利用CH₄非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝的制作方法

專利名稱：利用CH₄非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于鐵或鋼的冶煉技術領域，具體涉及一種利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝。
背景技術：
鋼鐵工業是國民經濟的基礎產業，也是我國能源資源消耗和污染排放的重點行業。為加快鋼鐵工業結構調整和產業升級，轉變鋼鐵工業發展方式，促進節約、清潔和可持續發展，國家在《鋼鐵產業調整和振興規劃》中提出將“加強非高爐冶煉-煉鋼、精煉-直接軋制全新流程清潔工藝技術研發和試驗”等作為推進全行業節能減排的重點任務，全面推行清潔生產。直接還原工藝作為典型的非高爐煉鐵工藝，是實現鋼鐵生產短流程，即廢鋼/海綿鐵(DRI) —電爐流程的重要環節。氣基豎爐直接還原工藝的原料氣可采用天然氣、焦爐煤氣、煤層氣、蘭碳排放氣等富甲烷煤氣，針對我國多煤少天然氣的資源特點，發展利用焦爐煤氣、煤層氣、蘭碳排放氣等富甲烷煤氣加大型化豎爐的直接還原工藝具有較為寬廣的市場前景。 目前國內針對焦爐煤氣等富甲烷煤氣的氣基豎爐直接還原工藝提出了相應的技術路線，主要的有以下幾類:
1)利用焦爐煤氣和凈化脫碳后的豎爐爐頂氣一起，加濕后再加熱至100(TC左右進入豎爐還原鐵礦石，該技術路線的關鍵在于利用高溫和海綿鐵的催化作用，使部分CH4發生改質反應生成CCHH2補充還原氣，但該工藝路線需要脫碳和噴氧提溫，同時在1000°C左右的溫度下，若還原氣氣氛控制不好，則存在海綿鐵容易黏結的缺陷；
2))利用氧氣、焦爐煤氣、二氧化碳、水蒸汽在轉化爐內轉化后，再和爐頂氣混合，經脫硫脫碳后加熱至800°C進入豎爐還原鐵礦石，同時要求&/0)>1.5 ;該技術路線的工藝路線復雜，加熱爐為避免析碳對氣體成分有嚴格限制，轉化后的高溫煤氣先降溫再加熱，存在原料氣利用效率較低、能耗較高的缺陷；
3)利用焦爐煤氣和凈化、降溫后的爐頂氣混合，在加熱爐中加熱至900°C 950°C使焦爐煤氣中的CH4與爐頂氣中的CO2和H2O發生反應，生成CCHH2后進入豎爐還原鐵礦石；該技術路線存在經凈化降溫后的爐頂氣中的H20、CO2等氧化劑含量較低，不足以與焦爐煤氣中的CH4反應，導致CH4在加熱爐中大量析碳堵塞爐管，同時在900°C 950°C的溫度下，CH4與H2OXO2的反應不充分，進入豎爐后在高溫(900°C 950°C)和海綿鐵的催化下容易發生CH4的大量析碳，并引起黏結，這在焦爐煤氣CH4含量過高或原料氣為天然氣時更為明顯。綜上所述，目前國內針對天然氣、焦爐煤氣等富甲烷煤氣氣基豎爐直接還原工藝的技術路線，存在工藝流程長、轉化工藝復雜、轉化不充分和豎爐容易黏結等技術缺陷。

發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，該直接還原工藝不僅具有工藝流程短、節能減排和投資成本低的優點，并且能夠防止海綿鐵黏結和防止析碳。為達到上述目的，本發明提供如下技術方案:
一種利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，經凈化、壓力調節后的富CH4原料氣與豎爐輸出的經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣一起進入管式爐中預熱；預熱后的煤氣進入非催化純氧轉化爐，在非催化純氧轉化爐中與氧氣發生燃燒反應并升溫，將CH4非催化轉化生成CCHH2 ;非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣與前端經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣混合降溫后，進入豎爐還原鐵礦石生產海綿鐵；豎爐排出的爐頂煤氣經降溫、除塵、加壓、脫碳后，部分與補充的富CH4原料氣一起進入管式爐及非催化純氧轉化爐，部分作為非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣的摻冷煤氣。進一步,所述富CH4原料氣為焦爐煤氣或天然氣。進一步，所述富CH4原料氣與爐頂煤氣在管式爐中的預熱溫度不超過400°C。進一步，經管式爐預熱后的所述煤氣在非催化純氧轉化爐中與氧氣發生燃燒反應后升溫至1200°C 1400°C。進一步，所述非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣中，CH4體積比含量小于2%，且該高溫煤氣的溫度為1000°c 1100°C。進一步，所述非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣與前端經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣混合降溫后得到的還原煤氣的溫度為850°C 900°C，且該還原煤氣中，CCHH2的體積與C02+H20的體積之比大于10。進一步，所述爐頂煤氣采用 真空變壓吸附(VPSA)工藝脫碳。進一步，所述豎爐排出的爐頂煤氣經降溫、除塵后被部分引出作為燃料氣輸出。進一步，所述管式爐采用富CH4原料氣和/或采用經降溫、除塵后的爐頂煤氣作為加熱用的燃料氣。本發明的有益效果在于:
本發明利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，首先將富CH4原料氣和前端經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣混合后預熱，預熱溫度低于400°C，不會發生析碳；另夕卜，管式爐預熱溫度低，外排煙氣少，對管材要求不高，使得管式爐的投資較低，相比其它工藝技術路線，在投資和排放上的優勢十分明顯；
本發明利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝的工藝流程簡單，工藝參數可控性強，通過在純氧轉化爐中的燃燒反應，使CH4充分轉化為C0+H2，富CH4原料氣利用率較高，同時進入豎爐的還原煤氣溫度保持在850°C 900°C，能夠防止海綿鐵黏結；
本發明利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝不使用催化劑，不存在H2S導致催化劑失效的情況，對富CH4原料氣中H2S含量無嚴格限制，尤其適合焦爐煤氣這類H2S含量較高的原料氣。


為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明:
圖1為本發明利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝的工藝流程圖。
具體實施例方式下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。如圖1所示，為本發明利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝的工藝流程圖。本發明利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝為:
經凈化、壓力調節后的富CH4原料氣與豎爐輸出的經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣一起進入管式爐中預熱，且預熱溫度不超過400°C，富CH4原料氣可采用天然氣或焦爐煤氣;
預熱后的煤氣進入非催化純氧轉化爐，在非催化純氧轉化爐中與氧氣發生燃燒反應并迅速提溫至1200°C 1400°C，將CH4非催化轉化生成CCHH2 ；
非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣與前端經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣混合降溫后，進入豎爐還原鐵礦石生產海綿鐵；且非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣中，CH4體積比含量小于2%，該高溫煤氣的溫度為1000°C 1100°C ;該高溫煤氣與前端經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣混合降溫后得到的還原煤氣的溫度為850°C 900°C，且該還原煤氣中，CCHH2的體積與C02+H20的體積之比大于10 ；
豎爐排出的爐頂煤氣經降溫、除塵、加壓、脫碳后，部分與補充的富CH4原料氣一起進入管式爐及非催化純氧轉化爐，部分作為非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣的摻冷煤氣。摻冷煤氣用作與非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣混合降溫，具體的，與富CH4原料氣一起進入管式爐及非催化純氧轉化爐的爐頂煤氣與作為摻冷煤氣的爐頂煤氣之間的比例，根據實際工藝條件確定。優選的，爐頂煤氣采用真空變壓吸附(VPSA)工藝脫碳，脫碳效果好。優選的，豎爐排出的爐頂煤氣經降溫、除塵后被部分引出作為燃料氣，且管式爐可采用富CH4原料氣作為其燃料 氣和/或采用經降溫、除塵后的爐頂煤氣作為燃料氣。本發明利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，首先將富CH4原料氣和前端經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣混合后預熱，由于預熱溫度小于400°C，不會發生析碳；另外，管式爐預熱溫度低，外排煙氣少，對管材要求不高，使得管式爐的投資較低，相比其它工藝技術路線，在投資和排放上的優勢十分明顯；
本發明利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝的工藝流程簡單，工藝參數可控性強，通過在純氧轉化爐中的燃燒反應，使CH4充分轉化為C0+H2，富CH4原料氣利用率較高，同時進入豎爐的還原煤氣溫度保持在850°C 900°C，能夠防止海綿鐵黏結；
本發明利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝不使用催化劑，不存在H2S導致催化劑失效的情況，對富CH4原料氣中H2S含量無嚴格限制，尤其適合焦爐煤氣這類H2S含量較高的原料氣。第一實施例
本實施例利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝為:
將經凈化、調壓后的富CH4原料氣與豎爐輸出的并經降溫、除塵、脫水、加壓、脫碳后得到的爐頂煤氣一起進入管式爐中預熱，且預熱溫度為400°C，本實施例的富CH4原料氣為焦爐煤氣；
預熱后的煤氣進入非催化純氧轉化爐，在非催化純氧轉化爐中與氧氣發生燃燒反應并迅速提溫至1300°C，將CH4非催化轉化生成CCHH2 ；
非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣與前端經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣混合降溫后，進入豎爐還原鐵礦石生產海綿鐵；且非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣中，CH4體積比含量為1%，該高溫煤氣的溫度為1050°C;該高溫煤氣與前端經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣混合降溫后得到的還原煤氣的溫度為900°C，且該還原煤氣中，CCHH2的體積與C02+H20的體積之比等于12 ；
豎爐排出的爐頂煤氣經降溫、除塵、加壓、脫碳后，大部分與補充的富CH4原料氣一起進入管式爐及非催化純氧轉化爐，小部分作為非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣的摻冷煤氣，摻冷煤氣用作與非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣混合降溫。本實施例的爐頂煤氣采用真空變壓吸附(VPSA)工藝脫碳，脫碳效果好。本實施例豎爐排出的爐頂煤氣經降溫、除塵后被部分引出作為管式爐的燃料氣。第二實施例
本實施例利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝為:
將經凈化、調壓后的富CH4原料氣與豎爐輸出的并經降溫、除塵、脫水、加壓、脫碳后得到的爐頂煤氣一起進入管式爐中預熱，且預熱溫度為380°C，本實施例的富CH4原料氣為天然氣；
預熱后的煤氣進入非催化純氧轉化爐，在非催化純氧轉化爐中與氧氣發生燃燒反應并迅速提溫至1200°C，將CH4非催化轉化生成CCHH2 ；
非催化純氧轉化爐排 出的高溫煤氣與前端經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣混合降溫后，進入豎爐還原鐵礦石生產海綿鐵；且非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣中，CH4體積比含量為2%，該高溫煤氣的溫度為1000°C;該高溫煤氣與前端經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣混合降溫后得到的還原煤氣的溫度為850°C，且該還原煤氣中，CCHH2的體積與C02+H20的體積之比等于10 ；
豎爐排出的爐頂煤氣經降溫、除塵、加壓、脫碳后，大部分與補充的富CH4原料氣一起進入管式爐及非催化純氧轉化爐，小部分作為非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣的摻冷煤氣，摻冷煤氣用作與非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣混合降溫。本實施例的爐頂煤氣采用真空變壓吸附(VPSA)工藝脫碳，脫碳效果好。本實施例豎爐排出的爐頂煤氣經降溫、除塵后被部分引出并與富CH4原料氣混合一起作為管式爐的燃料氣。第三實施例
本實施例利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝為:
將經凈化、調壓后的富CH4原料氣與豎爐輸出的并經降溫、除塵、脫水、加壓、脫碳后得到的爐頂煤氣一起進入管式爐中預熱，且預熱溫度為350°C，本實施例的富CH4原料氣為焦爐煤氣；
預熱后的煤氣進入非催化純氧轉化爐，在非催化純氧轉化爐中與氧氣發生燃燒反應并迅速提溫至1400°C，將CH4非催化轉化生成CCHH2 ；
非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣與前端經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣混合降溫后，進入豎爐還原鐵礦石生產海綿鐵；且非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣中，CH4體積比含量為0.5%，該高溫煤氣的溫度為1100°C;該高溫煤氣與前端經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣混合降溫后得到的還原煤氣的溫度為880°C，且該還原煤氣中，CCHH2的體積與C02+H20的體積之比等于14 ；
豎爐排出的爐頂煤氣經降溫、除塵、加壓、脫碳后，大部分與補充的富CH4原料氣一起進入管式爐及非催化純氧轉化爐，小部分作為非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣的摻冷煤氣，摻冷煤氣用作與非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣混合降溫。本實施例的爐頂煤氣采用真空變壓吸附(VPSA)工藝脫碳，脫碳效果好。本實施例的管式爐采用富CH4原料氣作為燃料氣。最后說明 的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。
權利要求
1.一種利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，其特征在于:經凈化、壓力調節后的富CH4原料氣與豎爐輸出的經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣一起進入管式爐中預熱；預熱后的煤氣進入非催化純氧轉化爐，在非催化純氧轉化爐中與氧氣發生燃燒反應并升溫，將CH4非催化轉化生成CCHH2 ;非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣與前端經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣混合降溫后，進入豎爐還原鐵礦石生產海綿鐵；豎爐排出的爐頂煤氣經降溫、除塵、加壓、脫碳后，部分與補充的富CH4原料氣一起進入管式爐及非催化純氧轉化爐，部分作為非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣的摻冷煤氣。
2.根據權利要求1所述的利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，其特征在于:所述富CH4原料氣為焦爐煤氣或天然氣。
3.根據權利要求1所述的利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，其特征在于:所述富014原料氣與經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣在管式爐中的預熱溫度不超過 400°C。
4.根據權利要求3所述的利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，其特征在于:經管式爐預熱后的所述煤氣在非催化純氧轉化爐中與氧氣發生燃燒反應后升溫至1200。。 1400。。。
5.根據權利要求4所述的利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，其特征在于:所述非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣中，CH4體積比含量小于2%，且該高溫煤氣的溫度為 IOOO0C-1lOO0Co
6.根據權利要求5所述的利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，其特征在于:所述非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣與前端經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣混合降溫后得到的還原煤氣的溫度為850°C 900°C，且該還原煤氣中，CCHH2的體積與C02+H20的體積之比大于10。
7.根據權利要求1-6任一項所述的利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，其特征在于:所述爐頂煤氣采用真空變壓吸附(VPSA)工藝脫碳。
8.根據權利要求7所述的利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，其特征在于:所述豎爐排出的爐頂煤氣經降溫、除塵后被部分引出作為燃料氣輸出。
9.根據權利要求8所述的利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，其特征在于:所述管式爐采用富CH4原料氣和/或采用經降溫、除塵后的爐頂煤氣作為加熱用的燃料氣。
全文摘要
一種利用CH4非催化轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，經凈化、壓力調節后的富CH4原料氣和豎爐輸出的經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣一起進入管式爐中預熱；預熱后的煤氣進入非催化純氧轉化爐，在非催化純氧轉化爐中與氧氣發生燃燒反應并升溫，將CH4非催化轉化生成CO+H2；非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣與前端經降溫、除塵、加壓、脫碳后的爐頂煤氣混合降溫后，進入豎爐還原鐵礦石生產海綿鐵；豎爐排出的爐頂煤氣經降溫、除塵、加壓、脫碳后，部分與補充的富CH4原料氣一起進入管式爐及非催化純氧轉化爐，部分作為非催化純氧轉化爐排出的高溫煤氣的摻冷煤氣。由于預熱溫度較低，不會發生析碳，并對富CH4原料氣中H2S含量無嚴格限制，能夠防止海綿鐵黏結。
文檔編號C21B13/02GK103146866SQ201310114729
公開日2013年6月12日 申請日期2013年4月3日 優先權日2013年4月3日
發明者陳凌, 郭敏, 張濤, 吳開基, 鹿存房, 林亮成 申請人:中冶賽迪工程技術股份有限公司