CN206986212U - 一种采用核反应系统为生产海绵铁工艺供热的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种采用核反应系统为生产海绵铁工艺供热的系统，该系统包括核反应系统、重整系统、中间换热器、竖炉系统、水蒸气添加系统、脱碳装置、混合装置和气体净化系统。本实用新型采用的核能是一种清洁的一次能源，作为直接还原炼铁工艺能量来源，既保证了重整反应需要的温度条件，又不向环境排放温室气体和其它有害废物，将其应用于气基竖炉直接还原炼铁领域，能够有效的降低化石能源的消耗，从源头上减少CO₂排放。

Description

一种采用核反应系统为生产海绵铁工艺供热的系统

技术领域

本实用新型涉及冶金化学领域，更具体地，涉及一种采用核反应系统为生产海绵铁工艺供热的系统。

背景技术

我国是钢铁生产大国，2015年我国大陆粗钢产量为8.04亿吨，占全球总产量49.5％。但是钢铁产业结构不合理，铁钢比高、电炉钢比例小，部分特殊的钢材品种还需进口，我国生铁产量主要是以高炉炼铁-转炉炼钢的长流程为主生产的，能源资源消耗大、CO₂排放高。气基竖炉直接还原技术作为主要的非高炉炼铁技术在国外已得到成熟应用。气基竖炉直接还原技术无需高炉炼铁涉及到的烧结、焦化两个高耗能、高污染工序，具有流程短、节能减排效果明显等优势。这是改善我国钢铁产品结构、提高钢铁产品质量，实现清洁冶炼的重要生产技术。

与高炉等长流程相比，气基竖炉直接还原技术可有效降低CO₂排放，但就其自身而言，该工艺中天然气重整器所需热量全部来源来自于天然气及工艺中炉顶煤气的燃烧，仍然产生大量的CO₂气体，排放到大气中，带来严重环境问题。核能作为一种清洁的一次能源，具有能量密度高的优点。目前，在国内利用核能技术已建有多个核电站，并进入商业运营阶段。核能的产生过程不向环境排放温室气体和其它有害废物，是一种无排放的能源。将核能应用于炼铁领域，将有效的降低化石能源的消耗，减少CO₂排放。Midrex和HYL-Ⅲ两种竖炉直接还原工艺，都采用天然气重整方法制取还原气，进而还原铁矿石。Midrex基本工艺流程中，天然气与经过处理后的60％～70％的炉顶煤气混合进入换热器进行预热，换热器以重整器尾气为热源。预热后的混合气进入重整器催化裂化产生还原气，其温度为850～900℃。其余未利用的炉顶煤气在添加适量天然气后，作为重整器燃料。重整器尾气排出后进入换热器，依次对助燃空气和混合原料气进行预热。HYL-Ⅲ工艺以水蒸气为裂化剂，以天然气为原料，混合后首先进入换热器预热，随后通入重整器催化裂化制取还原气。重整器热源来自天然气和部分炉顶煤气燃烧，重整器烟气显热在烟道换热器中回收，用以预热原料气和水蒸气，从重整器排出的粗还原气首先通过一个热量回收装置，用于水蒸气的生产。

两种工艺流程中的热量来源全部来自于天然气和炉顶气的氧化燃烧，最终燃料中所有碳都生成CO₂，增加温室气体排放。炉顶气中仍然含有大量的CO和H₂，未被充分利用于还原铁矿石，部分用于燃烧提供热量。

因此，为了克服现有技术中产生过多CO₂等技术缺陷，需要一种还原铁工艺的供热源，这样的供热源不产生多余的二氧化碳。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种采用核反应系统为生产海绵铁工艺供热的系统。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

根据本实用新型，提供一种采用核反应系统为生产海绵铁工艺供热的系统，包含：

核反应系统，该核反应系统具有第一进气口和第一出气口；

重整系统，该重整系统包括预热器和重整器；重整器具有第二进气口、第二出气口、第一混合气进口和还原气出口；预热器具有第二混合气进口、第二混合气出口以及第三进气口和第三出气口；预热器的第三进气口与重整器的第二出气口相连，预热器的第二混合气出口与重整器的第一混合气进口相连；

中间换热器，该中间换热器具有第四进气口、第四出气口、第五进气口和第五出气口；中间换热器的第四进气口与核反应系统的第一出气口相连，中间换热器的第四出气口与核反应系统的第一进气口相连；中间换热器的第五出气口与重整器的第二进气口相连；

气体净化系统，该气体净化系统包含依次相连的晶格氧氧化装置、水冷器、分子筛床和脱氮装置；晶格氧氧化装置与预热器的第三出气口相连，脱氮装置与中间换热器的第五进气口相连；

竖炉系统，该竖炉系统包括竖炉本体和与竖炉本体顶部相连的除尘器；竖炉本体与重整器的还原气出口相连；

水蒸气添加系统，该水蒸气添加系统包括蒸汽发生器和加湿器；以及

脱碳装置；

混合装置；

其中，除尘器与蒸汽发生器、脱碳装置、混合装置和加湿器依次相连；蒸汽发生器还与混合装置相连用于向混合装置输送水蒸气；加湿器还与预热器的第二混合气进口连通。

进一步地，核反应系统的核反应堆是球床式高温气冷堆。

进一步地，核反应系统的循环冷却剂为氦气。

进一步地，氦气在核反应系统、中间换热器和重整系统之间循环，用于为重整系统提供热量。

进一步地，脱碳装置为二氧化碳脱除器。

进一步地，气体净化系统的分子筛床和脱氮装置之间设置有气体分流阀，气体分流阀具有第一分流口和第二分流口，第一分流口与脱氮装置相连，第二分流口与中间换热器的第五进气口相连。

进一步地，重整器中设置有第一换热管，重整反应在第一换热管内进行。

进一步地，第一换热管内填充有镍基催化剂。

进一步地，第一换热管的形状是圆形。

进一步地，预热器中设置有第二换热管。

进一步地，晶格氧氧化装置反应温度为800～900℃。

另外，使用如上的系统生产海绵铁的方法，包括以下步骤：

将竖炉本体产生的炉顶气在除尘器中除尘；

除尘完成的炉顶气进入蒸汽发生器中，蒸汽发生器利用炉顶气的热量将水转化成水蒸气，水蒸气进入混合装置中；

炉顶气进入除碳装置中进行除碳后进入混合装置中与甲烷和水蒸气混合，随后再进入加湿器中进一步混入水蒸气形成混合气，混合气进入预热器中进行预热；

经过预热器预热后的混合气进入重整器中发生重整反应得到还原气，还原气通入竖炉本体中；

铁矿制的氧化球团与还原气在竖炉本体中发生反应得到海绵铁产品；

核反应系统使用气体循环冷却剂，经过核反应系统的气体循环冷却剂被加热，随后加热后的气体循环冷却剂通入中间换热器并将热量传递给中间换热器，热量交换完成的气体循环冷却剂回到核反应系统中继续冷却核反应系统；

获得热量的中间换热器加热中间换热器中的用于为重整系统加热的氦气；加热的氦气进入重整系统的重整器中为中的重整反应加热；为重整反应加热后的氦气进入至预热器中为预热过程加热；

为预热器加热完成的氦气经过气体净化系统对氦气中的杂质进行净化，净化后的纯化氦气回到中间换热器中。

进一步地，重整反应为甲烷与二氧化碳以及甲烷与水的双重整反应。

进一步地，重整反应的反应温度为870-890℃。

进一步地，重整反应的催化剂是镍基催化剂。

进一步地，气体循环冷却剂是氦气。

进一步地，气体净化系统的净化过程是为预热器加热完成的氦气进入晶格氧氧化装置中进行氧化、在水冷器中进行降温、在分子筛床中进行吸附；当氦气中混合的氮气含量低于100cm³/m³时，净化后的纯化氦气回到中间换热器中；当氦气中混合的氮气高于100cm³/m³时，经过分子筛床的氦气再通入脱氮装置进行脱氮，脱氮后的纯化氦气回到中间换热器中。

本实用新型的供热过程及原理在于：

核反应系统的高温气冷堆的内核燃料裂变产生热能，采用氦气作为气体循环冷却剂，其最高温度可达950℃，可满足重整反应对温度的要求，能够为重整器提供充足的热量。高温气冷堆的氦气将热量传送给中间换热器，中间换热器加热中间换热器中的氦气用于为重整器加热。从重整器中出来的氦气进入预热器，对甲烷、炉顶气和水蒸汽的混合气进行预热，充分利用氦气的剩余热量。蒸汽发生器的热源为竖炉炉顶气中包含的显热，产生低温蒸汽为甲烷重整反应提供部分水蒸气原料，反应需要的其余水蒸汽通过加湿器提供。

由于本实用新型中两路气体(高温气冷堆的氦气循环以及重整器和预热器的氦气循环)都是在高温高压工况下运行，重整器和预热器中的冷还原气中的CO、H₂等气体容易从预热器的第二换热管和重整器的第一换热管扩散进入氦气循环中，氦气循环中这些杂质气体又容易通过中间换热器进入高温气冷堆氦气循环系统。这些杂质气体的混入，对高温气冷堆的安全运行形成危害(因为CO、H₂等气体均为易燃易爆气体)。为了解决上述问题，本实用新型同时设计了气体净化系统，将从重整器和预热器中排出的含有CO、H₂等杂质气体的氦气进行净化，得到纯化氦气后再进入中间换热器，这样可以有效延长本实用新型系统使用时间，减少更换、净化频率，利于本实用新型系统稳定运行。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的核反应系统使用的球床高温气冷堆，是第四代反应堆堆型之一，具有安全性好、效率高和用途广泛，且适合小容量建造等优点。出口氦气温度可达950℃，可满足重整反应对温度的要求，能够为重整器提供充足的热量。

本实用新型采用的核能是一种清洁的一次能源，作为直接还原炼铁工艺能量来源，既保证了重整反应需要的温度条件，又不向环境排放温室气体和其它有害废物，是一种无排放的能源。将其应用于气基竖炉直接还原炼铁领域，能够有效的降低化石能源的消耗，从源头上减少CO₂排放。同时，通过对炉顶气进行脱碳处理后循环利用，有效提高炉顶气中CO和H₂的利用。

附图说明

图1是按照本实用新型的实施例的采用核反应系统为生产海绵铁工艺供热的系统的示意图；

图2是按照本实用新型的实施例的采用核反应系统为生产海绵铁工艺供热的工艺流程图；

图3是按照本实用新型的实施例的气体净化系统的净化示意图。

附图标记

1竖炉本体、2除尘器、3蒸汽发生器、4除碳装置、5加湿器、6预热器、7重整器、8中间换热器、9核反应系统、10混合装置、11气体净化系统、111晶格氧氧化装置、112水冷器、113分子筛床、114脱氮装置。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型使用的系统包含核反应系统9、重整系统、中间换热器、竖炉系统、水蒸气添加系统、脱碳装置、混合装置10和气体净化系统11。在本示例中，核反应系统9的核反应堆使用球床式高温气冷堆，且具有用于通入氦气的第一进气口和用于输出氦气的第一出气口；重整系统包括预热器6和重整器7；重整器7具有用于通入氦气的第二进气口、用于输出氦气的第二出气口、用于通入混合气的第一混合气进口和还原气出口；预热器6具有用于通入混合气的第二混合气进口、用于输出混合气的第二混合气出口以及用于通入氦气的第三进气口和用于输出氦气的第三出气口；预热器6的第三进气口与重整器7第二出气口相连，预热器6的第二混合气出口与重整器7的第一混合气进口相连，用于将混合气从预热器6传送至重整器7。重整器7中设置有圆形的第一换热管，重整反应在第一换热管内进行，第一换热管内填充有镍基催化剂。预热器6中设置有第二换热管。混合气从预热器6的第二换热管预热后进入重整器7的第一换热管进行重整反应。

中间换热器8具有第四进气口、第四出气口、第五进气口和第五出气口；中间换热器8的第四进气口与核反应系统9的第一出气口相连，以通入氦气，中间换热器8的第四出气口与核反应系统9的第一进气口相连，以输出氦气；中间换热器8的第五出气口与重整器7的第二进气口相连，以向重整器7输出氦气。

气体净化系统11包含依次相连的晶格氧氧化装置111、水冷器112、分子筛床113和脱氮装置114；晶格氧氧化装置111与预热器6的第三出气口相连，脱氮装置114与中间换热器8的第五进气口相连；分子筛床113和脱氮装置114之间设置有气体分流阀，气体分流阀具有第一分流口和第二分流口，第一分流口与脱氮装置114相连，第二分流口与中间换热器8的第五进气口相连，即脱氮装置114与气体分流阀的第二分流口均与中间换热器8的第五进气口相连。

竖炉系统包括竖炉本体1和与竖炉本体1顶部相连的除尘器2；竖炉本体1与重整器7的还原气出口相连。水蒸气添加系统包括蒸汽发生器3和加湿器5。除尘器2与蒸汽发生器3、脱碳装置4、混合装置10和加湿器5依次相连；蒸汽发生器3还与混合装置10相连用于单独输送水蒸气。加湿器5还与预热器6的第二混合气进口连通，预热器6的第二混合气出口与重整器7的第一混合气进口相连，用于将混合气从预热器6传送至重整器7。在本实用新型的实施例中脱碳装置4为二氧化碳脱除器，通过对炉顶气进行脱碳处理后循环利用，有效提高炉顶气中CO和H₂的利用。

本实用新型的实施例的供热具有以下两个循环：

循环1：核反应系统9的循环冷却剂为氦气，氦气冷却球床式高温气冷堆，使得氦气变为高温氦气。高温氦气从核反应系统9的第一出气口流出通过管道输送，从中间换热器8的第四进气口进入中间换热器8。高温氦气与中间换热器8的换热体交换热量，高温氦气自身冷却并从中间换热器8的第四出气口通过管道回到核反应系统9继续作为循环冷却剂。

循环2：中间换热器8的换热体获取热量后加热中间换热器8中的氦气成为高温氦气，高温氦气从中间换热器8第五出气口流出，并通过管道进入重整器7的第二进气口，为重整器7的重整反应加热。为重整器7加热后的氦气损失了一部分热量，随后通过重整器7的第二出气口和预热器6的第三进气口进入预热器6，用于为预热器6提供预热的热量。最后，氦气从预热器6的第三出气口进入气体净化系统11对氦气中的杂质气体进行净化，净化后的纯化氦气回到中间换热器的第五进气口，继续和换热体交换热量，重复循环1。

如图3所示，本实用新型的实施例的气体净化系统11的工作过程为：

步骤100中，本实用新型为了在对从预热器6中排出的低温氦气中的杂质气体CO、H₂、CH₄氧化过程中不引入O₂而重新混入氧气，采用晶格氧氧化装置111。在晶格氧氧化装置111内，CO、H₂、CH₄与载氧体颗粒中的氧反应，生成CO₂和H₂O，该晶格氧氧化装置111采用移动床式反应器，可实现连续化运行。晶格氧氧化装置111反应温度为800-900℃。步骤200中，带有CO₂和H₂O杂质气体的氦气再通入水冷器112降温后，在分子筛床中将氦气中极性分子CO₂和H₂O吸附(步骤300)。

经过上述过程，得到脱除CO、CO₂、H₂、H₂O、CH₄和H₂O的氦气，由于在预热器6和重整器7中，含有少量N₂(约为2～5％)，氦气在循环2中多次循环利用后，氮气会富集，含量升高；分为以下两种情况：1.当氮气含量低于100cm³/m³时，含有氮气的氦气不进入脱氮装置(即第一分流口关闭)，直接通过气体分流阀的第二分流口进入中间换热器8；当氮气含量高于100cm³/m³时，打开气体分流阀的第二分流口且关闭第一分流口，含有氮气的氦气经过分子筛床通入脱氮装置(步骤400)，脱氮后进入中间换热器8。脱氮装置采用活性炭吸附氮气，为了提高吸收效果，必须在低温下进行，因此设计装有活性炭的装置是浸没在液氮的氛围中进行间接冷却，净化后氮气降至0.4cm³/m³。经过净化得到高纯氦气继续进行循环2使用。

如图2所示，本实施例使用的如上所述的系统进行生产海绵铁，并且本实施例采用球床式高温气冷堆的堆芯出口氦气温度为950℃，压力为3MPa，可为重整反应高温供热。高温氦气进入核反应系统9与重整系统之间的中间换热器8，将高温热量传递给中间换热器8。重整系统以氦气为循环加热气体，压力为3MPa，中间换热器内的低温氦气被加热至905℃，905℃的氦气则经管道输送散失部分热量，进入重整器7的氦气温度为890℃，为重整反应供热。出重整器7的中温氦气通入预热器6，用于预热混合气，出预热器6的氦气则通过气体净化系统11除杂后重新进入中间换热器8被加热，循环供热。

350～400℃的竖炉炉顶气成分为：38.2％H₂、19.1％CO、2.8％CH₄、16.4％CO₂、2.5％N₂、21％的水蒸气。经过除尘器2(可以为旋风除尘器)除尘后，炉顶气进入蒸汽发生器3，利用炉顶气的热量生产低温水蒸汽，低温水蒸气直接输送至混合装置10中，炉顶气继续进入除碳装置。混合装置10还外接天然气源用于向混合装置中加入天然气。经过后续CO₂脱除器处理得到的炉顶气、天然气与低温水蒸气在混合装置10中混合后，再通入加湿器补充水蒸气，最终得到重整反应的混合气，其成分为：34％H₂、18％CO、17％CH₄、15％CO₂、13％的水蒸气、3％N₂。混合气进入预热器6进行预热，然后通入重整器7。混合气在870～890℃的温度下、在镍基催化剂作用下进行重整反应，生成还原气成分为：53.2％H₂、34.4％CO、1.9％CH₄、2.5％CO₂、5.4％的水蒸气、2.6％N₂。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围；如果不脱离本实用新型的精神和范围，对本实用新型进行修改或者等同替换，均应涵盖在本实用新型权利要求的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种采用核反应系统为生产海绵铁工艺供热的系统，其特征在于，包含：

核反应系统，所述核反应系统具有第一进气口和第一出气口；

重整系统，所述重整系统包括预热器和重整器；所述重整器具有第二进气口、第二出气口、第一混合气进口和还原气出口；所述预热器具有第二混合气进口、第二混合气出口以及第三进气口和第三出气口；所述预热器的所述第三进气口与所述重整器的所述第二出气口相连，所述预热器的所述第二混合气出口与所述重整器的第一混合气进口相连；

中间换热器，所述中间换热器具有第四进气口、第四出气口、第五进气口和第五出气口；所述中间换热器的所述第四进气口与所述核反应系统的所述第一出气口相连，所述中间换热器的所述第四出气口与所述核反应系统的所述第一进气口相连；所述中间换热器的所述第五出气口与所述重整器的所述第二进气口相连；

气体净化系统，所述气体净化系统包含依次相连的晶格氧氧化装置、水冷器、分子筛床和脱氮装置；所述晶格氧氧化装置与所述预热器的所述第三出气口相连，所述脱氮装置与所述中间换热器的所述第五进气口相连；

竖炉系统，所述竖炉系统包括竖炉本体和与所述竖炉本体顶部相连的除尘器；所述竖炉本体与所述重整器的所述还原气出口相连；

水蒸气添加系统，所述水蒸气添加系统包括蒸汽发生器和加湿器；以及

脱碳装置；

混合装置；

其中，所述除尘器与所述蒸汽发生器、所述脱碳装置、所述混合装置和所述加湿器依次相连；所述蒸汽发生器还与所述混合装置相连用于向所述混合装置输送水蒸气；所述加湿器还与所述预热器的所述第二混合气进口连通。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述核反应系统的核反应堆是球床式高温气冷堆。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述核反应系统的循环冷却剂为氦气。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述氦气在所述核反应系统、所述中间换热器、所述气体净化系统和所述重整系统之间循环，用于为所述重整系统提供热量。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脱碳装置为二氧化碳脱除器。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气体净化系统的所述分子筛床和所述脱氮装置之间设置有气体分流阀，所述气体分流阀具有第一分流口和第二分流口，所述第一分流口与所述脱氮装置相连，所述第二分流口与所述中间换热器的所述第五进气口相连。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述重整器中设置有第一换热管，重整反应在所述第一换热管内进行。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一换热管内填充有镍基催化剂。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一换热管的形状是圆形。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预热器中设置有第二换热管。