CN218321249U - 一种高炉煤气碳捕集系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高炉煤气碳捕集系统，包括依次布置的高炉、除尘装置、高炉煤气余压透平发电装置、煤气降温换热器、有机硫水解转化塔、干法脱硫塔、煤气压缩机、脱氧塔和变压吸附脱二氧化碳装置；所述的干法脱硫塔内自下而上依次设置有气体再分布器、预处理床层和脱硫剂床层，干法脱硫塔的进气口位于气体再分布器的下方，干法脱硫塔的出气口位于脱硫剂床层的上方。
Description
技术领域
本实用新型属于高炉煤气燃烧前碳捕集技术领域，具体涉及一种高炉煤气碳捕集系统。
背景技术
基于中国多煤少油缺气的能源特性，高炉炼铁技术在很长一段时间内将一直是中国主流炼铁方案。而对于全球来说，高炉炼铁模式下的钢铁产量占世界生铁总产量的95％以上，其他工艺的钢铁产量只占很少的部分。高炉炼铁生产铁水的同时副产大量的高炉煤气，吨铁产气量为1600-2000Nm3。2021年我国生铁产量为86856.8万吨，由此可计算出每年产生的高炉煤气的量是巨大的。
高炉煤气主要成分和体积分数为：CO(20-25％)、CO2(18-22％)、N2 (48-55％)、H2(2-3％)、O2(0.7-0.9％)、CH4(0.2-0.4％)。主要成分中，二氧化碳占据五分之一。
在我国2060年碳中和的目标下，高炉煤气二氧化碳捕集被认为是可以实现高炉炼铁大规模CO2减排和钢铁行业实现碳中和的关键技术。此外，通过碳捕集可以间接提升CO和H2的浓度，从而提升单位高炉煤气的热值，减少混和燃料气所需的高炉煤气量，为高炉煤气的碳捕集带来间接经济效益。
为了达到减碳目标，各国研究者相继研发各种二氧化碳减排和捕捉工艺及设备。而对于二氧化碳的捕捉工艺，按照碳捕集工艺所处位置分为燃烧前捕捉、燃烧过程捕捉和燃烧后捕捉。燃烧前CO2捕集工艺以其系统小、能耗低、捕集效率高和对污染物控制有很大潜力的优点而受到世界各国的广泛关注和争相发展。
对于二氧化碳捕集技术，主要有溶剂吸收法和变压吸附法两大类。溶剂吸收法是最古老、成熟的脱碳方法，是在合成氨厂变换气脱碳工艺中吸收，被广泛使用。变压吸附(法)就是利用吸附剂对气体中各组分的吸附容量随着压力变化而呈现差异的特性，利用吸附剂对CO2的可逆吸附，在较高压力下吸附，较低压力或真空时解吸，由于周期性的压力变化，使CO2与其它组分得到有效的分离。
溶剂吸收法中的化学吸收法是传统的脱除二氧化碳的工艺方法，脱除后产品气纯度高且处理量大，目前已得到广泛深入的研究和应用。化学吸收法也存在着一定的不足之处，主要表现为：
(1)化学吸收法脱除CO2时，要考虑吸收剂的再生循环使用问题，操作上比较繁琐。
(2)化学吸收法对含CO2原料气适应性不强，需要复杂的预处理系统，而且设备腐蚀和环境污染问题也比较严重，因此对一些关键设备的材质要求很高，加大了设备的投资。
(3)化学吸收法作为湿法工艺相对而言流程比较复杂，流体需要周期性升温、降温，并且溶剂再生还要消耗大量的外供热能。
变压吸附(法)捕集二氧化碳具有能耗相对较低、适应性好、自动化程度高、吸附剂使用周期长等优点，已经在石油化工、冶金、轻工及环保等领域得到较多应用。且综合实际应用成本核算，变压吸附法成本占据极大优势，变压吸附二氧化碳捕集成本约为溶剂吸收法的四分之一到三分之一。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本实用新型提供了一种高炉煤气碳捕集系统，目的是为了捕集分离高炉煤气中的二氧化碳，从而在减碳排的同时提升高炉煤气的热值。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种高炉煤气碳捕集系统，包括依次布置的高炉、除尘装置、高炉煤气余压透平发电装置、煤气降温换热器、有机硫水解转化塔、干法脱硫塔、煤气压缩机、脱氧塔和变压吸附脱二氧化碳装置；所述的干法脱硫塔内自下而上依次设置有气体再分布器、预处理床层和脱硫剂床层，干法脱硫塔的进气口位于气体再分布器的下方，干法脱硫塔的出气口位于脱硫剂床层的上方。
进一步的，所述的除尘装置包括依次布置的重力除尘器和布袋除尘器。
再进一步的，所述的变压吸附脱二氧化碳装置中设置脱碳剂床层。
再进一步的，所述的有机硫水解转化塔的进气口位于其塔身下部，所述的有机硫水解转化塔的出气口位于其塔身上部。
再进一步的，所述的煤气压缩机的进气口位于其机身下部，所述的煤气压缩机的出气口位于其机身上部。
再进一步的，所述的脱氧塔的进气口位于其塔身下部，所述的脱氧塔的出气口位于其塔身上部。
再进一步的，所述的变压吸附脱二氧化碳装置的进气口位于其塔身下部，所述的变压吸附脱二氧化碳装置的出气口位于其塔身上部，所述的脱碳剂床层位于变压吸附脱二氧化碳装置的塔身中部。
本发明的技术效果在于：本实用新型提出一种高炉煤气(变压吸附二氧化) 碳捕集系统，该系统接在高炉煤气除尘和TRT装置之后，高炉煤气经过降温脱湿除杂、水解精脱硫(总硫＜1ppm)、加压、脱氧(O2＜5ppm)后进入二氧化碳变压吸附装置(即变压吸附脱二氧化碳装置)，高炉煤气中大部分的二氧化碳被吸附剂吸附留在吸附塔(即干法脱硫塔)内，脱碳后的高炉煤气经出口进入后续工段。吸附饱和的吸附剂床层(即脱硫剂床层)通过“均压降压-置换-逆放 -抽真空-均压升压-吸附尾气升压”对变压吸附床层(即变压吸附脱二氧化碳装置的脱碳剂床层)进行再生。
本实用新型提供的碳捕集系统，所需设备简单，工艺流程短，吸附剂多次再生，降低一次性设备投资和运行成本。
附图说明
图1为本实用新型的高炉煤气(变压吸附脱分离二氧化)碳(捕集)系统工艺流程图；
图2为本实用新型的高炉煤气(变压吸附分离二氧化)碳(捕集)系统设备图；
图3为本实用新型的干法脱硫塔的结构图。
具体实施方式
本实用新型涉及一种高炉煤气(燃烧前)碳捕集系统。其处理过程包括以下步骤：
(1)经除尘和TRT工段过来的高炉煤气通过煤气管道接入到高炉煤气碳捕集系统。
(2)进入变压吸附碳捕集系统(变压吸附脱二氧化碳装置10)之前，高炉煤气预处理步骤按先后顺序有：降温脱湿除杂-有机硫水解-精脱硫-加压(煤气压缩机8加压)-脱氧(脱氧塔9)。
(3)达到变压吸附碳捕集吸附剂最大吸附容量后，采用“均压降压-置换- 逆放-抽真空-均压升压-吸附尾气升压(通过变压吸附脱二氧化碳装置10升压)”步骤的变压吸附床层(即脱碳剂床层11)进行再生。
本实用新型是为了捕集分离高炉煤气中的二氧化碳，从而在减碳排的同时提升高炉煤气的热值。本实用新型不影响主系统工况，投资设备相对其他碳捕集工艺较少，一次性投资和运行成本较低。
进一步的说明，本实用新型一种高炉煤气碳捕集系统，对高炉煤气燃烧前碳捕集，是一种高炉煤气变压吸附分离二氧化碳系统。
一种高炉煤气碳捕集系统，包括依次布置的高炉1、除尘装置、高炉煤气余压透平发电装置4、煤气降温换热器5、有机硫水解转化塔6、干法脱硫塔7、煤气压缩机8、脱氧塔9和变压吸附脱二氧化碳装置10；所述的干法脱硫塔7 内自下而上依次设置有气体再分布器73、预处理床层72和脱硫剂床层71，干法脱硫塔7的进气口位于气体再分布器73的下方，干法脱硫塔7的出气口位于脱硫剂床层71的上方。
进一步的，所述的除尘装置包括依次布置的重力除尘器2和布袋除尘器3。
再进一步的，所述的变压吸附脱二氧化碳装置10中设置脱碳剂床层11。
再进一步的，所述的有机硫水解转化塔6的进气口位于其塔身下部，所述的有机硫水解转化塔6的出气口位于其塔身上部。
再进一步的，所述的煤气压缩机8的进气口位于其机身下部，所述的煤气压缩机8的出气口位于其机身上部。
再进一步的，所述的脱氧塔9的进气口位于其塔身下部，所述的脱氧塔9 的出气口位于其塔身上部。
再进一步的，所述的变压吸附脱二氧化碳装置10的进气口位于其塔身下部，所述的变压吸附脱二氧化碳装置10的出气口位于其塔身上部，所述的脱碳剂床层11位于变压吸附脱二氧化碳装置10的塔身中部。
采用变压吸附工艺，对预处理后的高炉煤气中的二氧化碳进行吸附分离，吸附过程中，在恒定的吸附压力下高炉煤气不断进入吸附(剂)床(即脱硫剂床层71)，同时不断输出已脱除二氧化碳的高炉煤气。吸附(剂)床(即脱硫剂床层71)内二氧化碳的吸留量逐步增加，当达到吸附剂的吸留量时停止进入高炉煤气，吸附终止。随后吸附塔(即干法脱硫塔7)经逆放和吹扫等过程，吸附(剂)床(即脱硫剂床层71)内二氧化碳释放完成，吸附塔(即干法脱硫塔 7)经再生后重新进入吸附过程。
高炉煤气的碳捕集工艺采用的是变压吸附法。经除尘和TRT工段过来的高炉煤气压力在10-12KPa，温度在50-60℃。
在高炉煤气变压吸附碳捕集之前需经过一系列的预处理，包括降温脱湿除杂、有机硫水解、精脱硫、加压和脱氧。变压吸附碳捕集吸附二氧化碳操作压力在3.0-3.2MPa。经过除尘和TRT工段的高炉煤气进入高炉煤气碳捕集系统首先被降温至30℃以对高炉煤气脱湿，与此同时高炉煤气中的杂质组分如尘、氯等物质随冷凝水一并脱除，达到脱湿除杂的效果，避免水分和杂质组分对后续吸附剂和催化剂的损耗。预处理过程中的脱硫包括有机硫水解转化和干法脱硫化氢，最终高炉煤气中的总硫＜1ppm。变压吸附分离二氧化碳的吸附效率较高，在98％以上。变压吸附剂可以多次重复再生，耗材使用周期长，运行费用低。
本实用新型针对“碳达峰、碳中和”目标的迫切性，本实用新型针对高炉煤气碳捕集，采用变压吸附工艺，对预处理后的高炉煤气中的二氧化碳进行吸附分离，吸附过程中，在恒定的吸附压力下(3.0-3.2MPa)高炉煤气不断进入吸附(剂)床(即脱硫剂床层71)，同时不断输出已脱除二氧化碳的高炉煤气。吸附(剂)床(即脱硫剂床层71)内二氧化碳的吸留量逐步增加，当达到吸附剂的吸留量时停止进入高炉煤气，吸附终止。随后吸附塔(干法脱硫塔7)经(其底部的气体再分布器73)逆放和吹扫过程，吸附(剂)床内二氧化碳释放完成，吸附塔(干法脱硫塔7)完成再生重新进入吸附过程。变压吸附碳捕集相对其他工艺所需设备少，运行成本低，二氧化碳捕集效率高、捕集后的二氧化碳纯度高(≥98％)。
即吸附状态下，高炉煤气经过除尘、TRT后进入变压吸附碳捕集系统(变压吸附脱二氧化碳装置10)，高炉煤气经过降温脱湿除杂、有机硫水解和精脱硫、加压、脱氧预处理后进入变压吸附塔(即变压吸附脱二氧化碳装置10)，在变压吸附塔内，二氧化碳被吸附而留在了塔内，二氧化碳分离后的高炉煤气则进入后续工段。
再生状态下，逐步降低吸附(剂)床(即脱硫剂床层71)压力，直到最低压力(通常接近大气压力)，吸附(剂)床(即脱硫剂床层71)内大部分的二氧化碳随气流排出塔外，此时吸附(剂)床(即脱硫剂床层71)内仍残留部分二氧化碳。随后进入(气体再分布器73)置换吹扫过程，利用不含二氧化碳的其他工段的尾气(或氮气)对吸附(剂)床层(即脱硫剂床层71)进一步置换和吹扫，从而达到吸附剂再生的目的。
变压吸附分离二氧化碳过程中主要发生的为物理吸附，其特点是：吸附过程中没有化学反应，吸附过程进行的极快，参与吸附的各相物质间的动态平衡在瞬间即可完成，并且这种吸附是完全可逆的。
参照图2，本实用新型系统涉及的高炉煤气进口原料气，煤气温度约为 50-60℃，压力约为10-12KPa。
经(重力除尘器2、布袋除尘器3)除尘和TRT装置(高炉煤气余压透平发电装置4)引出的高炉煤气使用制冷机组将煤气冷却至30℃左右，在脱湿的同时将高炉煤气中的杂质组分一并脱除，避免杂质组分对后续工段中的吸附剂和催化剂的损耗。
从降温脱湿除杂工段引出的高炉煤气温度约为30℃，压力为10-12KPa，通过换热或加热的方式将煤气升温至90℃后进入有机硫水解(转化)塔6，高炉煤气中的有机硫组分水解转化为硫化氢。水解后的高炉煤气经热量回收之后温度约为50℃，然后进入干法脱硫塔7将高炉煤气中的硫化氢脱除，最终达到总硫＜1ppm。精脱硫后通过(煤气)压缩机8对高炉煤气加压至3.0-3.2MPa。
压缩后的高炉煤气原料气首先进入(煤气降温)换热器5与脱氧后的气体换热到120℃以上，然后进入脱氧塔9，在脱氧塔9中催化剂的作用下：H2+O2反应生成H2O，从而将原料气中的氧气脱到5ppm以下，脱氧后的原料气再经过热回收和冷却至约50℃，经煤气管道送入变压吸附塔(即变压吸附脱二氧化碳装置10)煤气入口。
本实用新型提供的碳捕集系统，所需设备简单，工艺流程短，吸附剂多次再生，降低一次性设备投资和运行成本。
本实用新型吸附塔(即干法脱硫塔7)下部设煤气均布器(即气体再分布器 73)，高炉煤气可以均匀通过预处理床层72、脱硫吸附剂装填层(脱硫剂床层71)以及碳捕集变压吸附床层(即脱碳剂床层11)。
实施例一
某钢铁生产单位通过TRT装置引出的高炉煤气压力为10-12KPa，温度为 50-60℃，高炉煤气流量120000Nm3/h，含H2S浓度20-65mg/Nm3，含COS油浓度50-160mg/Nm3，CO2体积分数为23.1％。从TRT装置引出，经过换热器降温至30℃左右(制冷机组提供冷冻水)，高炉煤气冷凝下来的水分经煤气排水器排出。在降温过程中，高炉煤气被脱湿的同时所包含的杂质组分被大部分脱除。
从换热器引出的高炉煤气加热至90℃左右进入有机硫水解塔，高炉煤气中的有机硫被水解为硫化氢后经热量回收，高炉煤气降温至50℃左右进入干法脱硫塔，煤气中的硫化氢被吸附脱除至总硫＜1ppm。
从精脱硫塔引出的高炉煤气经压缩机加压至3-3.2MPa，加热至120℃以上，然后进入脱氧塔，在脱氧塔中催化剂的作用下：H2+O2反应生成H2O，从而将原料气中的氧气脱到5ppm以下，脱氧后的原料气再经过热回收和冷却至50℃后，经管道送入变压吸附塔煤气入口。高炉煤气中的CO2被吸附剂吸附留在床层内，脱碳后的高炉煤气送完后续工段。
脱硫塔吸附饱和后，通过“均压降压-置换-逆放-抽真空-均压升压-吸附尾气升压”的步骤对变压吸附床层进行再生。再生后，变压吸附塔再次进入吸附操作。
变压吸附塔出口CO2体积分数为0.46％，二氧化碳脱除效率超过98％，达到预期要求。
实施例二
某钢铁生产单位通过TRT装置引出的高炉煤气压力为10-12KPa，温度为 50-60℃，高炉煤气流量100000Nm3/h，含H2S浓度20-70mg/Nm3，含COS油浓度50-150mg/Nm3，CO2体积分数为20.3％。从TRT装置引出，经过换热器降温至30℃左右(制冷机组提供冷冻水)，高炉煤气冷凝下来的水分经煤气排水器排出。在降温过程中，高炉煤气被脱湿的同时所包含的杂质组分被大部分脱除。
从换热器引出的高炉煤气加热至90℃左右进入有机硫水解塔，高炉煤气中的有机硫被水解为硫化氢后经热量回收，高炉煤气降温至50℃左右进入干法脱硫塔，煤气中的硫化氢被吸附脱除至总硫＜1ppm。
从精脱硫塔引出的高炉煤气经压缩机加压至3-3.2MPa，加热至120℃以上，然后进入脱氧塔，在脱氧塔中催化剂的作用下：H2+O2反应生成H2O，从而将原料气中的氧气脱到5ppm以下，脱氧后的原料气再经过热回收和冷却至50℃后，经管道送入变压吸附塔煤气入口。高炉煤气中的CO2被吸附剂吸附留在床层内，脱碳后的高炉煤气送完后续工段。
脱硫塔吸附饱和后，通过“均压降压-置换-逆放-抽真空-均压升压-吸附尾气升压”的步骤对变压吸附床层进行再生。再生后，变压吸附塔再次进入吸附操作。
变压吸附塔出口CO2体积分数为0.4％，二氧化碳脱除效率超过98％，达到预期要求。
(对比)实施例三
某钢铁生产单位通过TRT装置引出的高炉煤气压力为10-12KPa，温度为 50-60℃，高炉煤气流量120000Nm3/h，含H2S浓度20-65mg/Nm3，含COS油浓度50-160mg/Nm3，CO2体积分数为23.1％。从TRT装置引出，经过换热器降温至30℃左右(制冷机组提供冷冻水)，高炉煤气冷凝下来的水分经煤气排水器排出。在降温过程中，高炉煤气被脱湿的同时所包含的杂质组分被大部分脱除。
从换热器引出的高炉煤气加热至90℃左右进入有机硫水解塔，高炉煤气中的有机硫被水解为硫化氢后经热量回收，高炉煤气降温至50℃左右进入干法脱硫塔，煤气中的硫化氢被吸附脱除至总硫＜1ppm。
从精脱硫塔引出的高炉煤气经压缩机加压至2-2.5MPa，加热至120℃以上，然后进入脱氧塔，在脱氧塔中催化剂的作用下：H2+O2反应生成H2O，从而将原料气中的氧气脱到5ppm以下，脱氧后的原料气再经过热回收和冷却至50℃后，经管道送入变压吸附塔煤气入口。高炉煤气中的CO2被吸附剂吸附留在床层内，脱碳后的高炉煤气送完后续工段。
脱硫塔吸附饱和后，通过“均压降压-置换-逆放-抽真空-均压升压-吸附尾气升压”的步骤对变压吸附床层进行再生。再生后，变压吸附塔再次进入吸附操作。
变压吸附塔出口CO2体积分数为7％，二氧化碳脱除效率为70％，未达到预期要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高炉煤气碳捕集系统，其特征在于：包括依次布置的高炉(1)、除尘装置、高炉煤气余压透平发电装置(4)、煤气降温换热器(5)、有机硫水解转化塔(6)、干法脱硫塔(7)、煤气压缩机(8)、脱氧塔(9)和变压吸附脱二氧化碳装置(10)；所述的干法脱硫塔(7)内自下而上依次设置有气体再分布器(73)、预处理床层(72)和脱硫剂床层(71)，干法脱硫塔(7)的进气口位于气体再分布器(73)的下方，干法脱硫塔(7)的出气口位于脱硫剂床层(71)的上方。
2.根据权利要求1所述的一种高炉煤气碳捕集系统，其特征在于：所述的除尘装置包括依次布置的重力除尘器(2)和布袋除尘器(3)。
3.根据权利要求2所述的一种高炉煤气碳捕集系统，其特征在于：所述的变压吸附脱二氧化碳装置(10)中设置脱碳剂床层(11)。
4.根据权利要求2或3所述的一种高炉煤气碳捕集系统，其特征在于：所述的有机硫水解转化塔(6)的进气口位于其塔身下部，所述的有机硫水解转化塔(6)的出气口位于其塔身上部。
5.根据权利要求2或3所述的一种高炉煤气碳捕集系统，其特征在于：所述的煤气压缩机(8)的进气口位于其机身下部，所述的煤气压缩机(8)的出气口位于其机身上部。
6.根据权利要求2或3所述的一种高炉煤气碳捕集系统，其特征在于：所述的脱氧塔(9)的进气口位于其塔身下部，所述的脱氧塔(9)的出气口位于其塔身上部。
7.根据权利要求3所述的一种高炉煤气碳捕集系统，其特征在于：所述的变压吸附脱二氧化碳装置(10)的进气口位于其塔身下部，所述的变压吸附脱二氧化碳装置(10)的出气口位于其塔身上部，所述的脱碳剂床层(11)位于变压吸附脱二氧化碳装置(10)的塔身中部。
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| CN117258481A (zh) * | 2023-10-11 | 2023-12-22 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种高炉煤气co2高效捕集及煤气高热值利用的方法 |
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| CN117258481A (zh) * | 2023-10-11 | 2023-12-22 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种高炉煤气co2高效捕集及煤气高热值利用的方法 |
| CN117258481B (zh) * | 2023-10-11 | 2024-06-21 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种高炉煤气co2高效捕集及煤气高热值利用的方法 |
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |