CN114752719B - 一种基于富氢冶金气体的预处理工艺 - Google Patents

一种基于富氢冶金气体的预处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于富氢冶金气体的预处理工艺，包括以下设备和工艺。设备：包括依次连接的除油单元、一级加压单元、脱萘单元、二级加压单元、再生加热单元、再生冷却单元和油气分离单元；原料气通入除油单元进行除油、粗脱萘，然后经一级加压单元加压后送入脱萘单元进行精脱萘，最后将精脱萘后的原料气经二级加压单元加压后送入高炉煤气喷吹管网；采用该工艺不仅可以加快铁矿石的还原速度，提高生产效率，还从根本上降低了高炉焦炭消耗，减少了污染物和CO2排放，推动了我国高炉炼铁技术的进步，实现低碳冶金。

Description

一种基于富氢冶金气体的预处理工艺
技术领域
本发明涉及氢冶金技术领域，特别是涉及一种基于富氢冶金气体的预处理工艺。
背景技术
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，业已成为钢铁行业绿色发展的新趋势。我国钢铁行业碳排放量占全球钢铁碳排放总量的60%以上，占全国碳排放总量的15%左右，是31个制造业门类中碳排放量最大的行业。绿色低碳技术创新是“双碳目标”的必由之路。从新冶炼技术看，全球探索最多的是氢基炼铁工艺，即用氢替代传统煤焦作为还原剂来置换铁矿石中的铁元素，实现冶炼过程的完全零排放。
高炉喷吹富氢气体技术（尤其是喷吹焦炉煤气等），不但可以加快铁矿石的还原速度，提高生产效率，而且从根本上降低高炉焦炭消耗，减少污染物和CO2排放，推动我国高炉炼铁技术进步，实现低碳冶金。鉴于此，国内很多科研机构都对此开展了大量研究。
上世纪60年代，本钢第一炼铁厂在332m3高炉进行焦炉煤气的喷吹试验。喷吹量从12 m3/min逐渐增加到约33 m3/min，产量提高10.8%、焦比降低3%～10%。
1964年12月，鞍钢炼铁厂改造了旧设备，开始在9高炉喷吹煤气，实践表明，每喷入1m3/thm焦炉煤气可以节约焦炭0.6~0.7kg/thm。
此后，国内研究主要集中于理论分析，直到近些年，在“双碳”挑战的背景下，国内外又开始关注高炉喷吹焦炉煤气的研究和喷吹实践。
济钢于2009年到2011年期间，在其4号高炉上先后进行了4次工业试验，实践证明：喷吹量在62.51m3/t时，降低焦比5.28kg/t，降低煤比40.63kg/t，吨铁成本降低10.42元，CO2减排75kg/t。邢钢2017年使用自产焦炉煤气进行喷吹，在吨铁喷吹350m3的情况下，实现了焦炉煤气的高效利用，焦炭消耗降低40%以上，CO2排放减少30~50%。
鞍钢公司鲅鱼圈钢铁分公司从2012年7月在1号高炉(4038 m3)开始喷吹焦炉煤气试运行，试验初期使用8根喷枪，高炉的入炉燃料比降低18kg/t。海城钢铁有限公司于2013年5月在高炉喷煤系统增加喷吹焦炉煤气工业化试验，据报道，在降低焦比、节约煤比和增加生铁产量等方面也产生了直接的经济效益。
截止目前，上述冶金企业的焦炉煤气喷吹试验，虽然在喷吹效果上取得了一些有益数据，但没有一座高炉能够实现连续喷吹，即都是仅仅做了几天的喷吹试验就草草收场。即便是2021年4月14日开始试验的晋南钢铁，也仅仅连续喷吹了两周时间。究其原因是焦炉煤气预处理技术不过关，致使压缩机和喷枪等关键系统堵塞，无法实现连续化、工业化应用。
因此，提供一种解决上述问题的技术方案是本领域技术人员目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明目的是提供一种基于富氢冶金气体的预处理工艺，以焦炉煤气为重点，在系统研究其结焦和成分晶体析出致使关键环节堵塞机理的基础上，将作为原料气的焦炉煤气经过净化、加压等特殊预处理，使富氢气体的洁净度和压力达到输送和喷吹要求，然后喷入高炉，实现连续化喷吹和工业化应用。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于富氢冶金气体的预处理工艺，由以下设备和工艺完成：
设备：包括依次连接的除油单元、一级加压单元、脱萘单元、二级加压单元、再生加热单元、再生冷却单元和油气分离单元；
所述除油单元包括若干并联的除油塔以及设置在除油塔前端的第一程控阀和设置在除油塔后端的第二程控阀，所述除油塔内填充有焦炭作为吸附剂进行除油粗脱萘；
所述一级加压单元包括第一压缩机，以及在第一压缩机前端设置的第一截止阀；
所述脱萘单元包括若干并联的脱萘塔以及设置在脱萘塔前端的第三程控阀和设置在脱萘塔后端的第四程控阀，所述脱萘塔内填充有氧化铝、活性炭中的至少一种作为吸附剂，以进行精脱萘；
所述二级加压单元包括第二压缩机，以及在第二压缩机前端设置的第二截止阀；
所述再生加热单元包括为脱萘塔进行加热脱附的第一再生气加热器和为除油塔进行加热脱附的第二再生加热器；
所述再生冷却单元包括为脱萘塔内脱附气进行冷却的第一再生气冷却器和为除油塔内脱附气进行冷却的第二再生气冷却器；
所述油气分离单元包括与第一再生气冷却器相连的第一分液罐以及与第二再生气冷却器相连的第二分液罐；
工艺：包括以下步骤，
（1）将原料气通入除油单元进行除油、粗脱萘，控制终点焦油含量在5mg/m3以下，萘含量在50mg/m3以下；
（2）将经除油单元处理过的原料气再经第一压缩机加压至0.30MPa以上，完成一级加压；
（3）将一级加压后的原料气通入脱萘单元进行精脱萘，控制终点萘含量在5mg/m3以下；
（4）将经脱萘单元处理过的原料气再经第二压缩机加压至0.80MPa以上，送入高炉冶金气体喷吹系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
该工艺不仅可以加快铁矿石的还原速度，提高生产效率，还从根本上降低了高炉焦炭消耗，减少了污染物和CO2排放，推动了我国高炉炼铁技术的进步，实现了低碳冶金。同时也构建了一种新的节焦节能、高效、清洁高炉炼铁工艺，使焦化厂和钢铁厂同时获得较大的经济效益，为我国联合钢铁企业焦炉煤气的高效利用和“双碳”推进起到了示范作用。经实际应用发现，采用该工艺进行高炉炼铁吨铁燃料比可以降低10~15kg，铁水产量可以提高2~3%，吨铁生产成本可以降低15~20元，具有较好的经济、社会和环境效益。
附图说明
图1为本发明系统结构图；
图2为本发明工艺流程图；
图中，1-除油塔、2-脱萘塔、3-第一压缩机、4-第二压缩机、5-第一分液罐、6-第二分液罐、7-集液罐、8-抽油泵、9-第一再生气加热器、10-第一再生气冷却器、11-第二再生气加热器、12-第二再生气冷却器、13-第一程控阀、14-第二程控阀、15-第一截止阀、16-第三程控阀、17-第四程控阀、18-第二截止阀、19-第三截止阀、20-第四截止阀、21-第五截止阀、22-第五程控阀、23-第六程控阀、24-第七程控阀、25-第八程控阀、26-第九程控阀、27-第十程控阀、28-第十一程控阀、29-第十二程控阀、30-第十三程控阀、31-第十四程控阀、32-第十五程控阀、33-第十六程控阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明富氢冶金气体的预处理工艺做进一步解释说明。
一种基于富氢冶金气体的预处理工艺，由以下设备和工艺组成：
一、设备
如图1所示，包括依次连接的除油单元、一级加压单元、脱萘单元、二级加压单元、再生加热单元、再生冷却单元和油气分离单元；
除油单元包括并联的三个除油塔1，以及在每个除油塔1前端设置的第一程控阀13和在每个除油塔1后端设置的第二程控阀14，除油塔1内填充有焦炭作为吸附剂进行除油粗脱萘；
一级加压单元包括第一压缩机3，以及在第一压缩机3前端设置的第一截止阀15；其目的是用于给除油粗脱萘后的焦炉煤气加压，以便气体能顺利进入后续单元进一步净化处理；
脱萘单元包括三个并联的脱萘塔2以及设置在脱萘塔2前端的第三程控阀16和设置在脱萘塔2后端的第四程控阀17，脱萘塔2内填充有氧化铝、活性炭中的至少一种作为吸附剂，以进行精脱萘；
二级加压单元包括第二压缩机4，以及在第二压缩机4前端设置的第二截止阀18；其目的是将经脱萘塔精脱萘处理后的焦炉煤气加压后输送至高炉煤气喷吹系统；
再生加热单元包括为脱萘塔2进行加热脱附的第一再生气加热器9和为除油塔1进行加热脱附的第二再生加热器11；第一再生气加热器9前端依次通过第五截止阀21、第五程控阀22与产品气输出管道相连接，第一再生气加热器9后端通过第六程控阀23与脱萘塔2相连接，第一再生气加热器9旁侧还并联有第一吹扫管道，该第一吹扫管道上设置有第九程控阀26，且第九程控阀26前后两端分别与第五截止阀21和第六程控阀23相连接；第二再生气加热器11前端通过第七程控阀24与第一分液罐5连接，第二再生气加热器11后端通过第八程控阀25与除油塔1相连接，第二再生气加热器11旁侧并联有第二吹扫管道，该第二吹扫管道上设置有第十程控阀27，且第十程控阀27前后两端分别与第一分液罐5和第八程控阀25相连接。
再生冷却单元为脱萘塔2内脱附气进行冷却的第一再生气冷却器10和为除油塔1内脱附气进行冷却的第二再生气冷却器12；第一再生气冷却器10前端依次通过第十一程控阀28、第十二程控阀29与脱萘塔2连接，第一再生气冷却器10后端与第一分液罐5连接，第一再生气冷却器10旁侧还并联有第三吹扫管道，该第三吹扫管道上设置有第十五程控阀32；第二再生气冷却器12前端依次通过第十三程控阀30和第十四程控阀31与除油塔1连接，第二再生气冷却器12后端与第二分液罐6连接，第二再生气冷却器12旁侧并联有第四吹扫管道，该第四吹扫管道上设置有第十六程控阀33。
油气分离单元包括与第一再生气冷却器10相连的第一分液罐5和与第二再生气冷却器12相连的第二分液罐6，第一分液罐5底部设置有第三截止阀19，并通过第三截止阀19与集液罐7连接；第二分液罐6底部设置有第四截止阀20，并通过第四截止阀20与集液罐7连接。集液罐7上还连接有抽油泵8，用于将集油罐7中液态焦油抽出。
设备的工作过程如下：
1、吸附净化阶段
如图2所示，原料气进入除油单元（除油单元中三台除油塔1的工作模式为两台吸附一台再生，即开二备一），打开对应除油塔1前后两端第一程控阀13和第二程控阀14，原料气进入除油塔1进行吸附除油和粗脱萘；打开第一截止阀15，粗脱萘处理后的原料气进入第一压缩机加压后输送到脱萘单元，同时经除油塔粗脱萘处理后的原料气可避免第一压缩机管路堵塞，提高压缩机的使用寿命；脱萘单元中的三台脱萘塔2的工作模式与除油塔1的工作模式相同，打开对应脱萘塔2前后两端的第三程控阀16和第四程控阀17，原料气进入脱萘塔1内部进行精脱萘；打开第二截止阀18，精脱萘后的原料气进入第二压缩机4，经第二压缩机4加压后进入高炉煤气喷吹管路作为产品气使用。同时为保证系统内气体流量稳定，减小压力波动，可在系统入口（除油单元进气端）和系统出口（第二压缩机出气端）均设置缓冲罐，缓冲罐的容积取第一压缩机和第二压缩机每分钟流量的10%。
2、脱附再生阶段
打开第五截止阀21、第五程控阀22，截取一部分净化处理后产品气作脱附气进入第一再生气加热器9进行加热，关闭对应脱萘塔2前后两端的第三程控阀16和第四程控阀17、打开第六程控阀23、第十一程控阀28，高温脱附气进入脱萘塔2内部进行高温脱附，高温脱附气携带脱萘塔2内的多环芳烃类杂质蒸汽进入第一再生气冷却器10进行冷却降温，多环芳烃类杂质重新被液化流入第一分液罐5，剩余的低温脱附气从第一分液罐5顶部逸出进入除油塔1脱附环节；打开第七程控阀24，脱附气进入第二再生气加热器11进行加热升温，关闭对应除油塔1前后两端的第一程控阀13和第二程控阀14并打开第八程控阀25和第十三程控阀30，高温脱附气进入除油塔1内部进行高温脱附，接着打开第十四程控阀31，携带除油塔1内部多环芳烃类杂质的高温脱附气进入第二再生气冷却器12进行冷却降温，多环芳烃内杂质被重新液化进入第二分液罐6，含有少量多环芳烃杂质的低温脱附气作为解析气返焦炉煤气管网回收再利用。
经高温脱附处理后的除油塔1和脱萘塔2内部的吸附床层还处于高温状态，无法立刻投入使用。为缩短等待周期，提高工作效率，打开第一吹扫管道上的第九程控阀26、第二吹扫管道上的第十程控阀27、第三吹扫管道上的第十五程控阀32以及第四吹扫管道上的第十六程控阀33，关闭第五程控阀22、第七程控阀24、第十二程控阀29以及第十四程控阀31，净化气依次进入待降温脱萘塔2和除油塔1，最终经解析气管道排出进入焦炉煤气管网回收。若在脱附处理阶段，内部脱附气温度过高和压力过低，也可利用上述吹扫管道进行降温补压。第一分液罐5和第二分液罐6内的焦油等多环芳烃杂质可打开底部相应的第三截止阀19和第四截止阀20，排入集液罐7，经抽油泵8抽出后外运化产处理。
上述工作过程中，吸附净化和脱附再生是一个连贯过程，除油单元和脱萘单元中始终有除油塔1和脱萘塔2在工作，不存在停顿；并且为保证气路畅通，处于相应工作阶段的管路上的所有阀门均处于打开状态，本文为方便描述将其按步骤或流程打开，不应理解为对本发明使用方式的限定。
除油塔1和脱萘塔2采用现有技术中的常规吸附塔，第一压缩机3和第二压缩机4采用螺杆式压缩机或往复式压缩机。第一再生气加热器9和第二再生气加热器11采用本领域常规电加热式换热器，第一再生气冷却器10和第二再生气冷却器12采用液冷式或空冷式冷却器；其他未尽描述之处，均采用现有技术中实现相同功能的类似物或等同物。
二、工艺
采用的原料气为焦炉煤气，其成分见表1和2。
表1 原料气主要成分
Figure DEST_PATH_IMAGE001
表2 原料气中杂质含量
Figure 228329DEST_PATH_IMAGE002
注：1.原料气量压力：6~9Kpa。
2.原料气温度：-10~40℃，冬天最低温度-10℃，夏天最高温度40℃。
具体处理步骤如下：
（1）将原料气通入除油单元进行除油、粗脱萘，控制终点焦油含量在5mg/m3以下，萘含量在50mg/m3以下；该除油单元吸附塔中装填的焦炭等吸附剂，可将原料气中绝大部分的焦油阻挡在吸附剂表面，不但可以有效控制出口焦油含量、降低萘对压缩机换热器的堵塞，而且可以延长后续单元吸附剂的使用寿命。
（2）将经除油单元处理过的原料气再经第一压缩机3加压至0.30MPa以上，完成一级加压。在工业加压过程中，随着压力提高和温度降低，很容易出现萘结晶析出，出现堵塞管道尤其是压缩机腔道堵塞，致使设备故障率大幅增加甚至无法工作。因此，基于上一道工序开展的除油和粗脱萘的条件，将一级压缩压力设定在0.30Mpa以上，确保萘在该条件下不结晶，降低压缩机故障率，保证运行顺畅。
（3）将一级加压后的原料气通入脱萘单元进行精脱萘，控制终点萘含量在5mg/m3以下；脱萘单元吸附塔中装填的氧化铝、活性炭等专用吸附剂，可以保证出口萘的含量。
（4）将经脱萘单元处理过的原料气再经第二压缩机4加压至0.80MPa以上，送入高炉冶金气体喷吹系统。因在高炉冶炼过程中，高炉内压一般在0.4~0.6MPa，考虑到炉内压力以及管损，为保证冶金气体能顺利进入高炉，将产品气压力加压至0.8MPa。
本发明不仅可以加快铁矿石的还原速度，提高生产效率，还从根本上降低了高炉焦炭消耗，减少了污染物和CO2排放，推动了我国高炉炼铁技术进步，实现低碳冶金。采用本发明预处理后的焦炉煤气进行高炉喷吹，吨铁燃料比可以降低10~15kg，铁水产量可以提高2~3%，吨铁生产成本可以降低15~20元，具有较好的经济、社会和环境效益。
本发明是对焦炉煤气作为富氢冶金气体的原料气进行预处理。如果存在富含氢气的其它化工气体，比如天然气、页岩气、氢气等资源气的净化预处理，也可按该方法处理。

Claims (9)

1.一种基于富氢冶金气体的预处理工艺，由以下设备和工艺完成：
设备：包括依次连接的除油单元、一级加压单元、脱萘单元、二级加压单元、再生加热单元、再生冷却单元和油气分离单元；
所述除油单元包括若干并联的除油塔（1）以及设置在除油塔（1）前端的第一程控阀（13）和设置在除油塔（1）后端的第二程控阀（14），所述除油塔（1）内填充有焦炭作为吸附剂进行除油粗脱萘；
所述一级加压单元包括第一压缩机（3），以及在第一压缩机（3）前端设置的第一截止阀（15）；
所述脱萘单元包括若干并联的脱萘塔（2）以及设置在脱萘塔（2）前端的第三程控阀（16）和设置在脱萘塔（2）后端的第四程控阀（17），所述脱萘塔（2）内填充有氧化铝、活性炭中的至少一种作为吸附剂，以进行精脱萘；
所述二级加压单元包括第二压缩机（4），以及在第二压缩机（4）前端设置的第二截止阀（18）；
所述再生加热单元包括为脱萘塔（2）进行加热脱附的第一再生气加热器（9）和为除油塔（1）进行加热脱附的第二再生气加热器（11）；
所述再生冷却单元包括为脱萘塔（2）内脱附气进行冷却的第一再生气冷却器（10）和为除油塔（1）内脱附气进行冷却的第二再生气冷却器（12）；
所述油气分离单元包括与第一再生气冷却器（10）相连的第一分液罐（5）以及与第二再生气冷却器（12）相连的第二分液罐（6）；
工艺：包括以下步骤，
（1）将原料气通入除油单元进行除油、粗脱萘，控制终点焦油含量在5mg/m3以下，萘含量在50mg/m3以下；
（2）将经除油单元处理过的原料气再经第一压缩机加压至0.30MPa以上，完成一级加压；
（3）将一级加压后的原料气通入脱萘单元进行精脱萘，控制终点萘含量在5mg/m3以下；
（4）将经脱萘单元处理过的原料气再经第二压缩机加压至0.80MPa以上，送入高炉冶金气体喷吹系统。
2.根据权利要求1所述一种基于富氢冶金气体的预处理工艺，其特征在于：所述设备还包括集液罐（7）以及与集液罐（7）相连的抽油泵（8），所述集液罐（7）通过设置在第一分液罐（5）底部的第三截止阀（19）与第一分液罐（5）连接，所述集液罐（7）还通过设置在第二分液罐（6）底部的第四截止阀（20）与第二分液罐（6）连接。
3.根据权利要求1所述一种基于富氢冶金气体的预处理工艺，其特征在于：所述设备中，第一再生气加热器（9）前端依次通过第五截止阀（21）、第五程控阀（22）与产品气输出管道相连接，第一再生气加热器（9）后端通过第六程控阀（23）与脱萘塔（2）相连接；第二再生气加热器（11）前端通过第七程控阀（24）与第一分液罐（5）连接，第二再生气加热器（11）后端通过第八程控阀（25）与除油塔（1）相连接。
4.根据权利要求3所述一种基于富氢冶金气体的预处理工艺，其特征在于：所述设备中，第一再生气加热器（9）旁侧并联有第一吹扫管道，该第一吹扫管道上设置有第九程控阀（26）；第二再生气加热器（11）旁侧并联有第二吹扫管道，该第二吹扫管道上设置有第十程控阀（27）。
5.根据权利要求1所述一种基于富氢冶金气体的预处理工艺，其特征在于：所述设备中，第一再生气冷却器（10）前端依次通过第十一程控阀（28）、第十二程控阀（29）与脱萘塔（2）连接，第一再生气冷却器（10）后端与第一分液罐（5）连接；第二再生气冷却器（12）前端依次通过第十三程控阀（30）和第十四程控阀（31）与除油塔（1）连接，第二再生气冷却器（12）后端与第二分液罐（6）连接。
6.根据权利要求5所述一种基于富氢冶金气体的预处理工艺，其特征在于：所述设备中，第一再生气冷却器（10）旁侧并联有第三吹扫管道，所述第三吹扫管道上设置有第十五程控阀（32）；所述第二再生气冷却器（12）旁侧并联有第四吹扫管道，所述第四吹扫管道上设置有第十六程控阀（33）。
7.根据权利要求1所述一种基于富氢冶金气体的预处理工艺，其特征在于：所述设备中，除油塔（1）和脱萘塔（2）均采用吸附塔。
8.根据权利要求1所述一种基于富氢冶金气体的预处理工艺，其特征在于：所述设备中，第一压缩机（3）和第二压缩机（4）均采用螺杆式压缩机或往复式压缩机。
9.根据权利要求1所述一种基于富氢冶金气体的预处理工艺，其特征在于：所述工艺中，原料气为焦炉煤气。
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焦炉煤气变压吸附制氢新工艺的开发与应用;宁红军;赵新亮;曹晓宝;;现代化工(07);全文 *

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