CN203513712U

CN203513712U - 一种利用天然气生产气基直接还原铁的系统

Info

Publication number: CN203513712U
Application number: CN201320617474.1U
Authority: CN
Inventors: 周红军; 余长春; 李然家; 周广林; 吴全贵
Original assignee: Beijing Zhong Shi Great New Forms Of Energy Research Institute Co Ltd; China University of Petroleum Beijing
Current assignee: Beijing Zhong Shi Great New Forms Of Energy Research Institute Co Ltd; China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2023-10-08

Abstract

本实用新型涉及一种利用天然气生产气基直接还原铁的系统。该系统包括：氢气混合器、第一精脱硫塔、催化转化炉、气体混合器、竖炉、洗涤器、第二精脱硫塔、脱碳塔、加热器，其中：氢气混合器设有天然气输入口，其出口与第一精脱硫塔连接；第一精脱硫塔设有CO₂/H₂O入口，出口与催化转化炉连接；气体混合器设有含氧气体入口和CO₂/H₂O入口，出口与催化转化炉连接；催化转化炉的出口与竖炉连接；竖炉设有球团矿入口、炉顶气出口和还原铁出口，通过炉顶气出口与洗涤器连接；洗涤器与第二精脱硫塔连接；第二精脱硫塔与脱碳塔连接；脱碳塔设有还原气出口和CO₂出口，并通过还原气出口与加热器连接；加热器与竖炉连接。

Description

一种利用天然气生产气基直接还原铁的系统

技术领域

本实用新型涉及一种利用天然气生产气基直接还原铁的系统，属于直接还原铁生产技术领域。

背景技术

直接还原铁(DRI)又称海绵铁，是一种不用高炉冶炼而得到的金属铁，生产DRI的工艺叫非高炉炼铁工艺。DRI的生产工艺分为煤基和气基两类。目前，气基法占DRI产量的90%，典型工艺是罐式法(HYL法)和竖炉法(Midrex法)，竖炉法采用竖型移动床还原反应器，其主要分两个部分：还原区，在高温下还原气体在该区中循环，800℃以上的氢气和一氧化碳还原氧化铁生成DRI，氢气和一氧化碳生成水和二氧化碳；以及位于还原区下部的冷区，在DRI出料前，经过在一冷却回路中循环的含氢气和一氧化碳的冷却气体将冷却区的DRI冷却至环境温度。

Midrex法以天然气为原料气，用炉顶气中的CO₂作为转化剂，利用CH₄+CO₂→2CO+2H₂反应来生产合成气，转化炉复杂，设备投资大。

HyL-Ⅲ法以天然气和水蒸汽转化制取合成气，反应过程CH₄+H₂O→CO+3H₂，因水蒸汽参加反应且过量，合成气必须冷却脱除后再升温进竖炉，这一降温和升温过程导致工艺过程复杂和能耗高。

中国专利申请CN103276133A公开了一种利用天然气部分氧化生产直接还原铁的方法，反应方程式为：

2H₂+O₂→2H₂O+Q

CH₄+H₂O→CO+3H₂-Q

CH₄+CO₂→2CO+2H₂-Q

部分氧化天然气过程中添加氧气和水蒸汽，水蒸汽的加入易使合成气的还原性能受到影响，导致还原铁质量不高，且申请中没有记载硫化物的含量，硫化物易使设备腐蚀和还原铁质量下降。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种利用生产气基直接还原铁的系统，具有结构简单，易于操作的特点。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种利用天然气生产气基直接还原铁的系统，其是利用天然气催化转化生产气基直接还原铁的系统，其特征在于，该利用天然气生产气基直接还原铁的系统包括：氢气混合器、第一精脱硫塔、催化转化炉、气体混合器、竖炉、洗涤器、第二精脱硫塔、脱碳塔、加热器，其中：

所述氢气混合器设有天然气输入口，并且其出口与所述第一精脱硫塔连接；

所述第一精脱硫塔设有CO₂/H₂O入口，其出口与所述催化转化炉连接，并且，在第一精脱硫塔和催化转化炉的连接管道上设有其他气体输入管道；

所述气体混合器分别设有含氧气体入口和CO₂/H₂O入口，其出口与所述催化转化炉连接；

所述催化转化炉的出口与所述竖炉连接；

所述竖炉设有球团矿入口、炉顶气出口和还原铁出口，其通过炉顶气出口与所述洗涤器连接；

所述洗涤器与所述第二精脱硫塔连接；

所述第二精脱硫塔与所述脱碳塔连接；

所述脱碳塔设有还原气出口和CO₂出口，并通过还原气出口与所述加热器连接；

所述加热器与所述竖炉连接。

在上述利用天然气生产气基直接还原铁的系统中，优选地，所述竖炉为Midrex高温气基还原铁竖炉或HyL高温气基还原铁竖炉。

在上述利用天然气生产气基直接还原铁的系统中，氢气混合器用于向天然气中加入氢气或含有氢气的尾气；

所述第一精脱硫塔设有CO₂/H₂O入口，其出口与所述催化转化炉连接，并且，在第一精脱硫塔和催化转化炉的连接管道上设有其他气体输入管道；第一精脱硫塔用于对天然气进行精脱硫处理，CO₂/H₂O入口用于输入CO₂和/或H₂O以用于控制催化转化炉喷嘴处的火焰温度，其他气体输入管道用于输入净化尾气，以便使经过精脱硫处理的天然气与净化尾气混合得到原料混合气；

气体混合器用于将含氧气体和CO₂和/或H₂O进行混合以用于控制催化转化炉喷嘴处的火焰温度；

所述催化转化炉的出口与所述竖炉连接，用于将催化转化炉获得的高H₂和CO浓度的合成气输入竖炉以作为还原气；

所述竖炉设有球团矿入口、炉顶气出口和还原铁出口，其通过炉顶气出口与所述洗涤器连接；其中，球团矿入口用于向竖炉中输入铁矿，炉顶气出口用于将竖炉产生的炉顶气（还原尾气）输入洗涤器，还原铁出口用于将生产得到的直接还原铁输出；

洗涤器用于对竖炉产生的还原尾气进行洗涤处理；

第二精脱硫塔用于对经过洗涤的还原尾气进行精脱硫处理，以得到净化尾气；

脱碳塔用于对净化尾气进行脱CO₂处理，CO₂出口用于排出脱除的CO₂，还原气出口用于将脱碳后的净化尾气输入加热器中；

加热器用于对输入竖炉的净化尾气进行加热处理。

本实用新型所提供的利用天然气生产气基直接还原铁的系统可以按照以下步骤生产直接还原铁：

使天然气进入氢气混合器与氢气或者含有氢气的气体混合，之后进入第一精脱硫塔与催化剂接触进行精脱硫处理，然后与净化尾气混合得到原料混合气并在预热之后进入催化转化炉，含氧气体经过预热之后进入催化转化炉；

在转化炉中，含氧气体和原料混合气混合并在催化转化炉的喷嘴处部分燃烧（部分氧化），进行甲烷的干重整和/或蒸汽重整，得到高H₂和CO浓度的合成气，为了控制部分燃烧时的火焰温度，可以在进入催化转化炉之前的含氧气体或原料混合气中混入一定量的二氧化碳和/或水蒸汽；

使高H₂和CO催化的合成气进入竖炉，对球团矿等进行还原得到直接还原铁，并通过还原铁出口输出，竖炉顶部产生的还原尾气（炉顶气）进入洗涤器中进行洗涤，洗涤之后的干气进入第二精脱硫塔与氧化锌催化剂接触进行精脱硫处理得到净化尾气，净化尾气再进入脱碳塔脱除其中的CO₂（CO₂通过CO₂出口排出），之后进入加热器进行加热，再通过还原气出口进入竖炉作为还原气参与还原反应，净化尾气也可以在经过第二精脱硫塔之后直接排出，以用于其他用途。

本实用新型提供的利用天然气生产气基直接还原铁的系统具有易于控制，合成气易于达标，结构简单，能耗低等优点，特别适合具有空分的企业。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1为实施例1提供的利用天然气生产气基直接还原铁的系统的结构示意图。

附图标号说明：

氢气混合器1 第一精脱硫塔2 催化转化炉3 气体混合器4 竖炉5洗涤器6 第二精脱硫塔7 脱碳塔8 加热器9

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现参照说明书附图对本实用新型的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本实用新型的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种利用天然气生产气基直接还原铁的系统，其结构如图1所示。该系统包括氢气混合器1、第一精脱硫塔2、催化转化炉3、气体混合器4、竖炉5、洗涤器6、第二精脱硫塔7、脱碳塔8、加热器9，其中：

氢气混合器1设有天然气输入口，其出口与第一精脱硫塔2连接；

第一精脱硫塔2设有CO₂/H₂O入口，其出口与催化转化炉3连接，并且，二者的连接管道上设有其他气体输入管道；

气体混合器4分别设有含氧气体入口和CO₂/H₂O入口，其出口与催化转化炉3连接；

催化转化炉3的出口与竖炉5连接；

竖炉5设有球团矿入口、炉顶气出口和还原铁出口，其通过炉顶气出口与洗涤器6连接；

洗涤器6与第二精脱硫塔7连接，第二精脱硫塔7与脱碳塔8连接；

脱碳塔8设有还原气出口和CO₂出口，并通过还原气出口与加热器9连接；

加热器9与竖炉5连接。

本实施例所提供的利用天然气生产气基直接还原铁的系统可以按照以下步骤进行直接还原铁的生产：

使天然气进入氢气混合器1与氢气或者含有氢气的其他气体（例如竖炉尾气、净化尾气）进行混合，之后进入第一精脱硫塔2与催化剂接触进行精脱硫，然后通过其他气体输入管道输入净化尾气与天然气混合得到原料混合气，并在预热之后进入催化转化炉3，含氧气体经过预热之后进入催化转化炉3；

在催化转化炉3中，含氧气体和原料混合气混合并在催化转化炉3的喷嘴处部分燃烧（部分氧化），进行甲烷的干重整和/或蒸汽重整，得到高H₂和CO浓度的合成气，为了控制部分燃烧时的火焰温度，可以在进入催化转化炉3之前的含氧气体或原料混合气中混入一定量的二氧化碳和/或水蒸汽，例如通过气体混合器4向含氧气体中混入二氧化碳和/或水蒸汽；

使催化转化炉3中产生的高H₂和CO浓度的合成气进入竖炉5，对球团矿等进行还原得到直接还原铁，并通过还原铁出口输出，竖炉5顶部产生的还原尾气（炉顶气）进入洗涤器6中进行洗涤，洗涤之后的干气进入第二精脱硫塔7与氧化锌催化剂接触进行精脱硫处理得到净化尾气，净化尾气再进入脱碳塔8脱除其中的CO₂（CO₂通过CO₂排出），之后进入加热器9进行加热，再进入竖炉5参与还原反应。

实施例2

本实施例提供了一种利用天然气催化转化生产气基直接还原铁的方法，其包括以下步骤，其是采用图1所示的利用天然气生产气基直接还原铁的系统进行：

原料天然气的流量为16000Nm³/h，其中，以体积比计，甲烷的含量约为95%，C₂ ⁺的含量约为4.5%，还含有微量CO₂和N₂组分，总硫含量低于150ppm；

原料天然气通过氢气混合器1补加3%氢气后，换热至280℃，在1.2MPa的压力下，进入临氢吸附精脱硫反应器（第一精脱硫器2），共两个反应器，一开一再生，也可串并联使用，各装临氢吸附精脱硫剂20m³，临氢吸附精脱硫剂含约15wt%的镍和5wt%的钨、余量为氧化锌、氧化铝及氧化镁，含量分别为65wt%、10wt%和5wt%（该精脱硫剂为CUPB-XTS系列临氢吸附脱硫剂，由山东东营科尔特新材料有限公司生产），离开精脱硫反应器的气体的总硫含量小于0.5ppm，得到原料混合气（可以在精脱硫后的天然气中混入部分净化尾气），将其预热到600℃；

以混合有10v%水蒸汽的空分氧气作为含氧气体（氧化剂），水蒸汽用于控制催化转化炉出口处的合成气的温度，通过气体混合器4实现水蒸汽与空分氧气的混合，含氧气体的流量约为9600Nm³/h，预热到600℃；

在0.6MPa的压力下，使原料混合气和含氧气体两股气流进入催化转化炉3的喷嘴处进行混合并部分燃烧，火焰温度控制为1500-1700℃，部分燃烧后得到的高温混合气进入催化转化炉3的催化剂床层，在催化剂作用下发生甲烷二氧化碳干重整转化和甲烷蒸汽转化，得到高H₂和CO浓度的合成气，催化转化炉3中的催化剂的装填量为32m³，天然气转化催化剂为CUPB-DR系列(由山东东营科尔特新材料有限公司生产，含镍约12%、余量为耐高温铝硅镁镧复合氧化物异形载体)，催化转化炉3出口处的合成气的温度约为1000℃，压力约为0.3MPa，合成气的流量约为49650Nm³/h，其中，H₂:H₂O=19.3:1和CO:CO₂=33.5:1，均为摩尔比，竖炉入口合成气的组成满足(H₂+CO)/(H₂+CO+H₂O+CO₂)的摩尔比为0.96，指标达到气基直接还原铁要求，可直接用于还原铁生产；

上述步骤制造的合成气的温度高达1000℃，氧化度为4.2%，H₂:CO的摩尔比值约为1.82:1，将其输入Midrex高温气基还原铁竖炉5进行生产；

使用流量为49650Nm³/h的合成气生产直接还原铁，产量约为31t/h，还原铁后得到的还原尾气经过冷却、洗涤（洗涤器6）、压缩后得到净化尾气，其中，还原尾气经过洗涤后得到的干基还原尾气的流量约为34440Nm³/h，利用第二精脱硫器7采用精脱硫工艺对净化尾气进行脱硫，使其总硫含量低于0.5ppm，然后利用脱碳塔8采用变压吸附法脱碳，脱出的部分二氧化碳可以作为原料加入氧气或天然气中使用，脱硫脱碳净化后的净化尾气的流量约为26560Nm³/h，水和二氧化碳的含量很低，氧化度约为3.5%，是优质的气基还原铁还原气，可以使用其中2950Nm³/h的部分作为燃料将另外的23610Nm³/h的气体加热到约900℃（通过加热器9实现），然后使被加热的气体与合成气（催化转化的产品气）混合或直接作为竖炉还原气，由此可以增产还原铁约15t/h，实现还原铁尾气的合理利用。

Claims

1.一种利用天然气生产气基直接还原铁的系统，其特征在于，该利用天然气生产气基直接还原铁的系统包括：氢气混合器、第一精脱硫塔、催化转化炉、气体混合器、竖炉、洗涤器、第二精脱硫塔、脱碳塔、加热器，其中：

所述催化转化炉的出口与所述竖炉连接；

所述洗涤器与所述第二精脱硫塔连接；

所述第二精脱硫塔与所述脱碳塔连接；

所述加热器与所述竖炉连接。

2.根据权利要求1所述的利用天然气生产气基直接还原铁的系统，其特征在于，所述竖炉为Midrex高温气基还原铁竖炉或HyL高温气基还原铁竖炉。