CN115652008B - 一种冶炼还原气的高温富碳重整系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冶炼还原气的高温富碳重整系统及工艺，包括热解重整炉、煤粉制备装置、旋风分离装置、气化重整炉、冶炼还原装置、燃烧器、高温煤气换热器、空气换热器、中温煤气换热器、余热锅炉、煤气加压装置；本发明直接以循环煤气作为气化剂，直接参与气化反应，有效降低了循环煤气中的CO2、H2O，增加了CO、H2，反应温度高于1500℃，反应中焦粉(C)足量，更加有利于气化反应中CO、H2的产生；本发明以循环煤气为煤粉热解提供热量，在1200℃的高温条件下，更有利于煤粉热解产生小分子的CO、H2等气体，其中，煤热解产生大量H2，提高煤气中H2成分，提高煤气还原势。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种冶炼还原气的高温富碳重整系统及工艺。
背景技术
气基竖炉直接还原法是当今世界上的主流直接还原工艺，全球采用气基竖炉直接还原工艺生产的海绵铁占比大于75％。气基还原工艺因其在节能减排、低碳环保方面的作用受到政策层面支持，气基还原技术是产品质量优良的低碳绿色炼铁技术，应该成为我国直接还原炼铁技术的主要发展方向。
希尔法(HYL)工艺与米德莱克斯法(Midrex)工艺是主要的也是比较成熟的气基竖炉直接还原铁工艺，还原尾气中含有大量的CO、H2，直接排放污染环境、浪费资源，用来发电、供热联产效率低下，间接造成资源浪费。为提高还原气成分利用率，节约成本，需要对还原气进行重整循环利用。其中，HYL工艺还原气重整以水蒸气为裂化剂，以天然气为原料通过催化裂化反应制取。Midrex工艺还原气是用天然气经催化裂化制取的，裂化剂采用炉顶煤气。这些工艺对还原气进行重整都是以天然气为原料，在天然气资源匮乏的地区，无法支撑工业大规模生产。
科研人员提出了基于煤制气的气基竖炉还原工艺，为天然气资源匮乏地区发展直接还原工艺开辟了新途径。该工艺炉顶煤气循环利用主要有两种方式，一是用焦炉煤气与处理后的炉顶煤气混合、重整，二是使用煤气化后的气体与炉顶煤气混合、重整，发明人发现，两种重整方式基于自身还原势的限制，在与循环煤气混合、重整后，得到的还原气还原势偏低，能源利用率不高。
中国发明专利-CN108728601A-一种基于顶煤气循环利用的炼铁方法，通过在其汽化炉拱顶区域1050℃的空间内，喷入碳粉与顶煤气中的二氧化碳发生反应生成一氧化碳，再与冷煤气混合调温，实现对顶煤气的循环利用。发明人发现，该方法气化温度受炉顶煤气最高温度以及还原空间限制，反应生成的CO有限，煤气还原气体组分偏低。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种冶炼还原气的高温富碳重整系统及工艺，通过在高温、富碳、纯氧条件下重整得到的还原气，提高了还原气的还原势，进一步有效提高了能源利用率。
本发明的技术方案如下：
第一方面，提供了一种冶炼还原气的高温富碳重整系统，包括依次连接的冶炼还原装置、中温煤气换热器、余热锅炉和煤气加压装置；其中，煤气加压装置的煤气出口分别连接中温煤气换热器冷介质入口、燃烧器煤气入口、煤气外供口；
还包括高温煤气换热器，用于将来自燃烧器的烟气和来自中温煤气换热器的煤气进行热量交换；气化重整炉，用于进行一次还原气重整；热解重整炉，用于进行二次还原气重整。
在本发明的一些实施例中，所述高温煤气换热器与空气预热器相连，空气预热器将空气利用烟气余热加热，空气预热器烟气出口连接排放烟囱。
在本发明的一些实施例中，所述气化重整炉与余热锅炉的水蒸气出口、空气预热器的空气出口、高温煤气换热器的煤气出口相连；气化重整炉的底部与热解重整炉底部通过U型段连接，U型连接段下部设有排渣口。
在本发明的一些实施例中，所述热解重整炉底部连接煤粉制备装置，热解重整炉顶部与旋风分离装置连接，旋风分离装置底部与气化重整炉连接，旋风分离装置上部与冶炼还原装置连接。
第二方面，提供了一种冶炼还原气的高温富碳重整工艺，包括以下步骤：
(1)在冶炼还原装置中参与冶炼后的煤气，先进入中温煤气换热器降温，再进入余热锅炉进一步降温；
(2)降温后的煤气进入加压装置加压，加压后的循环煤气一部分进入中温煤气换热器，一部分进入燃烧器，剩余部分外送；
(3)进入中温煤气换热器的循环煤气进行加热，得到中温循环煤气，然后再进入高温煤气换热器进一步加热，最后进入气化重整炉，进行一次还原气重整；
(4)进行气化重整后的循环煤气进入热解重整炉底部，与部分中温循环煤气混合调温，混合循环煤气在热解重整炉中，进行二次还原气重整；
(5)热解产生的焦粉和还原气进行气固分离，分离的重整还原气进入冶炼还原装置，参与冶炼还原反应，分离的固体焦粉进入气化重整炉，参与冶炼还原气气化重整。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，参与冶炼后的煤气温度在600-700℃，煤气在中温煤气换热器中降温至300-400℃，煤气在余热锅炉中温度降低到150℃以下。
在本发明的一些实施例中，步骤(2)中，40-60％的循环煤气重新进入中温煤气换热器被加热；20-40％的循环煤气进入高温煤气换热器顶部燃烧器燃烧产生高温烟气，高温烟气进入高温煤气换热器，为中温循环煤气二次加热；10-30％循环煤气外送，用作其他用途。
在本发明的一些实施例中，步骤(3)中，在中温煤气换热器中，循环煤气温度由150℃加热至500-700℃得到中温循环煤气，在高温煤气换热器中，中温循环煤气温度由500-700℃加热至1100-1200℃；进一步地，一次还原气重整具体为：在气化重整炉中，循环煤气与通入炉内过量的焦粉、O2、水蒸气发生氧化还原反应，反应以放热反应为主，温度维持在1500℃以上。
在本发明的一些实施例中，步骤(4)中，混合调温具体为：1500℃的高温循环煤气与部分500-700℃的中温循环煤气混合调温，使温度维持在1100-1200℃。
在本发明的一些实施例中，步骤(4)中，二次还原气重整具体为：向热解重整炉内喷入煤粉，煤粉在1100-1200℃的高温下快速热解，吸收热量，使煤气温度降至900℃以下，煤粉热解产生大量的CO、H2气体，同时产生大量的焦粉。
本发明的技术特点及有益效果：
(1)本发明直接以循环煤气作为气化剂，直接参与气化反应，有效降低了循环煤气中的CO2、H2O，增加了CO、H2，反应温度高于1500℃，反应中焦粉(C)足量，更加有利于气化反应中CO、H2的产生。
(2)本发明中以循环煤气为煤粉热解提供热量，在1200℃的高温条件下，更有利于煤粉热解产生小分子的CO、H2等气体，其中，煤热解产生大量H2，提高煤气中H2成分，提高了煤气还原势。
(3)本发明在高温、富碳、纯氧条件下重整得到的还原气，本身CO、H2成分就高于煤制气、焦炉煤气，而且不需要进一步的掺混稀释，因此还原势远高于利用煤制气、焦炉煤气重整得到的还原气。
(4)本发明实现了80％以上的还原气被系统循环利用，仅有少量煤气外供他用，有效提高了能源利用率，无NOx排放，仅有少量CO2排放，最大限度做到了节能减排环保；并且通过设置的中温煤气换热器、高温煤气换热器和空气预热器实现了对系统中循环煤气、烟气的余热利用，提高了能源利用率；通过在气化重整炉内实现高温熔融排渣，残渣可铺路、制砖，无粉尘排放，清洁环保。
(5)本发明提供的重整工艺利用循环煤气对还原气进行两次重整，提高了煤气的还原势，同时摆脱了气基竖炉直接还原法对天然气的依赖，充分发挥我国煤炭资源丰富的优势，使气基竖炉直接还原法在我国可以实现工业大规模生产。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的冶炼还原气的高温富碳重整系统的结构示意图。
图中：1、热解重整炉；2、煤粉制备装置；3、旋风分离装置；4、气化重整炉；5、冶炼还原装置；6、燃烧器；7、高温煤气换热器；8、空气预热器；9、中温煤气换热器；10、余热锅炉；11、煤气加压装置；12、排渣口。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1
针对现有技术的不足，如图1所示，本发明提供了一种冶炼还原气的高温富碳重整系统，包括热解重整炉1、煤粉制备装置2、旋风分离装置3、气化重整炉4、冶炼还原装置5、燃烧器6、高温煤气换热器7、空气换热器8、中温煤气换热器9、余热锅炉10、煤气加压装置11。
其中，冶炼还原装置5煤气出口连接中温煤气换热器9热介质入口，中温煤气换热器9热介质出口连接余热锅炉10热介质入口，余热锅炉10冷介质出口连接煤气加压装置11，煤气加压装置煤气11出口分别连接中温煤气换热器9冷介质入口、燃烧器6煤气入口、煤气外供口。
燃烧器6连接高温煤气换热器7，高温煤气换热器7烟气出口连接空气预热器8，空气预热器8烟气出口连接排放烟囱，中温煤气换热器9冷介质出口分别连接高温煤气换热器7冷介质入口、热解重整炉1底部，高温煤气换热器7冷介质出口连接气化重整炉4顶部，空气预热器8热空气出口连接气化重整炉4顶部，余热锅炉10水蒸气出口连接气化重整炉4顶部。
气化重整炉4底部与热解重整炉1底部通过U型段连接，U型连接段下部设有排渣口，煤粉制备装置2与热解重整炉1底部连接，热解重整炉1顶部与旋风分离装置3连接，旋风分离装置底部与气化重整炉连接，旋风分离装置上部与冶炼还原装置连接。
冶炼还原装置5是用于冶炼金属的装置，煤气进入冶炼还原装置参与冶炼之后，其中的CO、H2被消耗，CO2、H2O含量增加，还原势降低，温度降低至700℃左右。
中温煤气换热器9为一种热交换器，用于将来自冶炼还原装置5的煤气和来自煤气加压装置11的循环煤气进行热量交换，在中温煤气换热器中，来自冶炼还原装置5的煤气温度由700℃左右降低至300-400℃，进入余热锅炉10，而来自煤气加压装置11的循环煤气温度由原来的由150℃升高至500-700℃的中温循环煤气，加热后的中温循环煤气大部分进入高温煤气换热器9，剩余部分进入热解重整炉1。
余热锅炉10对来自中温煤气换热器9中的煤气进行进一步的余热利用，在余热锅炉中，300-400℃的煤气对水进行加热，将水加热为水蒸气，而煤气的温度则由300-400℃降低至150℃左右，而加热后的水蒸气送入气化重整炉4的顶部，参与气化反应。
煤气加压装置11为加压风机，用于对余热锅炉降温后的煤气进行加压，压力升高至所需压力，压力升高后的煤气称为循环煤气，其中，40-60％的循环煤气重新进入中温煤气换热器9被加热，进行热量的循环利用，温度由150℃升高至500-700℃的中温循环煤气。20-40％的循环煤气进入高温煤气换热器7顶部燃烧器6燃烧产生高温烟气，高温烟气进入高温煤气换热器7，为循环煤气二次加热，剩余10-30％煤气外送，用作其他用途。
燃烧器6用于对来自煤气加压装置11的部分循环煤气进行燃烧，燃烧产生的高温烟气进入高温煤气换热器7。
高温煤气换热器7为一种热交换器，用于将来自燃烧器6的高温烟气和来自中温煤气换热器9的部分中温循环煤气进行热量交换，高温烟气将中温循环煤气温度由500-700℃加热至1100-1200℃，然后输送至气化重整炉，降温后的高温烟气进入空气预热器8。
空气预热器8也为一种热交换器，在空气预热器中，烟气将空气或氧气进行加热，实现了烟气余热的进一步利用，加热后的空气或氧气进入气化重整炉，烟气进入排放烟囱进行排放。
气化重整炉4用于进行一次还原气重整，在气化重整炉4中，来自高温煤气换热器7的循环煤气、来自旋风分离装置3的焦粉、来自空气预热器8的氧气、来自余热锅炉10的水蒸气发生氧化还原反应，反应以放热反应为主，温度维持在1500℃以上，实现一次还原气重整，提高煤气温度，产生大量CO、H2，提高还原势。在气化重整炉内富碳气氛下发生的化学反应有：2C+O2＝2CO、C+H2O＝CO+H2、C+CO2＝2CO。在气化重整炉4中产生的1500℃的高温循环煤气进入热解重整炉1。气化重整炉4内，焦粉中的灰分被高温熔融，沿炉壁上的排渣口12进入渣池排出。
热解重整炉1用于进行二次还原气重整，来自气化重整炉4的1500℃高温循环煤气和来自中温煤气换热器9的500-700℃部分中温循环煤气进行混合调温，使温度维持在1200℃左右，混合循环煤气在热解重整炉1进行二次还原气重整；煤粉制备装置2制得的煤粉粒径为50-200μm，向热解重整炉1内喷入煤粉，煤粉在1200℃的高温下快速热解，吸收热量，使煤气温度降至900℃左右，煤粉热解产生大量的CO、H2等气体，同时产生大量的焦粉；热解产生的焦粉随还原气一同进入旋风分离器3，进行气固分离。
旋风分离装置3用于实现热解重整炉热解产物的气固分离，其中，重整后的还原气进入冶炼还原装置5，参与冶炼还原反应，固体焦粉被分离下来，被输送进入气化重整炉4，参与冶炼还原气气化重整。
本实施例在高温、富碳、纯氧条件下重整得到的还原气，本身CO、H2成分就高于煤制气、焦炉煤气，而且不需要进一步的掺混稀释，因此还原势远高于利用煤制气、焦炉煤气重整得到的还原气，另外，本实施例进行了多次热量交换，实现了余热利用，有效提高了能源利用率。
实施例2
一种冶炼还原气的高温富碳重整工艺，包括以下步骤：
(1)在冶炼还原装置中参与冶炼后的煤气温度在600-700℃，先进入中温煤气换热器降温到300—400℃，再进入余热锅炉进一步降温到150℃以下；
(2)降温后的煤气进入加压装置加压，加压后的循环煤气一部分进入中温煤气换热器，一部分进入燃烧器，剩余部分外送；具体为：40-60％的循环煤气重新进入中温煤气换热器被加热；20-40％的循环煤气进入高温煤气换热器顶部燃烧器燃烧产生高温烟气，高温烟气进入高温煤气换热器，为循环煤气二次加热；10-30％循环煤气外送，用作其他用途。
(3)进入中温煤气换热器的循环煤气进行加热，温度由150℃升高至500-700℃，得到中温循环煤气，然后在进入高温煤气换热器进一步加热，加热至1100-1200℃，最后进入气化重整炉，进行一次还原气重整；一次还原气重整具体为：在气化重整炉中，循环煤气与通入炉内过量的焦粉、O2、水蒸气发生氧化还原反应，反应以放热反应为主，温度维持在1500℃以上。
(4)进行气化重整后的循环煤气进入热解重整炉底部，与部分中温循环煤气混合调温，混合循环煤气在热解重整炉中，进行二次还原气重整；混合调温具体为：1500℃的高温循环煤气与部分500-700℃的中温循环煤气混合调温，使温度维持在1200℃；二次还原气重整具体为：向热解重整炉内喷入煤粉，煤粉在1200℃的高温下快速热解，吸收热量，使煤气温度降至900℃左右，煤粉热解产生大量的CO、H2气体，同时产生大量的焦粉。
(5)热解产生的焦粉和还原气进行气固分离，分离的重整还原气进入冶炼还原装置，参与冶炼还原反应，分离的固体焦粉进入气化重整炉，参与冶炼还原气气化重整。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种冶炼还原气的高温富碳重整系统，其特征在于，包括依次连接的冶炼还原装置、中温煤气换热器、余热锅炉和煤气加压装置；其中，煤气加压装置的煤气出口分别连接中温煤气换热器冷介质入口、燃烧器煤气入口、煤气外供口；
还包括高温煤气换热器，用于将来自燃烧器的烟气和来自中温煤气换热器的煤气进行热量交换；气化重整炉，用于进行一次还原气重整；热解重整炉，用于进行二次还原气重整；
所述高温煤气换热器与空气预热器相连，空气预热器将空气利用烟气余热加热，空气预热器烟气出口连接排放烟囱；
所述气化重整炉与余热锅炉的水蒸气出口、空气预热器的空气出口、高温煤气换热器的煤气出口相连；气化重整炉的底部与热解重整炉底部通过U型段连接，U型连接段下部设有排渣口；
所述热解重整炉底部连接煤粉制备装置，热解重整炉顶部与旋风分离装置连接，旋风分离装置底部与气化重整炉连接，旋风分离装置上部与冶炼还原装置连接。
2.一种冶炼还原气的高温富碳重整工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在冶炼还原装置中参与冶炼后的煤气，先进入中温煤气换热器降温，再进入余热锅炉进一步降温；
(2)降温后的煤气进入加压装置加压，加压后的循环煤气一部分进入中温煤气换热器，一部分进入燃烧器，剩余部分外送；
(3)进入中温煤气换热器的循环煤气进行加热，得到中温循环煤气，然后再进入高温煤气换热器进一步加热，最后进入气化重整炉，进行一次还原气重整；
(4)进行气化重整后的循环煤气进入热解重整炉底部，与部分中温循环煤气混合调温，混合循环煤气在热解重整炉中，进行二次还原气重整；
(5)热解产生的焦粉和还原气进行气固分离，分离的重整还原气进入冶炼还原装置，参与冶炼还原反应，分离的固体焦粉进入气化重整炉，参与冶炼还原气气化重整。
3.如权利要求2所述的冶炼还原气的高温富碳重整工艺，其特征在于，步骤(1)中，参与冶炼后的煤气温度在600-700℃，煤气在中温煤气换热器中降温至300-400℃，煤气在余热锅炉中温度降低到150℃以下。
4.如权利要求2所述的冶炼还原气的高温富碳重整工艺，其特征在于，步骤(2)中，40-60％的循环煤气重新进入中温煤气换热器被加热；20-40％的循环煤气进入高温煤气换热器顶部燃烧器燃烧产生高温烟气，高温烟气进入高温煤气换热器，为中温循环煤气二次加热；10-30％循环煤气外送，用作其他用途。
5.如权利要求2所述的冶炼还原气的高温富碳重整工艺，其特征在于，步骤(3)中，在中温煤气换热器中，循环煤气温度由150℃加热至500-700℃得到中温循环煤气，在高温煤气换热器中，中温循环煤气温度由500-700℃加热至1100-1200℃；进一步地，一次还原气重整具体为：在气化重整炉中，循环煤气与通入炉内过量的焦粉、O2、水蒸气发生氧化还原反应，反应以放热反应为主，温度维持在1500℃以上。
6.如权利要求2所述的冶炼还原气的高温富碳重整工艺，其特征在于，步骤(4)中，混合调温具体为：1500℃以上的高温循环煤气与部分500-700℃的中温循环煤气混合调温，使温度维持在1100-1200℃。
7.如权利要求6所述的冶炼还原气的高温富碳重整工艺，其特征在于，步骤(4)中，二次还原气重整具体为：向热解重整炉内喷入煤粉，煤粉在1100-1200℃的高温下快速热解，吸收热量，使煤气温度降至900℃以下，煤粉热解产生大量的CO、H2气体，同时产生大量的焦粉。
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