CN215517509U - 一种气基直接还原铁的生产系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种气基直接还原铁的生产系统。该生产系统包括依次连接的蒸汽裂解装置、分离装置、干重整装置、竖炉、第一电磁感应装置；其中，蒸汽裂解装置用于实现含有低碳烷烃的裂解原料的蒸汽裂解反应；分离装置用于分离蒸汽裂解反应的产物得到烯烃和混合气；干重整装置用于实现混合气的干重整得到合成气；竖炉用于利用合成气生产还原铁；第一电磁感应装置包括第一电源、第一电容、第一感应线圈，第一感应线圈与第一电源连接形成回路，第一电源与第一电容并联；第一感应线圈缠绕在蒸汽裂解装置的反应管外部。本实用新型利用电通过电磁线圈为蒸汽裂解、干重整提供能量，能够为电提供新的用途，解决目前电力过剩的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种气基直接还原铁的生产系统，属于钢铁冶金技术领域。
背景技术
二氧化碳大量排放及环境污染导致气候变暖和雾霾，威胁人类生存及民众健康，有效的解决途径是能源脱碳化和减少化石能源消耗，特别是煤炭的使用；同时开发利用可再生能源，尤其是光伏、风电和水电等绿色来源的电(简称：绿电)。
电能不同于煤、石油、天然气等化石能源那样容易存储，必须实现生产、传输和利用同时在线，这一特点决定了电力作为能源必须考虑其时间维度的核心特性，协调好供电端、电能与消纳端三方的关系，力争做到同步，任何一方的脱节将影响电力的全局。
目前，光伏、风电与水电等可再生能源发电的生产在空间上常与消纳端不匹配，从而产生绿电的生产、传输和消纳之间的矛盾，如中国的光伏、风电、水电资源主要分布在西北和西南地区，而能源消纳端集中在东部沿海经济发达地区，二者相距几千公里。通过长距离输送绿电是解决上述问题的方法之一，单长距离输出同样存在生产、传输和消纳三方协调问题，且存在输出波动及经济性不佳难以消纳等问题。因此西部产生的大量绿电既无法长距离输出至东部，在当地又没有适宜的消纳场景，造成大量弃风、弃水、弃光的现象。
绿电生产必须有效解决本地消纳及可控负荷波动这两大难题。通过现场储能装置(如光伏电场配储能)只能解决调峰及可控负荷，仍难以解决消纳问题，况且目前的储能技术亦难以实现大规模电能的低成本储存。
因此，为电能寻找新的出路是电力领域亟待解决的技术问题。
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气基直接还原铁的生产系统，该生产系统利用电磁感应为对低碳烷烃的蒸汽裂解反应提供能量，生产烯烃和氢气，再通过干重整得到合成气，用于生产还原铁，能够替代传统的蒸汽裂解供能方式，为电的使用提供新的方向。
为达到上述目的，本实用新型提供了一种气基直接还原铁的生产系统，其中，该生产系统包括依次连接的蒸汽裂解装置、分离装置、干重整装置、竖炉、第一电磁感应装置；
其中，所述蒸汽裂解装置用于实现含有低碳烷烃的裂解原料的蒸汽裂解反应；
所述分离装置用于分离蒸汽裂解反应的产物得到烯烃和混合气；
所述干重整装置用于实现混合气的干重整得到合成气；
所述竖炉用于利用合成气生产还原铁；
所述第一电磁感应装置包括第一电源、第一电容、第一感应线圈，所述第一感应线圈与所述第一电源连接形成回路，所述第一电源与所述第一电容并联；
所述第一感应线圈缠绕在所述蒸汽裂解装置的反应管外部。
根据本实用新型的具体实施方案，优选地，该生产系统还包括第二电磁感应装置；
所述第二电磁感应装置包括第二电源、第二电容、第二感应线圈，所述第二感应线圈与所述第二电源连接形成回路，所述第二电源与所述第二电容并联；
所述第二感应线圈缠绕在所述干重整装置的反应管外部。
本实用新型的技术方案通过感应线圈对蒸汽裂解装置的反应管、干重整装置的反应管进行加热，通过反应管为裂解原料或干重整原料供热。在感应线圈通电之后，反应管与感应线圈之间产生电磁感应，反应管生热，从而实现对于反应管内部的裂解原料、干重整原料的加热。其中，所述感应线圈优选是缠绕在反应管外部，反应管与感应线圈之间可以以保温材料(例如水泥、防火材料等)填充。常规的蒸汽裂解装置、干重整装置是通过燃油、燃气的燃烧提供热量，然后通过与反应管换热实现对于反应管的加热，进而加热反应管中的裂解原料、干重整原料，然而这种换热往往都不均匀，热量会在局部区域集中，导致裂解反应也不均匀。而本实用新型通过感应线圈对反应管进行加热，加热效率高，而且感应线圈在反应管均匀分布，能够使反应管均匀地产生电磁感应，实现对于裂解原料、干重整原料的均匀加热。而且，干重整是吸热反应，而本实用新型采用电磁感应线圈为干重整反应提供热量，具有较高的效率，可以保证安全性。而且，采用本实用新型的技术方案，可以实现零CO2排放。
根据本实用新型的具体实施方案，优选地，所述第一感应线圈选自铁氧体线圈、铁芯线圈、空心线圈、铜芯线圈中的一种。
根据本实用新型的具体实施方案，优选地，所述第二感应线圈选自铁氧体线圈、铁芯线圈、空心线圈、铜芯线圈中的一种。
根据本实用新型的具体实施方案，优选地，所述第一电源为中频电源或高频电源。
根据本实用新型的具体实施方案，优选地，所述第二电源为中频电源或高频电源。上述第一电源、第二电源可以是常用的工业电源。
根据本实用新型的具体实施方案，输入感应线圈的电流的频率通过电源和电容调节，一般为中频电流或高频电流，以满足电磁感应以及控制反应温度的需要，在实施过程中，可以根据所需要的反应温度来选择控制电流的频率。感应线圈与电源连接形成回路，并且，电源与电容并联。电源的功率等规格参数可以根据需要调节到的频率进行选择，所述电源的额定功率可以为100-1000KW，优选为200-500KW。电容的规格也可以根据需要进行选择，能够与电源配套，满足频率控制要求即可。
根据本实用新型的具体实施方案，优选地，所述蒸汽裂解装置的反应管为316L 不锈钢炉管、304S不锈钢炉管、HK40高温炉管、HP40高温炉管、HP Micro Alloy微合金钢炉管或Manaurite XTM蒸汽裂解装置用炉管等能够耐受1000℃高温的反应管；所述干重整装置的反应管为316L不锈钢炉管、304S不锈钢炉管、HK40高温炉管、 HP40高温炉管或HP MicroAlloy微合金钢炉管等能够耐受1000℃高温的反应管。
根据本实用新型的具体实施方案，优选地，所述蒸汽裂解装置的反应管的内径为50-250mm；所述干重整装置的反应管的内径为50-250mm。
根据本实用新型的具体实施方案，优选地，所述干重整装置设有气体入口，用于输入二氧化碳或水蒸气。
根据本实用新型的具体实施方案，分离装置用于分离蒸汽裂解反应的产物得到烯烃和混合气，该分离装置可以采用能够上述分离需求的装置或设备，只要能够实现乙烯、丙烯、1,3-丁二烯与其他气体的分离即可，分离之后得到含有氢气、甲烷和乙烷的混合气，以及乙烯、丙烯和/或1,3-丁二烯，其中，乙烯、丙烯和/或1,3-丁二烯可以作为产品输出，混合气则进入干重整装置进行进一步的干重整，使甲烷、丙烷与水和/或CO2经过干重整得到CO、H2，从而得到合成气，并输送到竖炉用于生产还原铁。其中，在实施过程中，可以对合成气的组成进行调节，将合成气的组成调整为：CO+H2的体积百分比含量＞90％，H2/CO体积比为1.5-2.5，从而能够进入竖型移动床反应器中用于生产还原铁。
根据本实用新型的具体实施方案，优选地，该生产系统还包括脱硫装置，该脱硫装置，该脱硫装置设置于所述干重整装置和所述竖炉之间。
采用本实用新型的生产系统可以按照以下步骤进行生产：
采用蒸汽裂解装置对含有低碳烷烃的裂解原料进行蒸汽裂解反应，其中，采用第一电磁感应装置的第一感应线圈通过电为含有低碳烷烃的裂解原料的蒸汽裂解反应提供能量；
采用分离装置对蒸汽裂解反应的产物进行分离，得到含有氢气、甲烷和乙烷的混合气，以及烯烃(乙烯、丙烯和/或1,3-丁二烯)；
含有氢气、甲烷和乙烷的混合气与水和/或CO2混合之后作为干重整原料，进入干重整装置通过干重整反应生产合成气；可以采用电为干重整反应提供能量；
合成气输入竖炉用于生产还原铁。
本实用新型的生产系统所采用的裂解原料中的低碳烷烃可以选自C2-C8的烷烃；例如乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、正己烷、异己烷、正庚烷、异庚烷、正辛烷、异辛烷中的一种或两种以上的组合；例如含有丙烷、正丁烷、异丁烷的丙丁烷原料。蒸汽裂解反应的反应温度、水油比、停留时间等可根据需要进行控制。
传统烯烃工业为高耗能工业，传统乙烯工业每生产一吨乙烯约耗能0.5吨燃料。世界上著名的烯烃技术公司的蒸汽裂解装置全采用蒸汽裂解装置，燃料烧嘴管外加热方式供能，这种方式的结构复杂，设备投资大，裂解炉投资约占整个烯烃生产投资的 30％。本实用新型改用电供能，没有了烧嘴燃烧和烟气能量回收系统，并且能够实现单根炉管加热与烧碳处理，以及炉管内部供能，为传统燃烧加热难以实现之特点，具有强的创新性和一系列自由度优势，显著简化了烯烃生产流程，增加了工艺的灵活性，利用碳四碳五组分等生产烯烃与氢气，设备投资小，结构简单且节能减排。
本实用新型利用电通过电磁线圈为蒸汽裂解反应、干重整反应提供能量，能够为电提供新的用途，解决目前电力过剩的问题；而且利用电磁线圈提供能量能够使蒸汽裂解装置的反应管、干重整装置的反应管的热量分布更加均匀，更便于控制反应温度和反应的进行。
本实用新型将电能用于低碳烷烃等通过蒸汽裂解制备低碳烯烃的反应，丙烯的收率可以达到10％以上，乙烯收率可以达到15％以上，甚至可以达到接近40％的程度，而且，丁烷转化率较高。
目前的钢铁工业生产缺少氢气来源，钢铁冶炼所需要的氢气来源主要依赖于电解水，但是成本较高，且反应安全性较低。本实用新型所提供的技术方案采用电通过电磁感应的方式为碳四碳五等的蒸汽裂解供能，能够得到乙烯、丙烯产品，以及含有甲烷、乙烷和氢气的混合气，混合气经过进一步的干重整得到合成气，用于还原铁的生产。通过本实用新型的技术方案，为钢铁工业提供了新的合成气来源。
附图说明
图1为实施例1提供的气基直接还原铁的生产系统的结构示意图。
图2为本实用新型的电源、电磁线圈、电容器的电路示意图。
附图标号说明：
蒸汽裂解装置1 分离装置2 干重整装置3 竖炉4
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，现对本实用新型的技术方案进行以下详细说明，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气基直接还原铁的生产系统，其结构如图1所示。该生产系统包括依次连接的蒸汽裂解装置1、分离装置2、干重整装置3、竖炉4、第一电磁感应装置；
其中，所述蒸汽裂解装置1用于实现含有低碳烷烃的裂解原料的蒸汽裂解反应；
所述分离装置2用于分离蒸汽裂解反应的产物得到烯烃和混合气；
所述干重整装置3用于实现混合气的干重整得到合成气；
所述竖炉4用于利用合成气生产还原铁；
所述第一电磁感应装置包括第一电源、第一电容、第一感应线圈，所述第一感应线圈与所述第一电源连接形成回路，所述第一电源与所述第一电容并联，如图2所示；
所述第一感应线圈缠绕在所述蒸汽裂解装置1的反应管外部。
实施例2
本实施例提供了一种气基直接还原铁的生产系统。该实施例的生产系统与实施例1的区别在于：该生产系统还包括第二电磁感应装置，其中：
所述第二电磁感应装置包括第二电源、第二电容、第二感应线圈，所述第二感应线圈与所述第二电源连接形成回路，所述第二电源与所述第二电容并联；
所述第二感应线圈缠绕在所述干重整装置3的反应管外部。
采用实施例1的气基直接还原铁的生产系统进行还原铁的生产时可以按照以下步骤进行：
对含有丁烷、戊烷的原料输入蒸汽裂解装置1进行蒸汽裂解；
利用分离装置2对蒸汽裂解产物进行分离，得到乙烯、丙烯和/或1,3-丁二烯，以及含氢气、甲烷、乙烷的混合气；
将含有氢气、甲烷、乙烷的混合气输入干重整装置3进行干重整：使混合气进入反应管，然后与输入的CO2进行反应，使甲烷、乙烷等烃类和CO2转化为CO和H2；
对催化转化的气体产物的组成进行调节，达到CO+H2的体积百分比含量＞90％，H2/CO体积比为1.5-2.5(优选1.7-1.9)的程度，然后进入竖炉4中用于生产还原铁；
在竖炉4中，铁矿石氧化球团从竖炉4炉顶加入，自上而下运动；合成气从竖炉 4底部还原段围管进入炉内，自下而上流动，合成气与氧化球团发生还原反应，以得到还原铁和炉顶气，主反应为：3H2+Fe2O3＝2Fe+3H2O。上述过程无二氧化碳排放。
上述炉顶气可一次进行洗涤冷却处理、压缩处理和脱硫脱碳处理，从而得到未反应的还原气(即未反应的高炉煤气)。
上述反应是利用电通过电磁感应为蒸汽裂解反应、干重整反应供能，其是采用图2所示的装置进行。该装置包括功率为电源(300KW中频电源)、电容(与中频电源配套)、感应线圈(铜芯线圈，长度30cm，缠绕在反应管外部)以及蒸汽裂解反应管和干重整反应管(均为316L不锈钢管，长30cm，内径1.7cm)，其中，感应线圈与电源连接形成回路，电源与电容并联，电源用于将电调整为适当频率的电流，然后注入电容器，再通过电容器为感应线圈供电，蒸汽裂解装置1的反应管、干重整装置3 的反应管与通电的感应线圈产生电磁感应开始生热，从而对反应管内部的蒸汽裂解原料、干重整原料进行加热，使蒸汽裂解反应、干重整反应开始进行。
分别采用丙丁烷、正丁烷、正戊烷样品作为裂解原料进行蒸汽裂解反应，其中，样品的组成分别如表1-表5所示。
表1丙丁烷样品的组成
表2正丁烷样品1的组成
表3醚化后正丁烷样品的组成
| 原料 | 正丁烷 | 烯烃 | 丙烷 | 碳五 | 二甲醚 | 异丁烷 |
| 醚化后正丁烷 | 49.2428 | 3.3244 | 0.0152 | 0.0460 | 0.0158 | 47.3296 |
表4正丁烷样品2的组成
表5正戊烷样品的组成
| 原料 | 丙烷 | 丙烯 | 异丁烷 | 正/异丁烯 | 正丁烷 | 碳五 |
| 亚通正戊烷 | 0.05 | 0.62 | 10.26 | 0.33 | 35.28 | 53.46 |
反应条件、反应结果如表6所示，其中，在表6中，除了甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、戊烷之外，蒸汽裂解产物中剩余的其他组成主要是氢气。在表6 中，/代表未检测相应的数据，例如正戊烷样品不检测其丙烷、丁烷转化率。
由表6可以看出：将电能用于低碳烷烃等通过蒸汽裂解制备低碳烯烃的反应，丙烯的收率可以达到10％以上，乙烯收率可以达到15％以上，甚至可以达到接近40％的程度，而且，丁烷转化率较高。
表6中给出的电压、电流、功率为实验条件下的参数，在工业应用中，反应管的尺寸等会更大，反应程度与实验条件有所不同，工业用电一般为220V三相电、380V 三相电，电流、功率可以根据实际情况进行调整(表7所示的是工业用电条件下的参数上限)，这种参数上的差异不会给产物带来实质性的不同。
干重整的具体过程如下：
通入适量CO2进行干重整反应，将甲烷、CO2、H2的体积比调整为约20-20-60；
完成干重整之后，可以再补充适量的气体，使合成气满足以下要求：CO+H2的体积百分比含量＞90％，H2/CO体积比为1.5-2.5(优选1.7-1.9)；
满足要求的合成气可以进入气基竖炉中用于生产还原铁。
表7工业用电条件下的参数上限
| 功率 | 电压 | 电流 | 频率 |
| 200KW | 三相380V | 305A | 5-20KHz |
| 300KW | 三相380V | 455A | 5-20KHz |
| 500KW | 三相380V | 760A | 5-20KHz |
| 200KW | 三相220V | 530A | 5-20KHz |
| 300KW | 三相220V | 790A | 5-20KHz |
| 500KW | 三相220V | 1320A | 5-20KHz |
Claims (10)
1.一种气基直接还原铁的生产系统，其特征在于，该生产系统包括依次连接的蒸汽裂解装置、分离装置、干重整装置、竖炉、第一电磁感应装置；
其中，所述蒸汽裂解装置用于实现含有低碳烷烃的裂解原料的蒸汽裂解反应；
所述分离装置用于分离蒸汽裂解反应的产物得到烯烃和混合气；
所述干重整装置用于实现混合气的干重整得到合成气；
所述竖炉用于利用合成气生产还原铁；
所述第一电磁感应装置包括第一电源、第一电容、第一感应线圈，所述第一感应线圈与所述第一电源连接形成回路，所述第一电源与所述第一电容并联；
所述第一感应线圈缠绕在所述蒸汽裂解装置的反应管外部。
2.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，该生产系统还包括第二电磁感应装置；
所述第二电磁感应装置包括第二电源、第二电容、第二感应线圈，所述第二感应线圈与所述第二电源连接形成回路，所述第二电源与所述第二电容并联；
所述第二感应线圈缠绕在所述干重整装置的反应管外部。
3.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述第一感应线圈选自铁氧体线圈、铁芯线圈、空心线圈、铜芯线圈中的一种。
4.根据权利要求2所述的生产系统，其特征在于，所述第二感应线圈选自铁氧体线圈、铁芯线圈、空心线圈、铜芯线圈中的一种。
5.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述第一电源为中频电源或高频电源。
6.根据权利要求2所述的生产系统，其特征在于，所述第二电源为中频电源或高频电源。
7.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述蒸汽裂解装置的反应管为316L不锈钢炉管、304S不锈钢炉管、HK40高温炉管、HP40高温炉管、HP Micro Alloy微合金钢炉管或Manaurite XTM蒸汽裂解装置用炉管；
所述干重整装置的反应管为316L不锈钢炉管、304S不锈钢炉管、HK40高温炉管、HP40高温炉管或HP Micro Alloy微合金钢炉管。
8.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述蒸汽裂解装置的反应管的内径为50-250mm；
所述干重整装置的反应管的内径为50-250mm。
9.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述干重整装置设有气体入口，用于输入二氧化碳或水蒸汽。
10.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，该生产系统还包括脱硫装置，该脱硫装置，该脱硫装置设置于所述干重整装置和所述竖炉之间。
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| CN114602415A (zh) * | 2022-04-01 | 2022-06-10 | 中国石油大学(北京) | 一种利用电供能的蒸汽裂解方法 |
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| WO2022222708A1 (zh) * | 2021-04-21 | 2022-10-27 | 中国石油大学(北京) | 一种利用电供能的蒸汽裂解方法 |
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