CN116904685A - 一种还原竖炉炼铁***和工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冶金‑炼铁技术领域，公开了一种还原竖炉炼铁***和工艺，该***在还原段中部设置新增气相出口，新增气相出口上方设置氧气喷吹装置；其工艺是将含铁炉料送入竖炉，并向还原段底部持续通入热还原气对含铁炉料还原；在还原过程中通过新增气相出口排出部分气体，并通过氧气喷吹装置向喷吹氧气，氧气与剩余还原气燃烧放热，将所有还原气全部氧化，从而维持还原段温度；新增气相出口排出的气体在去除H2O和CO2后与热还原气混合并重新通入还原段；炉顶煤气通过冷凝分离出H2O，对CO2进行捕集。本发明实现了对炉顶煤气化学能的充分应用和尾气中CO2的原位捕集，同时解决了竖炉直接还原存在的CO2分离能耗高的问题。
Description
技术领域
本发明属于冶金-炼铁技术领域，具体的说，是涉及一种还原竖炉炼铁***和工艺。
背景技术
温室气体排放导致气候变化日益严峻，节能减排已经成为全人类的共识。其中钢铁行业极度依赖化石能源，碳排放量极大。为了减少二氧化碳的排放，高排放的钢铁行业的技术革新刻不容缓。目前，采用竖炉直接还原短流程工艺替代以往高炉长流程工艺已成为未来工业炼铁发展趋势。
世界上有75％的直接还原铁由气基竖炉生产，目前应用最广的气基竖炉技术是Midrex和HYL工艺。Midrex法使用天然气重整方法制取还原气，还原气从竖炉中部进风口送入，并将从顶部加入的铁矿氧化球团和块铁矿在对流运动中还原成海绵铁。炉顶煤气含CO及H2约60-70％，一部分炉顶煤气经加压送入混合室与当量天然气混合均匀。混合气经催化裂化反应后转化成还原气，还原气温度为850-900℃，CO及H2含量约为95％。剩余的炉顶煤气则在添加少量天然气后，作为燃料送入转化炉反应管外，为天然气催化裂化反应提供热量。同时，转化炉烟气则进入换热器对混合的原料气和助燃空气进行预热，对热量进行进一步回收利用。该工艺采用外部转化炉，增加投资，并且需要消耗大量Ni基等贵金属催化剂，运行费用较高。且烟气中含有大量CO2，需要进一步处理后才能排放。HYL工艺可以直接使用焦炉煤气、煤制气等合成气作为还原气，其铁矿石还原过程与Midrex工艺类似，从炉顶出来的煤气经过脱水和脱CO2后与经脱水后的新鲜合成气混合，再通过加热器加热和加适量氧燃烧后送入铁还原竖炉中。该过程耗气量大，且炉顶气中CO和H2含量亦较高，后续分离过程功耗较大，过程中会排放大量CO2，与目前清洁绿色的发展路线不相符。
在Midrex和HYL工艺中，炉顶煤气中CO及H2含量较高，煤气中还原势化学能未能高效利用，直接排放会造成煤气中化学能的浪费。这就要求部分炉顶煤气需要在去除CO2后重新进入竖炉，CO2含量过高直接影响还原铁质量。因此，需要消耗大量能量来分离CO2，运行费用较高。与此同时，还原气中的氢还原吸热导致竖炉上部热需求大幅上升，使得为满足热平衡不得不在外部加热竖炉底部还原气，会产生大量能耗。
因此，当前急需一种绿色清洁低碳，且降低过程能源消耗和生产成本的还原铁工艺，该工艺可以同时满足气基竖炉上部氢还原的热量需求和炉顶煤气的CO2捕集，减少后续分离能耗和设备投资。
发明内容
为了实现对炉顶煤气化学能的充分应用和尾气中CO2的原位捕集，同时降低循环煤气中CO2的分离能耗，本发明提出了一种还原竖炉炼铁***和工艺。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
根据本发明的一个方面，提供了一种还原竖炉炼铁***，包括竖炉，所述竖炉的还原段中部设置有至少一个新增气相出口，所述竖炉的还原段在所述新增气相出口上方设置有至少一个氧气喷吹装置。
优选地，所述新增气相出口在还原段沿炉体环向均匀布置。
优选地，所述新增气相出口在还原段沿炉体纵向均匀布置。
优选地，所述氧气喷吹装置在还原段沿炉体环向均匀布置。
优选地，所述氧气喷吹装置在还原段沿炉体纵向均匀布置。
进一步地，所述新增气相出口与煤气净化装置的入口连接，所述煤气净化装置的出口连接至所述竖炉底部的新鲜还原气管道；所述竖炉的炉顶煤气出口与所述废气冷凝装置的入口连接，所述废气冷凝装置的出口用于对CO2捕集。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于上述***的还原竖炉炼铁工艺，包括如下过程：
将含铁炉料送入所述竖炉，同时向所述竖炉的还原段底部持续通入热还原气对含铁炉料还原；在还原过程中，根据所述竖炉的还原段内含铁炉料温度，通过所述新增气相出口排出部分气体，并通过所述氧气喷吹装置向所述竖炉的还原段内喷吹氧气，氧气与剩余还原气燃烧放热，将所有还原气全部氧化，从而维持所述还原段温度在500～1200℃；
所述新增气相出口排出的气体进入煤气净化装置，在去除H2O和CO2后，与热还原气混合并重新通入竖炉还原段；
所述竖炉的炉顶煤气进入废气冷凝装置，通过冷凝分离出H2O，对CO2进行捕集。
进一步地，所述热还原气为CO、H2、CH4、合成气、天然气、页岩气、水煤气或沼气等。
进一步地，所述新增气相出口排出气体的比例占通入所述竖炉内还原气的50％-90％。
进一步地，所述氧气喷吹装置通入所述竖炉内的氧气能够将所述竖炉内所有剩余还原气氧化完，使得炉顶煤气的组成中只有H2O和CO2。
本发明的有益效果是：
(一)本发明在竖炉还原段中部把一部分还原气额外排出，并在净化后重新从底部通入竖炉；相比于原有工艺中把所有气体都从炉顶排出，需要消耗大量能量来分离CO2，本发明只需要对竖炉中部排出的部分气体进行分离，可以有效降低CO2分离能耗。
(二)本发明从竖炉的还原段上部均匀通入部分氧气，氧气和炉内还原气燃烧释放大量热量，能够将竖炉内温度提高并维持在500～1200℃，从而提高了竖炉内反应速率、还原气利用率和直接还原铁转化率，弥补了冶金过程中热量供应不足的问题，无需繁琐的外部加热设备或另外加入天然气燃烧供热，极大地减少了工艺投资。
(三)本发明能够实现在冶金过程中原位捕集CO2，通过在竖炉的还原段上部通入足量氧气，可以消耗掉竖炉内多余的CO和H2，在竖炉顶部得到基本完全转化的还原气，即炉顶气组成中基本只有二氧化碳和水蒸气；由于炉顶烟气组成非常简单，只需要对烟气中的热进行回收并且冷凝其中的水蒸气后即能捕集CO2，不需要额外的CO2捕集装置，也不需要对未转化完的还原气进行回收利用，减少过程能耗。
附图说明
图1为本发明的还原竖炉炼铁***结构示意图以及工艺流程图。
图中：1：氧气喷吹装置；2：新增气相出口；3：煤气净化装置；4：热还原气喷吹装置；5：炉顶气输出装置；6：废气冷凝装置。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供了一种可以在竖炉的还原段中部采出气体，在还原段的中上部均匀通入氧气的还原气直接还原铁(DRI)的还原竖炉炼铁***，包括氧气喷吹装置1、新增气相出口2、煤气净化装置3、热还原气喷吹装置4、炉顶气输出装置5、废气冷凝装置6。
新增气相出口2包括一个或多个，均设置在竖炉的还原段中部，用于将竖炉的还原段内部分还原气排出。作为一种优选的实施方式，新增气相出口2可以在还原段沿炉体环向均匀布置，也可以在还原段沿炉体纵向均匀布置。
氧气喷吹装置1包括一个或多个，均设置在竖炉的还原段中上部，并且均位于新增气相出口2上方。作为一种优选的实施方式，氧气喷吹装置1用于向竖炉的还原段中上部均匀通入氧气。
煤气净化装置3、热还原气喷吹装置4、炉顶气输出装置5、废气冷凝装置6的具体结构均为现有技术内容。在本发明中，煤气净化装置3用于分离新增气相出口2排出气体内的CO2和H2O；热还原气喷吹装置4用于向竖炉的还原段底部通入热还原气；炉顶气输出装置5用于排出炉顶煤气；废气冷凝装置6用于尾气余热回收和CO2捕集。
具体地，新增气相出口2与煤气净化装置3的入口连接，煤气净化装置3的出口连接至竖炉底部的新鲜还原气管道，使去除H2O和CO2后的热还原气与新鲜还原气混合后，再从热还原气喷吹装置4通入竖炉。竖炉的炉顶煤气出口5与废气冷凝装置6的入口连接，废气冷凝装置6的出口用于对CO2捕集。
本实施例基于上述***提出的还原竖炉炼铁工艺，包括如下工艺过程：
S1、将含铁炉料从竖炉的顶部送入竖炉的还原段，同时热还原气喷吹装置4持续向还原段底部通入热还原气对含铁炉料进行还原。充分还原后的铁组分进入竖炉的冷却段，冷却后从竖炉的冷却段底部排出。
其中，热还原气是指加热后具有还原作用的气体，可以是CO、H2、CH4、合成气、天然气、页岩气、水煤气、沼气等。
要注意的是，在还原气通入竖炉之前需要先预热，具体预热温度根据实际反应条件决定。
其中，竖炉内还原温度需要整体控制在500～1200℃。
S2、在还原过程中，根据竖炉的还原段内含铁炉料的温度，让炉内一定量气体通过竖炉的还原段的新增气相出口2排出。
其中，新增气相出口2排出的气体是H2、CO、H2O、CO2等气体的混合物，
其中，新增气相出口2排出气体的量由竖炉还原段内温度决定。如果竖炉内温度高于设定温度，就增加气体排出量；如果竖炉内温度低于设定温度，则减少气体排出量。
同时，根据竖炉上部还原气的组成，氧气喷吹装置1向竖炉的还原段上部喷吹一定量的氧气，直到所有还原气都被氧化，炉顶气中只剩下CO2和H2O；氧气喷吹装置1向竖炉喷吹的氧气与未反应完的还原气燃烧放热，从而维持竖炉还原段温度在500～1200℃。
其中，氧气喷吹装置1喷吹氧气的量取决于竖炉的还原段上部还原气的组成，通入竖炉内氧气的量需正好把所有还原气氧化完全。此时，炉顶气的组成中只有H2O和CO2，不含有还原气和氧气。
S3、新增气相出口2排出的气体进入煤气净化装置3，将热还原气去除H2O和CO2，而后与新鲜还原气混合并重新从热还原气喷吹装置4通入竖炉。
其中，煤气净化装置3无需把所有H2O和CO2都分离出来，只需让净化后气体满足热还原气进料要求即可。
S4、炉顶煤气通过炉顶气输出装置5排出，并进入废气冷凝装置6，通过冷凝分离CO2和H2O，并对CO2进行捕集。
其中，废气中的余热被回收后再利用。
为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
实施例1
本实施例选用铁品味为70％的赤铁矿块矿作为含铁炉料，在含铁炉料的还原过程中，从竖炉的还原段中部采出部分气体，并在还原段中上部均匀通入氧气，用被预热到900℃的热还原气制备直接还原铁。为方便对该过程进行解释，把竖炉还原段从上到下分成8段，分别为L1-L8，含铁炉料从L1进料，热还原气从L8通入，具体步骤如下：
(1)将含铁炉料从竖炉顶部(L1)送入氢气竖炉的还原段，铁矿石质量流量为821274kg/hr，温度为25℃，压力为2atm。同时向竖炉还原段底部(L8)持续通入温度为900℃的热还原气(本实施例中为氢气和一氧化碳的混合气)，其中氢气和一氧化碳的体积比为1:1，摩尔流量为22280kmol/h，压力为2atm。含铁炉料在还原段内与热还原气反应。
(2)通过气相额外出口从竖炉还原段中部(L4)采出部分还原气，采出气体的摩尔流量为14705kmol/h，占竖炉内总还原气流量的66％，温度为911℃，压力为2atm，组成为CO占34.6％，CO2占15.4％，H2占31.3％，H2O占18.7％。采出气体通过煤气净化装置3把CO2和H2O分离后，重新从竖炉底部(L1)通入。
(3)在竖炉的还原段上部L1、L2、L3处均匀通入氧气，温度为25℃，压力为2atm。其中，L1处通入氧气的摩尔流量为580kmol/hr，L2处通入氧气的摩尔流量为217kmol/hr，L3处通入氧气的摩尔流量为100kmol/hr。氧气与竖炉内剩余还原气燃烧放出热量以维持还原段内含铁炉料温度保持在900-1050℃。
(4)还原后的高温铁进入竖炉冷却段进行冷却，从冷却段底部出口排出，获得还原铁。炉顶气从竖炉顶部排出，此时炉顶气温度为759℃，压力为2atm，流量为7576kmol/hr，组成为CO2占50％，H2O占50％。
(5)炉顶气进入废气冷凝装置6，把CO2和H2O分离，把捕集到的纯CO2进行储存，流量为3788kmol/hr，温度为25℃。
竖炉还原段内各段具体情况见表1。
表1还原气900℃进料-竖炉还原段内各段具体条件和组成(L1-L8)
由表1可知，该实施例在竖炉的还原段新增气相出口2处采出的气体比例占通入竖炉内还原气的66％，提高了竖炉还原段内温度，并实现了CO2的原位捕集。
实施例2
本实施例选用铁品味为70％的赤铁矿块矿作为含铁炉料，在含铁炉料的还原过程中，从竖炉的还原段中部采出部分气体，并在还原段中上部均匀通入氧气，用被预热到500℃的热还原气制备直接还原铁。为方便对该过程进行解释，把竖炉还原段从上到下分成8段，分别为L1-L8，含铁炉料从L1进料，热还原气从L8通入，具体步骤如下：
将含铁炉料从竖炉顶部(L1)送入氢气竖炉还原段，铁矿石质量流量为821274kg/hr，温度为25℃，压力为2atm。同时向竖炉还原段底部(L8)持续通入温度为500℃的热还原气(本实施例中为氢气和一氧化碳的混合气)，其中氢气和一氧化碳的体积比为6:4，摩尔流量为22500kmol/h，压力为2atm。含铁炉料在还原段内与热还原气反应。
通过新增气相出口2从竖炉的还原段中部(L4)采出部分还原气，采出气体的摩尔流量为13500kmol/h，占竖炉内总还原气流量的66％，温度为911℃，压力为2atm，组成为CO占25.7％，CO2占14.3％，H2占40.5％，H2O占19.5％。采出气体通过煤气净化装置3把CO2和H2O分离后，重新从竖炉底部(L1)通入。
在竖炉的还原段上部L1、L2、L3处均匀通入氧气，温度为25℃，压力为2atm。其中，L1处通入氧气的摩尔流量为1000kmol/hr，L2处通入氧气的摩尔流量为200kmol/hr，L3处通入氧气的摩尔流量为180kmol/hr。
还原后的高温铁进入竖炉的冷却段进行冷却，从冷却段底部出口排出，获得还原铁。炉顶气从竖炉顶部排出，此时炉顶气温度为1055℃，压力为2atm，流量为9000kmol/hr，组成为CO2占40％，H2O占60％。
炉顶气进入废气冷凝装置，把CO2和H2O分离，把捕集到的纯CO2进行储存，流量为3599kmol/hr，温度为25℃。
竖炉还原段内各段具体情况见表2。
表2还原气500℃进料-竖炉还原段内各段具体条件和组成(L1-L8)
由表2可知，该实施例在竖炉的还原段新增气相出口2处采出的气体比例占通入竖炉内还原气的66％，提高了竖炉还原段内温度，并实现了CO2的原位捕集。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种还原竖炉炼铁***，包括竖炉，其特征在于，所述竖炉的还原段中部设置有至少一个新增气相出口，所述竖炉的还原段在所述新增气相出口上方设置有至少一个氧气喷吹装置。
2.根据权利要求1所述的一种还原竖炉炼铁***，其特征在于，所述新增气相出口在还原段沿炉体环向均匀布置。
3.根据权利要求1所述的一种还原竖炉炼铁***，其特征在于，所述新增气相出口在还原段沿炉体纵向均匀布置。
4.根据权利要求1所述的一种还原竖炉炼铁***，其特征在于，所述氧气喷吹装置在还原段沿炉体环向均匀布置。
5.根据权利要求1所述的一种还原竖炉炼铁***，其特征在于，所述氧气喷吹装置在还原段沿炉体纵向均匀布置。
6.根据权利要求1所述的一种还原竖炉炼铁***，其特征在于，所述新增气相出口与煤气净化装置的入口连接，所述煤气净化装置的出口连接至所述竖炉底部的新鲜还原气管道；所述竖炉的炉顶煤气出口与所述废气冷凝装置的入口连接，所述废气冷凝装置的出口用于对CO2捕集。
7.一种基于权利要求1-6中任一项所述***的还原竖炉炼铁工艺，其特征在于，包括如下过程：
将含铁炉料送入所述竖炉，同时向所述竖炉的还原段底部持续通入热还原气对含铁炉料还原；在还原过程中，根据所述竖炉的还原段内含铁炉料温度，通过所述新增气相出口排出部分气体，并通过所述氧气喷吹装置向所述竖炉的还原段内喷吹氧气，氧气与剩余还原气燃烧放热，将所有还原气全部氧化，从而维持还原段的温度在500～1200℃；
所述新增气相出口排出的气体进入煤气净化装置，在去除H2O和CO2后，与热还原气混合并重新通入竖炉还原段；
所述竖炉的炉顶煤气进入废气冷凝装置，通过冷凝分离出H2O，对CO2进行捕集。
8.根据权利要求7所述的一种还原竖炉炼铁工艺，其特征在于，所述热还原气为CO、H2、CH4、合成气、天然气、页岩气、水煤气或沼气。
9.根据权利要求7所述的一种还原竖炉炼铁工艺，其特征在于，所述新增气相出口排出气体的比例占通入所述竖炉内还原气的50％-90％。
10.根据权利要求7所述的一种还原竖炉炼铁工艺，其特征在于，所述氧气喷吹装置通入所述竖炉内的氧气能够将所述竖炉内所有剩余还原气氧化完，使得炉顶煤气的组成中只有H2O和CO2。
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