以焦炉煤气为气源的气基竖炉直接还原方法及其煤气系统与流程

1.本发明属于冶金领域，具体涉及一种以焦炉煤气为气源的气基竖炉直接还原方法及其煤气系统。


背景技术：

2.气基竖炉直接还原工艺是一种非高炉炼铁工艺，也是世界上直接还原铁产量最大的非高炉炼铁技术。直接还原铁作为电炉、转炉、高炉、粉末冶金等行业使用的优质原料，近年来越来越得到了国家和冶金行业人员的重视。直接还原铁作为电炉炼钢的原料，可提高钢水的纯净度，是特钢冶炼所需的优质原料。尤其是对废钢质量不稳定的电炉企业，加入直接还原铁可以稀释钢中有害元素，稳定钢水质量。直接还原铁不使用焦炭，铁矿不用烧结，既节省焦煤资源又减少了钢铁企业废气排放量最大的炼焦和烧结两个环节，比高炉工艺更有利于环保。
3.现有的气基竖炉直接还原工艺有两种方法：一种方法是，将一部分竖炉自产粗煤气净化处理成为竖炉自产净化煤气，然后将天然气和竖炉自产净化煤气混合后加热成为热重整气，然后再将热重整气从竖炉还原段喷入竖炉内；另一种方法是，将一部分竖炉自产粗煤气净化处理成为竖炉自产净化煤气，然后加热天然气和竖炉自产净化煤气混合物，再然后将热的天然气和竖炉自产净化煤气混合物富氧提温，再从竖炉还原段喷入竖炉内。喷入竖炉内的还原气体与铁氧化物料直接接触，逆向运行，炉内的物料依靠自身重力从上往下运行，而高温还原气体是从下往上运行的，在运行过程中，还原气将铁氧化物还原成直接还原铁。
4.现有气基竖炉缺点是：1、外热燃烧加热炉管内的原料气，会造成燃烧产生的大量co2和 nox外排，污染环境。2、运行成本高：还原气中的烃类成分需采用催化剂，造成生产成本过高；3、原料气加热过程中积碳，影响生产的正常运行：现有使用的气基竖炉的midrex工艺、 pered工艺和hyl工艺都是以天然气为原料气，而中国燃料资源现状是少气多煤，最可以利用的气源只有焦炉煤气，如果以焦炉煤气为原料气的气基竖炉技术仍然套用以天然气为气源的气基竖炉的工艺，则焦炉煤气和煤制气在加热过程中更易积碳，影响生产的正常运行，严重的造成生产事故；4、用传统管式加热炉加热原料气，能耗高：midrex、hyl、pered和 energiron-zr工艺采用燃料加热炉管外壁，从而加热管内还原气的方式，通过换热器回收烟气余热，这种加热方式能耗高。5、投资大：气基竖炉的midrex工艺、hyl工艺和pered工艺的还原气加热系统结构复杂，投资大；
5.如，申请号：cn201910952204.8，名称为，一种用于生产还原气的新型重整炉的专利提出，气基还原铁(俗称，海绵铁)的主要问题是解决还原气的生产，该专利重整炉包括辐射室箱体，重整炉管，燃烧器，过渡段以及对流段；所述的重整炉管成2m排立式并联布置于辐射室箱体内；一排重整炉管对应一根重整原料气进口支干管，每根重整原料气进口支干管上开设与每排重整炉管数量相同的分支，通过柔性管将重整炉管气体进口与重整原料气进口支干管相连；燃烧器成(2m 1)排布置于辐射室下方底壁板；重整炉管气体出口通过斜
三通与冷壁支管连接；过渡段是辐射室箱体的两侧壁板上方设有若干个过渡段分支管引出至过渡段分支干管，两分过渡段分支干管在辐射室箱体的一端汇集成过渡段总管；过渡段总管与对流段相连，所述的对流段通过引风机与烟囱相连；所述的对流段由≥4个换热器组成，所述换热器为急速蒸发器、重整原料预热器、蒸汽过热器、脱硫焦炉气预热器、炉顶气预热器和燃烧空气预热器中的至少4种。过渡段出口1200℃的高温烟气，经对流段回收热量，使烟气温度降至100℃以下。
6.此技术方案存在以下问题：(1)采用燃料燃烧加热造成废气排放；(2)由于重整炉管采用外加热，因此限制了重整管直径，造成单个重整管体积小，重整炉管数量庞大。从该专利附图可以看到，重整炉管162根，燃烧器成70个。这造成辐射室加热系统设备庞大，安装复杂；(3)过渡段出口温度高达1200℃，说明重整炉管承受的温度要高于1200℃，这样的重整炉管和燃烧器价格非常昂贵，一套重整炉设备通常需要几百根重整炉管，因此，投资过大； (4)催化剂价格昂贵，使用量大，定期需更换，因此造成生产运行成本高；(5)排放烟气和利用烟气余热的过渡段以及对流段设备庞大，结构复杂，再次增加投资成本。
7.又如，为了解决焦炉煤气的积碳问题。申请号cn200610082037.9专利提出，“将要为补充在所述还原区循环和反应的还原性气体而进料的所有cog首先被进料到所述的排料区(优选具有冷却区的功能)，其后将这些cog(目前经过排料区的dri而被处理)从反应器中回收，然后将其添加到再循环进所述的还原区中的还原气体中以还原所述铁矿石。”，该方案虽可通过将cog与dri接触，使一部分易积碳的重质烃和btx裂解成有用的还原性气体。但该方案经过冷却区的cog总量受限于冷却区所需的气体量，不能满足气基竖炉对cog总量的要求。


技术实现要素：

8.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种以焦炉煤气为气源的气基竖炉直接还原方法及其煤气系统。利用该还原方法及其煤气系统可以不经重整、外热燃烧加热等工序，降低投资和生产运行成本，避免积碳，避免外热燃烧加热排放废气，降低加热还原气的能耗。本发明的其它目的将在后面指出，或者对本领域的技术人员显而易见。
9.为实现上述目的，本发明方法采用以下的技术方案：
10.一种以焦炉煤气为气源的气基竖炉直接还原方法及其煤气系统，包括将一定粒度的铁氧化物从炉顶装料装置加入气基竖炉，将还原气加热后，从气基竖炉外喷入气基竖炉内，在气基竖炉内，铁氧化物与还原气反应，被还原成直接还原铁，经过气基竖炉下部冷却段后排出炉外，其中用红热焦炭加热还原气，被加热后的还原气进入气基竖炉，在竖炉内热还原气与铁氧化物反应后的粗煤气，由竖炉炉顶排出。
11.与现有技术相比，本发明方法具有以下有益效果：
12.1)采用焦炉刚出炉的红热焦炭加热还原气有利于焦炭热能的回收利用，同时减少了加热还原气的能耗；
13.2)由于采用红热焦炭加热还原气，因此无燃烧加热产生的co2和nox外排；
14.3)焦炉煤气中易积碳的萘、苯、氨、焦油经高温焦炭层的过滤，被去除，解决了原料气加热产生积碳，堵塞管道问题：
15.4)焦炉煤气中的烃类物质含量在20～25％，可以在气基竖炉内在直接还原铁作用
下自重整，因此不使用催化剂重整还原气，降低了运行成本；
16.5)与原技术使用耐高温材质的管式重整炉和庞大的热回收系统相比，本发明还原气被红热焦炭接触加热，因此加热方法简单，投资低。
17.6)生产焦炉煤气的焦炉自产红热焦炭，焦炭量足够满足加热气基竖炉所需还原气总量的要求。
18.本发明的还原气指焦炉煤气或焦炉煤气和气基竖炉炉顶净化煤气的混合气中的一种。
19.被红热焦炭加热的还原气在进入气基竖炉前，优选先经高温除尘处理。减少粉尘量，提高气基竖炉透气性。
20.经除尘处理后的热的还原气温度在800～950℃，再优选经二次加热后，达到1050℃左右，进入气基竖炉。
21.二次加热可以采用任何不污染还原气体的加热方式，本发明优选采用向热的还原气中加入纯氧提温的技术。
22.二次加热的还原气在进入加热炉前，优选先加湿，其目的是：
23.1)水与炽热焦炭反应，生成h2和co，从而调节还原气中的h2/co的比值；
24.2)在高温下，水与焦炉煤气中的烃类反应，重整烃类气体，成为气基竖炉需要的h2和 co。
25.除尘后的气基竖炉炉顶煤气至少一部分用于焦炉燃烧加热使用。
26.为实现上述目的，本发明煤气系统采用以下的技术方案：
27.一种以焦炉煤气为气源的气基竖炉煤气系统，包括焦炉煤气系统、煤气加热炉和气基竖炉炉顶煤气系统，焦炉煤气系统包括焦炉和焦炉煤气化产系统，其中经焦炉煤气化产系统净化的焦炉煤气进入煤气加热炉，加热后的焦炉煤气进入气基竖炉，气基竖炉的炉顶煤气经除尘后，进入焦炉燃烧加热系统。
28.与现有技术相比，本发明煤气系统具有以下有益效果：
29.1)除尘后的气基竖炉炉顶煤气含有co2，用于焦炉燃烧加热使用不需要脱co2设备，会降低气基竖炉投资，简化工艺流程；
30.2)气基竖炉炉顶煤气中还含有过量的n2和硫，气基竖炉减少或避免使用气基竖炉炉顶煤气还可避免气基竖炉炉顶煤气脱硫的投资，以及气基竖炉内的n2富集。
31.3)以气基竖炉炉顶煤气替换焦炉煤气用于焦炉燃烧加热使用，置换出的焦炉煤气用做气基竖炉的原料气，使焦炉和气基竖炉的煤气整体平衡更合理。
32.气基竖炉的煤气加热炉优选采用以焦炉自产的红热焦炭为热源的加热炉，焦炉煤气被红热焦炭直接接触加热。
33.1)由于采用焦炉煤气和红热焦炭直接接触加热，因此本发明加热炉用料不需要昂贵的耐高温管，本发明加热炉主要材料为普通耐火材料和钢板，材料造价远低于外热管式加热炉。
34.2)又由于本发明加热炉无需燃烧加热，因此无庞大的燃烧烟气热回收系统，结构简单，投资低，也无外热燃烧排放的co2和nox；
35.3)采用焦炉刚出炉的红热焦炭加热还原气有利于焦炭的热能回收利用，同时减少了加热焦炉煤气的能耗；
36.焦炉煤气进入气基竖炉前，优选采用经除尘处理后，二次加热提温技术。
附图说明
37.图1为本发明的气基竖炉直接还原第一种流程示意图；
38.图2本发明的气基竖炉直接还原第二种流程示意图；
39.图3为本发明的气基竖炉直接还原第三种流程示意图；
40.图4为本发明的气基竖炉直接还原第四种流程示意图；
41.图5为本发明的气基竖炉直接还原第五种流程示意图；
42.图6为本发明的还原气加热炉结构示意图；
43.图中标记为：1-气基竖炉，11-竖炉炉顶装料装置，12-竖炉炉顶煤气，121-二氧化碳脱出装置，2-焦炉，21-焦炉煤气，22-红热焦炭，3-焦炉煤气化产装置，4-还原气加热炉，41
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炉盖，42-料封管，43-水封槽，44-密封气体通路，441-密封气体通路阀门，45-气体排出管路，46-气体进入管路，47-排料器，48-加热炉本体，49-受料罐，5-高温还原气除尘装置， 6-加湿器，7-氧气，8-炉顶煤气除尘装置，9-炉顶煤气压缩机，10-焦炉煤气压缩机一，101
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焦炉煤气压缩机二。
具体实施方式
44.为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。
45.请参阅图1，图1为本发明提供的一种气基竖炉直接还原的第一种流程图，还原方法如下，将一定粒度的铁氧化物从炉顶装料装置11加入气基竖炉1。焦炉2产生的焦炉煤气21 经焦化厂化产装置3脱硫、萘、苯、氨、焦油后，经焦炉煤气压缩机一10从还原气加热炉1 下部吹入，1050℃的红热焦炭22从加热炉4上部装入，焦炉煤气21和红热焦炭22在加热炉 4内逆流运动，从而被红热焦炭22加热，焦炉煤气21中的萘、苯、氨、焦油等易积碳物质经过焦炭层时被过滤掉，焦炉煤气21被加热到950℃后，经加热炉4出口进入气基竖炉1，红热焦炭22逐渐冷却到100-200℃后，由加热炉排料器47排出。在气基竖炉1内，焦炉煤气21中的烃，在直接还原铁的催化作用下，重整为h2和co，并与焦炉煤气21中原有的h2和 co一起作为还原气，将铁氧化物还原成直接还原铁，经过气基竖炉1下部冷却段后排出炉外，在竖炉1内还原气与铁氧化物反应后的粗煤气，成为气基竖炉炉顶煤气12，由竖炉炉顶排出。由竖炉炉顶排出的炉顶煤气12，经炉顶煤气除尘装置8去除灰尘后，由炉顶煤气压缩机9送到焦炉2，作为焦炉2燃烧加热的燃气使用。经焦炉煤气压缩机二101的焦炉煤气21作为焦炉2的燃料补充。
46.图2为为本发明提供的一种气基竖炉直接还原的第二种流程图，图2与图1的不同之处是，被红热焦炭加热的焦炉煤气21在进入气基竖炉1前，先经高温还原气除尘装置5去除粉尘，这样更有利于气基竖炉的透气性。
47.图3为为本发明提供的一种气基竖炉直接还原的第三种流程图，图3与图2的不同之处是，如果经加热炉4加热的焦炉煤气21温度低于900℃时，例如焦炉煤气21被加热到800～ 850℃时，这个温度在气基竖炉内还原效率低，因此本发明将流出加热炉4的焦炉煤气21二次加热，将温度提到1050℃高效反应温度，更有利于气基竖炉加快反应，提高生产效率。
二次加热可以是管式辐射加热，也可以是任何不污染还原气的加热方式，本发明优选吹入纯氧 7提温方法，这种方法能耗低，不外排废气。
48.图4为为本发明提供的一种气基竖炉直接还原的第四种流程图，图4与图3的不同之处是，通过加湿器6提高焦炉煤气21的水含量，这一方案有两个作用：一是使水与炽热焦炭反应产生h2和co，从而调节焦炉煤气中的h2/co的比值，达到间接调节竖炉炉况的目的。二是随着温度升高到700℃以上，水还可以与焦炉煤气21中的部分烃类重整成有用的还原性气体 h2和co。
49.图5为为本发明提供的一种气基竖炉直接还原的第五种流程图，图5与图4的不同之处是，气基竖炉炉顶煤气12一部分作为焦炉2燃料气，一部分作为气基竖炉1还原气使用，焦炉煤气21不再作为焦炉2的补充燃料。此种方案是焦炉还有其他种类的加热燃料时采用，如，焦炉的一部分燃料是高炉煤气。此方案将气基竖炉炉顶煤气12与焦炉煤气21混合后，进入加热炉加热。作为还原气的气基竖炉炉顶煤气12需经过脱二氧化碳装置121去除co2。
50.图6为本发明的还原气加热炉结构示意图，还原气加热炉包括加热炉本体48、料封管42、受料罐49、炉盖41、水封槽43、排料器47，其中所述加热炉本体48上端与料封管42下端连通，加热炉本体48下端与排料器47连通，加热炉本体48上部连通气体排出管路45，加热炉本体48下部连通气体进入管路46，料封管42上端与受料罐49连通，受料罐19上端部设有水封槽43，炉盖41盖在受料罐49上，盖沿浸入水封槽43中，料封管42上连通有密封气体通路44，通路上设有阀门441。加热炉4加热还原气时，先将加热炉4装满红热焦炭22，盖好炉盖41，盖沿浸入水封槽43中。然后将加湿还原气从加热炉4下部吹入，还原气和红热焦炭22在加热炉4内逆流运动，从而被红热焦炭22加热，还原气中的萘、苯、氨、焦油等易积碳物质经过焦炭层时被过滤掉，随着温度的升高，还原气中的水和部分烃类重整成有用的还原性气体h2和co，还原气被加热到750～950℃后，经加热炉4出口进入气基竖炉1：焦炭22在加热炉4内的运行速度由排料器47控制，随着红热焦炭22逐渐冷却到100-200℃后，由加热炉排料器47排出。当受料罐49内的红热焦炭22下降到封料管42上部时，向料封管42充入高温烟气密封，以便隔断加热炉4内外气体，然后打开炉盖41，加入红热焦炭 22，加完后，盖上炉盖41，水封槽43密封炉顶，关闭气封阀门441，停止向料封管42充入高温烟气。高温烟气来自于加热焦炉2的废热烟气。炉顶采用水封和气封的结构，避免还原气溢出；采用焦炉高温废烟气作为密封气，气源可靠稳定。
51.最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的优选实施例，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。