的粗煤气的余热进行回收，产生的过热蒸汽再输送到制气单元；湿洗单元用于对回收余热后的粗煤气进行除尘冷却。

本发明另一方面提供一种应用在上述煤制气-气基竖炉直接还原系统的工艺，包括如下步骤：S1、以粉煤为原料，在制气单元经气化后得到粗煤气；S2、对粗煤气进行除灰湿洗；S3、对除灰湿洗后得到的粗煤气进行脱硫脱碳，得到净煤气；S4、净煤气与气基竖炉单元输出的炉顶煤气之间进行换热，净煤气经换热后得到还原气；S5、对还原气进行加热，以达到预设温度，得到高温还原气；S6、将高温还原气通入气基竖炉单元内，并作为还原剂将铁矿石或者氧化球团还原生成海绵铁。

根据本发明，在步骤S5中，得到的高温还原气的成分满足：(H₂+CO)>90％、H₂/CO>1.5、CH₄<3％、(H₂+CO)/(H₂O+CO₂)>10、含硫量<3mg/Nm³、压力0.25MPa、温度900±30℃。

根据本发明，还原气加热单元还包括集气管，若干加热炉管的排气端全部连接到集气管，并通过集气管连接到气基竖炉。

根据本发明，若干集气管排为一排，每根集气管上连接有一排加热炉管，全部加热炉管相互平行。

根据本发明，加热炉管与预热炉管通过耐高温膨胀节及迷宫式砂封相连，加热炉管与集气管通过耐高温膨胀节及迷宫式砂封相连。

根据本发明，加热炉内还包括至少两个长明灯，长明灯包括电阻丝和供料管，供料管提供的燃料被保持红热状态的电阻丝点燃并持续燃烧。

根据本发明，预热炉管四周设置有烧嘴。

根据本发明，还原气加热单元还包括系统控制管理装置和传感器，传感器用于测量预热炉管内气体的温度、预热炉内气体的温度、加热炉管内气体的温度、加热炉内气体的温度；系统控制装置基于传感器测量的数值控制烧嘴的燃烧。

根据本发明，应用上述还原气加热单元对还原气进行加热的工艺包括：加热炉排出的高温烟气充满预热炉管外的预热工作空间，高温烟气降温后变为废气，随后净化达标后排出废气；预热炉管内通入还原气，还原气受高温烟气的加热，得到预热的还原气；预热的还原气导通到若干加热炉管内，加热炉管外用均布的烧嘴燃烧燃料气，向加热炉管加热，并将燃料气燃烧后产生的高温烟气排出到预热工作空间；加热炉管内设置有催化剂，用于催化甲烷的裂解，预热的还原气转变为高温还原气。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

1、本发明的煤制气-气基竖炉直接还原系统，其中的还原气加热单元采用隔离加热的方式进行加热，利用高温烟气预热，管路温冲小，使加热时间更短、最终加热温度更稳定，多根加热炉管同时工作，可处理的还原气成分范围较广。同时能源消耗低、热效率高、炉管寿命长、安全系数高，可长期稳定的为气基竖炉单元输送适温的高温还原气。因此，能够将煤制还原气系统与气基竖炉直接还原系统很好地衔接在一起，而且该系统能够采用廉价的粉煤制成还原气，克服了气基竖炉用还原气主要为天然气的限制，对天然气价格昂贵或者稀少的地区提供了更大的发展空间，大大降低了生产成本，适合大规模生产。应用该系统的工艺同样具备上述效果。

2、采用流化床法进行气化制气，可使用煤种范围广，价格便宜，制气成本低，设备简单，制成的粗煤气中基本不含焦油类物质。而且制气床层温度较低，能耗低，降低成本。

3、在流化床气化炉内采用纯氧通入，避免了不采用纯氧时造成的N₂不断地积累而影响煤气循环的问题。

4、将炉顶煤气进行循环利用，由于炉顶煤气中含有大量的H₂和CO，因此，能够节约能源，降低成本。

5、气基竖炉单元可以采用海绵铁热装方式进行出料，依靠重力直接送往电炉炉顶料仓，进而可大幅度地降低工艺能耗，整体工艺节能减排效果更加明显。

附图说明

图1为如下实施例1中提供的煤制气-气基竖炉直接还原系统的工艺流程示意图；

图2为如下实施例2提供的还原气加热单元的俯视结构示意图。

【附图标记说明】

1：预热炉；2：预热炉管；3：加热炉；4：烧嘴；5：加热炉管；6：集气管；7：总集气管；8：烟气净化装置；9：系统控制装置。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

参照图1，本实施例提供一种煤制气-气基竖炉直接还原系统，包括煤制还原气系统和气基竖炉直接还原系统，其中，煤制还原气系统包括制气单元、除灰湿洗单元、净化单元和换热单元，气基竖炉直接还原系统包括还原气加热单元和气基竖炉单元。

具体地，制气单元用于将粉煤制成富含一氧化碳(CO)和氢气(H₂)的粗煤气，除灰湿洗单元用于对粗煤气进行除灰和湿洗，净化单元用于对除灰湿洗单元输出的粗煤气进行脱硫脱碳，得到净煤气。换热单元用于对净煤气和气基竖炉单元输出的炉顶煤气之间进行换热，净煤气经换热后转换为还原气。还原气加热单元用于将还原气加热至预设温度，得到高温还原气。气基竖炉单元用于以高温还原气作为还原剂将铁矿石或者氧化球团还原生成海绵铁。

进一步地，制气单元采用流化床气化炉，按照煤气组分的要求，该流化床气化炉内通入有粉煤、氧气和过热蒸汽。其中，粉煤先送至氮气加压密封的气化炉煤仓，之后再被送入到流化床气化炉内作为制气原料，氧气和过热蒸汽作为气化剂，过热蒸汽可以直接外界提供，也可以由后续的除灰湿洗单元进行余热回收后产生的过热蒸汽提供。

具体地，流化床气化炉(以下简称气化炉)是用流态化技术来生产煤气的一种气化装置，气化剂通过粉煤层，气流速度高到使炉内煤粒悬浮，进而处于流化状态，进行粉煤与气化剂的反应而得到粗煤气。其中，粉煤的粒径为0～10mm，采用较小的粒径，比表面积更大，气固相运动更加剧烈，进而提高反应效率。在气化炉内，床层温度为900～1050℃，气固两相之间发生传质和传热并发生燃烧反应和水煤气反应，生成CO、H₂、CO₂等。利用碳燃烧放出的热量进行着煤粒的干燥、干馏和气化，生成的粗煤气在离开床层时，夹带着大量细小颗粒(包括灰粒和部分未完全气化的碳粒)由炉顶离开气化炉，部分密度增重后的灰渣自床层落到气化炉底部，定期排到渣仓。最终气化炉出炉得到的粗煤气温度为900～950℃。

采用流化床法进行制气可使用的煤种范围广，价格便宜，制气成本低，设备简单，该工艺的反应动力学条件好，床层温度均匀，传热传质效率高，气固两相间扰动强烈，气化强度较大，能够保证稳定的还原气来源。同时，整个气化炉床层的温度和炉内组分温度一致，所产生的煤气和灰渣都在炉温下排出，因此，导出的煤气(即粗煤气)中基本不含焦油类物质。此外，采用流化床法进行制气床层温度较低，能耗低，降低成本。

进一步地，向气化炉内通入的氧气为纯氧。

具体地，此处若通入的气化剂不是纯氧，制得的粗煤气里必定会含有部分N₂，而N₂在整个工艺过程中都是无法脱除的。由于后续工艺流程中炉顶煤气是不断循环的，因此，在整个工艺流程煤气中N₂会不断地积累，这样最终通入到气基竖炉单元中的高温还原气中N₂的占比就会越来越大，这样还原性气体的成分占比就会减少，导致炉料还原速率降低以及金属化率无法达标。因此，存在炉顶煤气进行循环的工艺时在气化炉内一定要通入纯氧，由于纯氧中不含有N₂，所以能够很好地避免了上述问题。

进一步地，除灰湿洗单元包括除灰单元、锅炉单元和湿洗单元。

具体地，除灰单元包括旋风除尘器和飞灰沉降室，用于对粗煤气进行除灰，将粗煤气先通过旋风除尘器后再经过飞灰沉降室以将粗煤气中的灰粒和未完全气化的碳粒去除。然后将除灰后的粗煤气再通入锅炉单元，用于将除灰后的粗煤气的余热进行回收。由于在气化炉内，整个床层的温度分布均匀，其波动范围不会超过5℃，故不会产生局部过热的现象，但是制得的粗煤气的出炉温度很高，热量损失较大，因此，在此处对除灰后的粗煤气进行余热回收，产生的过热蒸汽再输送到制气单元，由此能够大大节约能源，降低成本。湿洗单元为洗涤冷却塔，用于对回收余热后的粗煤气进行除尘冷却。

进一步地，在净化单元内采用变压吸附法将除灰湿洗单元得到的粗煤气中的H₂S和CO₂脱除，同时调整粗煤气中的H₂和CO的比例，进而得到以H₂和CO为主要成分的净煤气，以达到气基竖炉工艺要求。

具体地，在净化单元内进行的脱硫脱碳工艺主要包括如下子工艺：

(1)压缩工艺：除灰湿洗单元得到的粗煤气经过压缩机加压至0.5MPa后，得到压缩粗煤气，然后进入后续提纯系统。

(2)提纯工艺：此处提纯工艺包括预处理工艺和净化工艺，所用的提纯系统由预处理塔、净化塔及解吸气加热器组成。具体地，来自压缩机出口，压力为0.5MPa的压缩粗煤气进入预处理工艺后，自塔底进入预处理塔。经过预处理的压缩粗煤气再进入净化工艺，将压缩粗煤气中的部分CO和CO₂脱除，得到成分合格的净煤气。

进一步地，预处理塔与净化塔的工作过程类似，主要包括以下几个过程：

a)吸附过程：压缩粗煤气中的水、H₂S及其它重烃类杂质在常温下被吸附下来，净化后的压缩粗煤气进入净化工艺继续处理。当预处理塔吸附饱和后即转入再生过程。

b)降压过程：预处理塔逆着吸附方向，即朝着入口端卸压，气体排至煤气管网。

c)加热脱附杂质：用再生气加热至一定温度后逆着吸附方向吹扫吸附层，使水、H₂S及其它芳香族化合物在加温下得以完全脱附，再生后的解吸气送回煤气管网。

d)冷却吸附剂：脱附完毕后，停止加热再生气，继续用常温再生气逆着进气方向吹扫吸附床层，使之冷却至吸附温度。吹冷后的解吸气也送回煤气管网。

e)升压过程：用处理后的压缩粗煤气逆着吸附方向将预处理塔加压至吸附压力，至此预处理塔就又可以进行下一次吸附。

进一步地，经过上述脱硫脱碳工艺后脱除的CO₂可以用来生产绿色工业产品，例如可降解二氧化碳聚合物、干冰、水杨酸、碳酸丙烯酯等，进而达到工艺碳排放的目的。脱除的H₂S可以再对其中的硫成分进行回收，再用于制成硫磺等产品。

进一步地，在换热单元中，由净化单元输出的净煤气为常温，而气基竖炉单元输出的炉顶煤气约为400℃，两者在换热单元(例如换热器)中进行换热(换热过程并未发生化学反应)，进而达到回收炉顶煤气余热的目的。净煤气换热后通入到加热单元中，换热后的炉顶煤气再经进行洗涤、加压后与除灰湿洗单元输出的粗煤气混合形成混合气，再将混合气通入到净化单元进行脱硫脱碳。

进一步地，在净化单元中将上述混合气中的H₂S和CO₂脱除，并调整H₂和CO的体积比达到预设比例，最终经净化单元输出的净煤气的成分为：H₂+CO>90％、H₂/CO>1.5、CH₄<10％、H₂S<3mg/Nm³、粉尘<10mg/Nm³。

进一步地，加热单元包括预热炉和加热炉，换热单元输出的还原气首先进入预热炉预热至600～700℃，再进入加热炉进一步加热。加热炉内设置有若干加热炉管，炉管内设置有催化剂，用于催化预热后的还原气中的甲烷的裂解反应；加热炉管外设置有均匀布置的烧嘴，烧嘴燃烧燃料将炉管加热，通过传热将还原气加热至900±30℃，最终加热炉管内的高温还原气汇集到集气管内，输送至气基竖炉。需要说明的是，加热炉内烧嘴产生的高温烟气被排至预热炉内，用于预热还原气，预热炉排出的废烟气净化处理达标后排放。

进一步地，经还原气加热单元输送至气基竖炉单元中的高温还原气质量达到如下工艺要求：

(H₂+CO)>90％、H₂/CO>1.5、CH₄<3％、(H₂+CO)/(H₂O+CO₂)>10、含硫量<3mg/Nm³、压力0.25MPa、温度900±30℃，在此范围内能够到到气基竖炉的工艺要求。

进一步地，在气基竖炉单元内高温还原气将铁矿石或者氧化球团进行还原以生成海绵铁。以铁矿石为例，利用高温还原气与铁矿石进行还原反应主要包括以下工艺流程：

(1)高温还原气与铁矿石的还原反应：还原气由围管喷入气基竖炉内，与缓慢下降的炉料逆向流动，炉料被预热至还原过程所需的温度水平。预热阶段过后，高温还原气中的H₂和CO与铁矿石中铁的氧化物发生还原反应，直至达到目标金属化率。

(2)炉顶煤气循环：气基竖炉排出的炉顶煤气温度约为450℃，先进行除尘，之后一部分进入换热单元与净煤气进行换热。换热完成后，炉顶煤气再经洗涤加压后与除灰湿洗单元输出的粗煤气混合形成混合气，混合气再进入净化单元进行脱硫脱碳。剩余的炉顶煤气(即炉顶煤气经除尘后的另一部分)输送至还原气加热单元中的加热炉以作燃料使用。由于炉顶煤气中含有大量的H₂和CO，因此，将炉顶煤气循环利用，大大节约了能源，降低了成本。

(3)排料：生成的海绵铁由气基竖炉下部锥段排出，锥段设置有冷却气喷管。该气基竖炉可以海绵铁冷装和热装两种出料方式，当海绵铁冷装出料时，冷却气(例如冷的天然气)由喷管从气基竖炉下部喷入，完成渗碳及冷却后输送至冷料仓。当海绵铁热装出料时，热的海绵铁通过充满氮气的管路依靠重力直接送往电炉炉顶料仓，采用热装出料，可大幅度地降低工艺能耗，整体工艺节能减排效果更加明显。

进一步地，本实施例还提供应用在上述的煤制气-气基竖炉直接还原系统的工艺，具体包括如下步骤：

S1、以粒径为0～10mm的粉煤为原料，在流化床气化炉内采用低温纯氧气化法制得粗煤气。

S2、对粗煤气先进行除灰，再进行余热回收产生过热蒸汽，之后再进行洗涤。其中，产生的过热蒸汽再通入到流化床气化炉内，以回收利用，节约能源。

S3、进行除灰湿洗后的粗煤气再通入到净化单元，采用变压吸附法将其中的H₂S和CO₂脱除，并调整粗煤气中的H₂和CO的比例，进而得到以H₂和CO为主要成分的净煤气。

S4、将净煤气通入到换热单元内进行换热，净煤气经换热后得到还原气。

S5、将还原气通入到还原气加热单元进行加热达到预设温度，同时，加热炉炉管内装有催化剂用来催化裂化还原气中的甲烷，使其含量降低至3％(体积百分数)以下，得到高温还原气，以满足气基竖炉的工艺要求。其中，预设温度为900±30℃。

S6、将高温还原气通入气基竖炉后单元内，并作为还原剂将铁矿石或氧化球团还原成海绵铁，达到目标金属化率后，海绵铁由气基竖炉下部排出，炉顶煤气由竖炉上部排出。同时炉顶煤气经除尘后，一部分进入换热单元与净煤气换热，换热完成后，炉顶煤气经洗涤加压后与除灰湿洗单元得到的粗煤气混合，共同进入净化单元。未参与循环的炉顶煤气输送至加热炉作为燃料。

综上，本实施例中的煤制气-气基竖炉直接还原系统能够采用廉价的粉煤制成还原气，进而能够生产出更多的海绵铁，克服了气基竖炉用还原气主要为天然气的限制，对天然气价格昂贵或者稀少的地区提供了更大的发展空间，大大降低了生产成本，适合大规模生产。

同时采用流化床法进行气化制气，可使用煤种范围广，价格便宜，制气成本低，设备简单，制成的粗煤气中基本不含焦油类物质。而且制气床层温度较低，进而能够降低能耗，节约成本。在流化床气化炉内采用纯氧通入，避免了不采用纯氧时造成的N₂不断地积累而影响炉顶煤气循环的问题。

此外，本实施例中将炉顶煤气进行循环利用，由于炉顶煤气中含有大量的H₂和CO，因此，能够节约能源，降低成本。气基竖炉单元可以采用海绵铁热装方式进行出料，依靠重力直接送往电炉炉顶料仓，进而可大幅度地降低工艺能耗，整体工艺节能减排效果更加明显。

实施例2

本实施例主要提供上述实施例1中所说的还原气加热单元的详细结构，包括预热炉1和加热炉3，具体如下：

参照图2，预热炉1内设置预热炉管2，预热炉管2的两端分别穿出预热炉1。预热炉管2在预热炉1内的部分为曲折的长管。预热炉1内、预热炉管2之外的空间为预热工作空间。

加热炉3内设置有阵列的加热炉管5，图2中加热炉管5为纵向设置，共三排五列、相互之间平行，也可以设置成同心环状等形状。加热炉管5由耐高温合金制成，使加热炉管5具有良好的抗渗碳性能、高温蠕变断裂性能、抗热疲劳性能、导热性能以及铸造和焊接性能。加热炉管5内还设置有用于催化预热后的还原气中的甲烷裂解反应的催化剂。

图2中一根预热炉管2连通到一根总分气管，总分气管分为三根分气管，也可以是设置三根预热炉管2，分别直接连接分气管。同一排五根加热炉管5的一端连通到同一根分气管。加热炉管5和预热炉管2之间采用耐高温膨胀节连接，并采用迷宫式砂封密封。可以根据多个预热炉管2的进气量，设计每根预热炉管2供应合适数量的加热炉管5。

加热炉管5的另一端连通到同一根集气管6，三根集气管6连通到总集气管7上。集气管6设置在加热炉3外部，与加热炉管5之间通过耐高温膨胀节及迷宫式砂封相连。加热炉3内、联通的管路之外为加热工作空间。

使用FLUENT软件对预热炉1及加热炉3内作传热模拟计算，并结合热工计算结果，确定烧嘴4及加热炉管5的合理运行方式、预热炉管2的回折方式、加热炉管5的形状或分布。由于不同的气基竖炉对还原气的供气量、温度等要求不同，不同原料还原气的成分也有所不同，所以设备的具体结构可以依据实际需求优化调整。但是优化调整不意味着不同设备只适用于某种还原气，该设备可以兼容不同种类的还原气的加热，并向气基竖炉供气。

在加热炉管5的外侧四周，均匀布置烧嘴4，烧嘴4使用的燃料气可以通过管路从外部通入。其实在预热炉1内部也可以设置补温用的烧嘴4，当气体温度异常偏低时，可以使用此烧嘴4在预热炉管2处加热还原气，以保证最终总集气管7排出的高温还原气温度适宜。

加热炉3还与预热炉1连通，连通处位于预热炉1下部，烧嘴4燃烧产生的高温烟气通过连通处导通进预热炉1，从下而上通过预热工作空间，进而从预热炉1顶部的排气口排出。

还包括烟气净化装置8，可以净化废气，使其达到排放标准。还可以利用废气的余热，比如加热水暖等。

还包括至少两个长明灯，长明灯包括电阻丝和供料管，供料管提供的燃料被保持红热状态的电阻丝点燃，形成一个持续燃烧的火炬。如果关炉，长明灯可以将加热炉3内残余的燃料气燃烧干净，并提供照明；如果开炉，长明灯可以引燃烧嘴4释放的燃料气；工作中，电阻丝始终保持红热状态。

还包括系统控制管理装置9和传感器。传感器用于测量预热炉管2内气体的温度、预热炉管2内气体的流速、预热炉1内气体的温度、加热炉管5内气体的温度、加热炉管5内气体的流速、加热炉3内气体的温度。

系统控制装置9通过传感器反馈的数据自动调节烧嘴4、以及预热炉内补温烧嘴的燃烧强度。

依据图2所示的还原气加热单元的结构为例，叙述一次利用该还原气加热单元将还原气加热得到高温还原气的工艺。

表1还原气主要参数

如上表所示还原气(即经过实施例1中经换热单元后得到的还原气)，预备制成高温还原气。

根据预热的还原气的量以及适宜的气体流速，计算出适宜的加热强度，向对应的烧嘴4的管路内通入燃料气，烧嘴4被长明灯点燃；

烧嘴4产生的高温烟气通过加热炉3和预热炉1的连通处进入预热炉1，预热工作空间开始升温，变为废气的高温烟气从预热炉1的排气口排到烟气净化装置8，处理达标后排出；

还原气从预热炉管2的进气端通入，在预热炉1的预热工作空间温度还不够时，可以点燃补温烧嘴来临时加热；还原气变为预热的还原气，温度为600℃～700℃；

通过分气管上阀门的控制，预热的还原气进入加热炉管5内，被烧嘴4加热，对流换热中，温度上升到900±30℃，预热的还原气中含有的甲烷受热裂解，在催化剂的作用下，含量迅速降到3％以下；

实时检测各处温度，系统控制装置9结合传感器反馈的结果，合理调节控制烧嘴4和预热炉1内补温烧嘴的加热强度，从而调节气体温度；同时可以将计算结果借助系统控制管理装置的屏幕显示；

每排的五根加热炉管5内的高温还原气混合到一根集气管6中，三根集气管6中的高温还原气再混合到总集气管7中，输送给气基竖炉使用；

遇到故障停炉时，长明灯可将加热炉3残余的燃料气燃烧干净。

进一步地，目前，国内现有的加热炉一般为管式加热炉或者轧钢用各式加热炉。管式加热炉是炼油厂和化工厂提供热源的主要设备，其作用是利用燃料化学能将介质(液体或气体)加热至工艺所需的温度。裂解加热炉炉管工作温度在700℃～980℃，接触介质主要为烷烃、芳烃及烯烃等，其内部管壁容易积碳，甚至发生爆燃事故。而轧钢加热炉主要是在换热室内对钢坯进行直接加热，不存在隔离加热所面临的难题。针对此问题，本实施例中提供的还原气加热单元高效低能耗且可调节气体成分，利用该还原气加热单元对还原气加热的工艺采用的是隔离式加热，且高效、低能耗。

综上，本实施例中的还原气加热单元采用隔离加热的方式进行加热，利用高温烟气预热，管路温冲小，使加热时间更短、最终加热温度更稳定，多根加热炉管5同时工作，可处理的还原气成分范围较广。同时能源消耗低、热效率高、炉管寿命长、安全系数高，可长期稳定的为气基竖炉输送适温的高温还原气。

集气管6可以将不同加热炉管5内的高温还原气汇集到一起，均衡温度，调节流速，并且便于输送到气基竖炉。通过合理的排布加热炉管5，各加热炉管5整体受热均衡，同时加热工作空间的气压也比较稳定。耐高温膨胀节用于抵消设备热胀冷缩造成的形变，提高设备安全性和使用性能。迷宫式砂封密封性好，耐温性好。长明灯是以电阻丝点燃的持续燃烧的火炬，其可以在设备关停后，燃烧掉加热炉3中残余的燃料气，并且可以在下一次工作时用于点燃烧嘴4喷出的燃料气。预热炉管2外的烧嘴4用于临时补温，防止意外温冲。传感器用于测量设备运行过程中的各项实时参数，系统控制装置9基于测得的参数，实时调节运行状态，使得高温还原气性质更加稳定。

此外，采用本实施例中的还原气加热单元对还原气进行加热，工艺流程简短，效率高，能耗少。可处理的还原气成分范围广，高温还原气温度稳定。预热的还原气温度不低于600℃，有利于工艺稳定，提高效率。预热炉热量来源于加热炉排出的高温烟气，系统整体能耗小。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种煤制气-气基竖炉直接还原系统，包括煤制还原气系统和气基竖炉直接还原系统，其特征在于，所述煤制还原气系统包括制气单元、除灰湿洗单元、净化单元和换热单元，所述气基竖炉直接还原系统包括还原气加热单元和气基竖炉单元；

所述制气单元用于将粉煤制成富含一氧化碳和氢气的粗煤气，所述制气单元采用流化床气化炉，所述流化床气化炉内还通入氧气，所述氧气为纯氧；

所述除灰湿洗单元用于对所述粗煤气进行除灰和湿洗；

所述净化单元用于对所述除灰湿洗单元输出的粗煤气进行脱硫脱碳，得到净煤气；

所述换热单元用于对所述净煤气和所述气基竖炉单元输出的炉顶煤气之间进行换热，所述净煤气经换热后转换为还原气；

所述还原气加热单元用于将所述还原气加热至预设温度，形成高温还原气；

所述气基竖炉单元用于以所述高温还原气作为还原剂将铁矿石或者氧化球团还原生成海绵铁；

其中，所述气基竖炉单元输出的炉顶煤气经除尘后一部分通入换热单元，换热后的炉顶煤气再进行洗涤、加压后与所述除灰湿洗单元输出的粗煤气混合形成混合气，再将所述混合气通入到所述净化单元进行脱硫脱碳；

所述还原气加热单元包括预热炉和加热炉，所述预热炉内设置有预热炉管，所述预热炉管两端分别穿出所述预热炉，一端用于通入所述还原气，另一端用于排出预热的还原气，所述预热的还原气的温度为600～700℃；

所述加热炉内设置有若干加热炉管，所述加热炉管内设置有催化剂，所述催化剂用于催化所述预热的还原气中的甲烷的裂解反应；

所述加热炉管两端分别穿出所述加热炉，一端用于通入所述预热的还原气，另一端用于向气基竖炉排出所述高温还原气；

所述加热炉管外设置有均匀布置的烧嘴，所述加热炉与所述预热炉连通，且所述加热炉管与所述预热炉管通过耐高温膨胀节及迷宫式砂封相连，所述烧嘴产生的高温烟气通过所述连通处由所述加热炉通入所述预热炉内，所述预热炉还设置有排气口。

2.如权利要求1所述的煤制气-气基竖炉直接还原系统，其特征在于，

所述流化床气化炉内还通入过热蒸汽。

3.如权利要求2所述的煤制气-气基竖炉直接还原系统，其特征在于，

所述流化床气化炉内的床层温度为900～1050℃。

4.如权利要求1至3任一项所述的煤制气-气基竖炉直接还原系统，其特征在于，

所述气基竖炉单元输出的炉顶煤气经除尘后另一部分输送至所述还原气加热单元中的加热炉内以作为燃料。

5.如权利要求4所述的煤制气-气基竖炉直接还原系统，其特征在于，

所述混合气经所述净化单元进行脱硫脱碳处理后输出的所述净煤气的成分为：H₂+CO>90％、H₂/CO>1.5、CH₄<10％、H₂S<3mg/Nm³、粉尘<10mg/Nm³。

6.如权利要求4所述的煤制气-气基竖炉直接还原系统，其特征在于，

所述气基竖炉单元具有海绵铁冷装或者热装两种出料方式。

7.如权利要求1所述的煤制气-气基竖炉直接还原系统，其特征在于，所述除灰湿洗单元包括除灰单元、锅炉单元和湿洗单元；

所述除灰单元用于对所述粗煤气进行除灰；

所述锅炉单元用于将所述除灰后的粗煤气的余热进行回收，产生的过热蒸汽再输送到所述制气单元；

所述湿洗单元用于对所述回收余热后的粗煤气进行除尘冷却。

8.一种应用在如权利要求1至7任一项所述的煤制气-气基竖炉直接还原系统的工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S1、以所述粉煤为原料，在所述制气单元经气化后得到所述粗煤气；

S2、对所述粗煤气进行除灰湿洗；

S3、对除灰湿洗后得到的粗煤气进行脱硫脱碳，得到所述净煤气；

S4、所述净煤气与所述气基竖炉单元输出的炉顶煤气之间进行换热，所述净煤气经换热后得到还原气；

S5、对所述还原气进行加热，以达到所述预设温度，得到所述高温还原气；

S6、将所述高温还原气通入所述气基竖炉单元内，并作为还原剂将所述铁矿石或者氧化球团还原生成海绵铁。

9.如权利要求8所述的工艺，其特征在于，

在步骤S5中，得到的所述高温还原气的成分满足：(H₂+CO)>90％、H₂/CO>1.5、CH₄<3％、(H₂+CO)/(H₂O+CO₂)>10、含硫量<3mg/Nm³、压力0.25MPa、温度900±30℃。