非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種利用CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，工藝路線為：經凈化、調節壓力后的富CH4原料氣和富氧空氣分別經預熱后，進入非催化富氧轉化爐，并在所述非催化富氧轉化爐中發生燃燒反應并升溫，將其中的CH4轉化成CO和H2，形成高溫轉化氣；與此同時，豎爐爐頂氣經降溫、除塵、加壓后進入氫氣提純裝置中制得提純氫氣，提純氫氣經預熱后進入所述催化富氧轉化爐的下部，與所述經燃燒反應生成的高溫轉化氣混合，形成還原煤氣；還原煤氣然后進入豎爐將鐵礦石還原成海綿鐵；該直接還原工藝不僅具有工藝流程短、節能減排、燒嘴使用壽命長、投資成本低的優點，并且能夠防止海綿鐵黏結和防止析碳。
【專利說明】一種利用CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，屬于鐵或鋼的冶煉【技術領域】。
【背景技術】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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:
[0005]I)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KKKTC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；
[0006]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H2/C0>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；
[0007]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&0、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H20、C02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。
[0008]4)利用富CH4煤氣與凈化、降溫后的爐頂氣混合，在加熱爐中加熱后與純氧進行非催化轉化生成CCHH2，再與凈化、降溫后的爐頂氣混合降溫后進入豎爐還原鐵礦石。該技術路線原料氣與純氧反應，反應溫度高，燒嘴使用壽命短，為延長燒嘴壽命需要通入蒸汽，這樣會導致還原氣氧化度提高，不利于礦石的還原。
[0009]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、豎爐容易黏結、轉化燒嘴使用壽命短、轉化氣氧化度高等技術缺陷。
【發明內容】
[0010]本發明的目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種利用CH4非催化富氧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、燒嘴使用壽命長、投資成本低的優點，并且能夠防止海綿鐵黏結和防止析碳。
[0011]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0012]一種利用CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝方法，工藝路線為:經凈化、調節壓力后的富CH4原料氣和富氧空氣分別經預熱后，進入非催化富氧轉化爐，并在所述非催化富氧轉化爐中發生燃燒反應并升溫，將其中的CH4轉化成CO和H2,形成高溫轉化氣；與此同時，豎爐爐頂氣經降溫、除塵、加壓后進入氫氣提純裝置中制得提純氫氣，提純氫氣經預熱后進入所述催化富氧轉化爐的下部，與所述經燃燒反應生成的高溫轉化氣混合，形成還原煤氣；還原煤氣然后進入豎爐將鐵礦石還原成海綿鐵。
[0013]其中，
[0014]由于富CH4原料氣和富氧空氣反應，反應溫度低，所述非催化富氧轉化爐中不需要使用蒸汽降溫。如此，轉化爐的噴嘴能具有較長的使用壽命，并保證還原煤氣的還原度。
[0015]優選的，所述富CH4原料氣為焦爐煤氣或天然氣。
[0016]優選的，所述富CH4原料氣經預熱后，溫度不超過400°C;更優選為300°C?400°C。
[0017]優選的，所述富氧空氣的富氧率為35% -60%。
[0018]優選的，所述富氧空氣經預熱后，溫度不超過300°C ;更優選為200°C -300°C。
[0019]優選的，使燃燒反應生成的高溫轉化氣的溫度為1200°C?1450°C ;而且該溫度值可通過控制所述富氧空氣與富CH4原料氣體積比進行調節。
[0020]優選的，所述混合形成的還原煤氣的溫度為850°C?1000°C。
[0021]優選的，所述混合形成的還原煤氣中，CO和H2的總體積與CO2和H2O的體積之比不小于10 ;更優選為10?13。
[0022]優選的，所述豎爐爐頂氣經除塵降溫至40°C，并加壓至0.4?0.8MPa，滿足后續氫提純裝置的要求。
[0023]優選的，所述氫氣提純裝置為真空變壓吸附氫提純裝置(VPSA)。
[0024]優選的，所述真空變壓吸附氫提純裝置制得的氫氣的純度達到85%以上。
[0025]所述氫氣提純裝置中生成的氫氣，作為摻冷氣，經預熱后與燃燒生成的高溫轉化氣混合降溫后進入豎爐，摻冷氫氣流量及預熱溫度，根據實際工藝條件確定。
[0026]所述真空變壓吸附氫提純裝置產生的解吸氣含有部分COXH4等可燃氣體，可作為管式加熱爐及其他用戶的燃料氣。
[0027]優選的，所述富CH4原料氣、富氧空氣和提純氫氣在同一個管式加熱爐中進行預熱。
[0028]優選的，所述管式加熱爐的加熱原料可以是富CH4原料氣和/或所述真空變壓吸附氫提純裝置產生的解吸氣。
[0029]本發明的技術效果及優點在于:
[0030]1、本發明利用CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，首先將富CH4原料氣在管式加熱爐中進行預熱處理，預熱溫度低于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。
[0031]2、本發明原料氣與富氧空氣反應，溫度較低，可以在不使用蒸汽降溫的情況下延長轉化爐燒嘴使用壽命，同時保證還原氣的還原度。
[0032]3、本發明利用CH4非催化富氧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，通過控制VPSA所制氫氣流量來控制還原氣的還原度，通過控制氫氣預熱溫度來控制還原氣溫度，針對不同的礦石調節不同的還原度及還原煤氣溫度，有效防止海綿鐵黏結。
[0033]4、本發明利用CH4非催化富氧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。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1 CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝的工藝流程圖
[0035]附圖標記:
[0036]1、管式加熱爐；2、非催化富氧轉化爐；3、豎爐；4、換熱器；5、洗滌塔；6、加壓器；
7、真空變壓吸附氫提純裝置；
[0037]①富氧空氣；②富CH4原料氣；③提純氫氣。
【具體實施方式】
[0038]以下通過特定的具體實例說明本發明的技術方案。應理解，本發明提到的一個或多個方法步驟并不排斥在所述組合步驟前后還存在其他方法步驟或在這些明確提到的步驟之間還可以插入其他方法步驟；還應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。而且，除非另有說明，各方法步驟的編號僅為鑒別各方法步驟的便利工具，而非為限制各方法步驟的排列次序或限定本發明可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容的情況下，當亦視為本發明可實施的范疇。
[0039]本發明提供的CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝，如圖1所示:
[0040]焦爐煤氣或天然氣等經凈化、調壓后作為富CH4原料氣與富氧空氣(富氧率35% -60% )分別經管式加熱爐預熱，富CH4原料氣預熱至溫度不超過400°C、富氧空氣預熱至溫度不超過300°C ;預熱后，兩股氣體進入非催化富氧轉化爐中發生燃燒反應并升溫，將其中的CH4轉化成CO和H2,形成高溫轉化氣，溫度在1200°C?1450°C。
[0041]與上述同時，來自還原生成海綿鐵的豎爐的爐頂氣經換熱器降溫至200°C?220°C后，進入洗滌塔經水洗除塵降溫至40°C，然后經加壓機加壓至0.4?0.SMPa后進入真空變壓吸附氫提純裝置(VPSA)制得純度為85%以上的提純氫氣；提純氫氣經所述管式加熱爐預熱后，進入所述催化富氧轉化爐的下部，與所述經轉化反應生成的高溫轉化氣混合，形成還原煤氣，并使混合氣體降溫至850°C?1000°C，混合形成的還原煤氣中CO和H2的總體積與CO2和H2O的體積之比不小于10，然后進入所述豎爐中將鐵礦石還原成海綿鐵。
[0042]作為優選的實施情況，所述管式加熱爐的加熱原料可以是富CH4原料氣和/或所述真空變壓吸附氫提純裝置產生的解吸氣。
[0043]作為優選的實施情況，所述混合形成的還原煤氣中，CO和H2的總體積與CO2和H2O的體積之比為10?13 ;
[0044]作為優選的實施情況，所述富CH4原料氣預熱至300°C?400°C、富氧空氣預熱至200-300。。。
[0045]以下通過具體實施例對本發明的技術方案做進一步的闡釋:
[0046]實施例1:
[0047]還原鈦釩磁鐵礦制海綿鐵
[0048]焦爐煤氣經凈化、加壓后作為富CH4原料氣與富氧空氣分別經管式加熱爐預熱，富CH4原料氣預熱至400°C、富氧空氣預熱至250°C ;預熱后，兩股氣體進入非催化富氧轉化爐中發生燃燒反應并升溫，將其中的CH4轉化成CO和H2，形成溫度在1340°C的高溫轉化氣，。
[0049]與上述同時，來自還原生成海綿鐵的豎爐的爐頂氣經換熱器降溫至210°C后，進入洗滌塔經水洗除塵降溫至40°C，然后經加壓機加壓至0.45MPa后進入真空變壓吸附氫提純裝置(VPSA)制得純度達85%以上的提純氫氣；提純氫氣全部作為摻冷氣，經所述管式加熱爐預熱后進入所述催化富氧轉化爐的下部，與所述經燃燒反應生成的高溫轉化氣混合，形成還原煤氣，并通過控制用于摻冷的提純氫氣的流量和預熱溫度，控制還原煤氣中CO和H2的總體積與CO2和H2O的體積之比為11，并使混合氣體降溫至1000°C，然后進入所述豎爐中將其中的釩鈦磁鐵礦還原成海綿鐵。
[0050]由于本實施例中將富CH4原料氣預熱至400°C，未超過析碳溫度，所以不會發生析碳。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。
[0051]再則，原料氣與富氧空氣反應，可以在不使用蒸汽降溫的情況下延長轉化爐燒嘴使用壽命，同時保證還原氣的還原度。
[0052]通過控制VPSA所制氫氣流量來控制還原煤氣的還原度，通過控制氫氣預熱溫度來控制還原煤氣溫度，針對不同的礦石調節不同的還原度及還原煤氣溫度，有效防止海綿鐵黏結。
[0053]最后由于該工藝不使用催化劑，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。
[0054]實施例2
[0055]還原普通鐵礦制海綿鐵
[0056]天然氣經凈化、調壓后作為富CH4原料氣與富氧空氣分別經管式加熱爐預熱，富CH4原料氣預熱至350°C、富氧空氣預熱至260°C ;預熱后，兩股氣體進入非催化富氧轉化爐中發生燃燒反應并升溫，將其中的CH4轉化成CO和H2，形成溫度在1350°C高溫轉化氣。
[0057]與上述同時，來自還原生成海綿鐵的豎爐的爐頂氣經換熱器降溫至210°C后，進入洗滌塔經水洗除塵降溫至40°C，然后經加壓機加壓至0.SMPa后進入真空變壓吸附氫提純裝置(VPSA)制得純度達85%以上的提純氫氣；提純氫氣全部作為摻冷氣，經所述管式加熱爐預熱后進入所述催化富氧轉化爐的下部，與所述經燃燒反應生成的高溫轉化氣混合，形成還原煤氣，并通過控制用于摻冷的提純氫氣的流量和預熱溫度，控制還原煤氣中CO和H2的總體積與CO2和H2O的體積之比為10，并使混合氣體降溫至900°C，然后進入所述豎爐中將鐵礦石還原成海綿鐵。
[0058]由于將富CH4原料氣預熱至350°C，未超過析碳溫度，所以不會發生析碳。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。
[0059]再則，原料氣與富氧空氣反應，可以在不使用蒸汽降溫的情況下延長轉化爐燒嘴使用壽命，同時保證還原氣的還原度。
[0060]通過控制VPSA所制氫氣流量來控制還原煤氣的還原度，通過控制氫氣預熱溫度來控制還原煤氣溫度，針對不同的礦石調節不同的還原度及還原煤氣溫度，有效防止海綿鐵黏結。
[0061]最后由于該工藝不使用催化劑，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。
[0062]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非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝方法，工藝路線為:經凈化、調節壓力后的富CH4原料氣和富氧空氣分別經預熱后，進入非催化富氧轉化爐，并在所述非催化富氧轉化爐中發生燃燒反應并升溫，將其中的CH4轉化成CO和H2,形成高溫轉化氣；與此同時，豎爐爐頂氣經降溫、除塵、加壓后進入氫氣提純裝置中制得提純氫氣，提純氫氣經預熱后進入所述催化富氧轉化爐的下部，與所述經燃燒反應生成的高溫轉化氣混合，形成還原煤氣；還原煤氣然后進入豎爐將鐵礦石還原成海綿鐵。
2.如權利要求1所述的一種利用CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝方法，其特征在于，所述富CH4原料氣為焦爐煤氣或天然氣。
3.如權利要求1所述的一種利用CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝方法，其特征在于，所述富氧空氣的富氧率為35% -60%。
4.如權利要求1所述的一種利用CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝方法，其特征在于，所述富CH4原料氣經預熱后，溫度不超過400°C ;所述富氧空氣經預熱后，溫度不超過300°C。
5.如權利要求1所述的一種利用CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝方法，其特征在于，所述燃燒反應生成的高溫轉化氣的溫度為1200°C?1450°C。
6.如權利要求1所述的一種利用CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝方法，其特征在于，所述混合形成的還原煤氣的溫度為850°C?1000°C。
7.如權利要求1所述的一種利用CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝方法，其特征在于，所述混合形成的還原煤氣中，CO和H2的總體積與CO2和H2O的總體積之比不小于10。
8.如權利要求1所述的一種利用CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝方法，其特征在于，所述富CH4原料氣、富氧空氣和提純氫氣在同一個管式加熱爐中進行預熱。
9.如權利要求8所述的一種利用CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝方法，其特征在于，所述氫氣提純裝置為真空變壓吸附氫提純裝置。
10.如權利要求9所述的一種利用CH4非催化富氧轉化生產海綿鐵的直接還原工藝方法，其特征在于，所述管式加熱爐的加熱原料為富CH4原料氣和/或所述真空變壓吸附氫提純裝置產生的解吸氣。
【文檔編號】C21B13/02GK104313228SQ201410598344
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月27日 優先權日:2014年10月27日
【發明者】郭敏, 李佳楣, 吳開基, 張濤, 趙運建 申請人:中冶賽迪工程技術股份有限公司