CN112662830A - 利用直接还原铁炉顶煤气预热变换氢气的方法 - Google Patents

利用直接还原铁炉顶煤气预热变换氢气的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用直接还原铁炉顶煤气预热变换氢气的方法，是将炉顶煤气降温至＜180℃并加压至＞9kg，利用CO变换H2技术得到H2含量≥96%的常温变换氢气，与炉顶煤气换热升温至330～480℃，再采用部分氧化法提温至400～600℃，兑入熔铁浴高温粗煤气中，得到氢碳比＞1.1、温度630～1050℃、氧化度(H2O+CO2)≤3%的入炉循环还原气，用于通入直接还原铁竖炉中生产直接还原铁。本发明利用炉顶煤气与变换氢气进行换热，进一步以部分氧化法提升变换氢气的温度，充分利用了直接还原铁炉顶煤气热量和变换反应产生的热量，以及炉顶煤气中的水蒸气，提高了能源利用效率。

Description

利用直接还原铁炉顶煤气预热变换氢气的方法
技术领域
本发明属于直接还原铁技术领域，涉及一种利用熔铁浴高温粗煤气冶炼直接还原铁的方法，特别是一种直接还原铁炉顶煤气经煤化工CO变换H2后，得到常温变换氢气，与炉顶煤气进行换热的方法。本发明方法可以进一步充分利用直接还原铁炉顶煤气热量、变换反应产生的热量和压缩气体产生的热量，提高能源利用效率。
背景技术
现有天然气、焦炉煤气竖炉还原铁技术如MIDREX、HYL-Ⅲ、CSDRI、CTR、WTY-DRI等，都离不开CH4重整炉和还原气再加热工序。例如典型的MIDREX技术是经管式加热炉将还原气预加热到600℃，再在第二段还原气重整炉中将CH4裂解成（H2+CO）并将还原气加热到840～900℃，送入直接还原铁竖炉，用于生产直接还原铁。
与其对应，世界上所有的煤基熔融还原铁中的铁浴炉以及熔铁浴煤制气在经历了长达40余年的研究实验后，除His melt熔融还原铁外，大都沉寂了。其主要原因在于：1、产气量大，达到了2000m3/t煤；2、粗煤气温度高达1200～1700℃，而且含有大量粉尘，难以利用；3、炉衬耐火材料侵蚀速度过快，达到19kg/t煤；4、能耗高于高炉炼铁，无法与高炉竞争。
日本与瑞典在1982～1983年合作，对瑞典皇家工学院CIG熔融还原铁方法进行了研究。其中日方研究小组侧重研究炼铁炼钢工艺，瑞典方面侧重研究煤的气化方法，其得到的粗煤气组分为：CO 67～69%，H2 28%～29%，CO2≤1.4，N2＜4%，以及少量硫。CIG熔融还原铁的目的产品是铁水，试验受挫后没有进展。
CN 101787408A公开了一种利用粗煤气显热生产直接还原铁的方法，以直接还原竖炉兼做粗煤气颗粒床高温除尘器，竖炉中的铁矿(包括铁矿煤球团、氧化铁球团矿、煤包裹铁矿粉球团)兼做移动颗粒床除尘颗粒，在对高温粗煤气除尘的过程中联产直接还原铁，同时完成了利用显热、还原铁、降温、除尘、降低还原竖炉中煤气压力5个功能。该专利将还原竖炉产出的炉顶煤气净化后用作生产化工产品的原料气或燃气，可以有效提高煤炭能源的综合利用效率。该专利将煤制气与直接还原铁竖炉分置，煤制气采用高灰熔点、软化点的煤，避免了煤气中含有低软化点的铁矿物和其它矿物，可以消除低软化点矿物造成的粘结、堵塞问题。
但是，该专利中的粗煤气并不循环利用，仅利用了1次粗煤气显热，而生产直接还原铁后的炉顶煤气经过净化后作为了燃气和化工原料气，余热、余气利用并不充分。
CN 111218535A公开了一种熔铁浴煤制气加热循环还原气生产直接还原铁的方法，是利用熔铁浴煤制气显热冶炼直接还原铁，直接还原铁炉顶煤气余热回收水蒸气用于炉顶煤气CO变换H2。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用直接还原铁炉顶煤气预热变换氢气的方法，以最大限度的提高直接还原铁生产过程中的热能利用效率。
本发明所述的利用直接还原铁炉顶煤气预热变换氢气的方法是基于直接还原铁炉顶煤气为一种水煤气，可以利用煤化工CO变换H2工艺流程将其变换得到变换氢气，返回直接还原铁竖炉中用于生产直接还原铁，所述方法包括：
1）、由直接还原铁竖炉炉顶产出350～500℃、压力1～5kg的炉顶煤气；
2）、炉顶煤气除尘后进入换热器中，与常温变换氢气进行换热，降温至＜180℃，再加压至＞9kg，进入炉顶煤气变换氢气流程，采用常规CO变换、气体分离技术，得到H2含量≥96%，压力4～8kg，氧化度(CO2+H2O)≤3%，温度＜25℃的常温变换氢气；
3）、常温变换氢气进入换热器中，与炉顶煤气进行换热，升温至330～480℃，得到中温变换氢气；
4)、向中温变换氢气中兑入＜3%的O2或由CH4或H2燃烧后的高温气体，得到氧化度(CO2+H2O)≤6%，温度400～600℃的中高温变换氢气；
5）、将得到的中高温变换氢气兑入1400～1600℃、压力4～5kg的熔铁浴煤制气高温粗煤气中，以所述高温粗煤气加热兑入的中高温变换氢气，得到氢碳比＞1.1、温度630～1050℃、氧化度(H2O+CO2)≤3%的入炉循环还原气，通入直接还原铁竖炉中，提供热量和还原剂以生产直接还原铁，并由炉顶产出350～500℃、压力1～5kg的炉顶煤气；
以上过程循环进行。
本发明上述方法中，所述的百分含量均为体积百分含量。
本发明上述利用直接还原铁炉顶煤气预热变换氢气的方法进一步利用了直接还原铁炉顶煤气热量，经过多次的CO变换和换热，并经常规必要的脱硫脱碳处理后，形成了H2含量升至＞96%的常温变换氢气。因此，本发明方法不仅利用了熔铁浴高温粗煤气中的全部显热，还通过换热的方式利用了炉顶煤气显热，CO变换产生的显热，以及压缩机加压煤气产生的热量，可以大幅度提高煤气中的显热利用量，提高直接还原铁产量。
本发明利用350～500℃的炉顶煤气加热常温变换氢气到330～480℃，是因为根据标态气体计算，脱除CO2后的常温变换氢气量比炉顶煤气量减少了1/3，以高焓量加热低焓量，且常温变换氢气加热后的温度低于炉顶煤气温度，是可以做到的。
本发明所述CO变换所需的水蒸气，首先是直接还原铁炉顶煤气中含有氢气还原铁产生的大量水蒸气，可以利用炉顶煤气中的(H2O+CO)，在变换炉中催化剂存在下对炉顶煤气进行CO中温和/或低温变换。
另外，CO中温变换和低温变换均为放热过程，能够将炉顶煤气提升一定的温度。因此，利用CO变换产生的显热，可以经过换热取得水蒸气，补充CO变换H2需要的水蒸气。
仍然不足部分，可以由生产***回收的水蒸气加以补充，例如，包括但不限于是，熔铁浴煤制气高温液态炉渣冷却时产生的水蒸气，联产合成氨、尿素回收的水蒸气，采用汽轮机驱动压缩机从锅炉废气中回收的水蒸气等等；还可以引入***外部水蒸气用于变换工序。
本发明方法努力提高变换氢气温度的目的，是将熔铁浴煤制气中的还原气全部用于直接还原铁的还原剂。而熔铁浴煤制气粗煤气的显热，经过换热利用的直接还原铁炉顶煤气的显热，CO变换产生的显热，压缩机压缩煤气产生的显热，以及采用部分氧化法向中温变换氢气中兑入的＜3%的O2产生的热量或兑入的CH4或H2燃烧后的高温气体的热量，则全部用于了加热变换氢气。这样，本发明方法可以达到直接还原铁产量最大化，能源利用效率最大化。
将变换氢气的温度提高到≥550℃，兑入1600℃的熔铁浴高温粗煤气中，得到850℃的循环还原气用于生产直接还原铁，则可以将熔铁浴煤制气中的还原气全部用于直接还原铁的还原剂，直接还原铁的还原剂能耗仅为218kg.标煤/t.DRI。如果达不到550℃，则会有一定的剩余氢气。
剩余氢气可以单独采用一套加热***加热到550～600℃兑入到1400～1600℃的高温熔铁浴粗煤气中，得到循环还原气用于产生直接还原铁。尽管增加一套氢气加热***经济效益高，但是更主张将这部分氢气用于合成氨，进而生产尿素等化工产品。这是因为增设一套加热变换氢气***，就会增加一个废气排放烟囱，就会带走热量，并增加CO2和水蒸气的排放。水蒸气虽然不是有毒有害物质，但却是颗粒物PM2.5的载体，在静安的大气环境下会加重雾霾。本发明利用熔铁浴高温粗煤气冶炼直接还原铁的流程可以做到没有CO2和水蒸气排放。
本发明方法中采用部分氧化法以提高变换氢气的温度，其兑入的O2量必须控制在氢气氧化燃烧的爆点含氢量＜3%以下。另外，还可以将燃烧H2或CH4后的高温气体兑入中温变换氢气中，得到氧化度＜6%的中高温变换氢气。兑入的高温气体将中温变换氢气提高到400～600℃，兑入1400～1600℃的熔铁浴高温粗煤气中，得到氢碳比＞1.1、温度630～1050℃、氧化度(H2O+CO2)≤3%的入炉循环还原气。之所以能够得到氧化度≤3%的入炉循环还原气，是因为熔铁浴煤制气中的(CO2+H2O)含量低至＜2%，可以对中高温变换氢气中的(CO2+H2O)进行稀释。
本发明方法中，直接还原铁炉顶煤气中的水蒸气在变换反应后生成H2和CO2，H2可以被循环利用，这是本发明实现氢还原却不排放水蒸气的关键原因。
本发明方法对于工艺流程中采用的除尘器无特别限定，可以包括但不限于是耐热不锈钢烧结除尘器、陶瓷除尘器、旋风除尘器等高温除尘器，所选择的除尘器必须满足本发明工艺流程的技术要求，如材料的耐热温度必须在工艺流程中的煤气温度之上，除尘效果必须不影响CO变换、以及下游工艺流程。
本发明方法中的换热过程优选采用逆流换热器，包括但不限于是管式换热器、隔板式换热器等，且所选择的换热器必须满足本发明工艺流程的技术要求。例如，循环还原气出口与炉顶煤气进口的温差＜50℃。
进而，本发明方法中的换热过程还可以采用热管换热器。
本发明方法对直接还原铁炉顶煤气CO变换后变换氢气的净化无特别限定，可以采用各种常规的煤化工煤气净化工艺，并优选其中压降较小、净化效果好、硫和CO2可以回收利用的净化方法，或者各种天然气直接还原铁工艺的水洗煤气净化技术。
例如，可以包括但不限于采用气基直接还原铁竖炉炉顶气净化方法；低温甲醇洗脱硫、脱CO2技术；湿式氧化法脱硫技术，如长春东狮科技集团湿法脱硫脱碳技术等。所采用的化工技术需要满足本发明工艺流程的技术要求。低温甲醇洗产出的低温煤气可以采用外加热方法升至常温，如空气换热预热、空气热泵预热等。
本发明方法同样对采用的CO中温变换和/或低温变换技术，包括变换用催化剂无特别限定，例如可以包括但不限于是常规的“一中两低”、“两中两低”、“两中三低”、“全低变”、“中变串低变”、“两中两低”等流程，但应保证变换效果必须满足本发明工艺流程的技术要求，例如，变换后的H2含量＞96%，H2S含量＜0.5%。
本发明方法中采用的现有水煤气制氢分离提取氢气技术包括：变换气脱硫后变压吸附从变换气中分离提取氢气技术，分离回收CO2，分离N2；变换气低温甲醇洗分离提取氢气技术，分离H2S回收S，分离回收CO2，分离N2；水洗分离提取H2技术，分离回收CO2、H2S、得到H2的技术；由赛鼎工程有限公司设计的低温甲醇洗工艺；北大先锋科技公司和西南化工工程公司与长春东狮科技公司联合设计的变换气脱硫后的变压吸附分离提取氢气技术；MIDREX公司的水洗分离提取还原气技术等。其中，低温甲醇洗技术需要≥25kg的压力，甲醇需要降温，低温甲醇洗后的各种气体升温解析，消耗较多能源，还需要氢气做功减压，但是回收S、回收CO2、回收H2的效率较高，适合大流量分离提取氢气的工艺流程。
本发明方法对于工艺流程中CO变换后采用的气体H2与CO2分离技术，如捕集CO2无特别限定，可以采用MIDREX技术、低温甲醇洗技术、变压吸附（PSA）等技术，所选择的分离CO2捕集回收技术，在生产工艺中没有CO2排放，同时必须达到CO2利用的技术要求，和直接还原铁循环还原气氧化度＜3%的技术要求。
由于本发明方法中采用了CO变换H2工艺，可以低成本回收CO2，在剩余还原气生产化工产品和采用核能或可再生电力生产绿色H2，与本流程副产的H2、CO2、N2，与化工产品联产，最后可通过化学方法合成尿素、甲醇等，可以实现CO2零排放。
本发明方法能够充分利用煤的氧化分解显热、直接还原铁炉顶煤气显热和CO变换反应显热，因此，本发明方法较MIDREX用天然气生产直接还原铁方法的能耗低。这是因为MIDREX方法中需要分出一部分炉顶煤气燃烧用于间接加热还原气和变换炉，燃烧这一部分炉顶煤气排放的废气、天然气热解能耗、还原气间接加热是MIDREX能量损失和CO2排放的主要环节。因此，本发明在能耗方面、在污染气体排放方面、在CO2回收利用方面、在氢资源循环利用等诸多方面，都比天然气直接还原铁具有节能减排的优势。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，从而使本领域技术人员能很好地理解和利用本发明，而不是限制本发明的保护范围。
本发明说明书中所引用的诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明所采用的工艺及设备，其名称和简称均属于领域内常规的名称，每个名称在相关用途的领域内均非常清楚明确，本领域内的技术人员能够根据名称理解常规工艺步骤并应用相应的设备。
实施例1。
采用水煤气制氢工艺。直接还原铁炉顶煤气温度350～500℃，压力1～4kg，除尘后与常温变换氢气进行换热，炉顶煤气降温到＜150℃后，进入压缩机加压至10kg，进入制氢流程。
制氢流程采用煤化工行业水煤气制氢工艺技术，特别是采用变压吸附分离提取H2、分离回收S、分离回收CO2，得到H2含量≥96%、压力4～8kg、温度＜25℃、氧化度≤3%的常温变换氢气。
常温变换氢气与炉顶煤气换热后，得到330～480℃的中温变换氢气，再采用部分氧化法加入≤3%的O2，得到氧化度≤6%、温度500～600℃的中高温变换氢气。
中高温变换氢气送入1400～1600℃的熔铁浴煤制气高温粗煤气中，得到630～1050℃、氧化度≤3%、压力4～8kg、(H2+CO)≥90%、氢炭比≥1.1的循环还原气，送入直接还原铁竖炉中冶炼直接还原铁。
实施例2。
采用水煤气制氢工艺。直接还原铁炉顶煤气温度350～500℃，压力1～4kg，除尘后与常温变换氢气进行换热，炉顶煤气降温到＜150℃后，进入压缩机加压至10kg，进入制氢流程。
制氢流程采用煤化工行业水煤气制氢工艺技术，特别是采用变压吸附分离提取H2、分离回收S、分离回收CO2，得到H2含量≥96%、压力4～8kg、温度＜25℃、氧化度≤3%的常温变换氢气。
常温变换氢气与炉顶煤气换热后，得到330～480℃的中温变换氢气，再采用氧燃烧CH4产生的高温气体兑入中温变换氢气中，得到氧化度≤6%、温度500～600℃的中高温变换氢气。
中高温变换氢气送入1400～1600℃的熔铁浴煤制气高温粗煤气中，得到630～1050℃、氧化度≤3%、压力4～8kg、(H2+CO)≥90%、氢炭比≥1.1的循环还原气，送入直接还原铁竖炉中冶炼直接还原铁。
实施例3。
采用水煤气制氢工艺。直接还原铁炉顶煤气温度350～500℃，压力1～4kg，除尘后与常温变换氢气进行换热，炉顶煤气降温到＜180℃后，进入压缩机加压至≥25kg ，进入制氢流程。
制氢流程采用煤化工行业煤制氢工艺，特别是采用低温甲醇洗技术，分离提取H2、分离回收S、分离回收CO2，得到H2含量≥96%、压力4～8kg、温度＜25℃、氧化度≤3%的常温变换氢气。
常温变换氢气与炉顶煤气换热后，得到330～480℃的中温变换氢气，再采用氧燃烧CH4产生的高温气体兑入中温变换氢气中，得到氧化度≤6%、温度500～600℃的中高温变换氢气。
中高温变换氢气送入1400～1600℃的熔铁浴煤制气高温粗煤气中，得到630～1050℃、氧化度≤3%、压力4～8kg、(H2+CO)≥90%、氢炭比≥1.1的循环还原气，送入直接还原铁竖炉中冶炼直接还原铁。
实施例4。
采用水煤气制氢工艺。直接还原铁炉顶煤气温度350～500℃，压力1～4kg，除尘后与常温变换氢气进行换热，炉顶煤气降温到＜180℃后，进入压缩机加压至≥25kg ，进入制氢流程。
制氢流程采用煤化工行业煤制氢工艺，特别是采用低温甲醇洗技术，分离提取H2、分离回收S、分离回收CO2，得到H2含量≥96%、压力4～8kg、温度＜25℃、氧化度≤3%的常温变换氢气。
常温变换氢气与炉顶煤气换热后，得到330～480℃的中温变换氢气。
中温变换氢气送入1400～1600℃的熔铁浴煤制气高温粗煤气中，得到630～1050℃、氧化度≤3%、压力4～8kg、(H2+CO)≥90%、氢炭比≥1.1的循环还原气，送入直接还原铁竖炉中冶炼直接还原铁。
本发明以上实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制本发明仅为以上所述实施例。本领域普通技术人员在不脱离本发明原理和宗旨的情况下，针对这些实施例进行的各种变化、修改、替换和变型，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用直接还原铁炉顶煤气预热变换氢气的方法，所述方法包括：
1）、由直接还原铁竖炉炉顶产出350～500℃、压力1～5kg的炉顶煤气；
2）、炉顶煤气除尘后进入换热器中，与常温变换氢气进行换热，降温至＜180℃，再加压至＞9kg，进入炉顶煤气变换氢气流程，采用常规CO变换、气体分离技术，得到H2含量≥96%，压力4～8kg，氧化度(CO2+H2O)≤3%，温度＜25℃的常温变换氢气；
3）、常温变换氢气进入换热器中，与炉顶煤气进行换热，升温至330～480℃，得到中温变换氢气；
4)、向中温变换氢气中兑入＜3%的O2或由CH4或H2燃烧后的高温气体，得到氧化度(CO2+H2O)≤6%，温度400～600℃的中高温变换氢气；
5）、将得到的中高温变换氢气兑入1400～1600℃、压力4～5kg的熔铁浴煤制气高温粗煤气中，以所述高温粗煤气加热兑入的中高温变换氢气，得到氢碳比＞1.1、温度630～1050℃、氧化度(H2O+CO2)≤3%的入炉循环还原气，通入直接还原铁竖炉中，提供热量和还原剂以生产直接还原铁，并由炉顶产出350～500℃、压力1～5kg的炉顶煤气；
以上过程循环进行。
2.根据权利要求1所述的利用直接还原铁炉顶煤气预热变换氢气的方法，其特征是其中的换热过程采用逆流换热器。
3.根据权利要求2所述的利用直接还原铁炉顶煤气预热变换氢气的方法，其特征是所述的逆流换热器为管式换热器或隔板式换热器。
4.根据权利要求1所述的利用直接还原铁炉顶煤气预热变换氢气的方法，其特征是其中的换热过程采用热管换热器。
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