一種氫氣進入氣基還原豎爐制備直接還原鐵的系統和方法與流程
本發明涉及冶金技術領域，具體涉及一種氫氣進入氣基還原豎爐制備直接還原鐵的系統和方法。
背景技術：
直接還原鐵又稱海綿鐵，是一種重要的可代替廢鋼且優于廢鋼的煉鋼原料，可稀釋廢鋼中的雜質元素成分，為電爐煉鋼提供必不可少的純凈鐵原料。鋼鐵企業發展直接還原鐵技術，能更好地適應時代對企業向緊湊化、高效化、潔凈化方向發展的要求。
2014年，全世界直接還原鐵產量為7455萬噸。其中，由氣基豎爐法生產的約占80％。現有技術中，利用氣基還原豎爐制備直接還原鐵過程存在下述問題：①一氧化碳氣體作為還原氣還原氧化球團時，會發生歧化反應，產生大量的碳粉，阻礙還原氣進入豎爐中，影響反應的進行。②冷卻氣在氣基還原豎爐冷卻段使用后，排出氣基還原豎爐進行降溫、除塵、加壓處理后，回用到氣基還原豎爐中再次作為冷卻氣使用，其配套設備相對復雜，且換熱后的高溫冷卻氣熱量被浪費，沒有得到有效的利用。
技術實現要素：
本發明旨在提供一種氫氣進入氣基還原豎爐制備直接還原鐵的系統和方法，通過將還原氣和氫氣分別通入氣基還原豎爐中，使得氣流和溫度的分布比較均勻，有效解決了還原氣入口積碳阻塞的問題，生產效率較高。
本發明提供了一種氫氣進入氣基還原豎爐制備直接還原鐵的系統，包括依次連接的氣基還原豎爐、洗滌冷卻裝置、壓縮裝置、提氫裝置、加熱裝置；
所述氣基還原豎爐包括上部的還原段和下部的冷卻段，具有熱態還原氣入口、熱態氫氣入口、鐵氧化球團入口、直接還原鐵出口、爐頂氣出口；其中，所述熱態氫氣入口和所述熱態還原氣入口設置在所述還原段，所述熱態氫氣入口位于所述熱態還原氣入口的下方；
所述洗滌冷卻裝置具有爐頂氣入口、冷卻爐頂氣出口；所述爐頂氣入口與所述氣基還原豎爐的爐頂氣出口連接；
所述壓縮裝置具有冷卻爐頂氣入口、壓縮爐頂氣出口；所述冷卻爐頂氣入口與所述洗滌冷卻裝置的冷卻爐頂氣出口連接；
所述提氫裝置具有壓縮爐頂氣入口、氫氣出口、富一氧化碳氣體出口；所述壓縮爐頂氣入口與所述壓縮裝置的壓縮爐頂氣出口連接；
所述加熱裝置具有氫氣入口、還原氣入口、熱態氫氣出口、熱態還原氣出口；所述氫氣入口與所述提氫裝置的氫氣出口連接，所述熱態氫氣出口與所述氣基還原豎爐的熱態氫氣入口連接，所述熱態還原氣出口與所述氣基還原豎爐的熱態還原氣入口連接。
優選的，所述熱態氫氣入口位于所述熱態還原氣入口下方的0.3～0.6m處。
進一步的，上述系統還包括脫硫脫碳裝置，用于接收由所述壓縮裝置排出的壓縮爐頂氣，進行脫硫脫碳處理；
所述脫硫脫碳裝置與所述壓縮裝置和所述提氫裝置連接。
進一步的，所述氣基還原豎爐和所述加熱裝置具有富一氧化碳氣體入口，所述富一氧化碳氣體入口與所述提氫裝置的富一氧化碳氣體出口連接。
本發明還提供了一種根據上述系統利用氫氣進入氣基還原豎爐制備直接還原鐵的方法，包括步驟：
所述氣基還原豎爐排出的爐頂氣經洗滌冷卻、壓縮后，送入所述提氫裝置中，分離得到氫氣和富一氧化碳氣體；
將所述氫氣送入所述加熱裝置中，得到熱態氫氣。同時，向所述加熱裝置中送入還原氣，得到熱態還原氣。
將所述熱態氫氣經由所述熱態氫氣入口送入所述氣基還原豎爐中。將所述熱態還原氣經由所述熱態還原氣入口送入所述氣基還原豎爐中。
將鐵氧化球團送入所述氣基還原豎爐中，所述鐵氧化球團與所述熱態還原氣和熱態氫氣反應，得到直接還原鐵。
優選的，所述熱態還原氣的溫度為850～950℃。
優選的，所述熱態氫氣的溫度為850～950℃。
進一步的，將50～60％體積比的所述富一氧化碳氣體送入所述氣基還原豎爐的冷卻段中，用作冷卻氣。
進一步的，所述還原氣中CO和H2的體積占所述還原氣總體積的百分數＞90％。
進一步的，所述還原氣中H2與CO的體積比為：H2/CO＝1.0～3.0。
本發明的系統和方法中，將氫氣直接送入氣基還原豎爐中對鐵氧化球團進行還原，還原反應吸熱，可有效利用熱態直接還原鐵的顯熱，得到的還原產物不易粘結，反應過程無污染，不會堵塞氫氣入口。
本發明將熱態氫氣入口和熱態還原氣入口的數量均設置為多個，可使其中的氣體和溫度分布更加均勻，使得氧化球團的還原更加充分。并且，將熱態氫氣入口設置在熱態還原氣入口的正下方。氫氣還原氧化球團過程產生的高溫水蒸氣可以將熱態還原氣入口處的積碳消除，避免積碳過多造成氣流不暢。
本發明的方法中，將爐頂氣提氫分離得到的富一氧化碳氣體分為兩部分。一部分用于氣基還原豎爐的冷卻氣，可快速利用冷卻段熱態直接還原鐵的顯熱，并與其發生滲碳反應，可顯著提高直接還原鐵中的含碳量，從而降低后序的熔分處理負擔，降低能耗。其余部分的富一氧化碳氣體作為加熱裝置的燃料氣，利用燃燒熱值加熱其他氣體。
附圖說明
圖1為本發明中氫氣進入氣基還原豎爐制備直接還原鐵的系統示意圖。
圖2為本發明利用圖1所示的系統制備直接還原鐵的方法流程示意圖。
附圖中的附圖標記如下：
1、氣基還原豎爐，101、還原段，102、冷卻段；
2、洗滌冷卻裝置；
3、壓縮裝置；
4、脫硫脫碳裝置；
5、提氫裝置；
6、加熱裝置。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發明的方案以及其各個方面的優點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發明的限制。
本發明公開了一種氫氣進入氣基還原豎爐中制備直接還原鐵的系統。圖1為該系統的示意圖，系統中包括氣基還原豎爐1、洗滌冷卻裝置2、壓縮裝置3、提氫裝置5、加熱裝置6。
氣基還原豎爐1包括上部的還原段101和下部的冷卻段102。氣基還原豎爐1上設置有熱態還原氣入口、熱態氫氣入口、富一氧化碳氣體入口、鐵氧化球團入口、直接還原鐵出口、爐頂氣出口。
本發明中，熱態氫氣入口和熱態還原氣入口的數量均設定為6～10個。發明人經過大量實驗驗證，發現將熱態氫氣入口設置在熱態還原氣入口下方的0.3～0.6m處，具有較佳的反應效率。
本發明中，多個熱態氫氣入口可位于熱態還原氣入口的正下方，也可不在正下方，可將每個熱態還原氣入口和熱態氫氣入口的角度設定為5°～10°。因為，通入氣基還原豎爐1中的熱態氫氣和熱態還原氣的壓力為0.1～0.2MPa。并且，熱態氫氣與熱態還原氣在通入氣基還原豎爐1之前，氣體壓力比氣基還原豎爐1內的壓力要大，以保證熱態還原氣和熱態氫氣可以順利進入氣基還原豎爐1中。由于氣體壓力大，且熱態還原氣入口和熱態氫氣入口密布在氣基還原豎爐1的環管上，導致熱態還原氣和熱態氫氣在進入氣基還原豎爐1后，擴散速度較快。因此，本發明中的6～10個熱態氫氣入口和6～10個熱態還原氣入口，不需要上下嚴格正對位置。在本發明的不同實施例中，保證熱態氫氣入口設置在熱態還原氣入口的下方即可。
洗滌冷卻裝置2具有爐頂氣入口、冷卻爐頂氣出口。其中，爐頂氣入口與氣基還原豎爐1的爐頂氣出口連接。
壓縮裝置3具有冷卻爐頂氣入口、壓縮爐頂氣出口。其中，冷卻爐頂氣入口與洗滌冷卻裝置2的冷卻爐頂氣出口連接。
提氫裝置5具有壓縮爐頂氣入口、氫氣出口、富一氧化碳氣體出口。其中，壓縮爐頂氣入口與壓縮裝置3的壓縮爐頂氣出口連接。富一氧化碳氣體出口與氣基還原豎爐1的富一氧化碳氣體入口連接。
加熱裝置6具有氫氣入口、還原氣入口、富一氧化碳氣體入口、熱態氫氣出口、熱態還原氣出口。其中，氫氣入口與提氫裝置5的氫氣出口連接。熱態氫氣出口與氣基還原豎爐1的熱態氫氣入口連接。熱態還原氣出口與氣基還原豎爐1的熱態還原氣入口連接。富一氧化碳氣體入口與提氫裝置5的富一氧化碳氣體出口連接。
在本發明的不同實施例中，還包括脫硫脫碳裝置4。脫硫脫碳裝置4用于接收由壓縮裝置3排出的壓縮爐頂氣，進行脫硫脫碳處理。并且，脫硫脫碳裝置4與壓縮裝置3以及提氫裝置5連接。脫硫脫碳裝置4的設置用于滿足不同需求的壓縮爐頂氣的處理要求。
根據圖1所示的系統，本發明還公開了一種氫氣進入氣基還原豎爐制備直接還原鐵的方法。該方法的流程示意圖見圖2，包括如下步驟：
(1)將氣基還原豎爐1頂部排出的爐頂氣依次送入洗滌冷卻裝置2、壓縮裝置3中，進行洗滌冷卻、壓縮處理，得到壓縮爐頂氣。將壓縮爐頂氣送入提氫裝置5中。其中，爐頂氣為氣基還原豎爐1中未發生還原反應的還原氣和還原反應新產生氣體的混合氣。壓縮爐頂氣在提氫裝置5中，經分離得到氫氣和富一氧化碳氣體。
本發明的爐頂氣中，CO和H2的體積占爐頂氣總體積的百分數＞70％。
本發明的不同實施例中，在將壓縮爐頂氣送入提氫裝置5之前還包括步驟：將壓縮爐頂氣送入脫硫脫碳裝置4中進行脫硫脫碳處理，以滿足不同實施例中爐頂氣的要求和性質。
(2)將氫氣送入加熱裝置6中，得到熱態氫氣。同時，向該加熱裝置6中送入還原氣，得到熱態還原氣。其中，熱態氫氣的溫度為850～950℃。熱態還原氣的溫度為850～950℃。
本發明采用的還原氣為天然氣、焦爐煤氣、煤層氣的重整氣或煤制氣中的一種。并且，還原氣中CO和H2的體積占還原氣總體積的百分數＞90％。其中，H2與CO的體積比為：H2/CO＝1.0～3.0。
(3)將熱態氫氣、熱態還原氣分別經由熱態氫氣入口、熱態還原氣入口送入氣基還原豎爐1中。
由于熱態還原氣中含有甲烷或一氧化碳，在熱態還原氣入口隨著反應的進行容易產生過多的積碳，導致氣體流動受阻，影響氣基還原豎爐中反應的進行。
同時，熱態氫氣還原鐵氧化球團時，會產生高溫水蒸汽。高溫水蒸汽可以與熱態還原氣入口處的積碳反應，避免因積碳過多造成熱態還原氣入口堵塞，引起氣流不暢，影響整個反應的正常運轉。
(4)將鐵氧化球團自爐頂送入氣基還原豎爐1中。鐵氧化球團與熱態還原氣和熱態氫氣反應，得到直接還原鐵，并排出爐頂氣。得到的直接還原鐵經冷卻段102冷卻后，自氣基還原豎爐1的底部排出。
本發明選用的氧化球團由紅土鎳礦、鐵精礦等制備。反應過程中，控制氣基還原豎爐1的操作壓力為0.1～0.2MPa。
一氧化碳氣體具有燃燒熱和比熱容小易冷卻的特點。本發明中，壓縮爐頂氣在提氫裝置5中分離得到富一氧化碳氣體，取50～60％體積比的富一氧化碳氣體送入氣基還原豎爐1的冷卻段102中，用作冷卻氣體。本發明中，將富一氧化碳氣體從冷卻段102底部輸送至氣基還原豎爐1中。富一氧化碳氣體與其中生成的熱態直接還原鐵進行熱交換，并發生滲碳反應，然后向上流動進入還原段101，進一步進行還原反應。剩余的富一氧化碳氣體可用作加熱裝置6的燃料氣，也可用作其它任意適合富一氧化碳氣體的用途。
實施例1
由天然氣重整氣得到還原氣，其中CO和H2的體積占還原氣總體積的92％，H2/CO＝1.8。還原氣與爐頂氣提氫得到的氫氣經過加熱爐加熱，溫度均為900℃，分別由熱態還原氣入口和熱態氫氣入口進入氣基還原豎爐。
熱態還原氣入口在熱態氫氣入口正上方0.4m處。熱態還原氣由6個入口進入還原段。熱態氫氣入口也設置有6個。熱態還原氣與從上到下的鐵氧化球團形成對流，并充分接觸，發生還原滲碳反應，得到表面滲碳的直接還原鐵和爐頂氣，并可能在熱態還原氣入口產生少量積碳。還原氣中的甲烷與二氧化碳或水蒸汽被直接還原鐵中的金屬催化重整，生成CO和H2，能夠還原鐵氧化球團。從熱態氫氣入口通入的熱態氫氣，將未被充分還原的鐵氧化球團還原，產生的水蒸汽與熱態還原氣入口的積碳發生反應生成CO和H2，繼續將鐵氧化球團還原。
爐頂氣經降溫除塵、壓縮、脫硫脫碳處理后，進入提氫裝置，得到氫氣和富一氧化碳氣體。40％體積的富一氧化碳氣體作為加熱爐的燃料氣。60％體積的富一氧化碳氣體作為冷卻段冷卻氣，與熱態直接還原鐵進行熱交換和滲碳反應后，向上進入還原段進行還原反應。
直接還原鐵在冷卻段冷卻，經由氣基還原豎爐底部排出。
實施例2
由天然氣重整氣得到還原氣，其中CO和H2的體積占還原氣總體積的90％，H2/CO＝2.3。還原氣與爐頂氣提氫得到的氫氣經過加熱爐加熱，溫度均為900℃，分別由熱態還原氣入口和熱態氫氣入口進入氣基還原豎爐。
熱態還原氣入口在熱態氫氣入口正上方0.5m處。熱態還原氣由8個入口進入還原段。熱態氫氣入口也設置有8個。熱態還原氣與從上到下的鐵氧化球團形成對流，并充分接觸，發生還原滲碳反應，得到表面滲碳的直接還原鐵和爐頂氣，并可能在熱態還原氣入口產生少量積碳。熱態還原氣中的甲烷與二氧化碳或水蒸汽被直接還原鐵中的金屬催化重整，生成CO和H2，能夠還原鐵氧化球團。從熱態氫氣入口通入的熱態氫氣，將未被充分還原的鐵氧化球團還原，產生的水蒸汽與熱態還原氣入口的積碳發生反應生成CO和H2，繼續將鐵氧化球團還原。
爐頂氣經降溫除塵、壓縮、脫硫脫碳處理后，進入提氫裝置，得到氫氣和富一氧化碳氣體。45％體積的富一氧化碳氣體作為加熱爐的燃料氣。55％體積的富一氧化碳氣體作為冷卻段冷卻氣，與熱態直接還原鐵進行熱交換和滲碳反應后，向上進入還原段進行還原反應。
直接還原鐵在冷卻段冷卻，經由氣基還原豎爐底部排出。
實施例3
由煤制氣得到還原氣，其中CO和H2的體積占還原氣總體積的91％，H2/CO＝1.0。還原氣與爐頂氣提氫得到的氫氣經過加熱爐加熱，溫度均為850℃，分別由熱態氫入口和熱態還原氣入口進入氣基還原豎爐。
熱態還原氣入口在熱態氫氣入口正上方0.3m處。熱態還原氣由7個入口進入還原段。熱態氫氣入口也設置有7個。熱態還原氣與從上到下的鐵氧化球團形成對流，并充分接觸，發生還原滲碳反應，得到表面滲碳的直接還原鐵和爐頂氣，并可能在熱態還原氣入口產生少量積碳。熱態還原氣中的甲烷與二氧化碳或水蒸汽被直接還原鐵中的金屬催化重整，生成CO和H2，能夠還原鐵氧化球團。從熱態氫氣入口通入的熱態氫氣，將未被充分還原的鐵氧化球團還原，產生的水蒸汽與熱態還原氣入口的積碳發生反應生成CO和H2，繼續將鐵氧化球團還原。
爐頂氣經降溫除塵、壓縮、脫硫脫碳處理后，進入提氫裝置，得到氫氣和富一氧化碳氣體。50％體積的富一氧化碳氣體作為加熱爐的燃料氣。50％體積的富一氧化碳氣體作為冷卻段冷卻氣，與熱態直接還原鐵進行熱交換和滲碳反應后，向上進入還原段進行還原反應。
直接還原鐵在冷卻段冷卻，經由氣基還原豎爐底部排出。
實施例4
由煤層氣重整氣得到還原氣，其中CO和H2的體積占還原氣總體積的92％，H2/CO＝3.0。還原氣與爐頂氣提氫得到的氫氣經過加熱爐加熱，溫度均為950℃，分別由熱態還原氣入口和熱態氫氣入口進入氣基還原豎爐。
熱態還原氣入口在熱態氫氣入口正上方0.6m處。熱態還原氣由10個入口進入還原段。熱態氫氣入口也設置有10個。熱態還原氣與從上到下的鐵氧化球團形成對流，并充分接觸，發生還原滲碳反應，得到表面滲碳的直接還原鐵和爐頂氣，并可能在熱態還原氣入口產生少量積碳。熱態還原氣中的甲烷與二氧化碳或水蒸汽被直接還原鐵中的金屬催化重整，生成CO和H2，能夠還原鐵氧化球團。從熱態氫氣入口通入的熱態氫氣，將未被充分還原的鐵氧化球團還原，產生的水蒸汽與熱態還原氣入口的積碳發生反應生成CO和H2，繼續將鐵氧化球團還原。
爐頂氣經降溫除塵、壓縮、脫硫脫碳處理后，進入提氫裝置，得到氫氣和富一氧化碳氣體。47％體積的富一氧化碳氣體作為加熱爐的燃料氣。53％體積的富一氧化碳氣體作為冷卻段冷卻氣，與熱態直接還原鐵進行熱交換和滲碳反應后，向上進入還原段進行還原反應。
直接還原鐵在冷卻段冷卻，經由氣基還原豎爐底部排出。
最后應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！