CN115449580A - 全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原系统及工艺，其包括直接还原竖炉、顶气换热器、除尘冷却系统、工艺气压缩机、CO2吸收装置、加热炉、焦炉煤气压缩机、料仓和出料装置；所述料仓位于直接还原竖炉顶部、出料装置连通直接还原竖炉的出料口；所述焦炉煤气压缩机的进气口连通焦炉煤气管路，出气口通过管路连通直接还原竖炉的还原气进口；所述直接还原竖炉的顶气出口通过管路连通顶气换热器的顶气进口，顶气换热器的顶气出口通过管路依次连通除尘冷却系统、工艺气压缩机和CO2吸收装置。本系统及工艺能将过剩的焦炉煤气合理利用，能源结构得到优化，填补了焦炉煤气直接还原工艺领域的空白。
Description
技术领域
本发明涉及一种直接还原炼铁技术，尤其是一种全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原系统及工艺。
背景技术
各钢铁企业相继出台减排措施。采用直接还原工艺短流程炼钢替代以往高炉长流程炼钢工艺优势愈加明显。
当前主流直接还原工艺以Midrex法、HYL气基竖炉法为主，然而这两种直接还原系统和工艺大部分采用天然气作为还原介质。我国由于缺少天然气，直接还原技术全采用煤基隧道窑罐式法或煤基回转窑法，导致气基直接还原系统和工艺发展缓慢，生产规模较小。
近年来我国焦炭产量突飞猛进，作为焦炭主要副产品的焦炉煤气已经过剩。运行生产的综合性钢厂中，能量是先天性不平衡的，据能源平衡统计显示，大部分过剩的焦炉煤气主要用于燃料或发电，这样不能达到经济合理的利用。采用未净化、未经处理的焦炉煤气进行直接还原铁的生产，是一种新型的途径，未来发展大有可观。利用充足的焦炉煤气作为还原气，我国可实现气基竖炉还原工艺大规模发展应用。
传统的高炉方法冶炼铁水所产生的 CO2单位排放量，即使是以优化的工艺为基础，也约为 1.6 吨 CO2/t 铁。有数据显示Midrex、HYL工艺会明显降低生产每吨生铁的 CO2单位排放量，Midrex工艺约为 0.5吨 CO2/t 铁，HYL工艺约为 0.25吨 CO2/t 铁。然而Midrex、HYL工艺碳排放虽有大幅减少，但距离零排放仍有差距。想要进一步达到真正的零碳排放，亟需一种新的直接还原工艺。
根据当前迫在眉睫的减排形势，考虑我国天然气资源紧缺，焦炉煤气过剩的能源现状，需要开发一种采用焦炉煤气作为还原介质的直接还原系统及工艺。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种有效降低排放的全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原系统；本发明还提供了一种全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原工艺。
为解决上述技术问题，本发明系统所采取的技术方案是：其包括直接还原竖炉、顶气换热器、除尘冷却系统、工艺气压缩机、CO2吸收装置、加热炉、焦炉煤气压缩机、料仓和出料装置；所述料仓位于直接还原竖炉顶部、出料装置连通直接还原竖炉的出料口；所述焦炉煤气压缩机的进气口连通焦炉煤气管路，出气口通过管路连通直接还原竖炉的还原气进口；所述直接还原竖炉的顶气出口通过管路连通顶气换热器的顶气进口，顶气换热器的顶气出口通过管路依次连通除尘冷却系统、工艺气压缩机和CO2吸收装置；所述CO2吸收装置的工艺气出口通过管路连通顶气换热器的工艺气进口，顶气换热器的工艺气出口通过管路连通加热炉的进气口；所述加热炉的出气口通过管路连通直接还原竖炉的工艺气进口；所述顶气和工艺气在顶气换热器内换热。
本发明系统所述焦炉煤气压缩机的出气口和除尘冷却系统的出气口通过管路汇合后连通加热炉的燃料进口。
本发明系统所述CO2吸收装置和顶气换热器之间的管路上还连通有增湿器。
本发明系统所述加热炉和直接还原竖炉之间的管路上连通有加氧系统。
本发明系统所述加热炉的排烟口通过管路连通有烟气脱气塔。
本发明工艺采用上述的直接还原系统，所述工艺流程为：a.所述焦炉煤气经过焦炉煤气压缩机增压后，进入直接还原竖炉作为工艺气的补充气体；
b.所述工艺气在直接还原竖炉与铁矿球团反应后经排出为顶气；所述顶气经顶气换热器降温、除尘冷却系统除尘、CO2吸收装置吸收CO2后净化为工艺气；
c.所述净化的工艺气进入顶气换热器中经顶气预热，再经加热炉加热后，注入直接还原竖炉与铁矿球团反应。
本发明工艺所述除尘冷却系统除尘后顶气的一部分与焦炉煤气压缩机增压后焦炉煤气的一部分汇合后，作为加热炉的燃料气。
本发明工艺所述步骤c中，净化的工艺气经增湿器后进入顶气换热器。
本发明工艺所述步骤c中，所述工艺气可经加氧系统补充氧。
本发明工艺所述步骤c中，加热炉生成的烟气经烟气脱气塔吸收CO2。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明系统及工艺利用充足的焦炉煤气作为还原气，能够改善我国天然气资源不足导致的气基直接还原工艺发展缓慢的现状，实现我国气基竖炉还原工艺大规模发展应用；过剩的焦炉煤气得到合理利用，能源结构得到优化，填补了焦炉煤气直接还原工艺领域的空白。
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2是本发明所述烟气脱气塔中MOFs材料吸附CO2的原理图。
图中：01–直接还原竖炉，02–顶气换热器，03–除尘冷却系统，04–工艺气压缩机，05–CO2吸收塔，06–增湿器，07–加热炉，08–加氧系统，09–焦炉煤气压缩机，10–炉顶常压料仓，11–加压装料仓，12–冷却器，13–加压排料仓，14–电炉炼钢厂，15–CO2汽提塔，16–CO2精制工厂，17–烟气脱气塔。
具体实施方式
图1所示，本全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原系统包括直接还原竖炉01、顶气换热器02、除尘冷却系统03、工艺气压缩机04、CO2吸收装置、增湿器06、加热炉07、加氧系统08、烟气脱气塔17、焦炉煤气压缩机09、料仓和出料装置。所述料仓位于直接还原竖炉01顶部，用于从直接还原竖炉01的加料口向直接还原竖炉01内加入铁矿球团；所述料仓包括炉顶常压料仓10和加压装料仓11；所述铁矿球团先装入炉顶常压料仓10，达到缓冲作用；再进入加压装料仓11，然后从直接还原竖炉01的加料口加入到直接还原竖炉01内；由于直接还原竖炉01内部是高压操作，采用炉顶常压料仓10和加压装料仓11的料仓结构，能在加料时保证直接还原竖炉01内的压力，保障直接还原反应正常进行。所述出料装置包括冷却器12和加压排料仓13；所述冷却器12的进口连通直接还原竖炉01底部的出料口，冷却器12的出口连通加压排料仓13；这样，直接还原竖炉01反应后的球团称之为直接还原铁，直接还原铁经直接还原竖炉01底部的出料口排出；利用冷却器12将直接还原铁降温到50±10℃；再利用加压排料仓13将排出的直接还原铁压力降到常压；最后运送至电炉炼钢厂14进行后续生产。
图1所示，本全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原系统所述焦炉煤气压缩机09的进气口连通焦炉煤气管路，出气口通过两个支路分别连通直接还原竖炉01锥部的还原气进口和加热炉07的燃料进口；本直接还原系统全部采用焦炉煤气作为补充气源；焦炉煤气经过焦炉煤气压缩机09后压力得到提高，一小部分与净化后的顶气组成加热炉的燃料气；剩余大部分进入直接还原竖炉01的锥部，然后向上运动，既可以达到给直接还原铁降温作用，又能除掉焦炉煤气自身携带的重烃；然后与工艺气汇合作为还原气体与铁矿球团发生反应，反应后的废气由顶部排出，也就是顶气。所述直接还原竖炉01顶部的顶气出口通过管路连通顶气换热器02的顶气进口，顶气换热器02的顶气出口通过管路连通除尘冷却系统03的进气口，除尘冷却系统03的出气口通过管路和工艺气压缩机04连通CO2吸收装置；这样直接还原竖炉01排出的顶气经顶气换热器02降温、除尘冷却系统03冷却除尘，经工艺气压缩机04加压后进入CO2吸收装置吸收顶气中的CO2，这样顶气就被净化为工艺气。所述CO2吸收装置的工艺气出口通过管路连通增湿器06的进口，增湿器06的出口连通顶气换热器02的工艺气进口，所述顶气和工艺气在顶气换热器02内换热；这样，净化后的工艺气先经增湿器06增湿后，在顶气换热器02与顶气换热以实现预热。所述顶气换热器02的工艺气出口通过管路连通加热炉07的进气口，加热炉07的出气口通过管路连通直接还原竖炉01中部的工艺气进口，加热炉07和直接还原竖炉01之间的管路上连通有加氧系统08；这样，预热后的工艺气经加热炉07加热后进入直接还原竖炉01与补充的焦炉煤气汇合作为还原气体与铁矿球团发生反应；所述加热后的工艺气可根据需要由加氧系统08补充氧气。所述顶气换热器02为同心管结构，顶气走内管中、工艺气走壳侧；逆向流动，达到热量传递；顶气温度由440～450降到170～180℃，工艺气由60～70升高到250～260℃。
图1所示，本全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原系统所述除尘冷却系统03的出气口通过管路连通焦炉煤气压缩机09与加热炉07之间的支路；这样一部分净化后的顶气即可与一部分经焦炉煤气压缩机09加压后的焦炉煤气混合，组成加热炉的燃料气。
图1所示，本全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原系统所述加热炉07的排烟口通过管路连通有烟气脱气塔17；本系统中加热炉燃烧产生的烟气量很少，烟气中的CO2非常少，为实现零碳排放，本系统利用烟气脱气塔17吸收烟气中CO2；加热炉产生烟气后经过脱气塔再排放，烟气脱气塔17中填充金属有机骨架材料(metal-organic frameworkmaterials)简称MOFs，利用MOFs吸附掉烟气中CO2。所述烟气脱气塔17呈下部粗、上部细结构，内部填充多层MOFs垫；加热炉07生成的烟气由底部进入、顶部排出，达到充分吸收CO2的效果。所述MOFs材料具有比表面积大、孔隙率高、孔道结构有序及结构可修饰的优点，是一种公认有效的CO2封存多孔材料，是利用非共价相互作用来捕获客体分子的物理吸附剂。所述MOFs材料还具有较高的回收性；此外，由于MOFs材料固有的模块性，MOFs可以对孔径和孔化学进行精确的控制；其吸附原理如图2所示。
图1所示，本全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原系统所示CO2吸收装置包括CO2吸收塔05和CO2汽提塔15；所述顶气中CO2利用CO2吸收塔05捕集，在CO2吸收塔05中利用MDEA（胺液）溶液吸收工艺气中多余的CO2；吸收到CO2的MDEA溶液进入CO2汽提塔15；在CO2汽提塔15中，含有CO2的MDEA溶液被蒸汽加热，释放出CO2；所述MDEA溶液释放出CO2后可以再循环利用。释放出的CO2进入CO2精制工厂进行精制，精制后的CO2可以达到工业级再利用，也可以作为食品级利用。
本全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原工艺采用上述的直接还原系统，所述工艺流程为：a. 全部采用焦炉煤气作为补充气源，所述焦炉煤气经过焦炉煤气压缩机09增压后，一少部分与除尘后的顶气组成加热炉07的燃料气，剩余大部分从直接还原竖炉01锥部的还原气进口进入直接还原竖炉01，作为工艺气的补充气体；进入直接还原竖炉01的气体向上运动，既可以达到给直接还原铁降温作用，又能除掉焦炉煤气自身携带的重烃，然后与工艺气汇合作为还原气体与铁矿球团发生还原反应，再利用反应产物进行自重整及渗碳反应，反应后的废气由顶部排出，也就是顶气。
所述铁矿球团先装入炉顶常压料仓10，达到缓冲作用；再进入加压装料仓11，由于直接还原竖炉01内部是高压操作，必须利用该料仓形式装料；反应后的球团称之为直接还原铁，直接还原铁经直接还原竖炉01底部的出料口排出；利用冷却器12将直接还原铁降温到50±10℃；利用加压排料仓13将排出的直接还原铁压力降到常压；最后运送至电炉炼钢厂。
b.所述工艺气在直接还原竖炉01与铁矿球团反应后经顶气出口排出为顶气；所述顶气经顶气换热器02与工艺气换热降温、除尘冷却系统03除尘，冷却到40～50℃；前述经降温、除尘处理后的顶气已经具备燃料气条件，一少部分与焦炉煤气汇合供加热炉07作为燃料气，其余大部分继续进入CO2吸收装置，经吸收多余的CO2后净化为工艺气；
所述CO2吸收装置包括CO2吸收塔05和CO2汽提塔15；工艺回路中CO2利用CO2吸收塔05捕集，在CO2吸收塔05中利用MDEA（胺液）溶液吸收顶气中多余的CO2；剩余必需的CO2随工艺气再次进入直接还原竖炉01循环。工艺气脱碳前后组分见表1。
表1：工艺气脱碳前后组分（vol）
工艺气体由CO2吸收塔05的下部进入，MAED溶液由上部注入，形成对流；为增强吸附效果，CO2吸收塔05采用填充形式，以增大对流接触面积。吸收到CO2的MDEA溶液进入CO2汽提塔15。在CO2汽提塔15中，含有CO2的MDEA溶液被蒸汽加热，释放出CO2。MDEA溶液释放出CO2后可以再循环利用。释放出的CO2进入CO2精制工厂16进行精制，精制后的CO2可以达到工业级再利用，也可以作为食品级利用。
本工艺中采用的MDEA即N-甲基二乙醇胺，分子式为CH3-N(CH2CH2OH)2，分子量119.2，沸点246～248℃，闪点260℃，凝固点-21℃，能与水和醇混溶，微溶于醚；在一定条件下，对二氧化碳等酸性气体有很强的吸收能力，而且反应热小，解吸温度低，化学性质稳定，无毒不降解。
c.所述净化的工艺气进入增湿器06给气体增加水分，水分是重整反应的氧化剂；再进入顶气换热器02中，利用顶气余热回收的热量将工艺气预热；然后进入加热炉07加热工艺气，气体温度加热到850～900℃；为进一步提高反应效率，采用回路中经加氧系统08注入少量氧气，进行局部燃烧，气体温度达到980～1020℃；最后注入直接还原竖炉（01）与铁矿球团反应，形成工艺气-顶气-工艺气的循环闭环。
d. 本工艺中加热炉07燃烧产生的烟气量很少，烟气中的CO2非常少，为实现零碳排放，本工艺利用烟气脱气塔17吸收烟气中CO2。加热炉07产生烟气后经过烟气脱气塔17后再排放，烟气脱气塔17中填充金属有机骨架材料(metal-organic framework materials)简称MOFs，利用MOFs吸附掉烟气中CO2。
e.通过以上步骤，本工艺中焦炉煤气作为全部气源，自循环的工艺气体为还原反应主体气，整个系统中多余的CO2得到全部捕集吸收，形成一种全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原工艺。
Claims (10)
1.一种全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原系统，其特征在于：其包括直接还原竖炉（01）、顶气换热器（02）、除尘冷却系统（03）、工艺气压缩机（04）、CO2吸收装置、加热炉（07）、焦炉煤气压缩机（09）、料仓和出料装置；所述料仓位于直接还原竖炉（01）顶部、出料装置连通直接还原竖炉（01）的出料口；所述焦炉煤气压缩机（09）的进气口连通焦炉煤气管路，出气口通过管路连通直接还原竖炉（01）的还原气进口；所述直接还原竖炉（01）的顶气出口通过管路连通顶气换热器（02）的顶气进口，顶气换热器（02）的顶气出口通过管路依次连通除尘冷却系统（03）、工艺气压缩机（04）和CO2吸收装置；所述CO2吸收装置的工艺气出口通过管路连通顶气换热器（02）的工艺气进口，顶气换热器（02）的工艺气出口通过管路连通加热炉（07）的进气口；所述加热炉（07）的出气口通过管路连通直接还原竖炉（01）的工艺气进口；所述顶气和工艺气在顶气换热器（02）内换热。
2.根据权利要求1所述的全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原系统，其特征在于：所述焦炉煤气压缩机（09）的出气口和除尘冷却系统（03）的出气口通过管路汇合后连通加热炉（07）的燃料进口。
3.根据权利要求1所述的全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原系统，其特征在于：所述CO2吸收装置和顶气换热器（02）之间的管路上还连通有增湿器（06）。
4.根据权利要求1所述的全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原系统，其特征在于：所述加热炉（07）和直接还原竖炉（01）之间的管路上连通有加氧系统（08）。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原系统，其特征在于：所述加热炉（07）的排烟口通过管路连通有烟气脱气塔（17）。
6.一种全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原工艺，采用权利要求1-5任意一项所述的直接还原系统，其特征在于，所述工艺流程为：a.所述焦炉煤气经过焦炉煤气压缩机（09）增压后，进入直接还原竖炉（01）作为工艺气的补充气体；
b.所述工艺气在直接还原竖炉（01）与铁矿球团反应后经排出为顶气；所述顶气经顶气换热器（02）降温、除尘冷却系统（03）除尘、CO2吸收装置吸收CO2后净化为工艺气；
c.所述净化的工艺气进入顶气换热器（02）中经顶气预热，再经加热炉（07）加热后，注入直接还原竖炉（01）与铁矿球团反应。
7.根据权利要求6所述的全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原工艺，其特征在于：所述除尘冷却系统（03）除尘后顶气的一部分与焦炉煤气压缩机（09）增压后焦炉煤气的一部分汇合后，作为加热炉（07）的燃料气。
8.根据权利要求6所述的全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原工艺，其特征在于：所述步骤c中，净化的工艺气经增湿器（06）后进入顶气换热器（02）。
9.根据权利要求6所述的全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原工艺，其特征在于：所述步骤c中，所述工艺气可经加氧系统（08）补充氧。
10.根据权利要求6、7或8所述的全部采用焦炉煤气的零碳排放直接还原工艺，其特征在于：所述步骤c中，加热炉（07）生成的烟气经烟气脱气塔（17）吸收CO2。
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