CN115430252A - 焦炉煤气直接还原竖炉捕集co2并提纯的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的系统和方法，其包括直接还原铁竖炉、CO2吸收塔、贫富液换热器、CO2汽提塔、贫液泵和贫液冷却器；所述直接还原铁竖炉的工艺气出口通过管线连通CO2吸收塔的工艺气进口，CO2吸收塔的工艺气出口通过管线连通直接还原铁竖炉的工艺气进口；所述CO2吸收塔的富液出口通过管线连通贫富液换热器的富液进口，贫富液换热器的富液出口通过管线连通CO2汽提塔的进口，CO2汽提塔的出口通过管线连通贫富液换热器的贫液进口；所述贫富液换热器的贫液出口通过管线依次连通贫液泵和贫液冷却器，贫液冷却器的出口通过管线连通CO2吸收塔的贫液进口。本系统和方法既能达到减排效果、又能够高效利用CO2，合理利用焦炉煤气资源。

Description

焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种炼钢废气的处理技术，尤其是一种焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的系统和方法。
背景技术
碳排放会给人类生存带来压力逐渐在世界范围内达成共识，我国也出台“双碳”相应政策。钢铁行业历来是排放大户，根据国内外形势，各钢铁企业相继出台减排措施。采用直接还原短流程工艺替代以往高炉长流程工艺减少碳排放的优势充分显现，而其中气基竖炉制备直接还原铁成为首选直接还原冶炼工艺。气基直接还原工艺中Midrex、HYL竖炉方法发展较早，技术已经成熟，成为主流工艺，占所有直接还原90%以上。然而Midrex、HYL竖炉方法以天然气作为还原气体，我国由于天然气资源不足，直接还原多以煤基为主，气基竖炉工艺发展缓慢。
我国的焦炭产量世界领先，其副产品焦炉煤气发生量巨大。据权威部门统计，现阶段焦炉煤气利用率不高，而且使用方法不够合理。如果能够利用焦炉煤气作为还原气体发展气基竖炉工艺，既能解决天然气资源不足的问题，焦炉煤气又能得到合理利用。
气基直接还原竖炉工艺，具有特殊的工艺，要求参与还原的气体形成自循环，少量补充新鲜还原气，以达到降低能耗的效果。还原气体自循环过程中，有一个重要环节是必须去除多余的CO2，CO2成分含量过高影响还原剂效果，进而影响直接还原铁质量。
当前，气基竖炉虽然有CO2脱除工艺，但脱除所得CO2浓度不高；并且均为针对天然气竖炉工艺，焦炉煤气还原竖炉CO2脱出工艺还没有；天然气以甲烷成分为主，焦炉煤气中氢气占比55～60%，在竖炉中与球团发生反应后，产生的废气成分比例均有不同。因此，需要设计一种采用焦炉煤气和气基竖炉制备直接还原铁时CO2脱除系统和工艺，以弥补焦炉煤气竖炉工艺脱CO2领域的空白。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能有效脱除并处理CO2的焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的系统；本发明还提供了一种焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的方法。
为解决上述技术问题，本发明系统所采取的技术方案是：其包括直接还原铁竖炉、CO2吸收塔、贫富液换热器、CO2汽提塔、贫液泵和贫液冷却器；所述直接还原铁竖炉的工艺气出口通过管线连通CO2吸收塔的工艺气进口，CO2吸收塔的工艺气出口通过管线连通直接还原铁竖炉的工艺气进口；所述CO2吸收塔的富液出口通过管线连通贫富液换热器的富液进口，贫富液换热器的富液出口通过管线连通CO2汽提塔的进口，CO2汽提塔的出口通过管线连通贫富液换热器的贫液进口；所述贫富液换热器的贫液出口通过管线依次连通贫液泵和贫液冷却器，贫液冷却器的出口通过管线连通CO2吸收塔的贫液进口。
本发明系统还包括有氧化锌床、干燥塔、冷凝器和分离塔；所述CO2汽提塔的排气口通过管线依次连通干燥塔、冷凝器和分离塔。
本发明系统所述CO2汽提塔还连通有再沸器。
本发明系统所述贫液泵还并联有过滤器。所述贫液泵与过滤器之间的管线或者贫液泵与贫液冷却器之间的管线上连通有贫液补充罐。
本发明方法采用上述的捕集系统，所述方法工艺为：a.所述直接还原铁竖炉的工艺气经CO2吸收塔中含有MDEA的CO2贫液吸收CO2后，返回直接还原铁竖炉，CO2贫液吸收CO2后生成CO2富液；
b.所述CO2富液经贫富液换热器换热升温后进入CO2汽提塔，释放CO2后生成CO2贫液；
c.所述CO2汽提塔生成的CO2贫液经贫富液换热器与CO2富液换热降温；
d.降温后的CO2贫液经贫液泵加压和贫液冷却器冷却后，打入CO2吸收塔吸收工艺气中的CO2。
本发明方法所述步骤b中，CO2汽提塔释放的CO2进入氧化锌床除掉H2S，再利用干燥塔除掉水分，最后进入冷凝器被冷凝液化，得到液态CO2。
本发明方法所述步骤b中，释放CO2后的CO2贫液经再沸器加热后再次回到CO2汽提塔中。
本发明方法所述步骤d中，贫液泵加压后的CO2贫液可经过滤器过滤后，再经贫液泵和贫液冷却器打入CO2吸收塔。
本发明方法所述步骤d中，可在打入CO2吸收塔内的CO2贫液中补充MDEA溶液。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明采用焦炉煤气直接还原工艺配合CO2捕集，并进一步提纯，既能达到减排效果、又能够高效利用CO2，能够达到焦炉煤气资源合理利用，解决了由于天然气不足导致的我国气基竖炉工艺发展缓慢现状，给焦炉煤气直接还原工艺脱碳提供一种新思路。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明系统的结构示意图。
图中：01-焦炉煤气净化加压系统，02-直接还原铁竖炉，03-降温除尘系统，04-工艺气压缩机，05-CO2吸收塔，06-加热炉，07-注氧系统，08-装料系统，09-成品冷却器，10-成品转运系统，11-贫富液换热器，12-CO2汽提塔，13-再沸器，14-贫液泵，15-贫液冷却器，16-过滤器，17-贫液补充罐，18-氧化锌床，19-干燥塔，20-CO2气体压缩机，21-冷凝器，22-分离塔，23-液态CO2储罐。
具体实施方式
图1所示，本焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的系统用于焦炉煤气直接还原竖炉系统的工艺气中CO2的捕集和处理。所述焦炉煤气直接还原竖炉系统包括焦炉煤气净化加压系统01、直接还原铁竖炉02、降温除尘系统03、工艺气压缩机04、本捕集系统的CO2吸收塔05、加热炉06、注氧系统07、装料系统08、成品冷却器09和成品转运系统10。所述直接还原铁竖炉02顶部设有加料口，装料系统08通过加料口向直接还原铁竖炉02内加入球团矿；所述直接还原铁竖炉02底部设有出料口，出料口连通成品冷却器09，成品冷却器09的出料口连通成品转运系统10；这样，球团矿在直接还原铁竖炉02内与还原气反应生成的直接还原铁经成品冷却器09冷却后，排到成品转运系统10，进一步储存或使用。所述直接还原铁竖炉02的上部呈圆筒状、下部呈圆锥状；在直接还原铁竖炉02的下部锥段通过管线连通焦炉煤气净化加压系统01，在直接还原铁竖炉02的上部设有还原气出口、中部设有还原气进口；所述还原气出口通过管线依次连通降温除尘系统03、工艺气压缩机04、CO2吸收塔05、加热炉06和还原气进口，形成工艺气循环回路；所述加热炉06和还原气进口之间的管线上连通有注氧系统07，用注氧。
图1所示，本焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的系统包括直接还原铁竖炉02、CO2吸收塔05、贫富液换热器11、CO2汽提塔12、再沸器13、贫液泵14、贫液冷却器15、过滤器16、贫液补充罐17、氧化锌床18、干燥塔19、冷凝器21、分离塔22和液态CO2储罐23。所述CO2吸收塔05底部的富液出口通过管线连通贫富液换热器11的富液进口，贫富液换热器11的富液出口通过管线连通CO2汽提塔12上部的进口，CO2汽提塔12底部的出口通过管线连通贫富液换热器11的贫液进口，贫富液换热器11的贫液出口通过管线依次连通贫液泵14和贫液冷却器15，这样CO2吸收塔05生成的CO2富液与CO2汽提塔12生成的CO2贫液在贫富液换热器11内实现换热；所述贫液冷却器15的出口通过管线连通CO2吸收塔05顶部的贫液进口。这样富含MDEA的CO2贫液在CO2吸收塔05内向下喷淋并与向上流通的工艺气接触，从而吸收工艺气中多余的CO2后生成CO2富液；所述CO2富液经过贫富液换热器11换热升温，然后进入CO2汽提塔12被蒸气加热释放CO2，生成CO2贫液；所述CO2贫液被排出后进入贫富液换热器11与CO2富液换热降温，降温后的CO2贫液经贫液泵14加压提供循环动力，经过贫液冷却器15进一步降温由CO2吸收塔05上部注入；从而形成MDEA溶液的循环回路。
图1所示，本焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的系统所述再沸器13的进出口均分别与CO2汽提塔12的下部连通，这样既可释放CO2后的CO2贫液在CO2汽提塔12中下降后进入再沸器13，在再沸器13中被加热后再次回到CO2汽提塔12中，实现对CO2贫液的加热。
图1所示，本焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的系统所述贫液泵14还并联有过滤器16，这样加压后的CO2贫液如果不干净，即可经过过滤器16过滤后，再经贫液泵14、贫液冷却器15由CO2吸收塔05上部注入。所述贫液泵14与过滤器16之间的管线或者贫液泵14与贫液冷却器15之间的管线上连通有贫液补充罐17，这样即可通过贫液补充罐17向CO2贫液中补充MDEA溶液，再打入CO2吸收塔内。
图1所示，本焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的系统所述CO2汽提塔12的排气口通过管线依次连通干燥塔19、冷凝器21、分离塔22和液态CO2储罐23。这样，CO2气体由CO2汽提塔12顶部排出到氧化锌床18除掉H2S，利用干燥塔19除掉水分，经过CO2气体压缩机20提供压力，进入冷凝器21被冷凝液化，在经过分离塔22排出不冷凝气体，最后液态CO2存放到液态CO2储罐23中，以供使用。
图1所示，本焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的方法采用上述的捕集系统用于焦炉煤气直接还原竖炉工艺的工艺气中CO2的捕集和处理；所述焦炉煤气直接还原竖炉工艺为：焦炉煤气经焦炉煤气净化加压系统01由直接还原铁竖炉02的锥部注入，作为补充还原气体，补充还原气体量占还原气体10vol%左右；焦炉煤气在直接还原铁竖炉02内向上运动，与还原气体汇合，由直接还原铁竖炉02顶部排出；所述焦炉煤气由锥段注入是本工艺特定要求，一方面在此部位焦炉煤气与直接还原铁发生热传递，直接还原铁温度被降低，起到冷却直接还原铁作用；另一方面焦炉煤气中有碳素物质存在，利用反应平衡原理，在此处还有控制直接还原铁含碳量作用；还有一个最重要作用是净化焦炉煤气，由于锥段内部温度在600℃以上，焦炉煤气中C2H6及以上重烃发生裂解，裂解后焦炉煤气中烃类为甲烷。所述还原气体由直接还原铁竖炉02中部注入，在直接还原铁竖炉02内部与球团矿发生反应后，产生的废气由顶部排出；所述还原气体在直接还原铁竖炉02内与下降的球团矿逆向流动，并发生反应，主要反应是利用H2、CO夺取球团矿中与铁结合的氧，生成高金属化率的直接还原铁；伴随着CH4与还原产物中H2O，CO2反应生成H2、CO的重整反应；也有CH4与直接还原铁的渗碳反应。顶部排出的废气，经过降温除尘系统03降温除尘净化，工艺气压缩机04加压提供动力，经CO2吸收塔05除掉多余的CO2，经过加热炉06加热至900～950℃，再由注氧系统07注氧发生局部燃烧进一步提高温度到1000～1030℃，最后再次作为合格的还原气注入直接还原铁竖炉02中部，形成整个工艺循环回路；工艺回路中气体亦称之为工艺气。所述球团矿经过装料系统08由直接还原铁竖炉02顶部加入，在直接还原铁竖炉02的圆筒段与还原气体发生反应，被还原气体夺取与铁结合的氧，生成90wt%以上金属化率的直接还原铁；；在直接还原铁竖炉02的锥段与焦炉煤气接触，温度降低并发生渗碳反应；再由直接还原铁竖炉02的底部排出至成品冷却器09中冷却至50℃以下，最后经成品转运系统10转运走储存或使用。
图1所示，本焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的方法采用MDEA（N-甲基二乙醇胺）溶液吸收CO2，捕集得到浓度在87～89vol%的CO2；所述方法工艺为：a.所述直接还原铁竖炉（02）的工艺气经CO2吸收塔05中含有MDEA的CO2贫液吸收CO2后，返回直接还原铁竖炉02，CO2贫液吸收CO2后生成CO2富液；
所述吸收塔中MDEA溶液（含有MDEA的CO2贫液）由CO2吸收塔05上部注入，工艺气由CO2吸收塔05下部通入，形成逆流；吸收CO2后MDEA溶液称之为CO2富液，CO2富液由吸收塔底部排出。
b.所述CO2富液经贫富液换热器11换热升温后由CO2汽提塔12顶部注入，在CO2汽提塔12内部向下流动，与再沸器13提供的蒸汽形成逆流，CO2富液经过蒸汽加热释放出CO2，释放CO2后生成CO2贫液；释放的CO2即为捕集得到的浓度在87～89vol%的CO2。
c.所述CO2汽提塔（12）生成的CO2贫液经贫富液换热器（11）与CO2富液换热降温。
d.降温后的CO2贫液经贫液泵14提供循环的动力，利用贫液冷却器14再次降温至40～45℃，由CO2吸收塔05上部注入，在CO2吸收塔05中吸收工艺气中的CO2再次生成CO2富液，重复循环。如果贫液泵14加压后的CO2贫液中有杂质，要经过过滤器16处理后再使用。由于CO2吸收系统会对MDEA溶液产生消耗，利用贫液补充罐17中的MDEA溶液来补充新鲜贫液。
e.所述CO2汽提塔12捕集得到的CO2浓度为87～89vol%，纯度距离能够直接使用纯度要求还有差距，需要进一步提纯；由CO2汽提塔12排出的CO2气体条件如下表1。
表1：CO2汽提塔顶部排出的CO2气体条件
Figure DEST_PATH_IMAGE002
所述CO2汽提塔12顶部排出的高纯度CO2气体首先进入氧化锌床18，利用氧化锌床18除掉H2S；所述氧化锌床中填充氧化锌脱硫剂，氧化锌脱硫剂是以活性氧化锌为主要成分、内表面极大、硫容较高的一种无机固体脱硫剂，能够快速脱除硫化氢。除掉H2S后的CO2气体进入干燥塔19除掉水分；所述干燥塔19是内部填充塔，上下部各设置一个夹层，夹层中间填充松散的氯化钙；所述氯化钙作为干燥剂不仅吸附速度快、吸附能力强，且无毒、无味、无接触腐蚀性、无环境污染；氯化钙在200℃可以烘干再生，重复使用，以节约成本；CO2气体由干燥塔19的下部注入、上部排出，可以通过控制排出速度，影响气体与填料接触时间，达到充分吸收水分。除掉水分后，CO2气体进入CO2气体压缩机，利用CO2气体压缩机将气体压力提高到1.6～1.7Mpa。压力提高到1.6Mpa后，CO2气体进入冷凝工艺，利用冷凝器21将温度降至-30℃，这样 CO2在冷凝器21中被液化；这是由于CO2临界点较高，另外一些气体临界点很低，在加压的同时必须进行深度冷却才能液化。所述CO2及其它杂质气体临界温度见表2：
表2：CO2及其它杂质气体临界温度
Figure DEST_PATH_IMAGE004
液化后CO2伴随杂质气体进入分离塔22，分离塔22中液态CO2向下流动，由底部排出；不冷凝的气体H2、CO、CH4和N2由分离塔22顶部排出；分离塔22顶部设有减压阀，采用分级减压释放不冷凝气体。经过上述步骤得到纯度大于99.5vol%的液态CO2，存放到液态CO2储罐23中，以供使用。

Claims (10)

1.一种焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的系统，其特征在于：其包括直接还原铁竖炉（02）、CO2吸收塔（05）、贫富液换热器（11）、CO2汽提塔（12）、贫液泵（14）和贫液冷却器（15）；所述直接还原铁竖炉（02）的工艺气出口通过管线连通CO2吸收塔（05）的工艺气进口，CO2吸收塔（05）的工艺气出口通过管线连通直接还原铁竖炉（02）的工艺气进口；所述CO2吸收塔（05）的富液出口通过管线连通贫富液换热器（11）的富液进口，贫富液换热器（11）的富液出口通过管线连通CO2汽提塔（12）的进口，CO2汽提塔（12）的出口通过管线连通贫富液换热器（11）的贫液进口；所述贫富液换热器（11）的贫液出口通过管线依次连通贫液泵（14）和贫液冷却器（15），贫液冷却器（15）的出口通过管线连通CO2吸收塔（05）的贫液进口。
2.根据权利要求1所述的焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的系统，其特征在于：还包括有氧化锌床（18）、干燥塔（19）、冷凝器（21）和分离塔（22）；所述CO2汽提塔（12）的排气口通过管线依次连通干燥塔（19）、冷凝器（21）和分离塔（22）。
3.根据权利要求1所述的焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的系统，其特征在于：所述CO2汽提塔（12）还连通有再沸器（13）。
4.根据权利要求1、2或3所述的焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的系统，其特征在于：所述贫液泵（14）还并联有过滤器（16）。
5.根据权利要求4所述的焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的系统，其特征在于：所述贫液泵（14）与过滤器（16）之间的管线或者贫液泵（14）与贫液冷却器（15）之间的管线上连通有贫液补充罐（17）。
6.一种焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的方法，采用权利要求1-5任意一项所述的捕集系统，其特征在于，所述方法工艺为：a.所述直接还原铁竖炉（02）的工艺气经CO2吸收塔（05）中含有MDEA的CO2贫液吸收CO2后，返回直接还原铁竖炉（02），CO2贫液吸收CO2后生成CO2富液；
b.所述CO2富液经贫富液换热器（11）换热升温后进入CO2汽提塔（12），释放CO2后生成CO2贫液；
c.所述CO2汽提塔（12）生成的CO2贫液经贫富液换热器（11）与CO2富液换热降温；
d.降温后的CO2贫液经贫液泵（14）加压和贫液冷却器（15）冷却后，打入CO2吸收塔（05）吸收工艺气中的CO2。
7.根据权利要求6所述的焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的方法，其特征在于：所述步骤b中，CO2汽提塔（12）释放的CO2进入氧化锌床（18）除掉H2S，再利用干燥塔（19）除掉水分，最后进入冷凝器（21）被冷凝液化，得到液态CO2。
8.根据权利要求6所述的焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的方法，其特征在于：所述步骤b中，释放CO2后的CO2贫液经再沸器（13）加热后再次回到CO2汽提塔（12）中。
9.根据权利要求6所述的焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的方法，其特征在于：所述步骤d中，贫液泵（14）加压后的CO2贫液可经过滤器（16）过滤后，再经贫液泵（14）和贫液冷却器（15）打入CO2吸收塔（05）。
10.根据权利要求6-9任意一项所述的焦炉煤气直接还原竖炉捕集CO2并提纯的方法，其特征在于：所述步骤d中，可在打入CO2吸收塔（05）内的CO2贫液中补充MDEA溶液。
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