CN109868335B - 一种闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***及方法。该***包括铁矿石还原炉、第一除尘净化装置、尾气转化炉、第二除尘净化装置和热交换器。所述的方法，实现了提高铁矿石还原尾气热值、降低钢铁联合企业CO2排放。该方法是利用碳转化法将铁矿石还原尾气中的水蒸气和CO2转化为H2和CO，然后再次通入铁矿石还原炉，为铁矿石的还原提供还原剂及热量，实现尾气的闭环利用。一方面，该工艺高效回收了铁矿石还原尾气的物理显热及化学能，并且利用了尾气中的CO2，提高了尾气的热值，降低了CO2排放。另一方面，该工艺可大幅提高铁矿石还原效率，提高产品质量，改善还原炉内还原条件。
Description
技术领域
本发明属于黑色金属冶炼技术领域，具体涉及一种闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***及方法
背景技术
由于温室气体引起的全球变暖已经对全球气候产生了巨大的影响，我国政府已经向全世界承诺单位GDP产值CO2排放相比2005年减少40％～45％。我国是世界上最大的钢铁生产国，2010年我国钢铁工业CO2排放占全国CO2排放量的15％左右，而我国钢铁企业吨钢CO2排放高于发达国家15％左右。因此，节能降耗，实现钢铁行业低碳化发展是我国钢铁行业走可持续发展道路的必然要求。
从钢铁企业的碳素平衡分析可知，碳素以能量和物质的形式输入，除少量热量或碳素经过回收用于发电和供热以及部分以含碳产品(钢材、生铁)和副产品(焦油、粗苯)输出，超过90％以上的碳都作为CO2排放到了大气中。
在钢铁生产过程中副产大量铁矿石还原尾气，以高炉煤气为例，其中CO2含量最高，脱氮后可达35％～45％，同时也是钢铁生产过程中产量最大的，吨钢高炉煤气产量可达1500m3。由于高炉煤气热值低，难以直接作为燃料燃烧，目前大部分高炉煤气与其它高热值煤气混合后为各生产工序燃烧供热或去发电单元发电，其中CO2全部排放到大气中。
专利201810077302.7公布了一种富二氧化碳的高炉煤气的利用方法及***，将高炉煤气经净化除尘和脱硫脱氮处理，获得富CO2气体；将焦炉煤气进行脱硫净化处理和氢气提纯处理，获得的富氢气体；将富氢气体和富CO2气体混合后压缩换热进行甲醇催化合成反应，获得甲醇产品。该专利涉及高炉煤气脱氮处理、焦炉煤气氢气提纯处理，甲醇原料气的生产工艺***复杂，催化合成反应器合成量有限，设备投资大。
专利201110281568.1公布了一种煤气富化装置及方法，将高炉煤气脱氮后经过预热器与富化后的煤气进行热量交换，进入煤气加热器，在高热值煤气与氧气燃烧提供的热量下升温，然后吹入炉内与填充在炉内的煤块发生还原，生成高热值煤气。该专利对高炉煤气进行脱氮处理，释放了高炉煤气的物理热，增加了能源消耗。并且该专利仅涉及高热值高炉煤气的制备，未涉及其他铁矿石还原尾气的利用以及高热值高炉煤气的具体利用方法。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***，并对应提供其使用方法，以解决现有技术中铁矿石还原尾气热值低、钢铁联合企业CO2排放量大的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***，包括铁矿石还原炉1、第一除尘净化装置2-1、尾气转化炉3、第二除尘净化装置2-2、热交换器4；所述铁矿石还原炉1的尾气出口与所述第一除尘净化装置2-1的进口连通；所述第一除尘净化装置2-1的出口与尾气转化炉3的内部连通，用以将所述第一除尘净化装置2-1中得到的一次净化尾气输入所述的尾气转化炉3；所述的尾气转化炉3的上部开有气体出口，该气体出口通过管道与所述第二除尘净化装置2-2的进口连通；所述热交换器4内部设置有加热流道和被加热流道；所述第二除尘净化装置2-2的出口与所述热交换器4的加热流道的进口连通，所述热交换器4的加热流道的出口通过管道与所述的铁矿石还原炉1的气体进口连通；所述热交换器4的被加热流道的进口用于与供氧管路连通，所述热交换器4的被加热流道的出口通过管道分别与所述铁矿石还原炉1的气体进口和尾气转化炉3的内部连通，以提供预加热氧气。
进一步，还包括脱硫净化装置5，所述脱硫净化装置5连通在所述热交换器4的加热流道的出口与所述的铁矿石还原炉1的气体进口之间的管道上。
进一步，还包括脱水装置6，所述脱水装置6连通在所述热交换器4的加热流道的出口与所述的铁矿石还原炉1的气体进口之间的管道上。
进一步，还包括原料预热装置，所述原料预热装置包括原料预热器9和尾气转化炉原料仓8；所述原料预热器9的物料进口与所述尾气转化炉原料仓8连通，所述原料预热器9的物料出口与所述尾气转化炉3的内部连通；所述原料预热器9的气体进口与所述第二除尘净化装置2-2的出口连通，所述原料预热器9的气体出口与所述热交换器4的加热流道的出口连通。
进一步，所述铁矿石还原炉1的气体进口与所述热交换器4的加热流道的出口之间的管道还与煤气外供管路装置7连通。
一种使用闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***的方法，基于上述闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***，包括以下步骤：
S1：将铁矿石还原炉1产生的尾气通入第一除尘净化装置2-1进行除尘处理，得到一次净化尾气；
S2：将一次净化尾气进入尾气转化炉3与被预热碳源物料和被预热氧气进行氧化还原反应，得到高温高热值煤气；化学反应如下：
CO2+C＝2CO-172.52kJ·mol-1
H2O+C＝H2+CO-131.96kJ·mol-1
C+O2＝CO2+394.96kJ·mol-1
S3：将高温高热值煤气经第二除尘净化装置2-2处理，得到二次净化煤气；将原述二次净化煤气的一部分通入所述原料预热器9，用于预热碳源物料，以得到被预热碳源物料和第一冷却煤气；
将另一部分所述的二次净化煤气通入热交换器4用于预热氧气，以得到被预热氧气和第二冷却煤气；
S4：将S3中得到的第一冷却煤气和第二冷却煤气混合形成低温低热值煤气，通过管道与一部分所述被预热氧气一同输送到所述铁矿石还原炉1，用于还原铁矿石；化学反应如下：
2CO+O2＝2CO2+565.40kJ·mol-1
2H2+O2＝2H2O+494.91kJ·mol-1
3CO+Fe2O3＝2Fe+3CO2+38.99kJ·mol-1
3H2+Fe2O3＝2Fe+3H2O-86.41kJ·mol-1
S5：将S3中得到的被预热碳源物料和另一部分被预热氧气输送到所述尾气转化炉3中，以供生成高温高热值煤气。
其中，所述的碳源物料为呈块状的煤或焦炭。
作为优化，S4还包括如下操作：将所述低温低热值煤气依次通过脱硫净化装置5、脱水装置6处理后得到三次净化煤气；再将所述的三次净化煤气与一部分所述被预热氧气输送到铁矿石还原炉1进行氧化还原反应。
作为优化，还包括S6：将一部分所述三次净化煤气通过煤气外供管路装置外送，用以供钢铁联合企业各生产工序及发电装置使用。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明采用铁矿石还原过程中尾气为原料；以焦炭或煤块为还原剂及发热剂；氧气为氧化剂；净化处理后的铁矿石还原尾气与预热后的焦炭或煤块在高温下发生还原反应，从而降低CO2和水蒸气含量，提高CO和H2含量，获得高温高热值煤气。
2.本发明采用干法除尘技术，充分保留铁矿石还原尾气及尾气转化炉煤气中的物理热。铁矿石还原尾气净化气直接通入尾气转化炉，使物理热得到充分利用；高温高热值煤气分别通入原料预热器和热交换器预热尾气转化炉原料和氧气，使物理热得到高效利用。
3.本发明采用通入铁矿石还原炉的冷煤气作为发热剂和还原剂；预热氧气作为氧化剂，提高了铁矿石的还原效率和还原速率，减少了铁矿石还原过程中污染物的排放。
4.本发明中经净化处理的尾气转化炉煤气用于钢铁联合企业各生产工序及发电装置减少了钢铁联合企业总CO2排放，提高了各生产工序生产效率，减少各工序污染物的排放，实现了清洁生产。
附图说明
图1是本发明的闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***示意图；
图2是实施例中实验平台连接结构示意图；
图3不同粒径烧结矿还原度随还原时间变化曲线图；
图4-a烧结矿还原尾气烟气成分(3-4mm)随时间的变化曲线；
图4-b烧结矿还原尾气烟气成分(10-13mm)随时间的变化曲线。
附图中：1—铁矿石还原炉；2-1—第一除尘净化装置；2-2—第二除尘净化装置；3—尾气转化炉；4—热交换器；5—脱硫净化装置；6—脱水装置；7—煤气外供管路装置；8—尾气转化炉原料仓；9—原料预热器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***，包括铁矿石还原炉1、第一除尘净化装置2-1、尾气转化炉3、第二除尘净化装置2-2、热交换器4；所述铁矿石还原炉1的顶部与所述第一除尘净化装置2-1的进口连通；所述第一除尘净化装置2-1的出口与尾气转化炉3的内部连通，用以将所述第一除尘净化装置2-1中得到的一次净化尾气输入所述的尾气转化炉3；所述的尾气转化炉3的上部开有气体出口，该气体出口通过管道与所述第二除尘净化装置2-2的进口连通；所述热交换器4内部设置有加热流道和被加热流道；所述第二除尘净化装置2-2的出口与所述热交换器4的加热流道的进口连通，所述热交换器4的加热流道的出口通过管道与所述的铁矿石还原炉1的气体进口连通；所述热交换器4的被加热流道的进口用于与供氧管路连通，所述热交换器4的被加热流道的出口通过管道分别与所述铁矿石还原炉1的气体进口和尾气转化炉3的内部连通，以提供预加热氧气。
作为优化，还包括脱硫净化装置5，所述脱硫净化装置5连通在所述热交换器4的加热流道的出口与所述的铁矿石还原炉1的气体进口之间的管道上。
作为优化，还包括脱水装置6，所述脱水装置6连通在所述热交换器4的加热流道的出口与所述的铁矿石还原炉1的气体进口之间的管道上。
作为优化，还包括原料预热装置，所述原料预热装置包括原料预热器9和尾气转化炉原料仓8；所述原料预热器9的物料进口与所述尾气转化炉原料仓8连通，所述原料预热器9的物料出口与所述尾气转化炉3的内部连通；所述原料预热器9的气体进口与所述第二除尘净化装置2-2的出口连通，所述原料预热器9的气体出口与所述热交换器4的加热流道的出口连通。
作为优化，所述铁矿石还原炉1的气体进口与所述热交换器4的加热流道的出口之间的管道还与煤气外供管路装置7连通。
一种使用闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***的方法，基于上述闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***，包括以下步骤：
S1：将铁矿石还原炉1产生的尾气通入第一除尘净化装置2-1进行除尘处理，得到一次净化尾气；
S2：将一次净化尾气进入尾气转化炉3与被预热碳源物料和被预热氧气进行氧化还原反应，得到高温高热值煤气；
S3：将高温高热值煤气经第二除尘净化装置2-2处理，得到二次净化煤气；将原述二次净化煤气的一部分通入所述原料预热器9，用于预热碳源物料，以得到被预热碳源物料和第一冷却煤气；
将另一部分所述的二次净化煤气通入热交换器4用于预热氧气，以得到被预热氧气和第二冷却煤气；
S4：将S3中得到的第一冷却煤气和第二冷却煤气混合形成低温低热值煤气，通过管道与一部分所述被预热氧气一同输送到所述铁矿石还原炉1，用于还原铁矿石；
S5：将S3中得到的被预热碳源物料和另一部分被预热氧气输送到所述尾气转化炉3中，以供生成高温高热值煤气。
其中，所述的碳源物料为呈块状的煤或焦炭。
作为优化，S4还包括如下操作：将所述低温低热值煤气依次通过脱硫净化装置5、脱水装置6处理后得到三次净化煤气；再将所述的三次净化煤气与一部分所述被预热氧气输送到铁矿石还原炉1进行氧化还原反应。
作为优化，还包括S6：将一部分所述三次净化煤气通过煤气外供管路装置外送，用以供钢铁联合企业各生产工序及发电装置使用。
实施例
图2是闭环利用铁矿石还原尾气工艺实验平台示意图，用该装置来模拟本发明的***及方法。以某钢厂不同粒级烧结矿为例进行闭环还原实验，其烧结矿成分为TFe：57.44％，FeO：8.88％，SiO2：8.48％，Al2O3：1.87％，CaO：11.95％，MgO：1.47％。
分别称取500g粒径3-4mm和10-13mm烧结矿进行还原实验。图3为不同粒径烧结矿还原度随还原时间变化曲线，从曲线可以看出不同粒径烧结矿在120min内皆取得了良好的还原效果，3-4mm烧结矿还原速率高于10-13mm烧结矿。图4-a和图4-b为不同粒径烧结矿还原尾气烟气成分随时间的变化曲线，从曲线可知，还原反应开始，焦炭产生的少量CO还原烧结矿产生CO2，CO2再被焦炭还原成2倍的体积的CO(反应方程：C+CO2＝2CO)，使***内CO和CO2含量逐渐升高。随着烧结矿还原达到最大反应速率，CO2含量达到最大值，此后随反应速率降低CO2含量逐渐降低。CO含量随还原反应的进行逐渐升高，直到烧结矿还原完成，CO2含量降至最低，CO含量则达到最大值。最终***无CO2的排放，反应生成的CO2全部被焦炭还原为CO，多余的CO通过泄压阀排除***，可供收集并利用，CO纯度高于98％。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (8)
1.一种闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***，其特征在于，包括铁矿石还原炉（1）、第一除尘净化装置（2-1）、尾气转化炉（3）、第二除尘净化装置（2-2）、热交换器（4）；
所述铁矿石还原炉（1）的顶部与所述第一除尘净化装置（2-1）的进口连通；所述第一除尘净化装置（2-1）的出口与尾气转化炉（3）的内部连通，用以将所述第一除尘净化装置（2-1）中得到的一次净化尾气输入所述的尾气转化炉（3）；所述的尾气转化炉（3）的上部开有气体出口，该气体出口通过管道与所述第二除尘净化装置（2-2）的进口连通；所述热交换器（4）内部设置有加热流道和被加热流道；所述第二除尘净化装置（2-2）的出口与所述热交换器（4）的加热流道的进口连通，所述热交换器（4）的加热流道的出口通过管道与所述的铁矿石还原炉（1）的气体进口连通；
所述热交换器（4）的被加热流道的进口用于与供氧管路连通，所述热交换器（4）的被加热流道的出口通过管道分别与所述铁矿石还原炉（1）的气体进口和尾气转化炉（3）的内部连通，以提供预加热氧气；
还包括原料预热装置，所述原料预热装置包括原料预热器（9）和尾气转化炉原料仓（8）；所述原料预热器（9）的物料进口与所述尾气转化炉原料仓（8）连通，所述原料预热器（9）的物料出口与所述尾气转化炉（3）的内部连通；所述原料预热器（9）的气体进口与所述第二除尘净化装置（2-2）的出口连通，所述原料预热器（9）的气体出口与所述热交换器（4）的加热流道的出口连通。
2.如权利要求1所述的闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***，其特征在于，还包括脱硫净化装置（5），所述脱硫净化装置（5）连通在所述热交换器（4）的加热流道的出口与所述的铁矿石还原炉（1）的气体进口之间的管道上。
3.如权利要求1所述的闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***，其特征在于，还包括脱水装置（6），所述脱水装置（6）连通在所述热交换器（4）的加热流道的出口与所述的铁矿石还原炉（1）的气体进口之间的管道上。
4.如权利要求1所述的闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***，其特征在于，所述铁矿石还原炉（1）的气体进口与所述热交换器（4）的加热流道的出口之间的管道还与煤气外供管路装置（7）连通。
5.一种使用闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***的方法，其特征在于，基于权利要求1所述的闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***，包括以下步骤如下：S1：将铁矿石还原炉（1）产生的尾气通入第一除尘净化装置（2-1）进行除尘处理，得到一次净化尾气；
S2：将一次净化尾气进入尾气转化炉（3）与被预热碳源物料和被预热氧气进行氧化还原反应，得到高温高热值煤气；
S3：将高温高热值煤气经第二除尘净化装置（2-2）处理，得到二次净化煤气；将原述二次净化煤气的一部分通入所述原料预热器（9），用于预热碳源物料，以得到被预热碳源物料和第一冷却煤气；
将另一部分所述的二次净化煤气通入热交换器（4）用于预热氧气，以得到被预热氧气和第二冷却煤气；
S4：将S3中得到的第一冷却煤气和第二冷却煤气混合形成低温低热值煤气，通过管道与一部分所述被预热氧气一同输送到所述铁矿石还原炉（1），用于还原铁矿石；
S5：将S3中得到的被预热碳源物料和另一部分被预热氧气输送到所述尾气转化炉（3）中，以供生成高温高热值煤气。
6.如权利要求5所述的使用闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***的方法，其特征在于，所述的碳源物料为呈块状的煤或焦炭。
7.如权利要求5所述的使用闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***的方法，其特征在于， S4还包括如下操作：
将所述低温低热值煤气依次通过脱硫净化装置（5）、脱水装置（6）处理后得到三次净化煤气；再将所述的三次净化煤气与一部分所述被预热氧气输送到铁矿石还原炉（1）进行氧化还原反应。
8.如权利要求7所述的使用闭环利用铁矿石还原过程中尾气的***的方法，其特征在于，还包括S6：将一部分所述三次净化煤气通过煤气外供管路装置外送，用以供钢铁联合企业各生产工序及发电装置使用。
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