CN115125341B - 高炉或转炉煤气副产还原性气体的脱碳工艺及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高炉或转炉煤气副产还原性气体的脱碳工艺，对降温、除尘和脱硫后的煤气依次进行增压处理、真空变压吸附，分离出解吸气和喷吹还原性气体，解吸气增压处理并干燥后进行降温液化，再精馏分离处理得到液态二氧化碳产品。脱碳系统包括预处理设备、煤气压缩机、真空变压吸附系统、解吸气压缩机、解吸气干燥器、解吸气冷却装置、精馏塔，所述预处理设备、煤气压缩机、真空变压吸附系统、解吸气压缩机、解吸气干燥器、解吸气冷却装置、精馏塔依次连接。本发明方案主要利用真空变压吸附并结合降温液化、精馏分离提取高纯度的液态二氧化碳产品，同时副产喷吹还原性气体，整体综合能耗较低。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼技术领域，具体为一种高炉或转炉煤气副产还原性气体的脱碳工艺及系统。
背景技术
钢铁工业作为国民经济发展的基础性产业，作为世界钢铁生产和消费中心，粗钢产量占全球的一半以上，加之我国钢铁以高炉-转炉长流程生产工艺为主，该工艺主要的还原剂是碳，但是其能源消耗巨大、环境污染严重。另外，加之国家提出各行业要实现“碳达峰、碳中和”的目标以来，钢铁工业把节能和降低碳排放作为降低成本、增强竞争力和达到国家环保发展要求的动力，继而需要对钢铁行业开展绿色化改造，发展清洁生产。
目前，关于钢铁企业煤气的综合利用中，除焦炉煤气制氢、LNG等特殊工序具有较高的利用附加值外，其它如高炉煤气、转炉煤气或高炉煤气、转炉煤气掺混焦炉煤气作燃料气、CCPP发电等利用方式，产生的附加值均较低。鉴于此，为提高钢铁企业煤气的综合利用价值，研究学者认为充分利用煤气的化学能，将还原性气体作高炉喷吹煤气返吹进高炉，以降低高炉的焦比和喷煤量，此种利用方式不仅可以有效地降低高炉的运行成本，而且可以提高化石能源的利用效率。
具体针对高炉煤气来说，目前主要用于蓄热式热风炉用燃料气、CCPP发电、掺混焦炉煤气或转炉煤气作轧钢等工序用燃料气等，产生的附加值较低。同时，这类工序主要利用的是高炉煤气的热值，由于高炉煤气热值较低且CO2含量较高，用作燃料气、发电等工序利用率较低。基于上述情况，如何对高炉或转炉煤气进行高附加值综合利用，降低钢铁生产成本，一直是钢铁企业关注的重要问题。而如何从煤气中低能耗提取高纯度的液态的CO2产品，同时副产喷吹还原性气体，仍是目前需要解决的难题。
发明内容
一、解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高炉或转炉煤气副产还原性气体的脱碳工艺及系统，解决了现有高炉煤气和转炉煤气制取还原性气体过程中脱碳方法能耗高、流程长、脱碳效率低的问题，以及解决提取得到的是纯度较低、不利于运输的气态二氧化碳的问题。
二、技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高炉或转炉煤气副产还原性气体的脱碳工艺，其关键在于：对降温、除尘和脱硫后的高炉煤气或转炉煤气进行煤气增压处理，然后经真空变压吸附分离出解吸气和喷吹还原性气体，对分离出的解吸气增压处理并干燥后进行降温液化，再经精馏分离处理得到液态二氧化碳产品。
可选的，所述解吸气降温液化具体过程为先对增压处理后的解吸气进行预冷至10～30℃，预冷后的解吸气再深冷至-40～-30℃。
可选的，所述精馏分离处理得到的不凝气用于对所述解吸气进行热交换预冷后，回流至真空变压吸附继续分离。
可选的，煤气增压处理前，所述高炉煤气或转炉煤气温度小于或等于40℃；
和/或粉尘含量小于10mg/Nm3；
和/或硫化氢含量小于或等于1ppm。
可选的，所述高炉煤气或转炉煤气增压处理至表压0.2～0.8MPaG。
可选的，所述真空变压吸附分离出的解吸气增压处理至表压2.5～3.0MPaG。
可选的，所述真空变压吸附分离出的还原性气体中二氧化碳含量小于1％。
可选的，所述精馏分离得到的液体二氧化碳的表压大于2.5MPaG；
和/或液体二氧化碳的纯度为99.5％及以上。
还提出了一种高炉或转炉煤气副产还原性气体的脱碳系统，其关键在于：包括用于降温除尘和脱硫的预处理设备、用于煤气增压处理的煤气压缩机、用于干燥解吸气的解吸气干燥器、用于分离出解吸气和还原性气体的真空变压吸附系统、用于增压处理的解吸气压缩机、用于干燥解吸气的解吸气干燥器、用于降温液化的解吸气冷却装置、用于精馏分离的精馏塔，所述预处理设备、煤气压缩机、真空变压吸附系统依次连接，所述真空变压吸附系统分离出的还原性气体从还原性气体出口排出，分离出的解吸气从解吸气出口排出，所述解吸气出口与解吸气压缩机，所述解吸气压缩机、解吸气干燥器、解吸气冷却装置、精馏塔依次连接。
可选的，所述解吸气冷却装置包括用于解吸气热交换预冷的解吸气预冷器和用于解吸气深度冷却的解吸气深冷液化器。
可选的，所述精馏塔包括顶部不凝气排出口和底部的液态二氧化碳排出口，所述不凝气排出口通过管路连接所述解吸气预冷器，不凝气对解吸气进行热交换预冷后，经管路送至真空变压吸附系统。
可选的，所述解吸气深冷液化器连接制冷机组并通过制冷机组进行制冷。
三、有益效果
本发明技术方案主要利用真空变压吸附并结合降温液化、精馏分离提取高纯度的液态二氧化碳产品，同时副产喷吹还原性气体，整体综合能耗较低。
附图说明
图1为本发明各实施例中的工艺流程示意图；
图2为本发明各实施例中的系统示意图；
图中：1-预处理设备；2-煤气压缩机；3-真空变压吸附系统；3a-真空泵；3b-吸附器；4-解吸气压缩机；5-解吸气干燥器；6-解吸气预冷器；7-解吸气深冷液化器；8-精馏塔；9-制冷机组。
四、具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
1、原料：采用常规高炉的高炉煤气，其体积分数为二氧化碳18.40％、一氧化碳24.40％、氢气1.50％、氮气55.0％、氧气0.50％；压力为0.15MPa(G)，温度为150℃，高炉煤气量100000Nm3/h。
2、脱碳系统：请参阅附图2，脱碳系统包括用于降温除尘和脱硫的预处理设备1、用于煤气增压处理的煤气压缩机2、用于分离出解吸气和还原性气体的真空变压吸附系统3、用于增压处理的解吸气压缩机4、用于干燥解吸气的解吸气干燥器5、用于解吸气热交换预冷的解吸气预冷器6、用于解吸气深度冷却的解吸气深冷液化器7、用于精馏分离的精馏塔8，所述预处理设备1、煤气压缩机2、真空变压吸附系统3依次连接，所述真空变压吸附系统3包括真空泵3a、多个并联的吸附器3b，吸附器3b的顶部连接还原性气体管路，该吸附器3b的底部的解吸气与真空泵3a抽出的解吸气汇集，所述真空变压吸附系统3分离出的还原性气体从还原性气体出口排出，汇集的解吸气从解吸气出口排出，所述解吸气出口与解吸气压缩机4，所述解吸气压缩机4、解吸气干燥器5、解吸气预冷器6、解吸气深冷液化器7、精馏塔8依次连接。所述精馏塔8包括顶部不凝气排出口和底部的液态二氧化碳排出口，所述不凝气排出口通过管路连接所述解吸气预冷器6，不凝气对解吸气进行热交换预冷后，经管路送至真空变压吸附系统3。所述解吸气深冷液化器7连接制冷机组10并通过制冷机组10进行制冷。
3、方法：请参阅附图1的工艺流程并结合附图2的脱碳系统进行说明
步骤一：高炉煤气原料先经预处理设备1进行降温、除尘和脱硫，预处理设备1中，可用双竖管或洗涤塔进行降温，可用旋风除尘器除尘，可用干法脱硫塔进行脱硫。温度降至低于40℃，粉尘含量低于10mg/Nm3，H2S脱除至1ppm。
步骤二：将高炉煤气通过煤气压缩机2进行煤气增压处理，将高炉煤气增压至表压0.2～0.8MPa(G)。
步骤三：增压处理后的高炉煤气通入真空变压吸附系统3，真空变压吸附系统3的顶部排出较高压力的喷吹还原性气体，真空变压吸附系统3降压后从底部排放出的解吸气与抽真空排放的解吸气混合。
步骤四：通过解吸气压缩机4将得到的解吸气进行增压处理，增压至表压2.5～3.0MPa(G)。
步骤五：增压后的解吸气经解吸气干燥器5干燥后，先通过解吸气预冷器6进行热交换预冷至10～30℃，再经解吸气深冷液化器7深冷至-40～-30℃，然后进入精馏塔8进行精馏分离，精馏塔8塔底得到较高压力的液态二氧化碳产品。
4、脱碳处理结果：
液态二氧化碳产品组成：二氧化碳99.75％、一氧化碳0.0025％；流量为34.72t/h，压力为2.5MPa(G)，温度为-12℃。
喷吹还原气体组成：二氧化碳0.82％、一氧化碳29.49％、氮气66.87％、氧气0.61％、氢气1.82％；流量为82242Nm3/h，压力为0.75MPa(G)，温度为40℃。
工艺综合能耗如下：电量14118kWh，循环水1550t/h，仪表空气200Nm3/h，合计折标煤量1875.94kgce/h，即CO2捕集能耗为1.58GJ/tCO2。
实施例2
1、原料：采用氧气高炉煤气，其体积分数为二氧化碳37.10％、一氧化碳44.30％、氢气13.70％、氮气4.70％、氧气0.20％；压力为0.15MPa(G)，温度为150℃，氧气高炉煤气量100000Nm3/h。
2、脱碳系统：请参阅附图2，脱碳系统包括用于降温除尘和脱硫的预处理设备1、用于煤气增压处理的煤气压缩机2、用于分离出解吸气和还原性气体的真空变压吸附系统3、用于增压处理的解吸气压缩机4、用于干燥解吸气的解吸气干燥器5、用于解吸气热交换预冷的解吸气预冷器6、用于解吸气深度冷却的解吸气深冷液化器7、用于精馏分离的精馏塔8，所述预处理设备1、煤气压缩机2、真空变压吸附系统3依次连接，所述真空变压吸附系统3包括真空泵3a、多个并联的吸附器3b，吸附器3b的顶部连接还原性气体管路，该吸附器3b的底部的解吸气与真空泵3a抽出的解吸气汇集，所述真空变压吸附系统3分离出的还原性气体从还原性气体出口排出，汇集的解吸气从解吸气出口排出，所述解吸气出口与解吸气压缩机4，所述解吸气压缩机4、解吸气干燥器5、解吸气预冷器6、解吸气深冷液化器7、精馏塔8依次连接。所述精馏塔8包括顶部不凝气排出口和底部的液态二氧化碳排出口，所述不凝气排出口通过管路连接所述解吸气预冷器6，不凝气对解吸气进行热交换预冷后，经管路送至真空变压吸附系统3。所述解吸气深冷液化器7连接制冷机组10并通过制冷机组10进行制冷。
3、方法：请参阅附图1的工艺流程并结合附图2的脱碳系统进行说明
步骤一：高炉煤气原料先经预处理设备1进行降温、除尘和脱硫，预处理设备1中，可用双竖管或洗涤塔进行降温，可用旋风除尘器除尘，可用干法脱硫塔进行脱硫。温度降至低于40℃，粉尘含量低于10mg/Nm3，H2S脱除至1ppm。
步骤二：将高炉煤气通过煤气压缩机2进行煤气增压处理，将高炉煤气增压至表压0.20～0.80MPa(G)。
步骤三：增压处理后的高炉煤气通入真空变压吸附系统3，真空变压吸附系统3的顶部排出较高压力的喷吹还原性气体，真空变压吸附系统3降压后从底部排放出的解吸气与抽真空排放的解吸气混合。
步骤四：通过解吸气压缩机4将得到的解吸气进行增压处理，增压至表压2.5～3.0MPa(G)。
步骤五：增压后的解吸气经解吸气干燥器5干燥后，先通过解吸气预冷器6进行热交换预冷至10～30℃，再经解吸气深冷液化器7深冷至-40～-35℃，然后进入精馏塔8进行精馏分离，精馏塔8塔底得到较高压力的液态二氧化碳产品。
4、脱碳处理结果：
液态二氧化碳产品组成：二氧化碳99.75％、一氧化碳0.0025％、；流量为71.59t/h，压力为2.50MPa(G)，温度为-12℃。
喷吹还原气体组成：二氧化碳0.93％、一氧化碳69.68％、氮气7.42％、氢气21.62％；流量为63359Nm3/h，压力为0.75MPa(G)，温度为40℃。
工艺综合能耗如下：电量21823kWh，循环水2800t/h，仪表空气200Nm3/h，合计折标煤量2930.01kgce/h，即CO2捕集能耗为1.20GJ/tCO2。
实施例3
1、原料：采用转炉煤气，其体积分数为二氧化碳28.50％、一氧化碳44.20％、氢气1.50％、氮气25.50％、氧气为0.30％；压力为0.012MPa(G)，温度为40℃，氧气高炉煤气量85000Nm3/h。
2、脱碳系统：请参阅附图2，脱碳系统包括用于降温除尘和脱硫的预处理设备1、用于煤气增压处理的煤气压缩机2、用于分离出解吸气和还原性气体的真空变压吸附系统3、用于增压处理的解吸气压缩机4、用于干燥解吸气的解吸气干燥器5、用于解吸气热交换预冷的解吸气预冷器6、用于解吸气深度冷却的解吸气深冷液化器7、用于精馏分离的精馏塔8，所述预处理设备1、煤气压缩机2、真空变压吸附系统3依次连接，所述真空变压吸附系统3包括真空泵3a、多个并联的吸附器3b，吸附器3b的顶部连接还原性气体管路，该吸附器3b的底部的解吸气与真空泵3a抽出的解吸气汇集，所述真空变压吸附系统3分离出的还原性气体从还原性气体出口排出，汇集的解吸气从解吸气出口排出，所述解吸气出口与解吸气压缩机4，所述解吸气压缩机4、解吸气干燥器5、解吸气预冷器6、解吸气深冷液化器7、精馏塔8依次连接。所述精馏塔8包括顶部不凝气排出口和底部的液态二氧化碳排出口，所述不凝气排出口通过管路连接所述解吸气预冷器6，不凝气对解吸气进行热交换预冷后，经管路送至真空变压吸附系统3。所述解吸气深冷液化器7连接制冷机组10并通过制冷机组10进行制冷。
3、方法：请参阅附图1的工艺流程并结合附图2的脱碳系统进行说明
步骤一：高炉煤气原料先经预处理设备1进行降温、除尘和脱硫，预处理设备1中，可用双竖管或洗涤塔进行降温，可用旋风除尘器除尘，可用干法脱硫塔进行脱硫。温度降至低于40℃，粉尘含量低于10mg/Nm3，H2S脱除至1ppm。
步骤二：将高炉煤气通过煤气压缩机2进行煤气增压处理，将高炉煤气增压至表压0.20～0.80MPa(G)。
步骤三：增压处理后的高炉煤气通入真空变压吸附系统3，真空变压吸附系统3的顶部排出较高压力的喷吹还原性气体，真空变压吸附系统3降压后从底部排放出的解吸气与抽真空排放的解吸气混合。
步骤四：通过解吸气压缩机4将得到的解吸气进行增压处理，增压至表压2.5～3.0MPa(G)。
步骤五：增压后的解吸气经解吸气干燥器5干燥后，先通过解吸气预冷器6进行热交换预冷至10～30℃，再经解吸气深冷液化器7深冷至-40～-35℃，然后进入精馏塔8进行精馏分离，精馏塔8塔底得到较高压力的液态二氧化碳产品。
4、脱碳处理结果：
液态二氧化碳产品组成：二氧化碳99.75％、一氧化碳0.0025％、；流量为45.84t/h，压力为2.95MPa(G)，温度为-5℃。
喷吹还原气体组成：二氧化碳0.92％、一氧化碳61.14％、氮气35.42％、氢气2.08％、氧气0.42％；流量为61184Nm3/h，压力为0.75MPa(G)，温度为40℃。
工艺综合能耗如下：电量19855kWh，循环水2245t/h，仪表空气200Nm3/h，合计折标煤量2640.58kgce/h，即CO2捕集能耗为1.69GJ/tCO2。
综合上述实施例，总的来讲：
1、本发明利用真空变压吸附与低温液化精馏分离的理论基础，针对钢铁行业内的高炉煤气或转炉煤气利用上述耦合工艺可制取高纯度液体CO2产品，同时副产喷吹还原性气。
2、本发明从高炉或转炉煤气资源中制取出的液体CO2产品可直接用于驱油、封存或化工合成。另外，本产品方便运输，可为钢铁企业实现真正的脱碳减排。
3、本发明从高炉煤气或转炉煤气中捕集出液体CO2产品后，副产的还原性气可用于高炉喷吹，降低高炉的焦比和喷吹煤炭量，从而可以降低吨钢碳排放10％～30％。
4、本发明综合比较市场上其他工艺，综合能耗降低30％以上。本发明可实现高炉煤气和转炉煤气中还原性组分100％回收利用。
5、本发明主要能耗为电力，若国家电力由煤炭能源调整为可再生能源后，该技术即可转为绿色低碳工艺，环保效益显著。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，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过程、方法、物品或者设备所固有的要素。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过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种高炉或转炉煤气副产还原性气体的脱碳工艺，其特征在于：对降温、除尘和脱硫后的高炉煤气或转炉煤气进行煤气增压处理，然后经真空变压吸附分离出解吸气和喷吹还原性气体；对分离出的解吸气增压处理并干燥后进行降温液化，再经精馏分离处理得到液态二氧化碳产品，所述精馏分离处理得到的不凝气用于对所述解吸气进行热交换预冷后，回流至真空变压吸附继续分离；
所述真空变压吸附分离出的解吸气增压处理至表压2.5～3.0MPaG；
所述解吸气降温液化具体过程为先对增压处理后的解吸气进行预冷至10～30℃，预冷后的解吸气再深冷至-40～-30℃。
2.根据权利要求1所述的高炉或转炉煤气副产还原性气体的脱碳工艺，其特征在于：煤气增压处理前，所述高炉煤气或转炉煤气温度小于或等于40℃；
和/或粉尘含量小于10mg/Nm3；
和/或硫化氢含量小于或等于1ppm。
3.根据权利要求1-2任一项所述的高炉或转炉煤气副产还原性气体的脱碳工艺，其特征在于：所述高炉煤气或转炉煤气增压处理至表压0.2～0.8MPaG。
4.根据权利要求1-2任一项所述的高炉或转炉煤气副产还原性气体的脱碳工艺，其特征在于：所述真空变压吸附分离出的还原性气体中二氧化碳含量小于1％。
5.根据权利要求1-2任一项所述的高炉或转炉煤气副产还原性气体的脱碳工艺，其特征在于：所述精馏分离得到的液体二氧化碳的纯度为99.5％及以上；
和/或液体二氧化碳的表压大于2.5MPaG。
6.一种高炉或转炉煤气副产还原性气体的脱碳系统，其特征在于：包括用于降温除尘和脱硫的预处理设备、用于煤气增压处理的煤气压缩机、用于分离出解吸气和还原性气体的真空变压吸附系统、用于增压处理的解吸气压缩机、用于干燥解吸气的解吸气干燥器、用于降温液化的解吸气冷却装置、用于精馏分离的精馏塔，所述预处理设备、煤气压缩机、真空变压吸附系统依次连接，所述真空变压吸附系统分离出的还原性气体从还原性气体出口排出，分离出的解吸气从解吸气出口排出，所述解吸气出口连接解吸气压缩机，所述解吸气压缩机、解吸气干燥器、解吸气冷却装置、精馏塔依次连接；
所述解吸气冷却装置包括用于解吸气热交换预冷的解吸气预冷器和用于解吸气深度冷却的解吸气深冷液化器；
所述精馏塔包括顶部不凝气排出口和底部的液态二氧化碳排出口，所述不凝气排出口通过管路连接所述解吸气预冷器，不凝气对解吸气进行热交换预冷后，经管路送至真空变压吸附系统。
7.根据权利要求6所述的高炉或转炉煤气副产还原性气体的脱碳系统，其特征在于：所述解吸气深冷液化器连接制冷机组并通过制冷机组进行制冷。
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