CN113582214A - 一种绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺，包括合成气制取、合成气变换、合成气净化、炼铁、尾气净化、二氧化碳捕集和钢铁渣、二氧化碳资源化利用。本发明通过生物质或化石能源制取合成气、合成气直接还原炼铁、炼铁尾气治理及二氧化碳捕集回收利用、钢铁渣的资源化回收等技术和措施的实施，可实现生物质及化石能源的绿色低碳闭环炼铁，对实现碳中和起到积极的、深远的影响。

Description

一种绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺。
背景技术
随着全球气候变暖触及生态安全、水资源安全和粮食安全等各个方面，加剧了极端气候灾害发生的风险，严重威胁人类的生存环境。而温室气体排放是引起全球气候变暖的最主要因素，其中二氧化碳产生的温室效应占所有温室气体的70％以上，因此二氧化碳的减排是一个亟待解决的问题，对于控制温室效应、减缓全球变暖至关重要。
根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)提供的定义，碳中和，也称为净零二氧化碳排放，是指在特定时期内全球人为二氧化碳排放量与二氧化碳消除量相等(如自然碳汇、碳捕获与封存、地球工程等)。科学界和各国政府对气候变化问题正在形成更加明确的共识，即气候变化会给全球带来灾难性的后果，世界各国应该行动起来减排温室气体以减缓气候变化，到本世纪中叶实现碳中和是全球应对气候变化的最根本的举措。
据国际能源署数据，2019年全球与能源相关的二氧化碳排放量约330亿吨，其中近14％是由钢铁工业产生。2019年我国钢铁总产量9.96亿吨，占全世界总产量的53.3％，而钢铁产业CO2排放量为22.27亿吨，约占我国碳排放总量的16％，是碳排放量最多的行业之一。
2020年我国粗钢产量已超过10亿吨，钢铁行业体量巨大，钢铁渣滞销堆积问题严重，土地占用巨大，因此解决土地压力、环保压力势在必行。
由于高炉转炉炼铁炼钢工艺赖以依存的炼焦煤资源日益稀缺，造成高炉炼铁生产成本居高不下，高炉炼铁工业可持续发展受到资源供给不足、能源稀缺、生态环境的制约。
我国钢铁工业的发展受到铁矿资源、焦煤资源、废钢资源短缺，环境保护压力大的困扰；而对洁净钢、优质钢、特殊钢的产能要求与日俱增，目前主要依赖于进口。
我国是世界钢铁生产第一大国，但洁净钢、优质钢的生产远落后于先进的工业化国家，洁净钢、优质钢的品种、数量和品质远不能满足国民经济发展和国防建设的需要，成为我国钢铁工业的“短板”。
发明内容
本发明的目的是提供一种绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺，以解决现有技术的不足。
本发明采用以下技术方案：
一种绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺，所述工艺所需系统包括合成气制取装置、合成气余热回收装置、合成气变换装置、合成气净化装置、炼铁炉、尾气余热回收装置、尾气压缩机、尾气净化装置、净化再生装置和钢铁渣资源化利用装置；
合成气制取装置，用于制取富含氢气和一氧化碳的粗合成气；
合成气余热回收装置，用于对合成气制取装置制取的粗合成气除尘、余热回收；
合成气变换装置，用于对除尘、余热回收后的粗合成气中的一部分一氧化碳进行变换反应，使粗合成气中的H2:CO体积比不低于1.5:1；
合成气净化装置，用于吸收H2:CO体积比不低于1.5:1的粗合成气中的二氧化碳和水分，使净化后的合成气中H2+CO的含量达到90％v/v以上；
炼铁炉，用于净化后的合成气、净化后的尾气与铁矿石发生还原反应，生成海绵铁；
尾气余热回收装置，用于对炼铁尾气除尘、余热回收；
尾气压缩机，用于将除尘、余热回收后的炼铁尾气加压送入尾气净化装置；
尾气净化装置，用于吸收炼铁尾气中的二氧化碳和水分，使净化后的炼铁尾气中H2+CO的含量达到90％v/v以上；
净化再生装置，用于对合成气净化装置、尾气净化装置中吸收剂再生，同时生产出80～98％v/v的二氧化碳产品气；
钢铁渣资源化利用装置，用于对钢铁渣、净化再生装置再生的二氧化碳资源化利用；
合成气制取装置粗合成气出口和合成气余热回收装置连接，合成气余热回收装置粗合成气出口和合成气变换装置连接，合成气变换装置变换气出口和合成气净化装置连接，合成气净化装置净化合成气出口即H2+CO出口和炼铁炉进气口连接，炼铁炉尾气出口和尾气余热回收装置连接，尾气余热回收装置尾气出口和尾气压缩机连接，尾气压缩机尾气出口和尾气净化装置连接，尾气净化装置净化尾气出口即H2+CO出口和炼铁炉进气口连接，合成气净化装置吸收剂再生出口、尾气净化装置吸收剂再生出口和净化再生装置连接，净化再生装置二氧化碳产品气出口和钢铁渣资源化利用装置连接；
所述工艺包括如下步骤：
1)、合成气制取：利用合成气制取装置制取富含氢气和一氧化碳的粗合成气；
2)、合成气变换：合成气制取装置制取的粗合成气经合成气余热回收装置除尘、余热回收后，针对粗合成气中不同的一氧化碳含量，利用合成气变换装置对粗合成气中的一部分一氧化碳进行变换反应，使粗合成气中的H2:CO体积比不低于1.5:1；
3)、合成气净化：利用合成气净化装置中吸收剂吸收粗合成气中的二氧化碳和水分，使净化后的合成气中H2+CO的含量达到90％v/v以上；
4)、炼铁：净化后的合成气送入炼铁炉，与铁矿石发生还原反应，生成海绵铁；
5)、尾气净化：炼铁尾气经尾气余热回收装置除尘、余热回收后，由尾气压缩机加压送入尾气净化装置利用吸收剂吸收二氧化碳和水分，使净化后的炼铁尾气中的H2+CO的含量达到90％v/v以上，净化后的尾气循环与步骤3)净化后的合成气一起送入炼铁炉；
6)、二氧化碳捕集：合成气净化装置吸收剂吸收粗合成气中的二氧化碳、水分后形成富液，尾气净化装置吸收剂吸收炼铁尾气中的二氧化碳、水分后形成富液，两股富液合并送入净化再生装置再生，生产出80～98％v/v的二氧化碳产品气；再生的吸收剂送入合成气净化装置、尾气净化装置，循环利用；
7)、钢铁渣、二氧化碳资源化利用：钢铁渣、净化再生装置再生的二氧化碳送入钢铁渣资源化利用装置资源化利用。
进一步地，合成气制取装置制取合成气的方法包括生物质气化制气、煤/焦末气化制气或天然气/焦炉气转化制气，生物质气化制气包括固定床气化制气、流化床气化制气或气流床气化制气，煤/焦末气化制气包括水煤浆气化制气、粉煤气化制气或流化床气化制气，天然气/焦炉气转化制气包括天然气/焦炉气非催化转化制气或天然气/焦炉气催化转化制气。
更进一步地，合成气制取装置采用天然气/焦炉气转化制气，因H2/CO大于1.5、H2+CO的含量超过90％v/v，不变换不脱碳，只脱除水分。
进一步地，合成气变换装置为一段变换炉。
进一步地，合成气净化装置净化粗合成气的方法包括低温甲醇洗法、MDEA法、NHD法或PSA法。
进一步地，尾气净化装置净化炼铁尾气的方法包括低温甲醇洗法、MDEA法、NHD法或PSA法。
进一步地，钢铁渣资源化利用装置采用矿化法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，生产富铁尾矿、高纯碳酸钙、碳酸镁和氧化硅；或者采用仿生矿化固结法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，生产含量大于75wt％的结晶型碳酸钙。
更进一步地，钢铁渣资源化利用装置采用矿化法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，其包括：原料输送装置、预处理反应器、离心分离机/真空过滤器、反应槽和产品分离装置；
原料输送装置，用于将钢铁渣送入预处理反应器；
预处理反应器，用于将钢铁渣利用水蒸气加热至40～95℃、搅拌、静置；
离心分离机/真空过滤器，用于对经预处理反应器预处理后的钢铁渣离心分离或真空过滤，滤料为30～50wt％铁含量的富铁尾矿，滤清液是溶解了Mg3Si2O5(OH)4、Mg2SiO4和CaSiO3的溶液；
反应槽，用于离心分离机/真空过滤器的滤清液送入反应槽，净化再生装置再生的二氧化碳送入反应槽，滤清液、二氧化碳和碱液在反应槽中进行反应，得到反应液；
产品分离装置，用于用于沉降分离反应槽中的反应液，获得90～98wt％的高纯碳酸钙，同时副产碳酸镁和氧化硅。
更进一步地，钢铁渣资源化利用装置采用仿生矿化固结法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，其包括原料输送装置、反应器和成型机；
原料输送装置，用于将钢铁渣送入反应器；
反应器，用于钢铁渣送入反应器，净化再生装置再生的二氧化碳送入反应器，钢铁渣和二氧化碳在反应器中发生常温碳化反应，得到结晶型反应物；
成型机，用于反应器中的结晶型反应物压制成型，生产含量大于75wt％的结晶型碳酸钙。
进一步地，合成气余热回收装置、尾气余热回收装置通过余热回收副产水蒸气，部分作为钢铁渣资源化利用装置钢铁渣、二氧化碳资源化利用的原料，部分外送或采用发电回收热能。
本发明的有益效果：
本发明通过生物质或化石能源制取合成气、合成气直接还原炼铁、炼铁尾气治理及二氧化碳捕集回收利用、钢铁渣的资源化回收等技术和措施的实施，可实现生物质及化石能源的绿色低碳闭环炼铁，对实现碳中和起到积极的、深远的影响。
1、将合成气制取产生的二氧化碳、炼铁产生的二氧化碳进行综合利用，具有碳减排、控制温室效应、减缓全球变暖的积极效果，同时解决了炼铁尾气难以治理的问题，实现碳中和的目标。吨钢铁渣(矿化法)消耗二氧化碳200～250公斤，碳中和贡献率达20～30％；吨ELS材料(仿生矿化固结法)消耗二氧化碳200～300公斤，碳中和贡献率达30～60％；若采用生物质作为制取合成气的原料，碳中和的贡献率理论上可达100％。
2、本发明合成气制取产生的二氧化碳和炼铁产生的二氧化碳经净化处理后作为钢铁渣资源化利用处理的碳化原料，生产富铁尾矿、高纯碳酸钙、碳酸镁、氧化硅、含量大于75wt％的结晶型碳酸钙等产品，富铁尾矿可以作为炼铁的原料及生产水泥的熟料配料，高纯碳酸钙可作为生产聚氯乙烯PVC的添加剂，碳酸镁可作为医药中间体及添加剂，氧化硅可作为电池的正极材料，含量大于75wt％的结晶型碳酸钙可用于生产超高性能建筑材料即ELS材料。针对日益增长的钢铁渣，采取资源化利用措施，解决钢铁渣滞销堆积问题，节约土地资源。
3、湿法冶金要求二氧化碳的浓度在80％v/v以上、ELS要求二氧化碳的浓度在60％v/v以上，而本发明可制取浓度为80～98％v/的二氧化碳，可为冶金、建筑等行业提供易得、低成本的高浓度二氧化碳产品。高浓度的二氧化碳还可以作为炼铁系统的密封气，不需要再增加惰性气体。
4、采用合成气为原料进行直接还原炼铁、钢铁渣资源化处理后的富铁尾矿作为炼铁原料，可降低炼铁成本、降低炼焦煤资源日益稀缺的困境；同时对提升洁净钢铁优质钢铁产能、优化钢铁结构具有重大意义。
5、因为钢铁渣得以回收利用、合成气及炼铁尾气中的二氧化碳得到捕集利用，同时回收合成气制取、炼铁过程中的余热，最终实现钢铁渣资源化利用、二氧化碳捕集利用及生产出洁净、优质钢的循环高质量发展，切实解决国内钢铁渣大量堆积及炼铁尾气难以治理的问题、缓解二氧化碳造成的温室效应及实现碳中和、减少日益稀缺的炼铁焦炭的使用量，具有绿色、环保、节能的重大意义。
6、生物质是一种环境友好的可再生能源资源，采用生物质原料进行气化或热解制氢气或合成气的技术已发展的较为成熟，未来对改善能源利用结构、环境污染控制及应对气候变化将产生积极的影响。
7、本发明合成气净化装置、尾气净化装置共用一净化再生装置，对吸收了二氧化碳的吸收剂进行再生，再生后的吸附剂重新恢复吸收功能送入合成气净化装置、尾气净化装置循环利用，同时再生出80～98％v/v的二氧化碳产品气，此过程将合成气制取中的二氧化碳、炼铁尾气中的二氧化碳进行富集，便于二氧化碳的回收利用，解决了炼铁尾气难以治理的问题。
8、本发明是一项符合中国国情的、也是国内急需的合成气直接还原炼铁短流程新技术，具有广阔的应用前景和显著的节能减排优势，可实现钢铁产业低碳绿色化创新发展。
附图说明
图1为本发明工艺所需系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
本发明涉及的反应机理：
(1)生物质气化反应：
生物质+O2(or H2O、CO2)→CO+H2+CH4+微量油
CO+3H2→CH4+H2O
CO+H2O→CO2+H2
(2)煤/焦末气化反应：
2C+O2→2CO
C+H2O→CO+H2
C+CO2→2CO
Figure BDA0003248948100000071
(3)天然气/焦炉气转化反应：
CH4+2O2→CO2+2H2O
2H2+O2→2H2O
2CO+O2→2CO2
CH4+H2O→3H2+CO
CH4+CO2→2H2+2CO
H2+CO2→H2O+CO
Figure BDA0003248948100000072
(4)一氧化碳变换反应：
CO+H2O→CO2+H2
(5)H2+CO直接还原铁反应：
Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O
Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2
(6)钢渣回收利用的反应：
生产高纯碳酸钙、碳酸镁、氧化硅等产品：
Mg3Si2O5(OH)4+3CO2→3MgCO3+2SiO2+2H2O
Mg2SiO4+2CO2→2MgCO3+SiO2
CaSiO3+CO2→CaCO3+SiO2
生产含量大于75％结晶型碳酸钙：
CaSiO3+CO2→CaCO3+SiO2
一种绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺，如图1所示，所述工艺所需系统包括合成气制取装置1、合成气余热回收装置2、合成气变换装置3、合成气净化装置4、炼铁炉5、尾气余热回收装置6、尾气压缩机7、尾气净化装置8、净化再生装置9和钢铁渣资源化利用装置10；
合成气制取装置1，用于制取富含氢气和一氧化碳的粗合成气；
合成气余热回收装置2，用于对合成气制取装置1制取的粗合成气除尘、余热回收；通过余热回收副产水蒸气，部分作为钢铁渣资源化利用装置10钢铁渣、二氧化碳资源化利用的原料，部分外送或采用发电回收热能；
合成气变换装置3，用于对除尘、余热回收后的粗合成气中的一部分一氧化碳进行变换反应，使粗合成气中的H2:CO体积比不低于1.5:1；
合成气净化装置4，用于吸收H2:CO体积比不低于1.5:1的粗合成气中的二氧化碳和水分，使净化后的合成气中H2+CO的含量达到90％v/v以上；
炼铁炉5，用于净化后的合成气、净化后的尾气与铁矿石发生还原反应，生成海绵铁；
尾气余热回收装置6，用于对炼铁尾气除尘、余热回收；通过余热回收副产水蒸气，部分作为钢铁渣资源化利用装置10钢铁渣、二氧化碳资源化利用的原料，部分外送或采用发电回收热能；
尾气压缩机7，用于将除尘、余热回收后的炼铁尾气加压送入尾气净化装置8；
尾气净化装置8，用于吸收炼铁尾气中的二氧化碳和水分，使净化后的炼铁尾气中H2+CO的含量达到90％v/v以上；
净化再生装置9，用于对合成气净化装置4、尾气净化装置8中吸收剂再生，同时生产出80～98％v/v的二氧化碳产品气；
钢铁渣资源化利用装置10，用于对钢铁渣、净化再生装置9再生的二氧化碳资源化利用；
合成气制取装置1粗合成气出口和合成气余热回收装置2连接，合成气余热回收装置2粗合成气出口和合成气变换装置3连接，合成气变换装置3变换气出口和合成气净化装置4连接，合成气净化装置4净化合成气出口即H2+CO出口和炼铁炉5进气口连接，炼铁炉5尾气出口和尾气余热回收装置6连接，尾气余热回收装置6尾气出口和尾气压缩机7连接，尾气压缩机7尾气出口和尾气净化装置8连接，尾气净化装置8净化尾气出口即H2+CO出口和炼铁炉5进气口连接，合成气净化装置4吸收剂再生出口、尾气净化装置8吸收剂再生出口和净化再生装置9连接，净化再生装置9二氧化碳产品气出口和钢铁渣资源化利用装置10连接。
所述工艺包括如下步骤：
1)、合成气制取：利用合成气制取装置1制取富含氢气和一氧化碳的粗合成气。
制取合成气的方法包括生物质气化制气、煤/焦末气化制气或天然气/焦炉气转化制气，生物质气化制气包括固定床气化制气、流化床气化制气或气流床气化制气，煤/焦末气化制气包括水煤浆气化制气、粉煤气化制气或流化床气化制气，天然气/焦炉气转化制气包括天然气/焦炉气非催化转化制气或天然气/焦炉气催化转化制气。
生物质气化制气，此处仅描述先进环保的流化床气化制气，生物质(主要指农业废弃物和木材废弃物，如麦秸秆、谷壳、树皮、木屑等)在流化床气化炉中与氧气发生部分氧化还原反应并生成粗合成气，主要成分(按干基，体积百分比)为氢气27～38％、一氧化碳23～35％、二氧化碳18～28％、甲烷8～12％、氮气0.9％左右。
煤/焦末气化制气，通过原料煤/焦末制成水煤浆，在水煤浆气化炉中发生部分氧化还原反应并生成粗合成气，主要成分(按干基，体积百分比)为氢气42～46％、一氧化碳35～38％、二氧化碳17～20％、甲烷及氮气0.5％左右；或通过原料煤/焦末制成煤粉，在粉煤气化炉中发生部分氧化还原反应并生成粗合成气，主要成分(按干基，体积百分比)为氢气28～32％、一氧化碳57～62％、二氧化碳9～11％、甲烷及氮气0.5％左右；或通过选择合适块煤，在流化床气化炉中发生部分氧化还原反应并生成粗合成气，主要成分(按干基，体积百分比)为氢气38～42％、一氧化碳29～32％、二氧化碳16～20％、甲烷3～5％、氮气5～8％。
天然气/焦炉气转化制气，通过转化工艺将天然气/焦炉气与氧气进行转化反应(分非催化转化或催化转化)并生产粗合成气。其中非催化转化生产的粗合成气主要成分(按干基，体积百分比)为氢气66～71％、一氧化碳24～28％、二氧化碳2～4％、甲烷及氮气2％左右；催化转化生产的粗合成气主要成分(按干基，体积百分比)为氢气65～74％、一氧化碳17～22％、二氧化碳6～8％、甲烷及氮气2％左右。
2)、合成气变换：合成气制取装置1制取的粗合成气经合成气余热回收装置2除尘(水洗除尘或旋风除尘)、余热回收后，针对粗合成气中不同的一氧化碳含量，利用合成气变换装置3一段变换炉进行适度变换，对粗合成气中的一部分一氧化碳进行变换反应，使粗合成气中的H2:CO体积比不低于1.5:1，满足合成气直接还原铁工艺的要求。
3)、合成气净化：利用合成气净化装置4中吸收剂吸收粗合成气中的二氧化碳和水分，使净化后的合成气中H2+CO的含量达到90％v/v以上。
合成气净化装置4净化粗合成气的方法，包括低温甲醇洗法、MDEA法、NHD法或PSA法。
低温甲醇洗法、MDEA法、NHD法，H2:CO体积比不低于1.5:1的粗合成气，从合成气净化装置4即吸收塔的底部送入，吸收剂从塔顶喷淋而下对二氧化碳和水分进行吸收，净化后的合成气从塔顶送出，净化后的合成气中H2+CO的含量达到90％v/v以上。
PSA法脱除二氧化碳和水分的步骤为，H2:CO体积比不低于1.5:1的粗合成气经过装有吸附二氧化碳和水分的吸附剂的合成气净化装置4即吸收塔，二氧化碳和水分则被吸附下来，氢气和一氧化碳通过吸附剂，净化后的合成气中H2+CO的含量达到90％v/v以上。
吸收了二氧化碳和水分的吸收剂从塔底流出，送入净化再生装置9再生。
4)、炼铁：净化后的合成气(H2/CO体积比大于1.5，H2+CO含量90v％以上，压力为0.5～1.0MPa)送入炼铁炉5，与铁矿石(主要成分为Fe2O3)发生还原反应，生成海绵铁。采用天然气/焦炉气转化制气，因H2/CO大于1.5、H2+CO的含量超过90％v/v，可不变换不脱碳，只脱除水分即可。
5)、尾气净化：炼铁尾气经尾气余热回收装置6除尘、余热回收后，由尾气压缩机7加压送入尾气净化装置8利用吸收剂吸收二氧化碳和水分，使净化后的炼铁尾气中的H2+CO的含量达到90％v/v以上。净化后的尾气循环与步骤3)净化后的合成气一起送入炼铁炉5。
尾气净化装置8净化炼铁尾气的方法，包括低温甲醇洗法、MDEA法、NHD法或PSA法。
低温甲醇洗法、MDEA法、NHD法，炼铁尾气从尾气净化装置8即吸收塔的底部送入，吸收剂从塔顶喷淋而下对二氧化碳和水分进行吸收，净化后的炼铁尾气从塔顶送出，净化后的炼铁尾气中H2+CO的含量达到90％v/v以上。
PSA法脱除二氧化碳和水分的步骤为，炼铁尾气经过装有吸附二氧化碳和水分的吸附剂的尾气净化装置8即吸收塔，二氧化碳和水分则被吸附下来，氢气和一氧化碳通过吸附剂，净化后的炼铁尾气中H2+CO的含量达到90％v/v以上。
吸收了二氧化碳和水分的吸收剂从塔底流出，也送入净化再生装置9再生。
6)、二氧化碳捕集：合成气净化装置4吸收剂吸收粗合成气中的二氧化碳、水分后形成富液，尾气净化装置8吸收剂吸收炼铁尾气中的二氧化碳、水分后形成富液，两股富液合并送入净化再生装置9再生，生产出80～98％v/v的二氧化碳产品气；再生的吸收剂送入合成气净化装置4、尾气净化装置8，循环利用。
具体是吸收了二氧化碳和水分的吸收剂从塔底(合成气净化装置4、尾气净化装置8)流出，经过合成气再生装置9闪蒸、再生后，吸附剂重新恢复吸收功能，经降温后送入合成气净化装置4、尾气净化装置8，溶液再生出80～98％v/v的二氧化碳产品气。采用PSA法的吹除气即为再生的二氧化碳。
7)、钢铁渣、二氧化碳资源化利用：钢铁渣、净化再生装置9再生的二氧化碳送入钢铁渣资源化利用装置10资源化利用。
钢铁渣资源化利用装置10采用矿化法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，生产富铁尾矿、高纯碳酸钙、碳酸镁和氧化硅；或者采用仿生矿化固结法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，生产含量大于75wt％的结晶型碳酸钙。
钢铁渣资源化利用装置10采用矿化法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，其包括：原料输送装置、预处理反应器、离心分离机/真空过滤器、反应槽和产品分离装置；
原料输送装置，用于将钢铁渣送入预处理反应器；
预处理反应器，用于将钢铁渣利用水蒸气加热至40～95℃、搅拌、静置；
离心分离机/真空过滤器，用于对经预处理反应器预处理后的钢铁渣离心分离或真空过滤，滤料为30～50wt％铁含量的富铁尾矿，滤清液是溶解了Mg3Si2O5(OH)4、Mg2SiO4和CaSiO3的溶液；
反应槽，用于离心分离机/真空过滤器的滤清液送入反应槽，净化再生装置再生的二氧化碳送入反应槽，滤清液、二氧化碳和碱液在反应槽中进行反应，得到反应液；
产品分离装置，用于沉降分离反应槽中的反应液，获得90～98wt％的高纯碳酸钙，同时副产碳酸镁和氧化硅；
具体包括如下步骤：
1)、将钢铁渣送入预处理反应器，利用水蒸气加热至40～95℃、搅拌、静置；
2)、对经预处理反应器预处理后的钢铁渣离心分离或真空过滤，滤料为30～50wt％铁含量的富铁尾矿，可作为炼铁的原料或掺入水泥熟料生产水泥，添加比例可达25～40wt％，滤清液是溶解了Mg3Si2O5(OH)4、Mg2SiO4和CaSiO3的溶液；
3)、滤清液送入反应槽，净化再生装置再生的二氧化碳送入反应槽，滤清液、二氧化碳和碱液(氢氧化钠溶液，调节pH)在反应槽中进反应，得到反应液；
4)、将反应液沉降分离，获得90～98wt％的高纯碳酸钙，可作为生产聚氯乙烯PVC的添加剂；同时副产碳酸镁和氧化硅，碳酸镁可作为医药中间体及添加剂，氧化硅可作为电池的正极材料。
钢铁渣资源化利用装置10采用仿生矿化固结法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，其包括原料输送装置、反应器和成型机；
原料输送装置，用于将钢铁渣送入反应器；
反应器，用于钢铁渣送入反应器，净化再生装置再生的二氧化碳送入反应器，钢铁渣和二氧化碳在反应器中发生常温碳化反应，得到结晶型反应物；
成型机，用于反应器中的结晶型反应物压制成型，生产含量大于75wt％的结晶型碳酸钙；
具体包括如下步骤：
1)、将钢铁渣送入反应器，净化再生装置再生的二氧化碳送入反应器，搅拌均匀；
2)、钢铁渣和二氧化碳在反应器中发生常温碳化反应，得到结晶型反应物；
3)、将结晶型反应物压制成型，生产含量大于75wt％的结晶型碳酸钙，用于生产超高性能建筑材料，即ELS材料(又称人工石)。

Claims (10)

1.一种绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺，其特征在于，所述工艺所需系统包括合成气制取装置、合成气余热回收装置、合成气变换装置、合成气净化装置、炼铁炉、尾气余热回收装置、尾气压缩机、尾气净化装置、净化再生装置和钢铁渣资源化利用装置；
合成气制取装置，用于制取富含氢气和一氧化碳的粗合成气；
合成气余热回收装置，用于对合成气制取装置制取的粗合成气除尘、余热回收；
合成气变换装置，用于对除尘、余热回收后的粗合成气中的一部分一氧化碳进行变换反应，使粗合成气中的H2:CO体积比不低于1.5:1；
合成气净化装置，用于吸收H2:CO体积比不低于1.5:1的粗合成气中的二氧化碳和水分，使净化后的合成气中H2+CO的含量达到90％v/v以上；
炼铁炉，用于净化后的合成气、净化后的尾气与铁矿石发生还原反应，生成海绵铁；
尾气余热回收装置，用于对炼铁尾气除尘、余热回收；
尾气压缩机，用于将除尘、余热回收后的炼铁尾气加压送入尾气净化装置；
尾气净化装置，用于吸收炼铁尾气中的二氧化碳和水分，使净化后的炼铁尾气中H2+CO的含量达到90％v/v以上；
净化再生装置，用于对合成气净化装置、尾气净化装置中吸收剂再生，同时生产出80～98％v/v的二氧化碳产品气；
钢铁渣资源化利用装置，用于对钢铁渣、净化再生装置再生的二氧化碳资源化利用；
合成气制取装置粗合成气出口和合成气余热回收装置连接，合成气余热回收装置粗合成气出口和合成气变换装置连接，合成气变换装置变换气出口和合成气净化装置连接，合成气净化装置净化合成气出口即H2+CO出口和炼铁炉进气口连接，炼铁炉尾气出口和尾气余热回收装置连接，尾气余热回收装置尾气出口和尾气压缩机连接，尾气压缩机尾气出口和尾气净化装置连接，尾气净化装置净化尾气出口即H2+CO出口和炼铁炉进气口连接，合成气净化装置吸收剂再生出口、尾气净化装置吸收剂再生出口和净化再生装置连接，净化再生装置二氧化碳产品气出口和钢铁渣资源化利用装置连接；
所述工艺包括如下步骤：
1)、合成气制取：利用合成气制取装置制取富含氢气和一氧化碳的粗合成气；
2)、合成气变换：合成气制取装置制取的粗合成气经合成气余热回收装置除尘、余热回收后，针对粗合成气中不同的一氧化碳含量，利用合成气变换装置对粗合成气中的一部分一氧化碳进行变换反应，使粗合成气中的H2:CO体积比不低于1.5:1；
3)、合成气净化：利用合成气净化装置中吸收剂吸收粗合成气中的二氧化碳和水分，使净化后的合成气中H2+CO的含量达到90％v/v以上；
4)、炼铁：净化后的合成气送入炼铁炉，与铁矿石发生还原反应，生成海绵铁；
5)、尾气净化：炼铁尾气经尾气余热回收装置除尘、余热回收后，由尾气压缩机加压送入尾气净化装置利用吸收剂吸收二氧化碳和水分，使净化后的炼铁尾气中的H2+CO的含量达到90％v/v以上，净化后的尾气循环与步骤3)净化后的合成气一起送入炼铁炉；
6)、二氧化碳捕集：合成气净化装置吸收剂吸收粗合成气中的二氧化碳、水分后形成富液，尾气净化装置吸收剂吸收炼铁尾气中的二氧化碳、水分后形成富液，两股富液合并送入净化再生装置再生，生产出80～98％v/v的二氧化碳产品气；再生的吸收剂送入合成气净化装置、尾气净化装置，循环利用；
7)、钢铁渣、二氧化碳资源化利用：钢铁渣、净化再生装置再生的二氧化碳送入钢铁渣资源化利用装置资源化利用。
2.根据权利要求1所述的绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺，其特征在于，合成气制取装置制取合成气的方法包括生物质气化制气、煤/焦末气化制气或天然气/焦炉气转化制气，生物质气化制气包括固定床气化制气、流化床气化制气或气流床气化制气，煤/焦末气化制气包括水煤浆气化制气、粉煤气化制气或流化床气化制气，天然气/焦炉气转化制气包括天然气/焦炉气非催化转化制气或天然气/焦炉气催化转化制气。
3.根据权利要求2所述的绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺，其特征在于，合成气制取装置采用天然气/焦炉气转化制气，因H2/CO大于1.5、H2+CO的含量超过90％v/v，不变换不脱碳，只脱除水分。
4.根据权利要求1所述的绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺，其特征在于，合成气变换装置为一段变换炉。
5.根据权利要求1所述的绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺，其特征在于，合成气净化装置净化粗合成气的方法包括低温甲醇洗法、MDEA法、NHD法或PSA法。
6.根据权利要求1所述的绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺，其特征在于，尾气净化装置净化炼铁尾气的方法包括低温甲醇洗法、MDEA法、NHD法或PSA法。
7.根据权利要求1所述的绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺，其特征在于，钢铁渣资源化利用装置采用矿化法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，生产富铁尾矿、高纯碳酸钙、碳酸镁和氧化硅；或者采用仿生矿化固结法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，生产含量大于75wt％的结晶型碳酸钙。
8.根据权利要求7所述的绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺，其特征在于，钢铁渣资源化利用装置采用矿化法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，其包括：原料输送装置、预处理反应器、离心分离机/真空过滤器、反应槽和产品分离装置；
原料输送装置，用于将钢铁渣送入预处理反应器；
预处理反应器，用于将钢铁渣利用水蒸气加热至40～95℃、搅拌、静置；
离心分离机/真空过滤器，用于对经预处理反应器预处理后的钢铁渣离心分离或真空过滤，滤料为30～50wt％铁含量的富铁尾矿，滤清液是溶解了Mg3Si2O5(OH)4、Mg2SiO4和CaSiO3的溶液；
反应槽，用于离心分离机/真空过滤器的滤清液送入反应槽，净化再生装置再生的二氧化碳送入反应槽，滤清液、二氧化碳和碱液在反应槽中进行反应，得到反应液；
产品分离装置，用于沉降分离反应槽中的反应液，获得90～98wt％的高纯碳酸钙，同时副产碳酸镁和氧化硅。
9.根据权利要求7所述的绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺，其特征在于，钢铁渣资源化利用装置采用仿生矿化固结法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，其包括原料输送装置、反应器和成型机；
原料输送装置，用于将钢铁渣送入反应器；
反应器，用于钢铁渣送入反应器，净化再生装置再生的二氧化碳送入反应器，钢铁渣和二氧化碳在反应器中发生常温碳化反应，得到结晶型反应物；
成型机，用于反应器中的结晶型反应物压制成型，生产含量大于75wt％的结晶型碳酸钙。
10.根据权利要求1所述的绿色低碳闭环冶金及二氧化碳捕集利用工艺，其特征在于，合成气余热回收装置、尾气余热回收装置通过余热回收副产水蒸气，部分作为钢铁渣资源化利用装置钢铁渣、二氧化碳资源化利用的原料，部分外送或采用发电回收热能。
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