CN114574649A - 一种利用焦炉煤气生产氢基还原铁的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢铁冶金领域，涉及一种利用焦炉煤气生产氢基还原铁的方法。该方法将焦炉煤气经净化后进行加热，再与氧气在进行低压转化反应，生产富氢原料气进入高温混合器；氢基竖炉生产的炉顶气经预处理、压缩后部分作为蓄热式加热炉的燃料，大部分在蓄热式加热炉换热后进入CO2氧化炉进行处置，富氢原料气后经脱碳处置后与富氢原料气经高温混合配比，得到合格的还原气供氢基竖炉使用。本发明的方法制备得到符合氢基还原铁需要的还原气，方法过程简单方便，资源利用率高，满足氢基还原铁完全符合将焦炉煤气（COG）在钢铁冶金领域中高效利用途径的需求，为钢铁冶金领域“低碳”发展和“氢冶金”提供一种切实可行的方法和思路。

Description

一种利用焦炉煤气生产氢基还原铁的方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域，涉及一种利用焦炉煤气生产氢基还原铁的方法。
背景技术
氢能作为新兴的战略能源，具有零污染、零排放的优势，是21世纪最具发展潜力的清洁能源；在全球低碳经济发展和“脱碳”大潮的背景下，以减少碳足迹、降低碳排放为中心的冶金工艺技术变革，是钢铁行业绿色发展的新趋势；以“氢”代替“碳”是当前低碳发展、能源变革的重要方向，也被认为是钢铁行业绿色化的主要抓手。
但限制氢冶金发展的主要条件是氢气来源；采用合适的氢源并提供满足氢基竖炉生产需求的还原气的制备已成为氢冶金飞速发展的制约性环节。传统的还原气制备方法包括：
（1）天然气转化（H2O+CO2）工艺：由于天然气资源的匮乏，无法进行大规模的工业生产；
（2）焦炉煤气（COG）二氧化碳重整工艺：包括了焦炉煤气的干重整工艺、焦炉煤气部分氧化工艺、焦炉煤气蒸汽转化工艺等；由于受到工程技术的限制以及氢基竖炉冶金生产工序要求（炉顶气循环使用）、成本的控制需求和能耗要求等因素，无法进行大规模的工业生产。
发明内容
本发明公开了一种利用焦炉煤气生产氢基还原铁的方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种利用焦炉煤气生产氢基还原铁的方法，该方法具体包括以下步骤：
焦炉煤气（COG）经预处理的压力0.5-0.8MPa（若压力低则增压、压力高则泄压），预处理后的气体达到要求（H2S≤10mg/Nm3）；氧气为纯氧（O2 99.9%）；氧气和焦炉煤气的CH4摩尔比为（1~1.15）；进入低压非催化转化炉的焦炉煤气需经过蓄热式加热炉预热（预热温度220℃）；反应装置为低压非催化转化炉，采用反应自供热；生产得到第一富氢气体，温度1200-1400℃、H2+CO≥84%。
热炉顶气通过预处理、压缩后经过蓄热式加热炉预热（预热温度260-300℃）经精脱硫后（总硫量≤0.5mg/Nm3）进入CO2氧化炉内；炉内装填特殊的催化剂能有效利用CO2氧化H2的反应降低炉顶气的H2（H2%）和CO2（CO2%）含量（利用炉顶气中CO2经过催化剂作用下，还原炉顶气中的H2，以调节炉顶气中H2和CO2比例），炉顶气中CO2利用率≥50%；经处置后得到二富氢气体经过蓄热式加热炉加热后（加热温度450-500℃）进入高温混合器；
第一富氢气体和第二富氢气体进入高温混合器后进行合适的配比混合后形成满足氢基竖炉需求的还原气中各种气体的所占体积：H2+CO≥88%，H2与CO的体积比为1.5-2.5：1；压力0.15-0.3MPa可调；氧化性气氛（H2O+CO2≤8%）；温度850-950℃。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的一种焦炉煤气（COG）低压非催化转化耦合CO2氧化工艺制备直接还原铁还原气的方法是将焦炉煤气（COG）低压非催化转化和炉顶气的CO2氧化工艺进行耦合；从而调整了还原气的相关要求（成分、压力、温度）；生产的还原气完全满足氢基竖炉生产的需求。
本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明生产的还原气能满足氢基竖炉原料气的要求；本发明具有工序简单、成本低、能耗低、CO2排放低等优点的方法。
附图说明
图1为本发明一种利用焦炉煤气制备直接还原铁还原气的方法的流程框图。
图2为采用本发明的方法的实施例的流程图。
图3为本发明的高温混合器的示意流程图。
图中：
1. 第一富氢气体、2. 第二富氢气体、3.高温混合器、4.蒸汽盘管，5.废热锅炉、6.蓄热式加热炉、7.氢基竖炉、8.非催化转化炉、9氧化团球、10.还原铁、11.炉顶气。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示，本发明一种利用焦炉煤气生产氢基还原铁的方法，所述方法具体包括以下步骤：
S1）先将焦炉煤气进行预处理，对预处理后的焦炉煤气进行预热，再与氧气混合后进行低压非催化转化反应，得到第一富氢气体1；
S2）将以炉顶气为原料气进行预处理，对预处理后的原料气进行预热，再进行脱氢和脱碳处理，得到第二富氢气体2；
S3）将S1）得到第一富氢气体1与S2）得到第二富氢气体2进行高温混合，将混合后的还原气再导入到氢基竖炉7中进行还原铁生产。
所述方法还包括S4）将所述S3）的氢基竖炉7产生的炉顶气11分别返回到S1）或S2)中作为预热时的燃料气，以及S2）的原料气。
所述S1）的具体步骤为：
S1.1）先对焦炉煤气进行增加或泄压处理，使焦炉煤气的压力为0.5-0.8MPa，再采用热交换的方式进行预热；
S1.2）S1.2）将氧气与预热后的焦炉煤气按照氧气和焦炉煤气中的CH4的摩尔比为1.15：1混合均匀，在温度1200-1400℃，压力为0.5-0.8MPa，进行转化反应，即得到的第一富氢气体1；所述第一富氢气体1中H2和CO的之间体积比为2.4：1，H2和CO所占的体积百分数为≥84%、H2O和CO2所占的体积百分数为≥13%，其余为不可避免杂质。
所述的氧气纯度为99.9%；焦炉煤气中H2S≤10mg/Nm3 ，预热温度为200-220℃。
所述S2）的具体步骤为：
S2.1）将炉顶气经预处理后进行压缩至0.3-0.5MPa，再采用热交换的方式预热至不低于220℃；
S2.2)将预热后的炉顶气先进行精脱硫，再进行脱氢、最后脱碳，得到第二富氢气体，所述第二富氢气体中的H2和CO之间的体积比为≤1.2，H2和CO所占的总的体积百分数为≥94%、H2O和CO2所占的总的体积百分数为≤3%。
所述S2.2）中的脱氢的具体工艺为：
S2.21）将炉顶气加热至260-320℃，
S2.22）向加热后的炉顶气以空速≥5000h-1通过催化剂，完成脱氢，脱氢后的所述炉顶气中CO2含量不高于9%，H2含量不高于36%。
所述催化剂为含镍不大于0.2wt%的碱性基材催化剂。
所述S3）的具体步骤为：
S3.1）将第二富氢气体进行预热至450-500℃，导入高温混合炉中；
S3.2）再将第一富氢气体导入高温混合炉中，第一富氢气体和第二富氢气体的体积比为0.8：1.1，加热至850-930℃后进行混合，得到还原气；
S3.3）将还原气导入到氢基竖炉中进行还原铁生产。
所述还原气中的H2和CO的所占总的体积百分数为≥88%、H2O和CO2总的体积百分数为≤8%，H2和CO之间的体积比为 1.5~2.5。
一种还原铁，所述还原铁采用上述的方法还原得到。
如图2所示，本发明的焦炉煤气（COG）低压非催化转化耦合CO2氧化工艺制备直接还原铁还原气的方法，其较佳的具体实施方式如图2所示，其实施步骤如下：
首先，焦炉煤气的预处理工序：将焦炉煤气以流量为25000Nm3/h导入，根据焦炉煤气（COG）的特性进行净化预处理，处置后的压力为0.65MPa，杂质成分（H2S≤10mg/Nm3）；然后进入蓄热式加热炉6进行加热升温至220℃；
低压非催化转化工序：净化后的焦炉煤气（COG）和氧气（O2 99.9%）流量为5750Nm3/h通过非催化转化炉8的烧嘴喷入非催化转化炉8内进行转化反应；O2和焦炉煤气中的CH4的摩尔比为1.15：1，转化反应为：CH4+1/2O2→CO+2H2；经反应后的第一富氢气体1，工艺参数：转化温度为1300℃、第一富氢气体中的H2：CO为2.4：1、H2+CO=84%、H2O+CO2=13%；流量为38000Nm3/h，
氢基竖炉7生产的炉顶气11预处理工序：由于炉顶气11为氢基竖炉7生产后的气体，压力50kPa并且含有CO2、H2、CO、H2O等成分，具有一定的温度至400℃，气体中含有大量粉尘颗粒物（5~15g/Nm3）；炉顶气经预处后的气体参数为：压力0.35MPa、经处置后少部分作为蓄热式加热炉6的燃料气；大部分作为循环气使用；
CO2氧化转化、脱碳工序：预处理后炉顶气经蓄热式加热炉6预热后（预热温度280℃）经精脱硫后，炉顶气中（H2:45%、CO25%、CO218%，总硫量≤0.5mg/Nm3）进入CO2氧化转化进行转化反应；转化反应的主要反应为：
H2+CO2⇌CO+H2O（正反应）；
本反应有效的降低炉顶气11的H2（H2%）和CO2（CO2%）含量，使炉顶气中CO2利用率≥50%；在经脱碳反应脱除多余的CO2，并经蓄热式加热炉6加热后的第二富氢气体2的成分为：预热至470℃、H2和CO的体积比为≤1.2、H2和CO体积百分数为≥94%、H2O+CO2体积百分数为≤3%；流量为42000Nm3/h，
蓄热式转化炉6分为燃烧室、预热室；燃烧室主要采用炉顶气作为燃料；预热室分别预热第二富氢气体1、炉顶气11和焦炉煤气；采用蓄热式燃烧方式，最终排烟温度≤120℃。
高温混合器3：生产的第一富氢气体1和第二富氢气体2在高温混合器3内按照比例进行配比；由混合器顶部排出合格的还原气，还原气的参数：900℃、H2和CO的体积百分数≥88%、H2O+CO2的体积百分数≤8%、H2与CO的体积比为1.5~2.5；将还原气导入到氢基竖炉7中，配合氧化团球9进行还原铁生产，得到还原铁10。
另混合器系统配置了冷却系统，能在紧急情况下将富氢气体和还原气进行冷却后排入火炬系统；保证了生产的正常运行，详见图3。
以上对本申请实施例所提供的一种利用焦炉煤气生产氢基还原铁的方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用焦炉煤气生产氢基还原铁的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
S1）先将焦炉煤气进行预处理，对预处理后的焦炉煤气进行预热，再与氧气混合后进行低压非催化转化反应，得到第一富氢气体；
S2）将以炉顶气为原料气进行预处理，对预处理后的原料气进行预热，再进行脱氢和脱碳处理，得到第二富氢气体；
S3）将S1）得到第一富氢气体与S2）得到第二富氢气体进行高温混合，将混合后的还原气再导入到氢基竖炉中进行还原铁生产。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括S4）：将所述S3）的氢基竖炉产生的炉顶气分别返回到S1）或S2)中作为预热时的燃料气，以及S2）的原料气。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1）的具体步骤为：
S1.1）先对焦炉煤气进行增加或泄压处理，使焦炉煤气的压力为0.5-0.8MPa，再采用热交换的方式进行预热；
S1.2）将氧气与预热后的焦炉煤气按照氧气和焦炉煤气中的CH4的摩尔比为1.15：1混合均匀，在温度1200-1400℃，压力为0.5-0.8MPa，进行转化反应，即得到的第一富氢气体；所述第一富氢气体中H2和CO的之间体积比为2.4：1，H2和CO所占的体积百分数为≥84%、H2O和CO2所占的体积百分数为≥13%，其余为不可避免杂质。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的氧气纯度为99.9%；焦炉煤气中H2S≤10mg/Nm3 ，预热温度为200-220℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2）的具体步骤为：
S2.1）将炉顶气经预处理后进行压缩至0.3-0.5MPa，再采用热交换的方式预热至不低于220℃；
S2.2)将预热后的炉顶气先进行精脱硫，再进行脱氢、最后脱碳，得到第二富氢气体，所述第二富氢气体中的H2和CO之间的体积比为≤1.2，H2和CO所占的总的体积百分数为≥94%、H2O和CO2所占的总的体积百分数为≤3%。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S2.2）中的脱氢的具体工艺为：
S2.21）将炉顶气加热至260-320℃，
S2.22）向加热后的炉顶气以空速≥5000h-1通过催化剂，完成脱氢，脱氢后的所述炉顶气中CO2含量不高于9%，H2含量不高于36%。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述催化剂为含镍不大于0.2wt%的碱性基材催化剂。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3）的具体步骤为：
S3.1）将第二富氢气体进行预热至450-500℃，导入高温混合炉中；
S3.2）再将第一富氢气体导入高温混合炉中，第一富氢气体和第二富氢气体的体积比为0.8：1.1，加热至850-930℃后进行混合，得到还原气；
S3.3）将还原气导入到氢基竖炉中进行还原铁生产。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述还原气中的H2和CO的所占总的体积百分数为≥88%、H2O和CO2总的体积百分数为≤8%，H2和CO之间的体积比为 1.5~2.5。
10.一种还原铁，其特征在于，所述还原铁采用如权利要求1-9任意一项所述的方法还原得到。
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