CN108795457A - 一种采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于冶金技术领域，尤其涉及一种采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备及方法。采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备包括外热式直立热解炉、油‑气‑水分离装置、第一旋风分离器、改质炉、第二旋风分离器、竖炉、换热器、净化除尘器和第一加压泵；所述外热式直立热解炉与油‑气‑水分离装置连通；所述油‑气‑水分离装置与第一旋风分离器连通；所述第一旋风分离器与改质炉连通，所述改质炉与竖炉连通；所述竖炉的气体出口端的管路上依次设置有换热器、净化除尘装置和第一加压泵；所述第一加压泵与第二旋风分离器、外热式直立热解炉连通。上述设备具有结构紧凑，布置连贯同时又利于各种废物回收利用，使用寿命长，投资小的优点。

Description

一种采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备及方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，尤其涉及一种采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备及方法。
背景技术
直接还原铁是以气体、液体燃料或非焦煤为能源，在铁矿石(或含铁团块)软化温度以下进行还原得到金属铁的方法。其产品呈多孔低密度海绵状结构，被称为DRI(DirectReduced Iron-直接还原铁)或海绵铁。直接还原铁在节能、环保等方面具有优良的性能。随着世界钢铁工业的飞速发展和国际社会对环境保护的日益重视，铁矿石、焦炭、优质废钢资源的日益减少以及天然气等价格的大幅上涨，直接还原技术在世界各地迅速发展。
气基还原的还原气体主要有天然气、油田伴生气、焦炉煤气、煤制气以及其它方法生产的(CO+H2)混合气体。但对一些天然气资源匮乏的地区，采用天然气具有价格高的缺点。针对此问题，现有技术中提出了采用煤气作为还原气。但是，焦炉煤气存在一定的局限性：钢铁联合企业没有多余的焦炉煤气可供使用，独立的焦化企业满足不了大规模直接还原铁生产的需要；煤气化制气技术复杂、投资大、生产成本高，不适于直接还原铁。
低阶煤热解煤气适用于价格低廉的低品质煤，如褐煤、不粘煤、弱粘煤或长焰煤等。分质转化利用可将煤中的挥发分变为热解煤气和焦油，所产提质煤还可作为优质气化原料及动力煤。热解煤气品质高，有效成分及热值高。蓄热式外热直立炉是常规工业热解制气中，碳排放量最低、造气成本最低、热效率最高的炉型，所以热解煤气是直接还原气体的最佳来源之一。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题，本发明提供一种采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备，能够解决现有技术中存在的技术复杂、投资大、生产成本高的问题。
本发明的再一个目的在于，提出一种采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的方法。
(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：
提供了一种采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备，其包括外热式直立热解炉、油-气-水分离装置、第一旋风分离器、改质炉、第二旋风分离器、竖炉、换热器、净化除尘器和第一加压泵；
所述外热式直立热解炉的气体出口端与油-气-水分离装置的气体进口端连通；
所述油-气-水分离装置的气体出口端与第一旋风分离器的气体进口端连通；
所述第一旋风分离器的气体出口端与改质炉的气体进口端连通，所述改质炉的气体出口端与竖炉的气体进口端连通；
所述竖炉的气体出口端的管路上依次设置有换热器、净化除尘装置和第一加压泵，其中，换热器靠近竖炉设置；
所述第一加压泵的出口端与第二旋风分离器的气体进口端、外热式直立热解炉的进口端连通。
优选的，所述外热式直立热解炉包括燃烧室，和与燃烧室并列布置的炭化室，所述燃烧室与炭化之间通过导热体间壁进行热量传导；
所述燃烧室的气体入口端与第一加压泵的出口端连通。
优选的，包括两个改质炉，两个改质炉分别是第一改质炉和第二改质炉，第一旋风分离器的气体出口端通过第一切换阀与两个改质炉连通，
所述第一切换阀为三通阀，其包括进口端、第一出口端和第二出口端，所述第一切换阀的进口端与第一旋风分离器的气体出口端连通，第一切换阀的第一出口端与第一改质炉的气体进口端连通，所述第一切换阀的第二出口端与第二改质炉的气体进口端连通；
两个改质炉的气体出口端均通过第二切换阀与第二旋风分离器连通；
所述第二切换阀为三通阀，其包括第一进口端、第二进口端和出口端，所述第二切换阀的第一进口端与第一改质炉的气体出口端连通，所述第二切换阀的第二进口端与第二改质炉的气体出口端连通，所述第二切换阀的出口端与第二旋风分离器的气体进口端连通。
优选的，所述第一改质炉和第二改质的炉顶炉气体出口端与同一管路连通，并且该管路上依次设置有除尘水洗器和第二加压泵，其中，除尘水洗器靠近改质炉设置；
所述第二加压泵的出口端通过第三切换阀与两个改质炉的炉腔连通；
所述第三切换阀包括进口端、第一出口端和第二出口端，所述第二加压泵的气体出口端与第三切换阀的进口端连通，第三切换阀的第一出口端与第一改质炉的炉腔连通，第三切换阀的第二出口端与第二改质炉的炉腔连通。
优选的，还包括供氧管路，该供氧管路包括第四切换阀，所述第四切换阀包括进口端、第一出口端和第二出口端；
所述第四切换阀的进口端与氧气供应设备连通，所述第四切换阀的第一出口端与第一改质炉的炉腔连通，第四切换阀的第二出口端与第二改质炉的炉腔连通。
优选的，所述改质炉包括炉料排放口，所述炉料排放口通过第一输送装置与灰渣仓、振动筛连接。
优选的，还包括余热锅炉，与余热锅炉连接的蒸汽包；
所述振动筛通过第二输送装置与余热锅炉的进料端连接；
所述余热锅炉的进料端还通过第三输送装置与第一旋风分离器的灰尘出口端连接。
一种采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的方法，其采用如以上所述的采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备，包括以下步骤：
使用低阶煤炭原料，经分质转化利用将煤中的挥发分变为热解煤气和焦油，以及半焦；
对热解煤气进行油-气-水分离，得到干馏煤气；
对干馏煤气进行旋风除尘，得到净化粗煤气，净化粗煤气含尘量不大于10g/m3；
在1100℃-1250℃温度下，将净化粗煤气进行改质，改质借助改质炉炉料脱除CO2及H2S，改质后得到改质煤气，改质煤气的温度为900℃-1100℃，改质煤气中的H2/CO为1.2-1.7；
对竖炉排出的炉顶煤气进行换热降温和净化除尘，得到除尘炉顶煤气；
向改质煤气中配入换热除尘的竖炉炉顶煤气调温，得到合成改质煤气，对所述合成改质煤气进行除尘，得到净化合成气，所净化合成气的温度为850℃-900℃；
将净化合成气通入设置有铁矿石和/或氧化球团的竖炉，可得到DRI和竖炉炉顶煤气。
优选的，所述低阶煤炭中混有8-12％wt的白云石。
优选的，所述改质炉炉料包括65-85％wt的半焦，10-25％wt的白云石和5-10％wt的转炉钢渣，所述改质炉炉料粒度不小于50mm，其中，半焦为低阶煤炭分质转化的产物。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的一种采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备及方法，其结构紧凑，布置连贯同时又利于各种废物回收利用，使用寿命长，投资小的优点。
附图说明
图1为本发明具体实施方式提供的采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备的结构示意图。
【附图标记说明】
1：外热式直立热解炉；2：油-气-水分离装置；3：第一旋风分离器；4A：第一改质炉；4B：第二改质炉；5：第二旋风分离器；6：竖炉；7：换热器；8：净化除尘器；9：第一加压泵；10：余热锅炉；11：灰渣仓；12：振动筛；13：除尘水洗器；14：第二加压泵；15：高压蒸汽包；16a：第一切换阀；16b：第二切换阀；17a：第三切换阀；17b：第四切换阀。
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。
如图1所示，在本实施方式中，提供了一种采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备，其包括外热式直立热解炉1、油-气-水分离装置2、第一旋风分离器3、改质炉、第二旋风分离器5、竖炉6、换热器7、净化除尘器8和第一加压泵9。
外热式直立热解炉1的气体出口端与油-气-水分离装置2的气体进口端连通。
油-气-水分离装置2的气体出口端与第一旋风分离器3的气体进口端连通。
第一旋风分离器3的气体出口端与改质炉的气体进口端连通，改质炉的气体出口端与竖炉6的气体进口端连通。
竖炉6的气体出口端的管路上依次设置有换热器7、净化除尘装置8和第一加压泵9，其中，换热器7靠近竖炉6设置。
第一加压泵9的出口端与第二旋风分离器5的气体进口端、外热式直立热解炉1的进口端连通。
外热式直立热解炉1包括燃烧室，和与燃烧室并列布置的炭化室，燃烧室与炭化之间通过导热体间壁进行热量传导，燃烧室的气体入口端与第一加压泵9的出口端连通。
炭化室内的煤料受外来的热能加热，产出热解煤气与半焦(兰炭)。低阶煤粉分质转化利用的原料包括低变质烟煤(包括长焰煤、不粘煤、弱粘煤)、褐煤和气煤等。煤粉中可以混入8-12％wt、优选为10％wt的白云石粉及5％转炉炉渣，用来减少合成气中的硫元素含量。
煤炭分质转化利用所用工艺为蓄热式外热直立炉煤干馏工艺。该工艺采用外加热方式，不仅可用粉煤，而且所产煤气体积大大减少；引入蓄热式快速换向高温空气燃烧技术，具有高效烟气余热回收、高温预热空气以及低污染排放等多重优越性。
将由外热式直立热解炉1生产的热解煤气通入油-气-水分离装置2中，煤焦油与水被油-气-水分离装置2分离出来，所述煤焦油可外销，废水可循环利用。分离后的热解煤气通入到旋风分离器3中，得到净化粗煤气。净化粗煤气以CO和H2为主要组分，CO和H2的体积和占总气体的72-76％，含尘量可降低到10g/m3以下。
采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备包括两个改质炉，两个改质炉分别是第一改质炉4A和第二改质炉4B，第一旋风分离器3的气体出口端通过第一切换阀16a与两个改质炉连通。
第一切换阀16a为三通阀，其包括进口端、第一出口端和第二出口端，第一切换阀16a的进口端与第一旋风分离器3的气体出口端连通，第一切换阀16a的第一出口端与第一改质炉4A的气体进口端连通，第一切换阀16a的第二出口端与第二改质炉4B的气体进口端连通。
两个改质炉的气体出口端均通过第二切换阀16b与第二旋风分离器5连通。
第二切换阀16b为三通阀，其包括第一进口端、第二进口端和出口端，第二切换阀16b的第一进口端与第一改质炉4A的气体出口端连通，第二切换阀16b的第二进口端与第二改质炉4A的气体出口端连通，第二切换阀16b的出口端与第二旋风分离器5的气体进口端连通。
第一改质炉4A和第二改质4B的炉顶炉气体出口端与同一管路连通，并且该管路上依次设置有除尘水洗器13和第二加压泵14，其中，除尘水洗器13靠近改质炉设置。
第二加压泵14的出口端通过第三切换阀17a与两个改质炉的炉腔连通。
第三切换阀17a包括进口端、第一出口端和第二出口端，第二加压泵14的气体出口端与第三切换阀17a的进口端连通，第三切换阀17a的第一出口端与第一改质炉4A的炉腔连通，第三切换阀17a的第二出口端与第二改质炉4B的炉腔连通。
采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备还包括供氧管路，该供氧管路包括第四切换阀17b，第四切换阀17b包括进口端、第一出口端和第二出口端。
第四切换阀17b的进口端与氧气供应设备连通，第四切换阀17b的第一出口端与第一改质炉4A的炉腔连通，第四切换阀17b的第二出口端与第二改质炉4B的炉腔连通。
设置两套改质炉，当一套正在对所述净化粗煤气改质时，另一套在使用改质炉炉顶煤气、重油混和氧气燃烧的方式加热到1250℃，两套改质炉交替运行，对所述净化粗煤气进行改质。
改质炉内设有粒度不小于50mm的炉料，改质炉炉料包括65-85％wt的焦炭及半焦，10-25％wt的白云石和5-10％wt的转炉钢渣。改质炉的炉温保持在1100℃-1250℃，炉内形成改质的工作空间。可以间歇使用煤气加氧气燃烧的方式保持改质炉炉温。
通过红热的焦炭与CO2发生碳的气化反应脱除CO2，通过白云石分解产生的CaO及炉渣中的还原铁与H2S反应脱除净化粗煤气中的硫得到改质煤气。改质煤气温度为900℃-1100℃，其中主要成份为CO和H2，二者体积和达90％以上，H2/CO为1.2-1.7，CH4含量低于1％vol。
设置两套改质炉的意义在于，当第一改质炉4a工作时，第二改质炉4b内通入氧气，通入改质炉炉顶气和/或燃料气，燃烧加热直到第二改质炉4b温度至1250℃。然后关闭改质炉炉顶煤气和/及燃料气的进口阀，关闭助燃氧气，同时也关闭改质炉炉顶煤气出口阀，再将净化粗煤气引入第二改质炉4b，开始脱除CO2和H2S的改质过程，同时输出还原煤气调温除尘后供竖炉使用。
改质过程中第二改质炉4b的输出的煤气温度会有所下降，当降低到850℃时。第一改质炉4a停止加热过程，开始进行煤气改质工作；同时切换第二改质炉4b通入改质炉炉顶煤气和/或燃料气和助燃氧气开始加热，直到第二改质炉4a内温度上升到1250℃。
两个改质炉的改质炉炉顶煤气都通过除尘水洗器13和第二加压泵14，再通过第三切换阀17a，受控制的回流到改质炉内。两个改质炉所用的氧气也可以通过一个总管输送来，然后经过第四切换阀17b分流到两个改质炉内。
改质炉包括炉料排放口，炉料排放口通过第一输送装置与灰渣仓11、振动筛12连接。
还包括余热锅炉10，与余热锅炉10连接的蒸汽包15，振动筛12通过第二输送装置与余热锅炉10的进料端连接，余热锅炉10的进料端还通过第三输送装置与第一旋风分离器3的灰尘出口端连接。
旋风分离器3分离出的灰尘自身携带热量，同时含有可燃的粉煤，将灰尘运输到余热锅炉10中，混入空气燃烧，产生的大量热量生产水蒸气导入高压蒸汽包15，高压蒸汽可用于发电或供热。
改质炉排出的废炉料先输送到灰渣仓11中激冷，再经振动筛12筛分，大块的回收炉料加回到改质炉中的炉料内继续使用，含碳炉渣输送到余热锅炉10，用于制作水蒸气。
在本实施方式中，还提供了一种采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的方法，其采用如以上所述的采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备，包括以下步骤：
使用低阶煤炭原料，经分质转化利用将煤中的挥发分变为热解煤气和焦油，以及半焦；
对热解煤气进行油-气-水分离，得到干馏煤气；
对干馏煤气进行旋风除尘，得到净化粗煤气，净化粗煤气含尘量不大于10g/m3；
在1100℃-1250℃温度下，将净化粗煤气进行改质，改质借助改质炉炉料脱除CO2及H2S，改质后得到改质煤气，改质煤气的温度为900℃-1100℃，改质煤气中的H2/CO为1.2-1.7；
对竖炉排出的炉顶煤气进行换热降温和净化除尘，得到除尘炉顶煤气；
向煤气中配入换热除尘的竖炉炉顶煤气调温，得到合成改质煤气，对所述合成改质煤气进行除尘，得到净化合成气，所净化合成气的温度为850℃-900℃；
将净化合成气通入设置有铁矿石和/或氧化球团的竖炉，可得到DRI和竖炉炉顶煤气。
进一步的，竖炉炉顶煤气经过换热器换热降温，温度可以降到50℃以下；再经过净化除尘器和第一加压泵得到换热除尘的竖炉炉顶煤气，返回到前序使用。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备，其特征在于：包括外热式直立热解炉、油-气-水分离装置、第一旋风分离器、改质炉、第二旋风分离器、竖炉、换热器、净化除尘器和第一加压泵；
所述外热式直立热解炉的气体出口端与油-气-水分离装置的气体进口端连通；
所述油-气-水分离装置的气体出口端与第一旋风分离器的气体进口端连通；
所述第一旋风分离器的气体出口端与改质炉的气体进口端连通，所述改质炉的气体出口端与竖炉的气体进口端连通；
所述竖炉的气体出口端的管路上依次设置有换热器、净化除尘装置和第一加压泵，其中，换热器靠近竖炉设置；
所述第一加压泵的出口端与第二旋风分离器的气体进口端、外热式直立热解炉的进口端连通。
2.根据权利要求1所述的采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备，其特征在于：所述外热式直立热解炉包括燃烧室，和与燃烧室并列布置的炭化室，所述燃烧室与炭化之间通过导热体间壁进行热量传导；
所述燃烧室的气体入口端与第一加压泵的出口端连通。
3.根据权利要求1所述的采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备，其特征在于：包括两个改质炉，两个改质炉分别是第一改质炉和第二改质炉，第一旋风分离器的气体出口端通过第一切换阀与两个改质炉连通；
所述第一切换阀为三通阀，其包括进口端、第一出口端和第二出口端，所述第一切换阀的进口端与第一旋风分离器的气体出口端连通，第一切换阀的第一出口端与第一改质炉的气体进口端连通，所述第一切换阀的第二出口端与第二改质炉的气体进口端连通；
两个改质炉的气体出口端均通过第二切换阀与第二旋风分离器连通；
所述第二切换阀为三通阀，其包括第一进口端、第二进口端和出口端，所述第二切换阀的第一进口端与第一改质炉的气体出口端连通，所述第二切换阀的第二进口端与第二改质炉的气体出口端连通，所述第二切换阀的出口端与第二旋风分离器的气体进口端连通。
4.根据权利要求3所述的采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备，其特征在于，所述第一改质炉和第二改质的炉顶气体出口端与同一管路连通，并且该管路上依次设置有除尘水洗器和第二加压泵，其中，除尘水洗器靠近改质炉设置；
所述第二加压泵的出口端通过第三切换阀与两个改质炉的炉腔连通；
所述第三切换阀包括进口端、第一出口端和第二出口端，所述第二加压泵的气体出口端与第三切换阀的进口端连通，第三切换阀的第一出口端与第一改质炉的炉腔连通，第三切换阀的第二出口端与第二改质炉的炉腔连通。
5.根据权利要求3所述的采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备，其特征在于，还包括供氧管路，该供氧管路包括第四切换阀，所述第四切换阀包括进口端、第一出口端和第二出口端；
所述第四切换阀的进口端与氧气供应设备连通，所述第四切换阀的第一出口端与第一改质炉的炉腔连通，第四切换阀的第二出口端与第二改质炉的炉腔连通。
6.根据权利要求1所述的采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备，其特征在于：所述改质炉包括炉料排放口，所述炉料排放口通过第一输送装置与灰渣仓、振动筛连接。
7.根据权利要求6所述的采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备，其特征在于，还包括余热锅炉，与余热锅炉连接的蒸汽包；
所述振动筛通过第二输送装置与余热锅炉的进料端连接；
所述余热锅炉的进料端还通过第三输送装置与第一旋风分离器的灰尘出口端连接。
8.一种采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的方法，其特征在于，其采用如权利要求1-7任意一项所述的采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的设备，包括以下步骤：
使用低阶煤炭原料，经分质转化利用将煤中的挥发分变为热解煤气和焦油，以及半焦；
对热解煤气进行油-气-水分离，得到干馏煤气；
对干馏煤气进行旋风除尘，得到净化粗煤气，净化粗煤气含尘量不大于10g/m3；
在1100℃-1250℃温度下，将净化粗煤气进行改质，改质借助改质炉炉料脱除CO2及H2S，改质后得到改质煤气，改质煤气的温度为900℃-1100℃，改质煤气中的H2/CO为1.2-1.7；
对竖炉排出的炉顶煤气进行换热降温和净化除尘，得到除尘炉顶煤气；
向改质煤气中配入换热除尘的竖炉炉顶煤气调温，得到合成改质煤气，对所述合成改质煤气进行除尘，得到净化合成气，所净化合成气的温度为850℃-900℃；
将净化合成气通入设置有铁矿石和/或氧化球团的竖炉，可得到DRI和竖炉炉顶煤气。
9.根据权利要求8所述的采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的方法，其特征在于，低阶煤炭分质转化利用的原料包括低变质烟煤、褐煤和气煤；
所述低阶煤炭中混有8-12％wt的白云石。
10.根据权利要求8所述的采用低阶煤热解煤气生产直接还原铁的方法，其特征在于，所述改质炉炉料包括65-85％wt的半焦，10-25％wt的白云石和5-10％wt的转炉钢渣，所述改质炉炉料粒度不小于50mm，其中，半焦为低阶煤炭分质转化的产物。
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