CN109913606A - 一种基于感应加热的煤制氢气竖炉炼铁系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于感应加热的煤制氢气竖炉炼铁系统及工艺，包括：煤制气系统、炉顶煤气净化循环单元、冷却锁斗、还原气加热炉、竖炉感应加热单元；冷却锁斗排出的氢气经过还原气加热炉加热后通入竖炉用于直接还原铁，竖炉的炉顶煤气上升管与净化循环单元连通，炉顶煤气经过净化循环单元后与煤制气系统制备的纯净氢气混合作为冷却锁斗的冷却气体，并从冷却锁斗下方通入以使冷却气体与热态直接还原铁在冷却锁斗内进行热交换；本发明采用廉价褐煤制备纯氢直接还原生产，大大降低了系统的碳排放，采用感应加热的方式可将氢气加热至较高温度，并对竖炉炉身进行感应补充加热，大大缩短竖炉还原时间、提高产能，降低入炉煤气量、节约生产成本。

Description

一种基于感应加热的煤制氢气竖炉炼铁系统及工艺

技术领域

本发明涉及冶金领域，尤其涉及一种基于感应加热的煤制氢气竖炉炼铁系统及工艺。

背景技术

气基竖炉直接还原工艺，是指在竖炉内利用气体还原剂将铁矿石或氧化球团还原成金属铁的方法。DRI-EAF短流程与BF-BOF流程相比，可减少CO₂排放32％、减少SO₂排放74％、减少NOx排放62％，且30％竖炉直接还原铁+70％废钢电炉比高炉+转炉降低能耗61％。因此非高炉短流程炼铁是中国钢铁工业节能减排绿色发展的方向。随着国内及国际上低碳绿色智能钢铁意识的不断普及，全氢冶炼流程逐步被提出，瑞典钢铁公司SSAB预计于2020年左右建设年产50万tDRI的全氢气基竖炉中试厂。

目前，气基竖炉直接还原工艺主要分为Midrex法和HYL法，工艺煤气由天然气裂解制备而来，因裂解剂不同，入炉煤气成分有所差异，但是在实际生产中所需的煤气量较为接近，约为1800m³/tDRI。在相同入炉煤气温度下，随着H₂含量的提高，炉料的还原温度会有所下降。为维持竖炉内的热平衡，达到炉料的目标金属化率，提高入炉煤气氢含量，煤气量相应也需要增加。

我国属于“缺油少气”的国家，天然气气源的匮乏严重限制着我国气基竖炉工艺的发展。但是，我国具有丰富的煤炭资源，而煤化工工艺也日趋完善和成熟，为我国发展气基竖炉直接还原工艺提供了有利条件。以煤为能源制备纯氢，作为气源应用于气基竖炉生产上，理论上是可行的。但，如何降低生产成本(减少入炉煤气量)、缩短生产周期(适当提高还原温度)、稳定产品质量，最大限度的实现全氢冶炼的低碳绿色优势，仍有许多技术问题亟待被解决。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术中为了解决现有技术中竖炉采用氢气炼铁时的降温问题以及还原气需求量大、生产成本高的技术问题，一方面本发明提供了一种基于感应加热的煤制氢气竖炉炼铁系统，另一方面提供了一种基于感应加热的煤制氢气竖炉炼铁工艺。

(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：

用于制备粗煤气并将粗煤气净化为纯净氢气的煤制气系统；

用于承载含铁原料并进行直接还原生产的竖炉；

用于将竖炉的炉顶煤气除尘净化的净化循环单元；

用于冷却竖炉排出的热态直接还原铁的冷却锁斗；

用于加热冷却锁斗内排出的氢气的还原气加热炉；

所述竖炉的炉身外部设置对竖炉内含铁原料进行加热的竖炉感应加热单元；

冷却锁斗排出的氢气经过所述还原气加热炉加热后通入竖炉用于生产直接还原铁，所述竖炉的炉顶煤气上升管与所述净化循环单元连通，所述竖炉的炉顶煤气经过所述净化循环单元后与所述煤制气系统制备的纯净氢气混合作为所述冷却锁斗的冷却气体，并从所述冷却锁斗下方通入以使所述冷却气体与所述竖炉排出的热态直接还原铁在冷却锁斗内进行热交换。

可选地，所述竖炉感应加热单元包括第一工频感应加热装置和第二工频加热装置；

第一工频加热装置设置在竖炉的预热段由下向上方向的0.3-0.6位置处；

第二工频加热装置设置在竖炉的还原段由下向上方向的0.3-0.6位置处。

可选地，第一工频感应加热装置和第二工频加热装置具有相同结构，其中第一工频感应加热装置包括：控制装置、工频电源发生器、分置在竖炉两侧的第一感应线圈和线圈密封盖；

所述工频电源发生器和所述第一感应线圈均设置在所述线圈密封盖内，所述工频电源发生器的一端与所述第一感应线圈连接，另一端与所述控制装置连接，且所述线圈密封盖外设置有用于与空气隔离的框架体。

可选地，竖炉与所述第一工频感应加热装置对应的区域所使用的耐火材料为耐热铸铁，且所述第一工频感应加热装置用于使竖炉预热段处的耐热铸铁感应发热；

竖炉与所述第二工频感应加热装置对应的区域所使用的耐火材料为氧化镁或氧化铝，所述第二工频感应加热装置用于使竖炉还原段的半金属化球团感应发热。

可选地，所述煤制气系统包括：煤制气单元、脱硫单元、变换单元和脱碳单元；

所述煤制气单元、脱硫单元、变换单元和脱碳单元依次连通；

所述煤制气单元用于将煤粉制成富含一氧化碳和氢气的粗煤气；

所述脱硫单元用于除去所述粗煤气中的苯萘和硫；

所述变换单元利用所述脱硫单元输出的气体中的一氧化碳和水在预设温度下生成氢气和二氧化碳；

所述脱碳单元用于除去所述变换单元输出的气体中的二氧化碳以获得纯净的氢气。

可选地，所述净化循环单元包括：除尘单元、锅炉、脱水单元和加压单元；

所述竖炉顶部排出的炉顶煤气经过所述除尘单元后通入所述锅炉，并在锅炉内热交换后生再通入脱水单元，脱水后经加压单元获取纯净的氢气。

可选地，所述还原气加热炉包括：中频电源发生器、加热炉管和绕在加热炉管外部的第二感应线圈；

所述中频电源发射器与所述第二感应线圈连接，所述加热炉管内部设置有蜂窝状石墨块。

可选地，包括至少两个所述冷却锁斗，每一所述冷却锁斗交替使用以使所述冷却气体与所述竖炉排出的热态直接还原铁充分的热交换。

一种基于感应加热的煤制氢气竖炉炼铁工艺，包括：

S1、煤制气系统制备粗煤气，将所述粗煤气中的硫和脱苯萘脱除；

S2、脱除硫和苯萘后的粗煤气与水蒸气反应生成氢气和二氧化碳，再将氢气和二氧化碳混合气中的二氧化碳除去获取纯净的氢气；

S3、从竖炉顶部加入铁矿石，和/或氧化球团的含铁原料，启动竖炉炉身的竖炉感应加热单元，还原后的铁从竖炉下部排出至冷却锁斗，炉顶煤气通过竖炉顶部的煤气上升管通入净化循环单元；

S4、所述炉顶煤气在所述净化循环单元内依次经过除尘、换热、除水和加压后获得纯净的氢气并与所述煤制气系统制备的纯净氢气混合后与冷却锁斗内的直接还原铁进行热交换，且经过热交换后的氢气通入所述竖炉感应加热单元加热；

S5、启动还原气加热炉将冷却锁斗排出的氢气加热至预设温度后通入竖炉内用于铁的还原。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

首先，本发明采用煤制气和变换的方式，以廉价褐煤为原料制备纯氢；以纯氢为还原剂进行气基竖炉直接还原，可提高产品直接还原铁品质，氢气相比一氧化碳还原铁氧化物的速率更快，氢含量的提高可缩短生产时间，提高产能；

其次，竖炉炉身上设置工频感应加热设备，可有效提高竖炉内炉料的温度，进而解决氢气还原铁氧化物带来的吸热问题，提高产品金属化率；

最后，避免了传统加热炉的明火燃烧间接加热的方式，通过中频感应设备使石墨感应发热可达1100℃-1200℃，工艺气体直接与石墨接触换热，此种加热方式在运行中更加安全稳定，且可将气体加热至更高温度，提高入炉煤气温度。

附图说明

图1为本发明提供的一种煤制氢气-气基竖炉炼铁系统结构示意图。

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。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种基于感应加热的煤制氢气竖炉炼铁系统，包括

用于制备粗煤气并将粗煤气净化为纯净氢气的煤制气系统；举例来说，本以廉价褐煤为原料制备纯氢；以纯氢为还原剂进行气基竖炉直接还原，可提高产品直接还原铁品质，氢气相比一氧化碳还原铁氧化物的速率更快，氢含量的提高可缩短生产时间，提高产能；

煤制气系统包括：煤制气单元、脱硫单元、变换单元和脱碳单元；

煤制气单元、脱硫单元、变换单元和脱碳单元依次连通；

煤制气单元用于将煤粉制成富含一氧化碳和氢气的粗煤气；

脱硫单元用于除去粗煤气中的苯萘和硫；

变换单元利用脱硫单元输出的气体中的一氧化碳和水在预设温度下生成氢气和二氧化碳，变换单元用于将还原气中的CO变换为H₂；；

脱碳单元用于除去变换单元输出的气体中的二氧化碳以获得纯净的氢气，脱碳单元用于将还原气中的CO₂脱除制得纯氢。

用于承载含铁原料并进行直接还原工艺的竖炉；

用于将竖炉的炉顶煤气除尘净化的净化循环单元；

净化循环单元包括：除尘单元、锅炉、脱水单元和加压单元；

竖炉顶部排出的炉顶煤气经过除尘单元后通入锅炉，并在锅炉内热交换后生再通入脱水单元，脱水后经加压单元获取纯净的氢气。

用于将竖炉排出的热态直接还原铁冷却的冷却锁斗；

用于加热冷却锁斗内排出的氢气的还原气加热炉；

还原气加热炉包括：中频电源发生器、加热炉管和绕在加热炉管外部的第二感应线圈；举例来说，本系统避免了传统加热炉的明火燃烧间接加热的方式，通过中频感应设备使石墨感应发热可达1100℃-1200℃，工艺气体直接与石墨接触换热，此种加热方式在运行中更加安全稳定，且可将气体加热至更高温度，提高入炉煤气温度；

中频电源发射器与第二感应线圈连接，加热炉管内部设置有蜂窝状石墨块。冷却锁斗排出的氢气从加热炉管上部通入，与高温的石墨充分接触，被加热至预设温度后，由炉管底部排出，汇集并输送至竖炉。

竖炉的炉身外部设置对竖炉内含铁原料进行加热的竖炉感应加热单元；

竖炉感应加热单元包括第一工频感应加热装置和第二工频加热装置；

第一工频加热装置设置在竖炉的预热段由下向上方向的0.3-0.6位置处；也就是说，预热段分为10节，第一工频加热装置在由下向上的3-6节处；

第二工频加热装置设置在竖炉的还原段由下向上方向的0.3-0.6位置处；也就是说，预热段分为10节，第二工频加热装置在由下向上的3-6节处；

第一工频感应加热装置和第二工频加热装置具有相同结构，其中第一工频感应加热装置包括：控制装置、工频电源发生器、分置在竖炉两侧的第一感应线圈和线圈密封盖；

工频电源发生器和第一感应线圈均设置在线圈密封盖内，工频电源发生器的一端与第一感应线圈连接，另一端与控制装置连接，控制装置依据竖炉内炉料的温度来调整工频感应加热设备的感应电流；且线圈密封盖外设置有用于与空气隔离的框架体。举例来说线圈密封盖为不锈钢材质制备，且线圈密封盖内通入氮气对工频电源发生器与感应线圈进行保护；在线圈密封盖外设置有用于与空气隔离的框架体，同时代替炉壳支撑部分竖炉炉身的重量。

竖炉与第一工频感应加热装置对应的区域所使用的耐火材料为耐热铸铁，且第一工频感应加热装置用于使竖炉预热段处的耐热铸铁感应发热；

竖炉与第二工频感应加热装置对应的区域所使用的耐火材料为氧化镁或氧化铝，第二工频感应加热装置用于使竖炉还原段的半金属化球团感应发热。举例来说，竖炉炉身上设置工频感应加热设备，可有效提高竖炉内炉料的温度，进而解决氢气还原铁氧化物带来的吸热问题，提高产品金属化率；

冷却锁斗排出的氢气经过还原气加热炉加热后通入竖炉用于生产直接还原铁，竖炉的顶部通过管道与净化循环单元连通，竖炉的炉顶煤气经过净化循环单元后与煤制气系统制备的纯净氢气混合作为冷却锁斗的冷却气体，并从冷却锁斗下方通入以使冷却气体与还原后的铁在冷却锁斗内进行热交换。

本实施例中冷却锁斗位于竖炉下方，因竖炉操作要求连续出料，所以一座竖炉匹配至少两台冷却锁斗，一台冷却锁斗在承接由竖炉排出的热态直接还原铁时，剩余的一台或若干台处于冷却操作中。冷却时，脱碳工序出口的氢气与加压机出口的氢气混合后，由冷却锁斗下部通入，依靠氢气的高比热及高流速将直接还原铁冷却。同时，氢气也被加热到一定温度，进一步降低还原气加热炉的热负荷。由冷却锁斗上部排出的氢气进入还原气加热炉；

此外，本实施例中的感应线圈可为采用裸铜空心管绕制得到的，线圈匝距一致的结构，在使用中裸铜空心管内通水冷却。

实施例二

本实施例提供了一种基于感应加热的煤制氢气竖炉炼铁工艺，包括以下步骤：

S1、煤制气煤制气系统制备粗煤气，将粗煤气中的硫和脱苯萘脱除；

在具体应用中，煤制气系统的煤气化炉内喷入粉煤，并通入纯氧和水蒸气，使得产出的粗煤气的H₂和CO摩尔比约为1.2-1.7。

S2、脱除硫和苯萘后的粗煤气与水蒸气反应生成氢气和二氧化碳，再将氢气和二氧化碳混合气中的二氧化碳除去获取纯净的氢气；

在具体应用中，脱硫工序出口的净煤气中H₂S<20mg/Nm³，苯萘含量<4mg/Nm³。变换工序内需输入蒸汽，发生如下反应：CO+H₂O＝H₂+CO₂。

S3、从竖炉顶部加入铁矿石，和/或氧化球团的含铁原料，启动竖炉炉身的竖炉感应加热单元，还原后的铁从竖炉下部排出至冷却锁斗，炉顶煤气通过竖炉顶部的煤气上升管通入净化循环单元；

举例来说，竖炉炉身布置的两处工频感应加热设备，使得竖炉预热段处的耐热铸铁感应发热，而竖炉还原段的半金属化球团可直接被感应发热。

S4、炉顶煤气在净化循环单元内依次经过除尘、换热、除水和加压后获得纯净的氢气并与煤制气系统制备的纯净氢气混合后与冷却锁斗内的直接还原铁进行热交换，且经过热交换后的氢气再次通入竖炉感应加热单元加热。

举例来说，本实施例炉顶煤气先进行除尘，再进入锅炉进行换热产生蒸汽，其中蒸汽可供应制气系统，也可外供；随后进入脱水器进行脱水，经加压后与脱碳单元制得的氢气混合。混合后的气体由冷却锁斗下部通入，与热态直接还原铁进行换热，最后通入加热炉管内进行加热，完成循环。

S5、启动还原气加热炉将冷却锁斗排出的氢气加热至预设温度后通入竖炉内用于直接还原铁生产；

具体的，由于竖炉炉顶、炉身位置有较多部件，第一工频加热装置和第二工频加热装置无法直接从炉顶处装配到炉身中部，本发明除采用空心铜管制而成的电磁感应线圈，且管内通水冷却，感应线圈分为两部分分置竖炉两侧，所有的感应设备均装配在线圈密封盖内。因采用了感应加热的方式，线圈内部不能使用炉壳，为承担竖炉的重量，本发明采用在感应设备外部设置整体框架体的方式解决这一问题。此外，为防止漏磁束使外部钢结构发热，必须使用不锈钢、铝或铜等非磁性导电材料制造密封盖，且线圈密封盖里通入N₂对电磁感应线圈密封保护，同时配置测温电偶，使用电磁感应加热智能控制技术，炉料温度与感应电流根据反馈温度适应调节，达到炉温控制适当、球团不黏结、稳定高产的效果。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于感应加热的煤制氢气竖炉炼铁系统，其特征在于，包括：

用于制备粗煤气并将粗煤气净化为纯净氢气的煤制气系统；

用于承载含铁原料并进行直接还原生产的竖炉；

用于将竖炉的炉顶煤气除尘净化的净化循环单元；

用于冷却竖炉排出的热态直接还原铁的冷却锁斗；

用于加热冷却锁斗内排出的氢气的还原气加热炉；

所述竖炉的炉身外部设置对竖炉内含铁原料进行加热的竖炉感应加热单元；

冷却锁斗排出的氢气经过所述还原气加热炉加热后通入竖炉用于生产直接还原铁，所述竖炉的炉顶煤气上升管与所述净化循环单元连通，所述竖炉的炉顶煤气经过所述净化循环单元后与所述煤制气系统制备的纯净氢气混合作为所述冷却锁斗的冷却气体，并从所述冷却锁斗下方通入以使所述冷却气体与所述竖炉排出的热态直接还原铁在冷却锁斗内进行热交换。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述竖炉感应加热单元包括第一工频感应加热装置和第二工频加热装置；

第一工频加热装置设置在竖炉的预热段由下向上方向的0.3-0.6位置处；

第二工频加热装置设置在竖炉的还原段由下向上方向的0.3-0.6位置处。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，第一工频感应加热装置和第二工频加热装置具有相同结构，其中第一工频感应加热装置包括：控制装置、工频电源发生器、分置在竖炉两侧的第一感应线圈和线圈密封盖；

所述工频电源发生器和所述第一感应线圈均设置在所述线圈密封盖内，所述工频电源发生器的一端与所述第一感应线圈连接，另一端与所述控制装置连接，且所述线圈密封盖外设置有用于与空气隔离的框架体。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，

竖炉与所述第一工频感应加热装置对应的区域所使用的耐火材料为耐热铸铁，且所述第一工频感应加热装置用于使竖炉预热段处的耐热铸铁感应发热；

竖炉与所述第二工频感应加热装置对应的区域所使用的耐火材料为氧化镁或氧化铝，所述第二工频感应加热装置用于使竖炉还原段的半金属化球团感应发热。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述煤制气系统包括：煤制气单元、脱硫单元、变换单元和脱碳单元；

所述煤制气单元、脱硫单元、变换单元和脱碳单元依次连通；

所述煤制气单元用于将煤粉制成富含一氧化碳和氢气的粗煤气；

所述脱硫单元用于除去所述粗煤气中的苯萘和硫；

所述变换单元利用所述脱硫单元输出的气体中的一氧化碳和水在预设温度下生成氢气和二氧化碳；

所述脱碳单元用于除去所述变换单元输出的气体中的二氧化碳以获得纯净的氢气。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述净化循环单元包括：除尘单元、锅炉、脱水单元和加压单元；

所述竖炉顶部排出的炉顶煤气经过所述除尘单元后通入所述锅炉，并在锅炉内热交换后生再通入脱水单元，脱水后经加压单元获取纯净的氢气。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述还原气加热炉包括：中频电源发生器、加热炉管和绕在加热炉管外部的第二感应线圈；

所述中频电源发射器与所述第二感应线圈连接，所述加热炉管内部设置有蜂窝状石墨块。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在，包括至少两个所述冷却锁斗，每一所述冷却锁斗交替使用以使所述冷却气体与所述竖炉排出的热态直接还原铁充分的热交换。

9.一种基于权利要求1至8任一所述系统的炼铁工艺，其特征在于，包括：

S1、煤制气系统制备粗煤气，将所述粗煤气中的硫和脱苯萘脱除；

S2、脱除硫和苯萘后的粗煤气与水蒸气反应生成氢气和二氧化碳，再将氢气和二氧化碳混合气中的二氧化碳除去获取纯净的氢气；

S3、从竖炉顶部加入铁矿石，和/或氧化球团的含铁原料，启动竖炉炉身的竖炉感应加热单元，还原后的铁从竖炉下部排出至冷却锁斗，炉顶煤气通过竖炉顶部的煤气上升管通入净化循环单元；

S4、所述炉顶煤气在所述净化循环单元内依次经过除尘、换热、除水和加压后获得纯净的氢气并与所述煤制气系统制备的纯净氢气混合后与冷却锁斗内的直接还原铁进行热交换，且经过热交换后的氢气通入所述竖炉感应加热单元加热；

S5、启动还原气加热炉将冷却锁斗排出的氢气加热至预设温度后通入竖炉内用于铁的还原。