CN114015823B - 一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于氢能炼铁领域，具体涉及一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁装置及方法。为解决原料气体消耗量大，能耗高，解析气燃烧碳排放量增大，温室气体排放量大，生产效率低等问题，本发明对变压吸附提氢解析气利用方式进行改进，根据变压吸附解析气的压力、温度、及组成情况，调整解析气的利用方式，采用将解析气增压后送至高炉风口，经调节控制后送至高炉内，以降低高炉焦炭和原煤的用量。

Description

一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁装置及方法

技术领域

本发明属于氢能炼铁领域，具体涉及一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁装置及方法。

背景技术

高炉氢能炼铁的原理是利用氢气代替煤炭或焦炭作为高炉的还原剂，以减少或避免钢铁生产中的二氧化碳排放。在高炉炼铁生产中，需要在高炉中消耗300千克左右的焦炭和200千克的煤粉作为还原剂，才能生产出1吨生铁。氢气可作为铁矿石的还原剂，对碳排放和环境保护十分有益。

变压吸附提氢装置是利用装在固定压力容器中的活性炭、三氧化二铝、硅胶、分子筛等固体吸附剂，对含氢气混合气体中的各种组分进行选择性吸附，达到各气体组分分离的装置。利用混合气体中各组分的沸点不同，沸点低的组分不易于被吸附剂吸附的性质，将含氢气混合气体通过吸附剂床层，较高纯度的氢气离开吸附剂床层，混合气体中的其他组分甲烷、氮气、一氧化碳及部分氢气留在吸附剂床层中，经过一系列均压、解析、冲洗步骤后作为解析气送出装置。

变压吸附提纯后的氢气用途主要是一、用作生产乙二醇、甲醇、合成氨和高级醇等各种化工产品的原料。二是氢气经过再进一步分离提纯后，作为氢能源使用。解析气目前主要用途一是作为燃料气使用或者排空放火炬燃烧。二是作为原料气使用，重新提纯有效组分。三是作为分子筛的冲洗再生气使用。对于以上变压吸附提氢解析气的利用方法，有一定的局限性，主要体现在以下几点。

一是原料气体消耗量大，能耗高。解析气中的主要组分为氢气、一氧化碳、甲烷等有效气体，直接燃烧仅利用了气体的热值，造成能源消耗高。

二是解析气燃烧碳排放量增大，污染环境。解析气中的一氧化碳和甲烷燃烧后对环境均会造成不同程度的污染并增加了碳排放量。

三是用焦炭和煤作为铁矿石的还原剂，温室气体排放量大，生产效率低。

因此需要对变压吸附提氢解析气利用方式进行改进，用以解决目前装置的局限性，以提高能源利用率，降低消耗，减少环境污染。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁装置及方法。本发明根据变压吸附解析气的压力、温度、及组成情况，调整解析气的利用方式，采用将解析气增压后送至高炉风口，经调节控制后送至高炉内，以降低高炉焦炭和原煤的用量。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

变压吸附装置由吸附塔及缓冲罐组成，来自上游工序的高压富氢气进入原料气缓冲罐，然后从吸附塔底部进入处于吸附工况的吸附塔内，在多种吸附剂组成的复合吸附床的依次选择吸附下，原料气中的CH₄、N₂、CO与部分H₂等组份在吸附塔内被吸附剂吸附，氢气得到提纯。高纯度的氢气从吸附塔顶部连续排出去后续工段，解析气经过缓冲罐均压均质后，经过解析气压缩机三级增压，送至高炉风口。经过解析气流量计及调节阀控制后，送至高炉内，解析气中的H₂及CO在高温环境下气体上升，还原出以氧化物形态存在的铁，代替部分焦炭使用。

一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁装置，包括原料气缓冲罐、吸附塔、解析气压缩机、高压缓冲罐、低压缓冲罐、解析气压缩机入口分离器、逆放调节阀、放空调节阀、紧急切断阀、紧急放散阀、高炉风口调节阀；

所述原料气缓冲罐1的顶部出口与吸附塔的底部入口管路连接，所述吸附塔的顶部出口与氢气管网管路连接，所述吸附塔的底部出口分为两路，一路经逆放调节阀与高压缓冲罐的中部入口管路连接，另一路与低压缓冲罐的中部入口管路连接，所述高压缓冲罐的下部出口与紧急切断阀的入口管路连接，所述紧急切断阀的出口与解析气压缩机入口分离器的入口管路连接，所述解析气压缩机入口分离器的出口与解析气压缩机的入口管路连接，所述解析气压缩机的出口分为两路，一路经紧急放散阀与解析气管网管路连接，另一路经高炉风口调节阀与高炉风口管路连接，所述低压缓冲罐的顶部出口经放空调节阀与火炬管路连接，所述低压缓冲罐的下部出口连接在高压缓冲罐的下部出口与紧急切断阀的入口的管路上。

进一步，还包括顺放气缓冲罐，所述顺放气缓冲罐设置在吸附塔的顶部出口与氢气管网连接的管路上。

进一步，还包括低压氮气入口、放空阀，所述低压氮气入口设置在紧急切断阀与解析气压缩机入口分离器连接的管路上，所述放空阀设置在低压缓冲罐的下部出口与紧急切断阀的入口的管路上。

进一步，所述解析气压缩机的出口设置一条副线，回到解析气压缩机入口，通过调节阀实现解析气压缩机入口压力的稳定。

一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁方法，包括以下步骤：

步骤1，来自上游工序的高压富氢气进入原料气缓冲罐，再从吸附塔底部进入处于吸附工况的吸附塔内，在吸附塔内，高压富氢气中的氢气穿透吸附剂床层后从吸附塔顶部出口送至下一工序，其他气体被吸附剂床层吸附，部分氢气也停留在吸附塔内；

步骤2，在吸附塔解析及再生阶段，设置多次均压及再生步序，吸附塔内的解析气通过逆放调节阀进入高压缓冲罐和低压缓冲罐内，在低压缓冲罐的出口设置有放空调节阀，将解析气送至火炬系统；

步骤3，高压缓冲罐及低压缓冲罐出口的尾气进入解析气压缩机入口分离器，所述解析气压缩机入口分离器进口设置紧急切断阀，紧急切断阀前设置放空管线，紧急切断阀后设置有氮气管线，用于开停车及机组置换使用；

步骤4，在解析气压缩机内升温升压后，解析气送至解析气管网，解析气管网设置有紧急放散阀，用于事故及紧急状态下的放散，在解析气压缩机出口设置一条副线，回到解析气压缩机入口，通过调节阀实现入口压力的稳定；

步骤5，解析气压缩机出口的解析气送到管网，经过调节阀控制流量稳定后送至高炉风口，进入高炉进行氢能炼铁，所述高炉风口前设置有高炉风口调节阀。

进一步，所述步骤1中高压富氢气体为3.2～3.5MPa，流量为67500Nm³/h,氢气含量97.44％(v/v)。

进一步，所述步骤2中解析气的流量为6600Nm³/h，压力为10～20KPa，主要组分为：H₂:75.87％(v/v)、N₂:9.0％(v/v)、CO:1.5％(v/v)、CH₄:12.5％(v/v)。

进一步，所述低压缓冲罐控制压力为0.025MPaG，所述高压缓冲罐控制压力为0.15MPaG。

进一步，所述氮气管线压力为0.65MPaG。

进一步，所述解析气压缩机出口压力为0.65～0.75MPaG，温度为70～75℃。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

本发明吸附压力及解析气压力波动幅度小，吸附塔在解析过程中压力均衡，解析气流量及组份稳定，利于高炉利用。

本发明安全稳定性高，能耗低，自动化程度高，操作弹性大。

本发明气体回收率及气体纯度高，利于高炉工序利用。

本发明可以减少解析气燃烧对大气环境造成的污染，同时可以减少高炉工序的焦炭及原煤的使用量。

本发明降低了高炉工序的碳排放量，既利用了氢气和一氧化碳的热值，又利用了气体的还原性，提高了资源利用率。

附图说明

图1为本发明一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁装置；

其中，1-原料气缓冲罐，2-吸附塔，3-解析气压缩机，4-高压缓冲罐，5-低压缓冲罐，6-分离器，7-逆放调节阀，8-放空调节阀，9-紧急切断阀，10-紧急放散阀，11-高炉风口调节阀，12-顺放气缓冲罐，13-低压氮气入口，14-放空阀。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁装置，包括原料气缓冲罐1、吸附塔2、解析气压缩机3、高压缓冲罐4、低压缓冲罐5、分离器6、逆放调节阀7、放空调节阀8、紧急切断阀9、紧急放散阀10、高炉风口调节阀11、顺放气缓冲罐12、低压氮气入口13、放空阀14；

所述原料气缓冲罐1的顶部出口与吸附塔2的底部入口管路连接，所述吸附塔2的顶部出口与氢气管网管路连接，所述吸附塔2的底部出口分为两路，一路经逆放调节阀7与高压缓冲罐4的中部入口管路连接，另一路与低压缓冲罐5的中部入口管路连接，所述高压缓冲罐4的下部出口与紧急切断阀9的入口管路连接，所述紧急切断阀9的出口与分离器6的入口管路连接，所述分离器6的出口与解析气压缩机3的入口管路连接，所述解析气压缩机3的出口分为两路，一路经紧急放散阀10与解析气管网管路连接，另一路经高炉风口调节阀11与高炉风口管路连接，所述低压缓冲罐5的顶部出口经放空调节阀8与火炬管路连接，所述低压缓冲罐5的下部出口连接在高压缓冲罐4的下部出口与紧急切断阀9的入口的管路上。所述顺放气缓冲罐12设置在吸附塔2的顶部出口与氢气管网连接的管路上。所述低压氮气入口13设置在紧急切断阀9与分离器6连接的管路上，所述放空阀14设置在低压缓冲罐5的下部出口与紧急切断阀9的入口的管路上。所述解析气压缩机3的出口设置一条副线，回到解析气压缩机3入口，通过调节阀实现解析气压缩机3入口压力的稳定。

一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁方法，包括以下步骤：

步骤1，来自上游工序的高压富氢气为3.2MPa，流量为67500Nm³/h，氢气含量97.44％(v/v)，进入原料气缓冲罐1，再从吸附塔2底部进入处于吸附工况的吸附塔2内，在吸附塔2内，高压富氢气中的氢气穿透吸附剂床层后从吸附塔2顶部出口经顺放气缓冲罐12送至下一工序，其他气体CO、CH₄、N₂等被吸附剂床层吸附，部分氢气也停留在吸附塔2内；

步骤2，在吸附塔2解析及再生阶段，设置12次均压及再生步序，吸附塔2内的解析气通过逆放调节阀7进入高压缓冲罐4和低压缓冲罐5内，在低压缓冲罐5的出口设置有放空调节阀8，将解析气送至火炬系统，用于稳定低压缓冲罐5的压力，低压缓冲罐5控制压力为0.025MPaG，高压缓冲罐4控制压力为0.15MPaG在运行中，通过调节高低压缓冲罐5的运行方式来达到稳定解析气流量及压力的作用，步骤2所描述的解析气流量为6600Nm³/h，设计压力10KPa，主要组分为：H₂:75.87％(v/v)、N₂:9.0％(v/v)、CO:1.5％(v/v)、CH₄:12.5％(v/v)及其它组分；

步骤3，高压缓冲罐4及低压缓冲罐5出口的尾气进入分离器6，所述分离器6进口设置紧急切断阀9，紧急切断阀9前设置放空管线，紧急切断阀9后设置有氮气管线，氮气管线压力为0.65MPaG，用于开停车及机组置换使用；

步骤4，在解析气压缩机3内，解析气压力升高至0.75MPaG后，送至解析气管网，解析气管网设置有紧急放散阀10，用于事故及紧急状态下的放散，在解析气压缩机3出口设置一条副线，回到解析气压缩机3入口，通过调节阀实现入口压力的稳定；

步骤5，解析气压缩机3出口的解析气送到管网，经过高炉风口调节阀11控制流量稳定后的解析气送至高炉风口，进入高炉进行氢能炼铁，所述高炉风口前设置有高炉风口调节阀11。

实施例2

一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁方法，包括以下步骤：

步骤1，来自上游工序的高压富氢气为3.4MPa，流量为67500Nm³/h，氢气含量97.44％(v/v)，进入原料气缓冲罐1，再从吸附塔2底部进入处于吸附工况的吸附塔2内，在吸附塔2内，高压富氢气中的氢气穿透吸附剂床层后从吸附塔2顶部出口经顺放气缓冲罐12送至下一工序，其他气体CO、CH₄、N₂等被吸附剂床层吸附，部分氢气也停留在吸附塔2内；

步骤2，在吸附塔2解析及再生阶段，设置10次均压及再生步序，吸附塔2内的解析气通过逆放调节阀7进入高压缓冲罐4和低压缓冲罐5内，在低压缓冲罐5的出口设置有放空调节阀8，将解析气送至火炬系统，用于稳定低压缓冲罐5的压力，低压缓冲罐5控制压力为0.025MPaG，高压缓冲罐4控制压力为0.15MPaG在运行中，通过调节高低压缓冲罐5的运行方式来达到稳定解析气流量及压力的作用，步骤2所描述的解析气流量为6600Nm³/h，设计压力15KPa，主要组分为：H₂:75.87％(v/v)、N₂:9.0％(v/v)、CO:1.5％(v/v)、CH₄:12.5％(v/v)及其它组分；

步骤3，高压缓冲罐4及低压缓冲罐5出口的尾气进入分离器6，所述分离器6进口设置紧急切断阀9，紧急切断阀9前设置放空管线，紧急切断阀9后设置有氮气管线，氮气管线压力为0.65MPaG，用于开停车及机组置换使用；

步骤4，在解析气压缩机3内，解析气压缩机3出口压力升高至0.65MPaG，温度为70℃后，送至解析气管网，解析气管网设置有紧急放散阀10，用于事故及紧急状态下的放散，在解析气压缩机3出口设置一条副线，回到解析气压缩机3入口，通过调节阀实现入口压力的稳定；

步骤5，解析气压缩机3出口的解析气送到管网，经过高炉风口调节阀11控制流量稳定后的解析气送至高炉风口，进入高炉进行氢能炼铁，所述高炉风口前设置有高炉风口调节阀11。

实施例3

步骤1，来自上游工序的高压富氢气为3.5MPa，流量为67500Nm³/h，氢气含量97.44％(v/v)，进入原料气缓冲罐1，再从吸附塔2底部进入处于吸附工况的吸附塔2内，在吸附塔2内，高压富氢气中的氢气穿透吸附剂床层后从吸附塔2顶部出口经顺放气缓冲罐12送至下一工序，其他气体CO、CH₄、N₂等被吸附剂床层吸附，部分氢气也停留在吸附塔2内；

步骤2，在吸附塔2解析及再生阶段，设置15次均压及再生步序，吸附塔2内的解析气通过逆放调节阀7进入高压缓冲罐4和低压缓冲罐5内，在低压缓冲罐5的出口设置有放空调节阀8，将解析气送至火炬系统，用于稳定低压缓冲罐5的压力，低压缓冲罐5控制压力为0.025MPaG，高压缓冲罐4控制压力为0.15MPaG在运行中，通过调节高低压缓冲罐5的运行方式来达到稳定解析气流量及压力的作用，步骤2所描述的解析气流量为6600Nm³/h，设计压力20KPa，主要组分为：H₂:75.87％(v/v)、N₂:9.0％(v/v)、CO:1.5％(v/v)、CH₄:12.5％(v/v)及其它组分；

步骤3，高压缓冲罐4及低压缓冲罐5出口的尾气进入分离器6，所述分离器6进口设置紧急切断阀9，紧急切断阀9前设置放空管线，紧急切断阀9后设置有氮气管线，氮气管线压力为0.65MPaG，用于开停车及机组置换使用；

步骤4，在解析气压缩机3内，解析气压力升高至0.70MPaG后，送至解析气管网，解析气管网设置有紧急放散阀10，用于事故及紧急状态下的放散，在解析气压缩机3出口设置一条副线，回到解析气压缩机3入口，通过调节阀实现入口压力的稳定；

步骤5，解析气压缩机3出口的解析气送到管网，经过调节阀控制流量稳定后送至高炉风口，进入高炉进行氢能炼铁，所述高炉风口前设置有高炉风口调节阀11。

Claims (9)

1.一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁装置，其特征在于，包括原料气缓冲罐、吸附塔、解析气压缩机、高压缓冲罐、低压缓冲罐、分离器、逆放调节阀、放空调节阀、紧急切断阀、紧急放散阀、高炉风口调节阀；

所述原料气缓冲罐的顶部出口与吸附塔的底部入口管路连接，所述吸附塔的顶部出口与氢气管网管路连接，所述吸附塔的底部出口分为两路，一路经逆放调节阀与高压缓冲罐的中部入口管路连接，另一路与低压缓冲罐的中部入口管路连接，所述高压缓冲罐的下部出口与紧急切断阀的入口管路连接，所述紧急切断阀的出口与分离器的入口管路连接，所述分离器的出口与解析气压缩机的入口管路连接，所述解析气压缩机的出口分为两路，一路经紧急放散阀与解析气管网管路连接，另一路经高炉风口调节阀与高炉风口管路连接，所述低压缓冲罐的顶部出口经放空调节阀与火炬管路连接，所述低压缓冲罐的下部出口连接在高压缓冲罐的下部出口与紧急切断阀的入口的管路上。

2.根据权利要求1所述的一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁装置，其特征在于，还包括顺放气缓冲罐，所述顺放气缓冲罐设置在吸附塔的顶部出口与氢气管网连接的管路上。

3.根据权利要求1所述的一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁装置，其特征在于，还包括低压氮气入口、放空阀，所述低压氮气入口设置在紧急切断阀与分离器连接的管路上，所述放空阀设置在低压缓冲罐的下部出口与紧急切断阀的入口的管路上。

4.根据权利要求1所述的一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁装置，其特征在于，所述解析气压缩机的出口设置一条副线，回到解析气压缩机入口，通过调节阀实现解析气压缩机入口压力的稳定。

5.一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，来自上游工序的高压富氢气进入原料气缓冲罐，再从吸附塔底部进入处于吸附工况的吸附塔内，在吸附塔内，高压富氢气中的氢气穿透吸附剂床层后从吸附塔顶部出口经顺放气缓冲罐送至下一工序，其他气体被吸附剂床层吸附，部分氢气也停留在吸附塔内，高压富氢气体为3.2～3.5MPa，流量为67500Nm³/h,氢气含量97.44％(v/v)；

步骤2，在吸附塔解析及再生阶段，设置多次均压及再生步序，吸附塔内的解析气通过逆放调节阀进入高压缓冲罐和低压缓冲罐内，在低压缓冲罐的出口设置有放空调节阀，将解析气送至火炬系统；

步骤3，高压缓冲罐及低压缓冲罐出口的尾气进入分离器，所述分离器进口设置紧急切断阀，紧急切断阀前设置放空管线，紧急切断阀后设置有氮气管线，用于开停车及机组置换使用；

步骤4，在解析气压缩机内升温升压后，解析气送至解析气管网，解析气管网设置有紧急放散阀，用于事故及紧急状态下的放散，在解析气压缩机出口设置一条副线，回到解析气压缩机入口，通过调节阀实现入口压力的稳定；

步骤5，解析气压缩机出口的解析气送到管网，经过高炉风口调节阀控制流量稳定的解析气后送至高炉风口，进入高炉进行氢能炼铁，所述高炉风口前设置有高炉风口调节阀。

6.根据权利要求5所述的一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁方法，其特征在于，所述步骤2中解析气的流量为6600Nm³/h，压力为10～20KPa，主要组分为：H₂:75.87％(v/v)、N₂:9.0％(v/v)、CO:1.5％(v/v)、CH₄:12.5％(v/v)。

7.根据权利要求5所述的一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁方法，其特征在于，所述低压缓冲罐控制压力为0.025MPaG，所述高压缓冲罐控制压力为0.15MPaG。

8.根据权利要求5所述的一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁方法，其特征在于，所述氮气管线压力为0.65MPaG。

9.根据权利要求5所述的一种变压吸附提氢解析气用于高炉氢能炼铁方法，其特征在于，所述解析气压缩机的出口压力为0.65～0.75MPaG，温度为70～75℃。

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