CN114574648B - 气基竖炉还原气制备系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种气基竖炉还原气制备系统及方法，该系统包括吸附精制塔、还原气转化炉以及炉顶气净化装置，吸附精制塔的焦炉煤气进口与焦炉煤气管道连接，吸附精制塔的原料气出口与还原气转化炉的原料气入口连接，吸附精制塔的脱附气出口与还原气转化炉的燃料气入口连接，还原气转化炉的还原气出口与竖炉的还原气入口连接，竖炉的炉顶气出口与炉顶气净化装置的炉顶气入口连接，炉顶气净化装置的工艺气出口分别与还原气转化炉的燃料气入口、还原气转化炉的原料气入口以及吸附精制塔的解吸气入口连接。本发明解决了现有技术中无法对焦炉煤气进一步处理，以使其提供气基竖炉的还原气使用的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，进一步的，涉及一种气基竖炉还原气制备系统及方法，尤其涉及一种采用焦炉煤气制备竖炉还原气的系统及方法。
背景技术
钢铁生产中有长、短两种流程，其中长流程为高炉炼铁以及转炉炼钢相结合，短流程为采用直接对铁矿石进行还原以及电炉炼钢相结合。传统的高炉炼铁具有流程长、能耗高、污染重、需要消耗焦炭等特点，尽管实施的各种节能减排措施已取得一定效果，但这种基于碳还原的长流程所涉及的冶金热力学反应已趋于极限水平，继续减排CO2的潜力十分有限，因此必须寻找新的突破性工艺解决钢铁工业CO2排放高的问题，而短流程生产吨钢排放的CO2要远低于长流程。
现阶段，我国的社会经济结构无法提供足够的废钢作为短流程的原料，需要采用海绵铁替代废钢作为原料。短流程中直接还原铁(Direct Reduction Iron)，也称海绵铁，成分稳定，有害杂质元素含量低，是炼钢的优质原料，不仅可以作为电炉炼钢的原料和转炉炼钢的冷却剂，补充废钢资源的不足，而且对保证钢材的质量，生产优质纯净钢种起着不可替代的作用。目前世界先进的直接还原铁技术是气基竖炉直接还原技术，该技术主要以天然气为原料，其中富CH4和CO2的气体反应变换成富H2和CO的气体后，直接与铁矿石在高温条件下发生还原反应，生产海绵铁。由于我国天然气资源匮乏，发展气基竖炉还原技术受到限制。我国的焦炉煤气资源相对丰富，利用焦炉煤气制备富氢气体，既解决了煤气的排放和利用问题，又为现阶段生产直接还原铁提供一种获得富氢还原气的方法。采用焦炉煤气制取还原气，用于生产海绵铁是符合我国国情的优选的技术路线，是适合我国发展新型炼铁技术的重要方向。
随着技术的发展，气基竖炉对还原气的要求更加广泛，其要求 大于10(其中，/>为体积分数)，/>大于0.3，压力为0.1～0.90Mpa。与天然气相比，我国焦炉煤气资源相对丰富，但后续利用工艺不配套，造成大量焦炉煤气的浪费。焦炉煤气含H2S、CS2、COS、NH3、BTX(苯、甲苯以及二甲苯等)、焦油和萘等杂质，导致传统的以天然气为气源的气基竖炉工艺无法运行，需要开发适合焦炉煤气的气基竖炉还原气工艺。
针对相关技术中无法对焦炉煤气进一步处理，以使其提供竖炉的还原气使用的问题，目前尚未给出有效的解决方案。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种气基竖炉还原气制备系统及方法，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气基竖炉还原气制备系统及方法，能够对焦炉煤气中的杂质进行吸附脱除，再生后的脱附气可送至还原气转化炉进行燃烧供热，净化后的焦炉煤气与净化处理后的炉顶气进行混合并催化转化为竖炉所使用的还原气，解决了焦炉煤气中杂质多、净化难的问题，不仅具有还原气转化炉的原料气组分可调的优点，而且达到节能以及减排CO2的效果，有利于资源的合理配置以及对环境的保护。
本发明的目的可采用下列技术方案来实现：
本发明提供了一种气基竖炉还原气制备系统，包括对焦炉煤气进行净化处理的吸附精制塔、将净化后的焦炉煤气转化为还原气的还原气转化炉以及对竖炉排出的炉顶气进行净化处理的炉顶气净化装置，其中：
所述吸附精制塔的焦炉煤气进口与焦炉煤气管道连接，所述吸附精制塔的原料气出口与所述还原气转化炉的原料气入口连接，所述吸附精制塔的脱附气出口与所述还原气转化炉的燃料气入口连接，所述还原气转化炉的还原气出口与所述竖炉的还原气入口连接，所述竖炉的炉顶气出口与所述炉顶气净化装置的炉顶气入口连接，所述炉顶气净化装置的工艺气出口分别与所述还原气转化炉的燃料气入口、所述还原气转化炉的原料气入口以及所述吸附精制塔的解吸气入口连接。
在本发明的一较佳实施方式中，所述还原气转化炉的燃料气入口与焦炉煤气管道连接。
在本发明的一较佳实施方式中，所述吸附精制塔的内部填装有能对焦炉煤气中含有的杂质进行吸附、并在加热后能发生脱附再生的分子筛材料。
在本发明的一较佳实施方式中，所述吸附精制塔的数量为多个，各所述吸附精制塔中至少一个为备用吸附精制塔。
在本发明的一较佳实施方式中，所述气基竖炉还原气制备系统还包括对炉顶气净化装置排出的工艺气以及所述吸附精制塔排除的原料气进行预热升温的热回收装置，所述炉顶气净化装置的工艺气出口通过所述热回收装置分别与所述还原气转化炉的燃料气入口、所述还原气转化炉的原料气入口以及所述吸附精制塔的解吸气入口连接，所述吸附精制塔的原料气出口通过所述热回收装置与所述还原气转化炉的原料气入口连接。
在本发明的一较佳实施方式中，所述还原气转化炉的烟气出口与所述热回收装置的烟气进口连接，所述热回收装置的烟气出口直接与外部相连通。
在本发明的一较佳实施方式中，所述炉顶气净化装置包括换热器、洗涤器和吸附脱硫塔，所述换热器的进气口与所述竖炉的炉顶气出口连接，所述换热器的出气口与所述洗涤器的进气口连接，所述洗涤器的出气口与所述吸附脱硫塔的进气口连接，所述吸附脱硫塔的出气口分别与所述还原气转化炉的燃料气入口和所述还原气转化炉的原料气入口连接；
所述换热器的进气口即为所述炉顶气净化装置的炉顶气入口，所述吸附脱硫塔的出气口即为所述炉顶气净化装置的工艺气出口。
在本发明的一较佳实施方式中，所述吸附脱硫塔的解吸气出口与所述换热器的解吸气入口连接，所述换热器的解吸气出口与吸附脱硫塔的解吸气入口连接。
在本发明的一较佳实施方式中，所述吸附脱硫塔的脱附气出口通过所述热回收装置与所述还原气转化炉的燃料气入口连接。
在本发明的一较佳实施方式中，所述吸附脱硫塔的内部填装有能对炉顶气中含有的有机硫和无机硫进行吸附、并在加热后能发生脱附再生的分子筛材料。
在本发明的一较佳实施方式中，所述吸附脱硫塔的数量为多个，各所述吸附脱硫塔中至少一个为备用吸附脱硫塔。
在本发明的一较佳实施方式中，所述炉顶气净化装置的工艺气出口与所述还原气转化炉的原料气入口之间设置有调整输气压力的加压装置。
在本发明的一较佳实施方式中，所述还原气转化炉的内部设置有将所述吸附精制塔排出的原料气和所述炉顶气净化装置排出的工艺气催化重整为还原铁矿石所需还原气的多根催化剂管，各所述催化剂管并联于所述还原气转化炉的原料气入口与所述还原气转化炉的还原气出口之间。
在本发明的一较佳实施方式中，所述催化剂管内填装有镍系催化剂。
在本发明的一较佳实施方式中，所述炉顶气出口设置于所述竖炉的顶部，所述竖炉的顶部且位于所述炉顶气出口的上方设置有铁矿石入口；
所述还原气入口设置于所述竖炉的底部，所述竖炉的底部且位于所述还原气入口的下方设置有海绵铁出口。
本发明提供了一种气基竖炉还原气制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：初步净化焦炉煤气通过吸附精制塔，脱除初步净化焦炉煤气内混有的杂质，以形成原料气；
步骤S2：原料气通过还原气转化炉，原料气在所述还原气转化炉内催化剂的作用下，生成还原气；
步骤S3：还原气通过竖炉并与所述竖炉内的铁矿石发生还原反应，得到海绵铁和炉顶气；
步骤S4：炉顶气从所述竖炉内排出，通过炉顶气净化装置对炉顶气进行脱硫处理，以形成工艺气；
步骤S5：工艺气分为两部分，一部分工艺气进入至所述还原气转化炉内进行燃烧供热，另一部分工艺气与原料气混合后通过所述还原气转化炉，工艺气与原料气的混合气体在所述还原气转化炉内催化剂的作用下，再次生成还原气；
步骤S6：还原气再次通过所述竖炉并与所述竖炉内的铁矿石发生还原反应，得到海绵铁和炉顶气；
步骤S7：循环步骤S4至步骤S6，至所述竖炉内的铁矿石完全反应生成海绵铁。
在本发明的一较佳实施方式中，所述步骤S3包括：
步骤S301：将铁矿石经加工成为球团或块矿，从所述竖炉的铁矿石入口进入至竖炉内；
步骤S302：还原气在所述竖炉内由下至上流动，并与所述竖炉内的铁矿石发生还原反应，得到海绵铁和炉顶气。
在本发明的一较佳实施方式中，所述步骤S2中通过所述还原气转化炉的原料气、步骤S5中进入至所述还原气转化炉内进行燃烧的部分工艺气以及步骤S5中通过所述还原气转化炉进行催化反应的另一部分工艺气与原料气的混合气体，均需要通过热回收装置进行预热升温。
在本发明的一较佳实施方式中，所述步骤S1中，一部分所述初步净化焦炉煤气通过吸附精制塔形成原料气，另一部分所述初步净化焦炉煤气进入至所述还原气转化炉内进行燃烧供热。
在本发明的一较佳实施方式中，所述步骤S1中，所述吸附精制塔吸附达到预设的饱和度阈值后，抽取工艺气并进行加热升温，通入至所述吸附精制塔内进行脱附再生，所述吸附精制塔产生的脱附气进入至所述还原气转化炉内进行燃烧供热。
在本发明的一较佳实施方式中，所述步骤S4包括：
步骤S401：炉顶气从所述竖炉内排出，并进入至换热器内与吸附脱硫塔输出的解吸气进行换热；
步骤S402：换热后的炉顶气进入至洗涤器中进行冷却除尘，所述换热器内换热后的解吸气进入至所述吸附脱硫塔进行再生；
步骤S403：冷却除尘后的炉顶气进入至所述吸附脱硫塔脱除无机硫和有机硫后，形成工艺气；
步骤S404：所述吸附脱硫塔产生的脱附气随一部分工艺气进入所述还原气转化炉内燃烧供热；另一部分工艺气进入所述还原气转化炉内催化转化为还原气；第三部分工艺气作为所述吸附脱硫塔的解吸气进入至所述换热器内进行换热。
在本发明的一较佳实施方式中，所述步骤S404中，所述吸附脱硫塔产生的部分工艺气作为所述吸附精制塔的解吸气升温后进入至所述吸附精制塔内对所述吸附精制塔进行再生。
由上所述，本发明的气基竖炉还原气制备系统及方法的特点及优点是：通过吸附精制塔对焦炉煤气进行净化处理，达到对焦炉煤气中无机硫、有机硫、焦油、苯以及萘等杂质进行吸附脱除的效果，吸附精制塔再生后的脱附气可送至还原气转化炉进行燃烧供热，净化后的焦炉煤气与净化处理后的炉顶气进行混合，并在还原气转化炉内催化转化为富H2和CO的还原气，能够用于与竖炉内的铁矿石发生还原反应，解决了焦炉煤气中杂质多、净化难的问题，本发明不仅具有还原气转化炉的原料气组分可调的优点，而且达到节能以及减排CO2的效果，有利于资源的合理配置以及对环境的保护，有利于钢厂升级改造以及提升产品的质量，具有极大的发展前景。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
其中：
图1：为本发明气基竖炉还原气制备系统的结构示意图。
图2：为本发明气基竖炉还原气制备系统中炉顶气净化装置的结构示意图。
图3：为本发明气基竖炉还原气制备系统中还原气转化炉的结构示意图。
图4：为本发明气基竖炉还原气制备方法的工艺流程图之一。
图5：为本发明气基竖炉还原气制备方法的工艺流程图之二。
图6：为本发明气基竖炉还原气制备方法的工艺流程图之三。
本发明中的附图标号为：
1、吸附精制塔； 2、还原气转化炉；
201、原料气入口； 202、还原气出口；
203、燃料气入口； 204、烟气出口；
205、催化剂管； 3、炉顶气净化装置；
301、换热器； 302、洗涤器；
303、吸附脱硫塔； 4、热回收装置；
5、加压装置； 6、竖炉；
601、炉顶气出口； 602、还原气入口；
603、铁矿石入口； 604、海绵铁出口；
10、第一输气管道； 11、第二输气管道；
12、第三输气管道； 13、第四输气管道；
14、第五输气管道； 15、第六输气管道；
16、第七输气管道； 17、第八输气管道；
18、第九输气管道； 19、第十输气管道；
20、第十一输气管道； 21、第十二输气管道；
22、第十三输气管道； 23、第十四输气管道。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
实施方式一
本发明提供了一种气基竖炉还原气制备系统，该气基竖炉还原气制备系统包括吸附精制塔1、还原气转化炉2以及炉顶气净化装置3，吸附精制塔1用于对焦炉煤气进行净化处理，还原气转化炉2用于将净化后的焦炉煤气转化为还原气，炉顶气净化装置3用于对竖炉6排出的炉顶气进行净化处理。其中：吸附精制塔1的焦炉煤气进口与焦炉煤气管道连接，且还原气转化炉2的燃料气入口203通过第一输气管道10与焦炉煤气管道连接，吸附精制塔1的原料气出口与还原气转化炉2的原料气入口201连接，吸附精制塔1的脱附气出口与还原气转化炉2的燃料气入口203连接，还原气转化炉2的还原气出口202通过第五输气管道14与竖炉6的还原气入口602连接，竖炉6的炉顶气出口601与炉顶气净化装置3的炉顶气入口连接，炉顶气净化装置3的工艺气出口分别与还原气转化炉2的燃料气入口203、还原气转化炉2的原料气入口201以及吸附精制塔1的解吸气入口连接。
本发明通过吸附精制塔1对焦炉煤气进行净化处理，达到对焦炉煤气中无机硫、有机硫、焦油、苯以及萘等杂质进行吸附脱除的效果，吸附精制塔1再生后的脱附气可送至还原气转化炉2进行燃烧供热，净化后的焦炉煤气与净化处理后的炉顶气进行混合，并在还原气转化炉2内催化转化为富H2和CO的还原气，能够用于与竖炉6内的铁矿石发生还原反应，解决了焦炉煤气中杂质多、净化难的问题，本发明不仅具有还原气转化炉的原料气组分可调的优点，而且达到节能以及减排CO2的效果，有利于资源的合理配置以及对环境的保护。
具体的，如图1所示，炉顶气出口601设置于竖炉6的顶部，竖炉6的顶部且位于炉顶气出口601的上方设置有铁矿石入口603；还原气入口602设置于竖炉6的底部，竖炉6的底部且位于还原气入口602的下方设置有海绵铁出口604。
进一步的，第五输气管道14内还原气的压力为0.08MPa至0.5MPa，还原气的温度为850℃至1100℃，还原气中大于10，还原气中/>大于0.3，
优选的，还原气中为1至3。
在本发明的一个可选实施例中，吸附精制塔1的内部填装有能对焦炉煤气中含有的无机硫、有机硫、焦油、苯以及萘等杂质进行吸附、并在加热后能发生脱附再生的分子筛材料。
优选的，分子筛材料采用疏水型微晶材料，能够吸附无机硫、有机硫、焦油、苯以及萘等杂质，在20℃至100℃温度范围内具备吸附能力，在160℃至350℃温度范围能进行脱附再生；分子筛材料的寿命5至7年，可反复再生，且耐高温。
进一步的，疏水型微晶材料可为含有镁、钙、锶、钇、镧、铈、铕、铁、钴、镍、铜、银、锌等元素中的至少一种元素的材料制成；具体地，该疏水型微晶材料选自X型分子筛、Y型分子筛、A型分子筛、ZSM型分子筛、丝光沸石、β型分子筛、MCM型分子筛、SAPO型分子筛中的至少一种，并且实际实施时，本领域技术人员可以根据现场作业需要合理设置该催化剂的用量。
进一步的，吸附精制塔1的数量为多个，各吸附精制塔1中至少一个为备用吸附精制塔。
在发明的一个可选实施例中，如图1所示，气基竖炉还原气制备系统还包括热回收装置4，热回收装置4用于对炉顶气净化装置3排出的工艺气以及吸附精制塔1排除的原料气进行预热升温，所述炉顶气净化装置3的工艺气出口通过热回收装置4分别与还原气转化炉2的燃料气入口203、还原气转化炉2的原料气入口201以及吸附精制塔1的解吸气入口连接，吸附精制塔1的原料气出口通过热回收装置4与还原气转化炉2的原料气入口201连接。通过热回收装置4对进入还原气转化炉2之前的工艺气以及原料气进行预热升温。
进一步的，如图1所示，还原气转化炉2的烟气出口通过第六输气管道15与热回收装置4的烟气进口连接，热回收装置4的烟气出口直接与外部相连通。
在发明的一个可选实施例中，如图1所示，炉顶气净化装置3的工艺气出口与还原气转化炉2的原料气入口201之间设置有加压装置5，通过加压装置5调节输气压力，对工艺气以及原料气进行加压后输送至还原气转化炉2的原料气入口201中。
进一步的，加压装置5可为但不限于加压机。
在本发明的一个可选实施例中，如图1、图2所示，炉顶气净化装置3包括换热器301、洗涤器302和吸附脱硫塔303，换热器301的进气口通过第九输气管道18与竖炉6的炉顶气出口601连接，换热器301的出气口通过第十输气管道19与洗涤器302的进气口连接，洗涤器302的出气口通过第十一输气管道20与吸附脱硫塔303的进气口连接，吸附脱硫塔303的出气口通过第八输气管道17与还原气转化炉2的燃料气入口203连接，吸附脱硫塔303的出气口还通过第七输气管道16与还原气转化炉2的原料气入口201连接，第七输气管道16和第八输气管道17均穿过热回收装置4，加压装置5设置于第七输气管道16上。其中，换热器301的进气口即为炉顶气净化装置3的炉顶气入口，吸附脱硫塔303的出气口即为炉顶气净化装置3的工艺气出口。
进一步的，如图1所示，吸附精制塔1的脱附气出口通过第四输气管道13接入至第八输气管道17中，吸附精制塔1脱附后的脱附气依次通过第四输气管道13和第八输气管道17输送至还原气转化炉2内进行燃烧供热。
进一步的，如图1所示，吸附精制塔1的原料气出口通过第二输气管道11接入至第七输气管道16中，吸附精制塔1输出的原料气依次通过第二输气管道11、第七输气管道16以及热回收装置4后进入至还原气转化炉2内作为原料气进行催化重整反应。
进一步的，如图1所示，吸附精制塔1的解吸气入口通过第三输气管道12接入至第七输气管道16中，第七输气管道16中的工艺气可作为吸附精制塔1的解吸气输送至吸附精制塔1内，以供吸附精制塔1脱附再生，吸附精制塔1的脱附气直接输送至还原气转化炉2内进行燃烧供热。
进一步的，如图1所示，吸附脱硫塔303的解吸气出口通过第十三输气管道22与换热器301的解吸气入口连接，换热器301的解吸气出口通过第十二输气管道21与吸附脱硫塔303的解吸气入口连接。
进一步的，如图1所示，吸附脱硫塔303的脱附气出口依次通过第十四输气管道23和第八输气管道17与还原气转化炉2的燃料气入口203连接，通过热回收装置4进行预热升温后通入至还原气转化炉2中进行燃烧供热。
在本发明的一个可选实施例中，吸附脱硫塔303的内部填装有能对炉顶气中含有的有机硫和无机硫进行吸附、并在加热后能发生脱附再生的分子筛材料。其中，吸附脱硫塔303的进气口与吸附脱硫塔303的出气口之间的压差为4kPa，吸附脱硫塔303的操作压力为5kPa至0.1MPa。
优选的，分子筛材料采用疏水型微晶材料，能够吸附无机硫和有机硫，在20℃至100℃温度范围内具备吸附能力，在160℃至350℃温度范围能进行脱附再生；分子筛材料的寿命7至10年，可反复再生，且耐高温。
进一步的，疏水型微晶材料可为含有镁、钙、锶、钇、镧、铈、铕、铁、钴、镍、铜、银、锌等元素中的至少一种元素的材料制成；具体地，该疏水型微晶材料选自X型分子筛、Y型分子筛、A型分子筛、ZSM型分子筛、丝光沸石、β型分子筛、MCM型分子筛、SAPO型分子筛中的至少一种，并且实际实施时，本领域技术人员可以根据现场作业需要合理设置该催化剂的用量。
进一步的，吸附脱硫塔303的数量为多个，各吸附脱硫塔303中至少一个为备用吸附脱硫塔。
在发明的一个可选实施例中，如图1、图3所示，还原气转化炉2的内部设置有多根催化剂管205，各催化剂管205并联于还原气转化炉2的原料气入口201与还原气转化炉2的还原气出口202之间，通过各催化剂管205将吸附精制塔1排出的原料气和炉顶气净化装置3排出的工艺气催化重整为还原铁矿石所需还原气。
进一步的，催化剂管205内填装的催化剂可为但不限于镍系催化剂。
本发明的工作原理为：将铁矿石从竖炉6的铁矿石入口603进入至竖炉6内，还原气在竖炉6内由下向上流动，还原气(富H2和CO气体)与铁矿石(Fe2O3)反应，生成海绵铁(Fe)和炉顶气(富H2、CO和CO2气体)；炉顶气首先通过竖炉6的炉顶气出口601输出，首先进入至换热器301内，炉顶气与吸附脱硫塔303输出的部分解吸气(富H2、CO和CO2气体)进行换热后，进入至洗涤器302内进行除尘降温，然后进入吸附脱硫塔303内采用分子筛材料对炉顶气中的有机硫和无机硫等杂质进行脱除，吸附脱硫塔303净化后的工艺气分为两部分，一部分工艺气与吸附脱硫塔303输出的脱附气混合输送至热回收装置4中预热升温至约300℃后再与未经过吸附精制塔1的初步净化焦炉煤气(即：燃料气)混合进入还原气转化炉2内作为燃料供还原气转化炉2燃烧升温；另一部分工艺气与吸附精制塔1净化后的原料气混合，经加压装置5加压至0.1MPa至0.5MPa后，经热回收装置4预热至500℃至700℃输送至还原气转化炉2，工艺气与原料气的混合气体在还原气转化炉2内的催化剂管205中发生催化重整反应，原料气中的CH4、CO2以及工艺气中的CO作为原料气反应生成CO和H2(反应的化学方程式为：CH4+CO2＝2CO+2H2)，由于催化重整反应是吸热反应，所需要的热量来自于部分工艺气、燃料气、吸附精制塔1产生的脱附气以及吸附脱硫塔303产生的脱附气的燃烧。最终，将反应生成富H2和CO的高温气体作为还原气通过还原气入口602输送至竖炉6内。
初步净化焦炉煤气(即：未经过吸附精制塔1净化的焦炉煤气)中总硫含量≤500mg/Nm3(即：小于或等于500mg/Nm3)，焦油含量为≤50mg/Nm3(即：小于或等于50mg/Nm3)，BTX(苯、甲苯、二甲苯等)含量为≤2500mg/Nm3(即：小于或等于2500mg/Nm3)，萘含量为≤500mg/Nm3(即：小于或等于500mg/Nm3)，首先进入吸附精制塔1，对焦炉煤气中的无机硫、有机硫、焦油、苯以及萘等杂质进行吸附脱除，净化后焦炉煤气(即：原料气)与工艺气混合，经加压装置5加压并输送至还原气转化炉2内。当吸附精制塔1达到预设的饱和阈值后，抽取4000Nm3/h的工艺气作为吸附精制塔1的解吸气，吸附精制塔1的解吸气经过热回收装置4内与高温烟气进行换热，至吸附精制塔1的解吸气的温度升高到260℃左右，对吸附精制塔1内的分子筛材料进行再生，再生分为升温、保温、冷吹三个阶段，再生周期约60小时；再生过程中，分子筛材料所吸附的杂质脱附到吸附精制塔1的解吸气中，称为吸附精制塔1的脱附气，吸附精制塔1的脱附气、燃料气以及空气混合进入还原气转化炉2内进行燃烧，将混合气体中焦油、苯、萘等碳氢化合物转化为二氧化碳和水、有机硫以及无机硫转化为二氧化硫，并随烟气排出，经烟气净化达标排放。
本发明的气基竖炉还原气制备系统的特点及优点是：
一、该气基竖炉还原气制备系统通过吸附精制塔1内的分子筛材料对焦炉煤气中的无机硫、有机硫、焦油、苯以及萘等杂质进行吸附脱除处理，吸附精制塔1再生后的脱附气可送至还原气转化炉2作为燃料气进行燃烧供热，结构简单，能量利用率高，与传统净化装置相比投资少，成本低，无二次污染。
二、该气基竖炉还原气制备系统在吸附脱硫塔303内填装有分子筛材料，通过分子筛材料吸附脱除炉顶气中的无机硫和有机硫，解吸气加热转化炉，脱硫精度高，具有较高的选择性，不损失二氧化碳。
三、该气基竖炉还原气制备系统采用吸附精制塔1净化后的焦炉煤气与竖炉6生成的CO2催化转化为富H2、CO的还原气，达到节能减排CO2的效果。
四、该气基竖炉还原气制备系统中设置有热回收装置4和换热器301，对进入还原气转化炉2的工艺气进行预热升温，还原气转化炉2产出的还原气可直接输送至竖炉6中与铁矿石进行还原反应，能耗低，流程简洁。
实施方式二
如图4所示，本发明提供了一种基竖炉还原气制备方法，该基竖炉还原气制备方法包括如下步骤：
步骤S1：初步净化焦炉煤气通过吸附精制塔1，脱除初步净化焦炉煤气内混有的焦油、苯、萘、硫等杂质，以形成原料气。
进一步的，步骤S1中，一部分初步净化焦炉煤气通过吸附精制塔1形成原料气，另一部分初步净化焦炉煤气进入至还原气转化炉2内进行燃烧供热。其中，进入至吸附精制塔1的初步净化焦炉煤气量为48000Nm3/h，进入至还原气转化炉2的初步净化焦炉煤气量为2000Nm3/h。
在本发明的一个可选实施例中，步骤S1中，吸附精制塔1吸附达到预设的饱和度阈值后，抽取工艺气并进行加热升温，通入至吸附精制塔1内进行脱附再生，吸附精制塔1的脱附气进入至还原气转化炉2内进行燃烧供热。
步骤S2：原料气通过还原气转化炉2，原料气在还原气转化炉2内催化剂的作用下，生成还原气。
进一步的，步骤S2中，通过还原气转化炉2的原料气，需要通过加压装置5升压至0.2MPa，且通过热回收装置4预热升温至650℃。
步骤S3：还原气通过竖炉6并与竖炉6内的铁矿石发生还原反应，得到海绵铁和炉顶气。
进一步的，如图5所示，步骤S3包括：
步骤S301：将铁矿石经加工成为球团或块矿，从竖炉6的铁矿石入口603进入至竖炉6内；
步骤S302：还原气在竖炉6内由下至上流动，并与竖炉6内的铁矿石发生还原反应，得到海绵铁和炉顶气。
进一步的，步骤S3中，还原气与铁矿石发生还原反应的温度条件为900℃。
步骤S4：炉顶气从竖炉6内排出，通过炉顶气净化装置3对炉顶气进行脱硫处理，以形成工艺气。
进一步的，如图6所示，步骤S4包括：
步骤S401：炉顶气从竖炉6内排出，并进入至换热器301内与吸附脱硫塔303输出的解吸气进行换热；
步骤S402：换热后的炉顶气进入至洗涤器302中进行冷却除尘，换热器301内换热后的解吸气进入至吸附脱硫塔303进行再生；
步骤S403：冷却除尘后的炉顶气进入至吸附脱硫塔303脱除无机硫和有机硫后，形成工艺气；
步骤S404：吸附脱硫塔303产生的脱附气随一部分工艺气进入还原气转化炉2内燃烧供热；另一部分工艺气进入还原气转化炉2内催化转化为还原气；第三部分工艺气作为吸附脱硫塔303的解吸气进入至换热器301内进行换热。
进一步的，步骤S404中，吸附脱硫塔303产生的部分工艺气作为吸附精制塔1所需的解吸气进入至吸附精制塔1内对吸附精制塔1进行再生。吸附精制塔1进行脱附再生所需解吸气的量为5000Nm3/h，且需通过热回收装置4将吸附精制塔1所需的解吸气加热至280℃。
步骤S5：工艺气分为两部分，一部分工艺气进入至还原气转化炉2内进行燃烧供热，另一部分工艺气与原料气混合后通过还原气转化炉2，工艺气与原料气的混合气体在还原气转化炉2内催化剂的作用下，再次生成还原气。
进一步的，步骤S5中，进入至还原气转化炉2内进行燃烧的部分工艺气，需要通过热回收装置4进行预热升温至300℃。
进一步的，步骤S5中，通过还原气转化炉2进行催化反应的另一部分工艺气与原料气的混合气体，需要通过加压装置5升压至0.2MPa，且通过热回收装置4预热升温至650℃。
进一步的，步骤S5中，还原气的压力为0.08MPa至0.5MPa，还原气的温度为850℃至1100℃，还原气中大于10，还原气中/>大于0.3。
优选的，还原气中为1至3。
进一步的，步骤S5中，进入至还原气转化炉2内进行燃烧的工艺气占总量的10％至50％；进入至还原气转化炉2内进行重整反应的工艺气占总量50％至90％。
进一步的，步骤S5中，进入至还原气转化炉2内进行燃烧的工艺气占总量的30％；进入至还原气转化炉2内进行重整反应的工艺气占总量70％。
步骤S6：还原气再次通过竖炉6并与竖炉6内的铁矿石发生还原反应，得到海绵铁和炉顶气。
进一步的，步骤S6中，还原气与铁矿石发生还原反应的温度条件为900℃。
步骤S7：循环步骤S4至步骤S6，至竖炉6内的铁矿石完全反应生成海绵铁。
本发明的一个具体实施例为：
铁矿石(Fe2O3)经加工成为球团或块矿后，从竖炉6的铁矿石入口603供料，还原气在竖炉6内由下至上逆向流动，在900℃温度条件下与铁矿石发生还原反应，得到海绵铁(Fe)和炉顶气(富H2、CO和CO2气体)。炉顶气从竖炉6的炉顶气出口601排出进入至换热器301内，并在换热器301内与吸附脱硫塔303输出的解吸气(富H2、CO和CO2气体)进行换热，将吸附脱硫塔303输出的解吸气温度升至260℃，对吸附脱硫塔303进行再生。炉顶气在换热器301内换热后进入洗涤器302进行冷却除尘，之后再进入吸附脱硫塔303内对炉顶气内混有的硫化氢和有机硫进行脱除，经过吸附脱硫塔303后输出的工艺气分为两部分，一部分工艺气(占总量的10％至50％，优选30％)经热回收装置4预热至温度达到300℃后，通过还原气转化炉2的燃料气入口203进入至还原气转化炉2内进行燃烧，为还原气转化炉2供热；另一部分工艺气(占总量的50％至90％，优选70％)经加压装置5升压至0.2MPa，并经过热回收装置4后，预热至温度达到650℃，通过还原气转化炉2的原料气入口201进入至还原气转化炉2内的催化剂管205中，工艺气与原料气的混合气体在催化剂管205内催化剂的作用下发生重整反应，将CH4和CO2重整为H2和CO。在还原气转化炉2内，催化剂管205被外部燃烧的高温烟气加热，反应所得还原气温度约为900℃，约为1.5，/>还原气通过还原气入口602输送至竖炉6内，与竖炉6内的铁矿石反应生产海绵铁，温度为500℃的海绵铁从竖炉6下部的海绵铁出口604输出。
其中，吸附脱硫塔303的数量为4个，1个为备用吸附脱硫塔。当吸附脱硫塔303吸附达到预设的饱和度阈值后，抽取3000Nm3/h的工艺气进入至换热器301内升温至260℃，再通入至吸附脱硫塔303内进行脱附再生。吸附脱硫塔303的再生分为升温、保温、冷却三个阶段，再生周期为3天。再生过程中，分子筛材料所吸附的含硫化合物等杂质进入吸附脱硫塔303的脱附气中，吸附脱硫塔303的脱附气与工艺气混合进入还原气转化炉2中进行燃烧处理。
其中，初步净化焦炉煤气为50000Nm3/h，总硫含量为300mg/Nm3，焦油含量为20mg/Nm，苯含量为500mg/Nm3，萘含量为500mg/Nm3，一部分初步净化焦炉煤气(48000Nm3/h)进入吸附精制塔1进行净化，净化后焦炉煤气中硫含量小于1mg/Nm3，苯含量小于1mg/Nm3，萘含量小于1mg/Nm3，另一部分初步净化焦炉煤气(2000Nm3/h)输送至还原气转化炉2内进行燃烧供热。
其中，吸附精制塔1的数量为6个，1个为备用吸附精制塔。当吸附精制塔1吸附达到预设的饱和度阈值后，抽取5000Nm3/h的工艺气并经过热回收装置4升温至280℃，再通入至吸附精制塔1内进行脱附再生。吸附精制塔1的再生分为升温、保温、冷却三个阶段，再生周期为3天。再生过程中，分子筛材料所吸附的硫、苯、萘、焦油等杂质进入吸附精制塔1的脱附气中，吸附精制塔1的脱附气、部分初步净化焦炉煤气和部分工艺气混合进入还原气转化炉2内燃烧提供热量，混合气体中的污染物转化为H2O、CO2和SO2进入烟气中，经净化达标后排放。
本发明的气基竖炉还原气制备方法的特点及优点是：
该气基竖炉还原气制备方法利用吸附净化技术脱除焦炉煤气中的杂质，吸附精制塔1再生后的脱附气以及吸附脱硫塔303再生后的脱附气均送至还原气转化炉2作为燃料进行燃烧供热，经过吸附脱硫塔303的炉顶气(即：工艺气)一部分送至还原气转化炉2作为燃料进行燃烧供热，另一部分与经过吸附精制塔1净化后的焦炉煤气(即：原料气)混合后催化转化为还原气，有效解决了焦炉煤气杂质多、净化复杂的难题，达到具有节能、减排CO2的目的，有利于资源的合理配置以及对环境的保护。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (19)
1.一种气基竖炉还原气制备系统，其特征在于，包括对焦炉煤气进行净化处理的吸附精制塔（1）、将净化后的焦炉煤气转化为还原气的还原气转化炉（2）以及对竖炉（6）排出的炉顶气进行净化处理的炉顶气净化装置（3），其中：
所述吸附精制塔（1）的焦炉煤气进口与焦炉煤气管道连接，所述吸附精制塔（1）的原料气出口与所述还原气转化炉（2）的原料气入口（201）连接，所述吸附精制塔（1）的脱附气出口与所述还原气转化炉（2）的燃料气入口（203）连接，所述还原气转化炉（2）的还原气出口（202）与所述竖炉（6）的还原气入口（602）连接，所述竖炉（6）的炉顶气出口（601）与所述炉顶气净化装置（3）的炉顶气入口连接，所述炉顶气净化装置（3）的工艺气出口分别与所述还原气转化炉（2）的燃料气入口（203）、所述还原气转化炉（2）的原料气入口（201）以及所述吸附精制塔（1）的解吸气入口连接；
所述气基竖炉还原气制备系统还包括对炉顶气净化装置（3）排出的工艺气以及所述吸附精制塔（1）排除的原料气进行预热升温的热回收装置（4），所述炉顶气净化装置（3）的工艺气出口通过所述热回收装置（4）分别与所述还原气转化炉（2）的燃料气入口（203）、所述还原气转化炉（2）的原料气入口（201）以及所述吸附精制塔（1）的解吸气入口连接，所述吸附精制塔（1）的原料气出口通过所述热回收装置（4）与所述还原气转化炉（2）的原料气入口（201）连接；
所述炉顶气净化装置（3）包括换热器（301）、洗涤器（302）和吸附脱硫塔（303），所述换热器（301）的进气口与所述竖炉（6）的炉顶气出口（601）连接，所述换热器（301）的出气口与所述洗涤器（302）的进气口连接，所述洗涤器（302）的出气口与所述吸附脱硫塔（303）的进气口连接，所述吸附脱硫塔（303）的出气口分别与所述还原气转化炉（2）的燃料气入口（203）和所述还原气转化炉（2）的原料气入口（201）连接；
所述吸附脱硫塔（303）的解吸气出口与所述换热器（301）的解吸气入口连接，所述换热器（301）的解吸气出口与吸附脱硫塔（303）的解吸气入口连接；
所述吸附脱硫塔（303）的脱附气出口通过所述热回收装置（4）与所述还原气转化炉（2）的燃料气入口（203）连接。
2.如权利要求1所述的气基竖炉还原气制备系统，其特征在于，所述还原气转化炉（2）的燃料气入口（203）与焦炉煤气管道连接。
3.如权利要求1所述的气基竖炉还原气制备系统，其特征在于，所述吸附精制塔（1）的内部填装有能对焦炉煤气中含有的杂质进行吸附、并在加热后能发生脱附再生的分子筛材料。
4.如权利要求3所述的气基竖炉还原气制备系统，其特征在于，所述吸附精制塔（1）的数量为多个，各所述吸附精制塔（1）中至少一个为备用吸附精制塔。
5.如权利要求1所述的气基竖炉还原气制备系统，其特征在于，所述还原气转化炉（2）的烟气出口与所述热回收装置（4）的烟气进口连接，所述热回收装置（4）的烟气出口直接与外部相连通。
6.如权利要求1所述的气基竖炉还原气制备系统，其特征在于，所述换热器（301）的进气口即为所述炉顶气净化装置（3）的炉顶气入口，所述吸附脱硫塔（303）的出气口即为所述炉顶气净化装置（3）的工艺气出口。
7.如权利要求1所述的气基竖炉还原气制备系统，其特征在于，所述吸附脱硫塔（303）的内部填装有能对炉顶气中含有的有机硫和无机硫进行吸附、并在加热后能发生脱附再生的分子筛材料。
8.如权利要求1所述的气基竖炉还原气制备系统，其特征在于，所述吸附脱硫塔（303）的数量为多个，各所述吸附脱硫塔（303）中至少一个为备用吸附脱硫塔。
9.如权利要求1所述的气基竖炉还原气制备系统，其特征在于，所述炉顶气净化装置（3）的工艺气出口与所述还原气转化炉（2）的原料气入口（201）之间设置有调整输气压力的加压装置（5）。
10.如权利要求1所述的气基竖炉还原气制备系统，其特征在于，所述还原气转化炉（2）的内部设置有将所述吸附精制塔（1）排出的原料气和所述炉顶气净化装置（3）排出的工艺气催化重整为还原铁矿石所需还原气的多根催化剂管（205），各所述催化剂管（205）并联于所述还原气转化炉（2）的原料气入口（201）与所述还原气转化炉（2）的还原气出口（202）之间。
11.如权利要求10所述的气基竖炉还原气制备系统，其特征在于，所述催化剂管（205）内填装有镍系催化剂。
12.如权利要求1所述的气基竖炉还原气制备系统，其特征在于，所述炉顶气出口（601）设置于所述竖炉（6）的顶部，所述竖炉（6）的顶部且位于所述炉顶气出口（601）的上方设置有铁矿石入口（603）；
所述还原气入口（602）设置于所述竖炉（6）的底部，所述竖炉（6）的底部且位于所述还原气入口（602）的下方设置有海绵铁出口（604）。
13.一种气基竖炉还原气制备方法，其特征在于，所述气基竖炉还原气制备方法采用权利要求1至12中任一项所述的气基竖炉还原气制备系统制备气基竖炉还原气，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：初步净化焦炉煤气通过吸附精制塔（1），脱除初步净化焦炉煤气内混有的杂质，以形成原料气；
步骤S2：原料气通过还原气转化炉（2），原料气在所述还原气转化炉（2）内催化剂的作用下，生成还原气；
步骤S3：还原气通过竖炉（6）并与所述竖炉（6）内的铁矿石发生还原反应，得到海绵铁和炉顶气；
步骤S4：炉顶气从所述竖炉（6）内排出，通过炉顶气净化装置（3）对炉顶气进行脱硫处理，以形成工艺气；
步骤S5：工艺气分为两部分，一部分工艺气进入至所述还原气转化炉（2）内进行燃烧供热，另一部分工艺气与原料气混合后通过所述还原气转化炉（2），工艺气与原料气的混合气体在所述还原气转化炉（2）内催化剂的作用下，再次生成还原气；
步骤S6：还原气再次通过所述竖炉（6）并与所述竖炉（6）内的铁矿石发生还原反应，得到海绵铁和炉顶气；
步骤S7：循环步骤S4至步骤S6，至所述竖炉（6）内的铁矿石完全反应生成海绵铁。
14.如权利要求13所述的气基竖炉还原气制备方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S301：将铁矿石经加工成为球团或块矿，从所述竖炉（6）的铁矿石入口（603）进入至竖炉（6）内；
步骤S302：还原气在所述竖炉（6）内由下至上流动，并与所述竖炉（6）内的铁矿石发生还原反应，得到海绵铁和炉顶气。
15.如权利要求13所述的气基竖炉还原气制备方法，其特征在于，所述步骤S2中通过所述还原气转化炉（2）的原料气、步骤S5中进入至所述还原气转化炉（2）内进行燃烧的部分工艺气以及步骤S5中通过所述还原气转化炉（2）进行催化反应的另一部分工艺气与原料气的混合气体，均需要通过热回收装置（4）进行预热升温。
16.如权利要求13所述的气基竖炉还原气制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，一部分所述初步净化焦炉煤气通过吸附精制塔（1）形成原料气，另一部分所述初步净化焦炉煤气进入至所述还原气转化炉（2）内进行燃烧供热。
17.如权利要求13所述的气基竖炉还原气制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述吸附精制塔（1）吸附达到预设的饱和度阈值后，抽取工艺气并进行加热升温，通入至所述吸附精制塔（1）内进行脱附再生，所述吸附精制塔（1）产生的脱附气进入至所述还原气转化炉（2）内进行燃烧供热。
18.如权利要求17所述的气基竖炉还原气制备方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
步骤S401：炉顶气从所述竖炉（6）内排出，并进入至换热器（301）内与吸附脱硫塔（303）输出的解吸气进行换热；
步骤S402：换热后的炉顶气进入至洗涤器（302）中进行冷却除尘，所述换热器（301）内换热后的解吸气进入至所述吸附脱硫塔（303）进行再生；
步骤S403：冷却除尘后的炉顶气进入至所述吸附脱硫塔（303）脱除无机硫和有机硫后，形成工艺气；
步骤S404：所述吸附脱硫塔（303）产生的脱附气随一部分工艺气进入所述还原气转化炉（2）内燃烧供热；另一部分工艺气进入所述还原气转化炉（2）内催化转化为还原气；第三部分工艺气作为所述吸附脱硫塔（303）的解吸气进入至所述换热器（301）内进行换热。
19.如权利要求18所述的气基竖炉还原气制备方法，其特征在于，所述步骤S404中，所述吸附脱硫塔（303）产生的部分工艺气作为所述吸附精制塔（1）的解吸气升温后进入至所述吸附精制塔（1）内对所述吸附精制塔（1）进行再生。
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