CN114959153A - 一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺 - Google Patents

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CN114959153A CN202210673903.0A CN202210673903A CN114959153A CN 114959153 A CN114959153 A CN 114959153A CN 202210673903 A CN202210673903 A CN 202210673903A CN 114959153 A CN114959153 A CN 114959153A
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Abstract

本发明提供一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,包括:竖炉顶部排出的炉顶煤气经脱碳分离出副产CO2气体以及富含H2和CO的脱碳气,副产CO2气体与补充氢气混合生成混合气;混合气经逆水煤气变换反应后,生成合成气;合成气与脱碳气混合,生成竖炉循环气;竖炉循环气与补充氢气和补充化石类含碳气体混合后,生成竖炉还原气,并经升温后通入竖炉以生产直接还原铁。本发明利用炉顶煤气中分离的CO2与补充氢气结合的逆水煤气变换反应生成还原气体来生产直接还原铁,主要补充的原料是“绿氢”及少量化石类含碳气体,实现了竖炉流程系统中碳素的变换及循环利用,无碳氧化物直接排放,更为绿色低碳,满足节能和低碳排放的要求。

Description

一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺
技术领域
本发明属于钢铁冶炼技术领域,特别是涉及一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺。
背景技术
钢铁工业作为国民经济发展的基础性产业,一直以来我国的钢铁工业主要还原剂是碳,但是其能源消耗巨大、环境污染严重;满足节能和降低碳排放的要求,钢铁工业中开始采用氢气取代碳作为还原剂的氢冶金技术。
氢冶金就是在还原冶炼过程中主要使用氢气作还原剂。氢是最活泼的还原剂,在铁氧化物的气-固还原反应过程中,提高气体还原剂中氢气的比例,可以明显提高其还原速率和还原效率。与一氧化碳的还原潜能相比,氢气的还原潜能大大高于一氧化碳。用氢气还原氧化铁时,其主要产物是金属铁和水蒸气。还原后的尾气对环境没有任何不利的影响,可以明显减轻对环境的负荷。
目前,世界上75%以上的直接还原铁工艺采用气基竖炉法生产,气基竖炉法是当今世界主流的直接还原炼铁技术。国外已投产的气基竖炉生产海绵铁工艺大都采用天然气为原料气,经催化重整制取以CO和H2为主的还原气来生产直接还原铁(即DRI)。近年来,结合我国多煤少天然气的资源特点,以焦炉煤气或煤制气为气源生产海绵铁的工艺路线也开始在国内进行研究。
无论是以天然气,还是以焦炉煤气、煤制气等为气源的竖炉直接还原工艺,其本质上仍是以碳基原料气为基础,重整制取氢气的过程无法完全避免碳排放的问题。用可再生能源基础上制取的氢气(“绿氢”),替代原来基于碳基得到的“灰氢”,更能够达到节能和降低碳排放的要求。
综上所述,在传统的气基竖炉工艺技术基础上,考虑进一步提高入炉氢气含量、降低含碳氧化物含量的同时,如何保证在稳定现有直接还原铁碳含量的条件下,最大程度地减少竖炉工艺的碳排放甚至无碳排放,是当前气基竖炉工艺技术研究的重点和关键。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,用于解决现有技术中难于提高还原气中氢气含量以减少竖炉碳排放等问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,包括以下步骤:
竖炉顶部排出的炉顶煤气经脱碳分离后,分离出副产CO2气体以及富含H2和CO的脱碳气;
所述副产CO2气体与补充氢气混合后生成混合气;
所述混合气经加热、逆水煤气变换反应、换热后生成合成气;
所述合成气与所述脱碳气混合后生成竖炉循环气;
所述竖炉循环气与补充氢气和补充化石类含碳气体混合后生成竖炉还原气,并经升温后通入竖炉以生产直接还原铁;
竖炉生产的直接还原铁从竖炉底部排出,竖炉顶部排出的炉顶煤气重复循环上述步骤。
本发明工艺拟采用干法或者湿法脱碳和氢气与二氧化碳的逆水煤气变换反应来实现竖炉工艺中碳素的变换及循环利用,无碳氧化物直接排放,更为绿色低碳。本工艺系统只需补充少量天然气、焦炉煤气等化石类含碳气体或者二氧化碳,以及可再生能源制备的绿色氢气来维持竖炉海绵铁渗碳需求及循环还原气的平衡要求即可,工艺流程布置简单,能耗较低,环保效益显著。
可选地,所述合成气的主要成分包括H2、CO、CO2和H2O。
可选地,所述竖炉顶部排出的炉顶煤气经脱碳分离的步骤之前,还包括将所述炉顶煤气依次经干法除尘、换热冷却和热能循环、加压处理的步骤。
可选地,分离出的所述副产CO2气体中,CO2的体积占比>95%,CO2的压力为0.05MPa~0.9MPa,CO2的温度为30℃~40℃。
可选地,所述副产CO2气体与补充氢气混合的步骤之前,还包括将所述副产CO2气体依次经加压、降温和脱水处理的步骤。
可选地,所述副产CO2气体经加压后的压力≥1.0MPa。
可选地,所述副产CO2气体与补充氢气按照设定比例混合,所述补充氢气与副产CO2气体的摩尔比例≥3.0,所述补充氢气的压力≥1.0MPa,所述补充氢气的纯度>95%。
可选地,所述逆水煤气变换反应的主要化学反应为H2+CO2→CO+H2O。
可选地,所述逆水煤气变换反应的温度要求为200℃~900℃,所述逆水煤气变换反应中 CO2的总转化率>50%。
可选地,所述合成气与所述脱碳气混合的步骤之前,还包括将所述合成气依次经换热、冷却、脱除游离水的步骤。
可选地,所述合成气经换热、冷却处理后的温度为30℃~40℃,处理后生成的水以游离水形态脱出并回用。
可选地,所述合成气经换热、冷却、脱除游离水后,H2体积占比为60%~80%,CO体积占比为15%~35%,H2O体积占比为0.4%~0.6%,残存的CO2体积占比为5.0%~15.0%。
可选地,分离出的所述脱碳气中,H2体积占比为70%~90%,CO体积占比为8.0%~25%, H2O体积占比为0.5%~1.0%,残存的CO2体积占比为0.1%~0.5%,N2体积占比为0.1%-2.0%;所述脱碳气的温度为30℃~40℃。
可选地,所述竖炉循环气与补充氢气和补充化石类含碳气体混合的步骤中,所述补充氢气的纯度>95%,所述补充化石类含碳气体包括天然气、焦炉煤气、页岩气、石化尾气或液化气中的一种或多种。
可选地,所述竖炉还原气经升温至设定温度后通入竖炉以生产直接还原铁,所述设定温度为850℃~1050℃,通入竖炉的竖炉还原气压力为0.2MPa~1.0MPa。
可选地,所述脱碳分离步骤包括干法脱碳或湿法脱碳。
可选地,所述竖炉还原气采用管式加热炉进行升温。
可选地,所述脱碳分离步骤采用干法脱碳时,排放气出口设置在合成气出口处,所述排放气占合成气的体积占比为0~10%;所述合成气出口处的排放气作为燃料气回送至管式加热炉;
所述脱碳分离步骤采用湿法脱碳时,排放气出口设置在脱碳气出口处,所述排放气占脱碳气的体积占比为0~5%;所述脱碳气出口处的排放气作为燃料气回送至管式加热炉。
可选地,通过调节所述补充氢气的流量、所述补充化石类含碳气体的流量、所述合成气出口处的排放气的流量或脱碳气出口处排放气的流量,以控制通入竖炉的竖炉还原气的H/C 比例。
可选地,通入竖炉的竖炉还原气中,H/C比例为3.0~9.0。
如上所述,本发明的富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,具有以下有益效果:
1、可以直接利用现有竖炉的理论研究基础,对现有竖炉系统中的设备材质只需进行简单升级即可满足高氢气含量的还原性气体的要求,为竖炉直接还原生产的低碳排放创造条件;
2、竖炉内仍然以H2和CO为主的还原气来生产直接还原铁,但是对竖炉的炉顶煤气产生的CO2,经过分离处理后利用逆水煤气变换反应采用“绿氢”把CO2还原成CO后作为还原气体再次循环回竖炉,无碳氧化物直接排放,更为绿色低碳。因此整个竖炉反应过程中,只需要补充少量如天然气、焦炉煤气、液化气、二氧化碳等化石类含碳气体作为循环碳素,而主要补充的原料是“绿氢”。碳素气体只是作为如同催化剂的角色在竖炉反应系统中运行,从而几乎可完全摒弃碳基燃料,工艺流程布置简单,能耗较低,环保效益显著。
附图说明
图1为本发明实施例的富氢竖炉生产直接还原铁的工艺流程示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知,本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,故不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时,本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
请结合图1所示,本发明提供一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,包括以下步骤:
竖炉顶部排出的炉顶煤气依次经干法除尘、换热冷却和热能循环、加压及脱碳分离后,分离出副产CO2气体以及富含H2和CO的脱碳气;
所述副产CO2气体依次经加压、降温和脱水处理后,与补充氢气按照设定比例混合,生成混合气;
所述混合气经加热、逆水煤气变换反应、换热后,生成合成气;
所述合成气经换热、冷却、脱除游离水后,与所述脱碳气混合,生成竖炉循环气;
所述竖炉循环气与经调压和净化处理的补充氢气和补充化石类含碳气体混合后,生成竖炉还原气,所述竖炉还原气经升温至设定温度后通入竖炉以生产直接还原铁;
竖炉生产的直接还原铁从竖炉底部排出,竖炉顶部排出的炉顶煤气重复循环上述步骤。
具体的,所述炉顶煤气,经过常规的干法除尘和热能的高效利用处理后,需要采用脱碳分离工艺把炉顶煤气中的CO2组分高效的分离出来。目前脱碳分离工艺大规模工业化应用的技术分为湿法脱碳和干法脱碳。针对氢基竖炉的炉顶煤气,需要根据炉顶煤气的压力工况、 CO2组分含量、投资情况以及运行成本进行综合比较后作出选择。
脱碳分离后输出的一路副产CO2气体,需利用逆水煤气变换反应用“绿氢”把CO2还原成 CO后作为还原气体再次循环回竖炉。逆水煤气变换的化学反应式:H2+CO2→CO+H2O。
所述炉顶煤气的温度一般为653K~723K,为了降低装置能耗,需要对该热能加以充分利用。具体来说,需设置较为简单合理的换热流程和利用方式。即炉顶煤气在换热冷却和热能循环过程中,可以将换热冷却装置中产出的热能提供给脱碳分离装置进行降温,脱碳分离装置产生的热能可以循环提供给换热冷却装置进行升温加热。
本发明工艺拟采用干法或者湿法脱碳和氢气与二氧化碳的逆水煤气变换反应来实现竖炉工艺中碳素的变换及循环利用,无碳氧化物直接排放,更为绿色低碳。本工艺系统只需补充少量天然气、焦炉煤气等化石类含碳气体或者二氧化碳,以及可再生能源制备的绿色氢气来维持竖炉海绵铁渗碳需求及循环还原气的平衡要求即可,工艺流程布置简单,能耗较低,环保效益显著。
其中,所述合成气的主要成分包括H2、CO、CO2和H2O。
分离出的所述副产CO2气体中,CO2的体积占比>95%,CO2的压力为0.05MPa~0.9MPa, CO2的温度为30℃~40℃。所述副产CO2气体经加压后的压力≥1.0MPa。所述副产CO2气体与补充氢气按照设定比例混合,所述补充氢气与副产CO2气体的摩尔比例≥3.0,所述补充氢气的压力≥1.0MPa,所述补充氢气的纯度>95%。
所述逆水煤气变换反应的主要化学反应为H2+CO2→CO+H2O。所述逆水煤气变换反应的温度要求为200℃~900℃,所述逆水煤气变换反应中CO2的总转化率>50%。所述合成气经换热、冷却处理后的温度为30~40℃,处理后生成的水以游离水形态脱出并回用。所述合成气经换热、冷却、脱除游离水后,H2体积占比为60%~80%(体积百分比),CO体积占比为15%~35%,H2O体积占比为0.4%~0.6%,残存的CO2体积占比为5.0%~15.0%。
所述混合气经加热、逆水煤气变换反应、换热后,生成合成气的步骤中,还包括在换热步骤中混入一小部分未经加热和逆水煤气变换反应的混合气(CO2与氢气),作为辅助措施,可对生成的合成气进行补充调节;另外,换热过程中产生的余热可回收提供给混合气的加热过程中使用。
分离出的所述脱碳气中,H2体积占比为70%~90%,CO体积占比为8.0%~25%,H2O体积占比为0.5%~1.0%,残存的CO2体积占比为0.1%~0.5%,N2体积占比为0.1%-2.0%;所述脱碳气的温度为30℃~40℃。
所述竖炉循环气与补充氢气和补充化石类含碳气体混合的步骤中,所述补充氢气的纯度>95%,所述补充化石类含碳气体包括天然气、焦炉煤气、页岩气、石化尾气或液化气中的一种或多种。所述竖炉还原气经升温至设定温度后通入竖炉以生产直接还原铁,所述设定温度为850℃~1050℃,通入竖炉的竖炉还原气压力为0.2MPa~1.0MPa。
所述竖炉还原气采用管式加热炉进行升温。所述脱碳分离步骤包括干法脱碳或湿法脱碳。所述脱碳分离步骤采用干法脱碳时,排放气出口设置在合成气出口处,所述排放气占合成气的体积占比为0~10%;所述合成气出口处的排放气作为燃料气回送至管式加热炉;所述脱碳分离步骤采用湿法脱碳时,排放气出口设置在脱碳气出口处,所述排放气占脱碳气的体积占比为0~5%;所述脱碳气出口处的排放气作为燃料气回送至管式加热炉。
通入竖炉的竖炉还原气中,H/C比例为3.0~9.0。通过调节所述补充氢气的流量、所述补充化石类含碳气体的流量、所述合成气出口处排放气的流量或脱碳气出口处排放气的流量,以控制通入竖炉的竖炉还原气的H/C比例。
以下通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐释,以下各实施例子按照100万吨/ 年的海绵铁产量进行研究。
实施例1:
采用天然气作为碳素气体来源,进入竖炉还原气中的主要成分H2/CO=3.0。
天然气经过升压、净化等工序处理后与脱碳气和合成气混合后作为还原气一起送入管式加热炉进行升温,升温后的还原气温度为850℃,所述还原气进入竖炉直接参与反应。还原气在竖炉内与铁矿石反应后,在炉顶形成炉顶煤气,炉顶煤气经干法除尘、换热冷却和热能循环(降低装置的总能耗)、加压(弥补系统压头损失和满足脱碳分离要求)及脱碳分离后输出一路副产CO2气体(CO2的纯度为96.0%,CO的浓度为0.5%,H2O浓度为3.5%),经加压(达到1.0MPa)、冷却降温、脱水后与补充的氢气按照CO2与H2为1:3的摩尔比例进行混合,生成混合气;混合气依次经过加热、逆水煤气变换反应、换热后,生成以H2、CO、CO2和H2O为主要成分的合成气;所述合成气经换热、冷却、脱除游离水后,合成气经过冷却分离后的流量为44656Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O的比例分别为61.9%、26.4%、11.3%、 0.4%,和所述炉顶煤气经脱碳分离输出的另一路富含H2和CO的脱碳气进行混合,脱碳气流量为181205Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O、CH4、N2的比例分别为71.1%、23.5%、 0.5%、0.9%、3.7%、0.3%,所述合成气和脱碳气混合后形成竖炉循环气;所述竖炉循环气全部和竖炉系统输入的经调压及净化处理的补充氢气、补充少量天然气混合后,生成竖炉还原气,一并通入管式加热炉进行升温,升至一定的温度(850℃)后,竖炉还原气进入竖炉生产直接还原铁(DRI)。竖炉生产的DRI从竖炉底部排出,竖炉顶部排出的炉顶煤气重复循环上述工艺流程。
竖炉生产DRI过程中需要补充的天然气量为2375.5Nm3/h,补充的氢气量为49504Nm3/h。进入竖炉的竖炉还原气量为241620Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O、CH4、N2的比例分别为70.5%、23.3%、2.4%、0.7%、2.9%、0.2%。
由于补充天然气中含有少量氮气,为了维持碳素平衡和排出系统中累积的杂质,需要从脱碳气上排放出部分气体,排放的脱碳气量为8538.5Nm3/h。排放气直接作为管式加热炉的燃料使用。
实施例2:
采用天然气作为碳素气体来源,还原气中的主要成分H2/CO=5.0。
天然气经过升压、净化等工序处理后与脱碳气和合成气混合后作为还原气一起送入管式加热炉进行升温,升温后的还原气温度为850℃,所述还原气进入竖炉直接参与反应。还原气在竖炉内与铁矿石反应后,在炉顶形成炉顶煤气,炉顶煤气经干法除尘、换热冷却及热能循环(降低装置的总能耗)、加压(弥补系统压头损失和满足脱碳分离要求)及脱碳分离后输出一路副产CO2气体(CO2的纯度为96.0%,CO的浓度为0.5%,H2O浓度为3.5%),经加压(达到1.0MPa)、冷却降温、脱水后与补充的氢气按照CO2与H2为1:3的摩尔比例进行混合,生成混合气;混合气依次经过加热、逆水煤气变换反应、换热后,生成以H2、CO、CO2和H2O为主要成分的合成气;所述合成气经换热、冷却、脱除游离水后,合成气经过冷却分离后的流量为42037Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O的比例分别为69.5%、21.1%、9.0%、 0.4%,和所述炉顶煤气经脱碳分离输出的另一路富含H2和CO的脱碳气进行混合,脱碳气流量为202182Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O、CH4、N2的比例分别为80.7%、16.1%、 0.3%、0.8%、1.9%、0.2%,所述合成气和脱碳气混合后形成竖炉循环气;所述竖炉循环气全部和竖炉系统输入的经调压及净化处理的补充氢气、补充少量天然气混合后,生成竖炉还原气,一并通入管式加热炉进行升温,升至一定的温度(850℃)后,竖炉还原气进入竖炉生产直接还原铁(DRI)。竖炉生产的DRI从竖炉底部排出,竖炉顶部排出的炉顶煤气重复循环上述工艺流程。
竖炉生产DRI过程中需要补充的天然气量为1350.6Nm3/h,补充的氢气量为57232Nm3/h。进入竖炉的竖炉还原气量为266665Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O、CH4、N2的比例分别为80.1%、15.9%、1.7%、0.7%、1.5%、0.1%。
由于补充天然气中含有少量氮气,为了维持碳素平衡和排出系统中累积的杂质,需要从脱碳气上排放出部分气体,排放的脱碳气量为7333Nm3/h。排放气直接作为管式加热炉的燃料使用。
实施例3:
采用天然气作为碳素气体来源,还原气中的主要成分H2/CO=7.0。
天然气经过升压、净化等工序处理后与脱碳气和合成气混合后作为还原气一起送入管式加热炉进行升温,升温后的还原气温度为850℃,所述还原气进入竖炉直接参与反应。还原气在竖炉内与铁矿石反应后,在炉顶形成炉顶煤气,炉顶煤气经干法除尘、换热冷却和热能循环(降低装置的总能耗)、加压(弥补系统压头损失和满足脱碳分离要求)及脱碳分离后输出一路副产CO2气体(CO2的纯度为96.0%,CO的浓度为0.5%,H2O浓度为3.5%),经加压(达到1.0MPa)、冷却降温、脱水后与补充的氢气按照CO2与H2为1:3的摩尔比例进行混合,生成混合气;混合气依次经过换热、加热、逆水煤气变换反应,生成以H2、CO、CO2和H2O为主要成分的合成气;所述合成气经换热、冷却、脱除游离水后,合成气经过冷却分离后的流量为36155Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O的比例分别为74.7%、18.1%、6.9%、 0.3%,和所述炉顶煤气经脱碳分离输出的另一路富含H2和CO的脱碳气进行混合,脱碳气流量为228776Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O、CH4、N2的比例分别为85.1%、12.2%、 0.2%、0.9%、1.5%、0.1%,所述合成气和脱碳气混合后形成竖炉循环气;所述竖炉循环气全部和竖炉系统输入的经调压及净化处理的补充氢气、补充少量天然气混合后,生成竖炉还原气,一并通入管式加热炉进行升温,升至一定的温度(850℃)后,竖炉还原气进入竖炉生产直接还原铁(DRI)。竖炉生产的DRI从竖炉底部排出,竖炉顶部排出的炉顶煤气重复循环上述工艺流程。
竖炉生产DRI过程中需要补充的天然气量为1163Nm3/h,补充的氢气量为66192Nm3/h。进入竖炉的竖炉还原气量为301206Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O、CH4、N2的比例分别为84.7%、12.1%、1.3%、0.6%、1.2%、0.1%。
由于补充天然气中含有少量氮气,为了维持碳素平衡和排出系统中累积的杂质,需要从脱碳气上排放出部分气体,排放的脱碳气量为8297Nm3/h。排放气直接作为管式加热炉的燃料使用。
实施例4:
采用天然气作为碳素气体来源,还原气中的主要成分H2/CO=9.0。
天然气经过升压、净化等工序处理后与脱碳气和合成气混合后作为还原气一起送入管式加热炉进行升温,升温后的还原气温度为850℃,所述还原气进入竖炉直接参与反应。还原气在竖炉内与铁矿石反应后,在炉顶形成炉顶煤气,炉顶煤气经干法除尘、换热冷却和热能利用(降低装置的总能耗)、加压(弥补系统压头损失和满足脱碳分离要求)及脱碳分离后输出一路副产CO2气体(CO2的纯度为96.0%,CO的浓度为0.5%,H2O浓度为3.5%),经加压(达到1.0MPa)、冷却降温、脱水后与补充的氢气按照CO2与H2为1:3的摩尔比例进行混合,生成混合气;混合气依次经过加热、逆水煤气变换反应、换热后,生成以H2、CO、CO2和H2O为主要成分的合成气;所述合成气经换热、冷却、脱除游离水后,合成气经过冷却分离后的流量为30270Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O的比例分别为79.9%、15.1%、4.7%、 0.3%,和所述炉顶煤气经脱碳分离输出的另一路富含H2和CO的脱碳气进行混合,脱碳气流量为241091Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O、CH4、N2的比例分别为88.0%、9.6%、 0.2%、0.9%、1.2%、0.1%,所述合成气和脱碳气混合后形成竖炉循环气;所述竖炉循环气全部和竖炉系统输入的经调压及净化处理的补充氢气、补充少量天然气混合后,生成竖炉还原气,一并通入管式加热炉进行升温,升至一定的温度后,竖炉还原气进入竖炉生产DRI。竖炉生产的DRI从竖炉底部排出,竖炉顶部排出的炉顶煤气重复循环上述工艺流程。
竖炉生产DRI过程中需要补充的天然气量为977Nm3/h,补充的氢气量为70806Nm3/h。进入竖炉的竖炉还原气量为317274Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O、CH4、N2的比例分别为87.8%、9.6%、1.0%、0.6%、0.9%、0.1%。
由于补充天然气中含有少量氮气,为了维持碳素平衡和排出系统中累积的杂质,需要从脱碳气上排放出部分气体,排放的脱碳气量为8775Nm3/h。排放气直接作为管式加热炉的燃料使用。
实施例5:
采用焦炉煤气作为碳素气体来源,进入竖炉还原气中的主要成分H2/CO=5.0。
焦炉煤气经过升压、净化等工序处理后与脱碳气和合成气混合后作为还原气一起送入管式加热炉进行升温,升温后的还原气温度为850℃,所述还原气进入竖炉直接参与反应。还原气在竖炉内与铁矿石反应后,在炉顶形成炉顶煤气,炉顶煤气经干法除尘、换热冷却和热能循环(降低装置的总能耗)、加压(弥补系统压头损失和满足脱碳分离要求)、脱碳分离后输出一路副产CO2气体(CO2的纯度为96.0%,CO的浓度为0.5%,H2O浓度为3.5%),经加压(达到1.0MPa)、冷却降温、脱水后与补充的氢气按照CO2与H2为1:3的摩尔比例进行混合,生成混合气;混合气依次经过加热、逆水煤气变换反应、换热后,生成以H2、CO、 CO2和H2O为主要成分的合成气;所述合成气经换热、冷却、脱除游离水后,合成气经过冷却分离后的流量为40064Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O的比例分别为66.2%、23.1%、 10.4%、0.3%,和所述炉顶煤气经脱碳分离输出的另一路富含H2和CO的脱碳气进行混合,脱碳气流量为197439Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O、CH4、N2、C2H6的比例分别为 78.2%、15.5%、0.3%、0.7%、1.4%、1.95%、1.95%,所述合成气和脱碳气混合后形成竖炉循环气;所述竖炉循环气全部和竖炉系统输入的经调压及净化处理的补充氢气、补充少量焦炉煤气混合后,生成竖炉还原气,一并通入管式加热炉进行升温,升至一定的温度(850℃)后,竖炉还原气进入竖炉生产DRI。竖炉生产的DRI从竖炉底部排出,竖炉顶部排出的炉顶煤气重复循环上述工艺流程。
竖炉生产DRI过程中需要补充的焦炉煤气量为3920Nm3/h,补充的氢气量为52685Nm3/h。进入竖炉的竖炉还原气量为258937Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O、CH4、N2、C2H6的比例分别为78.1%、15.5%、1.7%、0.6%、1.1%、1.5%、1.5%。
由于补充焦炉煤气中含有少量氮气,维持碳素平衡和排出系统中累积的氮气,需要从脱碳气上排放出部分气体,排放的脱碳气量为7161Nm3/h。排放气直接作为管式加热炉的燃料使用。
实施例6:
采用二氧化碳作为补充含碳气体来源,进入竖炉还原气中的主要成分H2/CO=5.0。
脱碳气和合成气混合后作为还原气一起送入管式加热炉进行升温,升温后的还原气温度为850℃,所述还原气进入竖炉直接参与反应。还原气在竖炉内与铁矿石反应后,在炉顶形成炉顶煤气,炉顶煤气经干法除尘、换热冷却和热能循环(降低装置的总能耗)、加压(弥补系统压头损失和满足脱碳分离要求)、脱碳分离后输出一路副产CO2气体(CO2的纯度为96.0%,CO的浓度为0.5%,H2O浓度为3.5%),经加压(达到1.0MPa)、冷却降温、脱水后与从外界补充来的二氧化碳气体混合后再与补充的氢气按照CO2与H2为1:3的摩尔比例进行混合,生成混合气;混合气依次经过加热、逆水煤气变换反应、换热后,生成以H2、CO、 CO2和H2O为主要成分的合成气;所述合成气经换热、冷却、脱除游离水后,合成气经过冷却分离后的流量为54914Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O的比例分别为70.9%、20.3%、 8.0%、0.8%,和所述炉顶煤气经脱碳分离输出的另一路富含H2和CO的脱碳气进行混合,脱碳气流量为226569Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O、N2的比例分别为82.4%、16.4%、 0.3%、0.7%、0.2%,所述合成气和脱碳气混合后形成竖炉循环气;所述竖炉循环气全部和竖炉系统输入的经调压及净化处理的补充氢气、补充少量二氧化碳混合后,生成竖炉还原气,一并通入管式加热炉进行升温,升至一定的温度后,竖炉还原气进入竖炉生产DRI。竖炉生产的DRI从竖炉底部排出,竖炉顶部排出的炉顶煤气重复循环上述工艺流程。
竖炉生产DRI过程中需要补充的二氧化碳气量为1392Nm3/h,补充的氢气量为69776Nm3/h。进入竖炉的竖炉还原气量为301553Nm3/h,其各组分H2、CO、CO2、H2O、N2的比例分别为81.2%、16.2%、1.9%、0.6%、0.1%。
由于补充二氧化碳气体中含有少量氮气,为了维持碳素平衡和排出系统中累积的杂质,需要从脱碳气上排放出部分气体,排放的脱碳气量为8217Nm3/h。排放气直接作为管式加热炉的燃料使用。
通过上述多个具体实施例可知,该方法操作简单,通过补充含碳介质和氢气量来调节还原气中H2和CO的组分含量,为炉内铁矿石的还原提供条件,有利于竖炉生产高纯净度的直接还原铁产品。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (20)

1.一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于,包括以下步骤:
竖炉顶部排出的炉顶煤气经脱碳分离后,分离出副产CO2气体以及富含H2和CO的脱碳气;
所述副产CO2气体与补充氢气混合后生成混合气;
所述混合气经加热、逆水煤气变换反应、换热后生成合成气;
所述合成气与所述脱碳气混合后生成竖炉循环气;
所述竖炉循环气与补充氢气和补充化石类含碳气体混合后形成竖炉还原气,并经升温后通入竖炉以生产直接还原铁;
竖炉生产的直接还原铁从竖炉底部排出,竖炉顶部排出的炉顶煤气重复循环上述步骤。
2.根据权利要求1所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:所述合成气的主要成分包括H2、CO、CO2和H2O。
3.根据权利要求1所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:所述竖炉顶部排出的炉顶煤气经脱碳分离的步骤之前,还包括将所述炉顶煤气依次经干法除尘、换热冷却和热能循环、加压处理的步骤。
4.根据权利要求1所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:分离出的所述副产CO2气体中,CO2的体积占比>95%,CO2的压力为0.05MPa~0.9MPa,CO2的温度为30℃~40℃。
5.根据权利要求1所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:所述副产CO2气体与补充氢气混合的步骤之前,还包括将所述副产CO2气体依次经加压、降温和脱水处理的步骤。
6.根据权利要求5所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:所述副产CO2气体经加压后的压力≥1.0MPa。
7.根据权利要求1所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:所述副产CO2气体与补充氢气按照设定比例混合,所述补充氢气与副产CO2气体的摩尔比例≥3.0,所述补充氢气的压力≥1.0MPa,所述补充氢气的纯度>95%。
8.根据权利要求1所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:所述逆水煤气变换反应的主要化学反应为H2+CO2→CO+H2O。
9.根据权利要求1或8所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:所述逆水煤气变换反应的温度要求为200℃~900℃,所述逆水煤气变换反应中CO2的总转化率>50%。
10.根据权利要求1所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:所述合成气与所述脱碳气混合的步骤之前,还包括将所述合成气依次经换热、冷却、脱除游离水的步骤。
11.根据权利要求10所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:所述合成气经换热、冷却后的温度为30℃~40℃,处理后生成的水以游离水形态脱出并回用。
12.根据权利要求10所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:所述合成气依次经换热、冷却、脱除游离水后,H2体积占比为60%~80%,CO体积占比为15%~35%,H2O体积占比为0.4%~0.6%,残存的CO2体积占比为5.0%~15.0%。
13.根据权利要求1所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:分离出的所述脱碳气中,H2体积占比为70%~90%,CO体积占比为8.0%~25%,H2O体积占比为0.5%~1.0%,残存的CO2体积占比为0.1%~0.5%,N2体积占比为0.1%-2.0%,所述脱碳气的温度为30℃~40℃。
14.根据权利要求1所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:所述竖炉循环气与补充氢气和补充化石类含碳气体混合的步骤中,所述补充氢气的纯度>95%,所述补充化石类含碳气体包括天然气、焦炉煤气、页岩气、石化尾气或液化气中的一种或多种。
15.根据权利要求1所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:所述竖炉还原气经升温至设定温度后通入竖炉以生产直接还原铁,所述设定温度为850℃~1050℃,通入竖炉的竖炉还原气压力为0.2MPa~1.0MPa。
16.根据权利要求1所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:所述脱碳分离步骤包括干法脱碳或湿法脱碳。
17.根据权利要求16所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:所述竖炉还原气采用管式加热炉进行升温。
18.根据权利要求17所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:
所述脱碳分离步骤采用干法脱碳时,排放气出口设置在合成气出口处,所述排放气占合成气的体积占比为0~10%;所述合成气出口处的排放气作为燃料气回送至管式加热炉;
所述脱碳分离步骤采用湿法脱碳时,排放气出口设置在脱碳气出口处,所述排放气占脱碳气的体积占比为0~5%;所述脱碳气出口处的排放气作为燃料气回送至管式加热炉。
19.根据权利要求18所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:通过调节所述补充氢气的流量、所述补充化石类含碳气体的流量、所述合成气出口处排放气的流量或脱碳气出口处排放气的流量,以控制通入竖炉的竖炉还原气的H/C比例。
20.根据权利要求1所述的一种富氢竖炉生产直接还原铁的工艺,其特征在于:通入竖炉的竖炉还原气中,H/C比例为3.0~9.0。
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