CN114182052A - 一种富烃气气基竖炉直接还原方法及其还原系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种富烃气气基竖炉直接还原方法及其还原系统，属于直接还原领域。本发明还原气是富烃气，富烃气与氧化剂在加热装置中加热至1100～1350℃，然后注入未加热的富烃气，形成混合气，再将混合气喷入气基竖炉，加热装置内衬为耐火材料，氧化剂为O2、H2O或CO2中的一种或两种以上的混合物。本发明还原系统，包括气基竖炉和气体加热装置，气体加热装置采用部分氧化转化炉，富烃气分成两个管路，一个管路连通部分氧化转化炉加热装置进口，另一个管路与部分氧化转化炉加热装置出口管路并联后，再与怪炉本体还原段风口连通。本发明整体投资低，原料气的利用率高，富烃气转化率高，解决了钢铁联合企业内，不同性质煤气的高效利用问题。
Description
技术领域
本发明属于直接还原领域，具体涉及一种富烃气气基竖炉直接还原方法及其还原系统。
背景技术
目前，气基竖炉直接还原工艺存在以下几个问题：(1)原料气主要来源于富烃气(如，天然气、焦炉煤气)和竖炉炉顶煤气，竖炉炉顶煤气在使用前需脱出CO2，因此炉顶煤气系统安装了去除CO2的脱碳装置。如，专利申请号201710676084.4，名称为一种气基竖炉还原气的制备系统及方法的专利提出，气基竖炉还原气的制备系统包括气基竖炉炉顶气洗涤器、炉顶气脱碳装置、焦炉煤气净化装置、焦炉煤气脱硫装置、转化炉、热回收装置、合成气除尘装置、合成气脱硫脱碳装置及混合器。这种安装了去除CO2的脱碳装置的系统，不但增加了投资和运行费用，而且提高了气基竖炉整体系统的复杂性；(2)气基竖炉的还原气采用管式加热炉，如专利申请号201710676084.4，名称为一种气基竖炉还原气的制备系统及方法的专利提出，“所述催化剂管为多根，其并列设置”，“热回收装置为换热器”；又如，申请号：CN201910952204.8，名称为，一种用于生产还原气的新型重整炉的专利提出，重整炉包括辐射室箱体，重整炉管，燃烧器，过渡段以及对流段；所述的重整炉管成2m排立式并联布置于辐射室箱体内；一排重整炉管对应一根重整原料气进口支干管，每根重整原料气进口支干管上开设与每排重整炉管数量相同的分支，通过柔性管将重整炉管气体进口与重整原料气进口支干管相连；燃烧器成(2m+1)排布置于辐射室下方底壁板；重整炉管气体出口通过斜三通与冷壁支管连接；过渡段是辐射室箱体的两侧壁板上方设有若干个过渡段分支管引出至过渡段分支干管，两分过渡段分支干管在辐射室箱体的一端汇集成过渡段总管；过波段总管与对流段相连，所述的对流段通过引风机与烟囱相连；所述的对流段由≥4个换热器组成，所述换热器为急速蒸发器、重整原料预热器、蒸汽过热器、脱硫焦炉气预热器、炉顶气预热器和燃烧空气预热器中的至少4种。过渡段出口1200℃的高温烟气，经对流段回收热量，使烟气温度降至100℃以下。此种管式加热炉存在以下问题：a由于重整炉管采用外加热，因此限制了重整管直径，造成单个重整管体积小，重整炉管数量庞大。重整炉管多达几百根，燃烧器几十个。这造成辐射室加热系统设备庞大，安装复杂；b过渡段出口温度高达1200℃，说明重整炉管承受的温度要高于1200℃，这样的重整炉管和燃烧器价格非常昂贵，一套重整炉设备通常需要几百根重整炉管，因此，投资过大；c催化剂价格昂贵，使用是大，定期需更换，因此造成生产运行成本高；d排放烟气和利用烟气余热的过渡段以及对流段设备庞大，结构复杂，再次增加投资成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种富烃气气基竖炉直接还原方法及其还原系统。
本发明目的之一是降低项目整体投资。
本发明目的之二是简化气体加热装置结构。
本发明目的之三是提高原料气的利用率。
本发明目的之四是解决钢铁联合企业内，不同性质煤气的高效利用问题。
本发明的其它目的将在后面指出，或者对本领域的技术人员显而易见。
为实现此目的，本发明还原方法采用以下的技术方案：
一种富烃气气基竖炉直接还原方法，包括将一定粒度的铁氧化物从炉顶装料装置加入气基竖炉，还原气从竖炉外加热后，喷入气基竖炉内，在气基竖炉内，铁氧化物与还原气反应，被还原成直接还原铁，直接还原铁经气基竖炉下部排出炉外，反应产生的粗煤气由竖炉炉顶排出，其中还原气是富烃气，富烃气与氧化剂在加热装置中加热至1100～1350℃，然后注入未加热的富烃气，形成混合气，再将混合气喷入气基竖炉，气体加热装置内腔只有一个腔体，气体加热装置内衬为耐火材料，氧化剂为O2、H2O或CO2中的一种或两种以上的混合物。
与现有技术相比，本发明方法具有以下有益效果：
(1)降低项目整体投资：a综合考虑钢铁企业内的煤气平衡。将富烃类的气体(例如焦炉煤气、天然气或煤层气)单独作为气基竖炉还原气，气基竖炉炉顶煤气只作为焦炉加热、高炉热风炉加热或轧钢加热炉加热的燃料，不再作为气基竖炉的循环用气，可以节省脱出气基竖炉炉顶煤气中二氧化碳的装置，降低项目整体投资；b不使用催化剂，降低对富烃气的硫含量要求，进而简化工序，减少投资；c使用耐火材料内衬的加热炉代替数百根耐热钢管组成的加热炉，降低投资；d无复杂庞大的换热系统，进一步降低投资。
(2)提高原料气的利用率：与富烃气中混入H2和/或CO后和氧反应相比，单独的富烃气CH4含量更高，当与氧反应生成高温气体时，生成有效气体H2+CO的量更大，这会提高原料气的利用率，同时降低能耗。而混入H2和/或CO后，为达到高温，会增加H2和CO的消耗，生成无效成分H2O或CO2。
(3)富烃气与氧化剂在1100～1350℃反应转化率高，降低积碳风险：富烃气与纯氧缺氧燃烧，在压力为0.1～0.5MPa时，加热至1100～1200℃时，CH4几乎全部转化为H2和CO；在压力大于0.5MPa时，加热至1200～1350℃℃时，CH4几乎全部转化为H2和CO，因此1100～1350℃是富烃气与氧化剂反应的最佳温度区间。
(4)气体加热炉结构简单，只有一个腔体，而传统的管式加热炉由数百根钢管腔体构成。
(5)无庞大的换热系统。
(6)气基竖炉炉顶煤气作为焦炉加热、高炉热风炉加热、烧结、球团或轧钢加热炉加热的燃料，不再作为气基竖炉的循环用气，还能解决炉顶煤气在气基竖炉内循环使用，造成的N2富集问题。
(7)解决了钢铁联合企业内，不同性质煤气的高效利用问题。富烃类的气体含氢量高，做气基竖炉的还原性原料比做燃料更好，且不用脱碳。
(8)混入未加热的富烃气，既能利用1100℃以上的高温重整未加热的富烃气，成为有效气体H2和CO，又能降低1100℃以上高温气体的温度，达到竖炉入炉气体温度要求。
本发明方法的优选方案为：
在加热装置中，通过与纯氧缺氧燃烧，富烃气被加热，纯氧缺氧燃烧有利于处量复杂烃类气体，如焦炉煤气。
进一步地，在已加热的富烃气和未加热的富烃气混合后，形成的气体中，控制炸类气体成分占比小于15％，以便此气体进入气基竖炉后，烃类成分迅速重整为H2和CO。
进一步地，加热装置中，当压力为0.1～0.5MPa时，选择富烃气与纯氧缺氧燃烧至1100～1200℃。
进一步地，加热装置中，当压力大于0.5MPa时，选择富烃气与纯氧缺氧燃烧至1200～1350℃℃。
进一步地，未加热的富烃气先加入水蒸气后，再注入已加热的富烃气中，有利于烃类气体重整为H2和CO。
进一步地，在加热装置中加入水蒸气，有利于烃类气体重整为H2和CO。
为实现上述目的，本发明采用如下的气基竖炉直接还原系统：
一种富烃气气基竖炉直接还原系统，包括气基竖炉和气体加热装置，气基竖炉包括装料装置、出料装置、竖炉预热段、还原段及冷却段，还原气在气体加热装置中加热，加热后的气体进入竖炉还原段，其中气体加热装置采用部分氧化转化炉，富烃气分成两个管路，一个管路连通部分氧化转化炉加热装置进口，另一个管路与部分氧化转化炉加热装置出口管路并联后，再与竖炉本体还原段风口连通。
与现有技术相比，本发明系统具有以下有益效果：
(1)降低项目整体投资：a综合考虑钢铁企业内的煤气平衡。将富烃类的气体(例如焦炉煤气、天然气或煤层气)单独作为气基竖炉还原气，气基竖炉炉顶煤气只作为焦炉加热、高炉热风炉加热或轧钢加热炉加热的燃料，不再作为气基竖炉的循环用气，可以节省脱出气基竖炉炉顶煤气中二氧化碳的装置，降低项目整体投资；b使用耐火材料内衬的部分氧化转化炉代替数百根耐热钢管组成的加热炉，降低投资。
(2)提高原料气的利用率：与富烃气中混入竖炉炉顶净化煤气后和氧反应相比，单独的富烃气CH4含量更高，当在一定温度与氧反应时，生成有效气体H2+CO的量更大，这会提高原料气的利用率，同时降低能耗。
(3)气体加热炉结构简单，无庞大的换热系统。
本发明系统的优选方案为：
富烃气与部分氧化转化炉加热装置出口管路并联前，先与水蒸气管路连通。
进一步地，部分氧化转化炉加热装置进口还连通水蒸气。
附图说明
图1为本发明一种富烃气气基竖炉直接还原系统流程图；
图2为本发明第二种富烃气气基竖炉直接还原系统流程图；
图3为本发明第三种富烃气气基竖炉直接还原系统流程图；
图4为本发明第四种富烃气气基竖炉直接还原系统流程图。
图中标记为：1-气基竖炉，2-部分氧化转化炉，3-烧嘴，4-氧气，5-富烃气总管，6-竖炉炉顶煤气，7-水蒸气总管，11-竖炉预热段，12-竖炉还原段，13-竖炉冷却段，14-装料装置，15-竖炉风口，16-出料装置，21-转化炉出口管路，51-富烃气第一支管，52-富炸气第二支管管路，71-水蒸气第一支管，72-水蒸气第二支管。
具体实施方式
为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。
请参阅图1。富烃气采用天然气、煤层气或焦炉煤气，该气基竖炉直接还原方法如下：将铁氧化物从炉顶装料装置14加入气基竖炉1。富烃气总管5引出两个支管，氧气4和第一支管51内的富烃气通入转化炉2内的烧嘴3中，氧气4与富烃气的体积比约为20～70％，部分氧化转化炉2内压力0.1～1.0Mpa，氧气4与富烃气在转化炉内缺氧燃烧，生成H2和CO，在转化炉2出口管路21处，气体达到1100～1350℃。将未加热的富烃气经富烃气第二支管管路52注入转化炉2出口管路21中，形成混合气体，混合后气体温度约1050～1100℃，甲烷含量1～15％。混合后的气体经风口15进入气基竖炉，在气基竖炉1内，混合后气体中的甲烷在直接还原铁的催化作用下，重整为还原气体H2和CO；铁氧化物与风口15进入的混合气反应，被还原成直接还原铁，直接还原铁经气基竖炉1下部出料装置16排出炉外，反应产生的竖炉炉顶煤气6由竖炉炉顶排出，送往焦炉、高炉热风炉或轧钢加热炉作为加热的燃料.
该富烃气气基竖炉直接还原系统，包括气基竖炉1和部分氧化转化炉2，气基竖炉1包括装料装置14、出料装置16、竖炉预热段11、竖炉还原段12及冷却段13。富烃气总管5分成两个管路，分别为富烃气支管51和富烃气支管52，其中富烃气支管51连通部分氧化转化炉2内的烧嘴3的富烃气进口，富烃气支管52与部分氧化转化炉2出口管路21开联后，再与竖炉还原段风口15连通。氧气4进入烧嘴3的氧气进口，富烃气和氧气经烧嘴3进入部分氧化转化炉2中燃烧，燃烧加热后的气体进入部分氧化转化炉2出口管路21。
请参阅图2。此系统流程是，在图1工艺流程的基础上，经水蒸气总管7向转化炉2的烧嘴3中通入水蒸气。这种方法既能有助于富烃气中甲烷重整成H2和CO，又能通过水蒸气降温，保护转化炉2的炉顶和烧嘴3。
请参阅图3。此系统流程是，在图1工艺流程的基础上，将未加热的富烃气第二支管52先与水蒸气总管7并联后，再与转化炉2出口管路21并联。这有助于混合气体中甲烷重整成H2和CO。
请参阅图4。此系统流程同时具备了图2和图3的优势。
实施例一
请参阅图1。富烃气采用天然气。将粒度为8-16mm的铁氧化物从炉顶装料装置14加入气基竖炉1。富烃气总管5引出两个支管，氧气4和第一支管51内的富烃气通入转化炉2内的烧嘴3中，氧气4与富烃气的体积比约为70％左右，部分氧化转化炉2内压力0.5Mpa，氧气4与富烃气在转化炉内缺氧燃烧，生成H2和CO，在转化炉2出口管路21处，气体达到1350℃。将未加热的富烃气经富烃气第二支管管路52注入气体温度达到1350℃的转化炉2出口管路21中，形成混合气体，富烃气在第一支管51与第二支管52内流量比约为2～3，混合后气体温度约1110℃，甲烷含量10～15％。混合后的气体经风口15进入气基竖炉，在气基竖炉1内，混合后气体中的甲烷在直接还原铁的催化作用下，重整为还原气体H2和CO；铁氧化物与风口15进入的混合气反应，被还原成直接还原铁，直接还原铁经气基竖炉1下部出料装置16排出炉外，反应产生的竖炉炉顶煤气6由竖炉炉顶排出，送往焦炉、高炉热风炉或轧钢加热炉作为加热的燃料。
实施例二
请参阅图2。富烃气采用焦炉煤气。将粒度为8-16mm的铁氧化物从炉顶装料装置14加入气基竖炉1。富烃气总管5引出两个支管，氧气4和第一支管51内的富烃气通入转化炉2内的烧嘴3中，水蒸气经水蒸汽总管7通入烧嘴3外圈通道中，氧气4与富烃气的体积比约为28％左右，部分氧化转化炉2内压力0.7Mpa，氧气4与富烃气在转化炉内缺氧燃烧，生成H2和CO，在转化炉2出口管路21处，气体达到1200℃。将未加热的富烃气经富烃气第二支管管路52注入气体温度达到1200℃的转化炉2出口管路21中，形成混合气体，富烃气在第一支管51与第二支管52内流量比约为7～8，混合后气体温度约1080℃，甲烷含量2～5％。混合后的气体经风口15进入气基竖炉，在气基竖炉1内，混合后气体中的甲烷在直接还原铁的催化作用下，重整为还原气体H2和CO；铁氧化物与风口15进入的混合气反应，被还原成直接还原铁，直接还原铁经气基竖炉1下部出料装置16排出炉外，反应产生的竖炉炉顶煤气6由竖炉炉顶排出，送往焦炉、高炉热风炉或轧钢加热炉作为加热的燃料。
实施例三
请参阅图3。富烃气采用煤层气。将粒度为8-16mm的铁氧化物从炉顶装料装置14加入气基竖炉1。富烃气总管5引出两个支管，氧气4和第一支管51内的富烃气通入转化炉2内的烧嘴3中，氧气4与富烃气的体积比约为65％左右，部分氧化转化炉2内压力0.1Mpa，氧气4～5与富烃气在转化炉内缺氧燃烧，生成H2和CO，在转化炉2出口管路21处，气体达到1200℃。将蒸汽总管7中的蒸汽通入富烃气第二支管管路52中，然后再将蒸汽和富烃气的混合气注入转化炉2出口管路21中，形成新混合气体，富烃气在第一支管51与第二支管52内流量比约为4，新混合后气体温度约1100℃，甲烷含量5～8％。新混合气体经风口15进入气基竖炉，在气基竖炉1内，新混合气体中的甲烷在直接还原铁的催化作用下，重整为还原气体H2和CO；铁氧化物与风口15进入的混合气反应，被还原成直接还原铁，直接还原铁经气基竖炉1下部出料装置16排出炉外，反应产生的竖炉炉顶煤气6由竖炉炉顶排出，送往焦炉、高炉热风炉或轧钢加热炉作为加热的燃料。
实施例四
请参阅图4。富烃气采用焦炉煤气。将粒度为8-16mm的铁氧化物从炉顶装料装置14加入气基竖炉1。富烃气总管5引出两个支管，氧气4和第一支管51内的富烃气通入转化炉2内的烧嘴3中，水蒸汽总管7引出两个支管，水蒸气经水蒸汽支管72通入烧嘴3外圈通道中，氧气4与富烃气的体积比约为25％左右，部分氧化转化炉2内压力0.55Mpa，氧气4与富烃气在转化炉内缺氧燃烧，生成H2和CO，在转化炉2出口管路21处，气体达到1150℃。将蒸汽支管71中的蒸汽通入富烃气第二支管管路52中，然后再将蒸汽和富烃气的混合气注入转化炉2出口管路21中，形成新混合气体，富烃气在第一支管51与第二支管52内流量比约为14～15，混合后气体温度约1050℃，甲烷含量1～3％。混合后的气体经风口15进入气基竖炉，在气基竖炉1内，新混合气体中的甲烷在直接还原铁的催化作用下，重整为还原气体H2和CO；铁氧化物与风口15进入的混合气反应，被还原成直接还原铁，直接还原铁经气基竖炉1下部出料装置16排出炉外，反应产生的竖炉炉顶煤气6由竖炉炉顶排出，送往焦炉、高炉热风炉或轧钢加热炉作为加热的燃料。
以上列举的仅是本发明的优选实施例，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种富烃气气基竖炉直接还原方法，包括将一定粒度的铁氧化物从炉顶装料装置加入气基竖炉，还原气从竖炉外加热后，喷入气基竖炉内，在气基竖炉内，铁氧化物与还原气反应，被还原成直接还原铁，直接还原铁经气基竖炉下部排出炉外，反应产生的粗煤气由竖炉炉顶排除，其特征在于还原气是富烃气，富烃气与氧化剂在气体加热装置中加热至1100～1350℃，然后注入未加热的富烃气，形成混合气，再将混合气喷入气基竖炉，气体加热装置内衬为耐火材料，氧化剂为O2、H2O或CO2中的一种或两种以上的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种富烃气气基竖炉直接还原方法，其特征在于在加热装置中，通过与纯氧缺氧燃烧，富烃气被加热。
3.根据权利要求1所述的一种富烃气气基竖炉直接还原方法，其特征在于混合气中烃类气体成分占比小于15％。
4.根据权利要求1或2所述的一种富烃气气基竖炉直接还原方法，其特征在于加热装置中，压力为0.1～0.5MPa时，富烃气与纯氧缺氧燃烧，加热至1100～1200℃。
5.根据权利要求1或2所述的一种富烃气气基竖炉直接还原方法，其特征在于加热装置中，压力大于0.5MPa时，富烃气与纯氧缺氧燃烧，加热至1200～1350℃℃。
6.根据权利要求1所述的一种富烃气气基竖炉直接还原方法，其特征在于未加热的富烃气先加入水蒸气后，再注入已加热的富烃气中。
7.根据权利要求2所述的一种富烃气气基竖炉直接还原方法，其特征在于在加热装置中加入水蒸气。
8.一种富烃气气基竖炉直接还原系统，包括气基竖炉和气体加热装置，气基竖炉包括装料装置、出料装置、竖炉预热段、还原段及冷却段，还原气在气体加热装置中加热，加热后的气体进入竖炉还原段，其特征在于气体加热装置采用部分氧化转化炉，富烃气分成两个管路，一个管路连通部分氧化转化炉加热装置进口，另一个管路与部分氧化转化炉加热装置出口管路并联后，再与竖炉本体还原段风口连通。
9.根据权利要求7所述的一种富烃气气基竖炉直接还原系统，其特征在于富烃气与部分氧化转化炉加热装置出口管路并联前，先与水蒸气管路连通。
10.根据权利要求7所述的一种富烃气气基竖炉直接还原系统，其特征在于部分氧化转化炉加热装置进口还连通水蒸气。
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| CN202111381667.7A CN114182052A (zh) | 2021-11-16 | 2021-11-16 | 一种富烃气气基竖炉直接还原方法及其还原系统 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114657304A (zh) * | 2022-04-15 | 2022-06-24 | 黑龙江建龙钢铁有限公司 | 一种净化生物质气制备气基竖炉还原气的装置及方法 |
| CN114807487A (zh) * | 2022-05-20 | 2022-07-29 | 李伟 | 一种气基竖炉与焦炉共用热源的气基竖炉使用方法和系统 |
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2021
- 2021-11-16 CN CN202111381667.7A patent/CN114182052A/zh active Pending
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