一种煤气化热煤气直接用于气基竖炉生产直接还原铁的设备及方法

技术领域

本发明涉及竖炉直接还原的冶金领域，尤其是一种煤气化热煤气直接用于气基竖炉生产直接还原铁的方法。

本发明还涉及一种煤气化热煤气直接用于气基竖炉生产直接还原铁的设备。

背景技术

直接还原铁是以气体、液体燃料或非焦煤为能源，在铁矿石(或含铁团块)软化温度以下进行还原得到金属铁的方法。其产品呈多孔低密度海绵状结构，被称为DRI(DirectReduced Iron-直接还原铁)或海绵铁。直接还原铁在节能、环保等方面具有优良的性能。随着世界钢铁工业的飞速发展和国际社会对环境保护的日益重视，铁矿石、焦炭、优质废钢资源的日益减少以及天然气等价格的大幅上涨，直接还原技术在世界各地迅速发展。

中国天然气资源比较缺乏，已探明的天然气储量主要集中在工业比较落后的西部和西南部，且城市天然气必须优先供给居民生活使用。但是我国的煤炭资源非常丰富，且分布相对均匀；同时，我国铁矿资源也十分丰富，根据我国资源情况，发展煤基或者煤制气还原工艺比较有利。

目前我国成熟的煤基直接还原工艺只有回转窑流程，但回转窑流程的投资高、效率低使大多数厂家望而却步。传统的煤制气还原工艺，煤气化炉产生的热粗煤气需经降温冷却、水汽变换，还要设单独的化工净化车间，如PSA(变压吸附)脱除CO₂及H₂S或用碱洗装置脱除CO₂，再湿洗脱H₂S，后续经加热炉升温后才能通入气基竖炉。因此开展煤制气—直接还原技术，对发展立足中国资源特色的直接还原工艺很有现实意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种流程短、低能耗、低污染适应中国能源国情的煤气化热煤气直接用于气基竖炉生产直接还原铁的设备及方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明提供一种煤气化热煤气直接用于气基竖炉生产直接还原铁的方法，其包括如下步骤：使用粉煤、水蒸气和氧气制备合成气，所述合成气的H₂/CO为1.2-1.7；对竖炉排出的炉顶煤气进行换热降温和净化除尘，得到换热除尘的竖炉炉顶煤气；将换热除尘的竖炉炉顶煤气混入合成气，得到热粗煤气，所述热粗煤气温度不大于850℃；对所述热粗煤气进行除尘，得到净化粗煤气，所述净化粗煤气含尘量不大于10g/m³；在1100℃-1250℃温度下，将净化粗煤气进行改质，所述改质借助改质炉炉料脱除CO₂及H₂S，改质后得到改质煤气，所述改质煤气的温度为900℃-1100℃，所述改质煤气中的H₂/CO为1.2-1.7；向改质煤气中混入换热除尘的竖炉炉顶煤气，得到合成改质煤气，对所述合成改质煤气进行除尘，得到净化合成气，所述净化合成气的温度为850℃>

优选的，所述粉煤中混有8-12％wt的白云石粉。

进一步的，制备合成气时的操作压力为0.3MPa-0.6MPa；所述热粗煤气温度为800℃-850℃。

优选的，对所述热粗煤气先进行重力除尘，后进行旋风除尘；重力除尘得到的带出物加回到所述粉煤中，旋风除尘得到的灰尘用于回收废热。

优选的，所述改质炉炉料包括65-85％wt的焦炭，10-25％wt的白云石和5-10％wt的转炉钢渣，所述改质炉炉料粒度不小于50mm。

优选的，所述改质炉炉料反应后得到废炉料，将所述废炉料冷却、筛分后得到回收炉料和含碳炉渣，所述回收炉料加回到所述改质炉炉料，所述含碳炉渣自身携带的余热和/或其燃烧生成的热量用于制作水蒸气。

优选的，包括两处改质的工作空间，当一处正在对所述净化粗煤气改质时，另一处使用改质炉炉顶煤气混和氧气燃烧的方式加热到1250℃；两处工作空间交替得对所述净化粗煤气进行改质。

优选的，所述竖炉内操作压力为0.1MPa-0.6MPa。

优选的，回收工序中多余的可燃的气体，利用其自身携带的余热和/ 或燃烧生成的热量制作所述水蒸气。

本发明还提供一种煤气化热煤气直接用于气基竖炉生产直接还原铁的设备，其特征在于，其采用上述的煤气化热煤气直接用于气基竖炉生产直接还原铁的方法炼铁。

煤气化炉依次连接调温冷却单元，重力除尘器单元，旋风分离器单元，并列的两组改质单元，调温冷却单元，旋风分离器单元，竖炉单元、炉顶煤气换热单元，炉顶煤气净化除尘单元；改质单元依次连接灰渣仓、振动筛、余热锅炉、高压蒸汽包、煤气化炉；改质单元依次连接除尘水洗单元、加压单元；旋风分离器单元连接余热锅炉。

(三)有益效果

本发明提供一种煤气化热煤气直接用于气基竖炉生产直接还原铁的方法，结合中国能源特征，将煤气化与气基直接还原竖炉工艺相结合，克服目前气基直接还原法煤气净化、煤气加热技术流程复杂、投资巨大等局限性，形成大规模生产；克服了气基直接还原法对天然气的依赖性，避免了煤气化热煤气冷却-变换-净化-再加热后才能用于竖炉生产直接还原炼铁的漫长复杂工序；且对竖炉炉顶煤气循环利用，对整个系统余热进行回收，对流程温度控制，减少整个流程所需的外部能耗需求，具有流程短、低能耗、还原气成分优良、低污染、低成本等优点。

粉煤中混有白云石，在制备合成气的时候就脱除部分硫元素，减轻后续步骤的压力，减小污染。

合成气时的操作压力为0.3MPa-0.6MPa有利于反应快速、稳定，生成的组分比例合适。800℃-850℃的热粗煤气温度减轻了后面工序的再次加热压力，有利于反应更快的进行，并减小能耗。

设置两步除尘，各步的排出物分别利用，经济性好，减少能耗，同时除尘更彻底。

焦炭用于脱除CO₂，白云石用于脱除H₂S。改质除了脱除杂质之外，还加热了气体，提升气体温度。并且重新调整了改质煤气中的成分比例，使之更适合竖炉还原铁使用。废炉料筛分后分别回收，经济性好，减少能耗。

两个改质的工作空间交替工作，可以较好的维持动态温度，同时能够连续的提供改质煤气。炉料粒度偏大，有助于减小气流携带走的炉料。

竖炉内0.1MPa-0.6MPa的操作压力下，还原炼铁的反应更稳定，效率更高，适合本发明制备的还原气的气体成分。

利用各工序都可以产生的可燃气体制备水蒸气，减少能源消耗，制备水蒸气方便快捷。

本发明提供的煤气化热煤气直接用于气基竖炉生产直接还原铁的设备，基于制备方法配备各个装置，结构紧凑，布置连贯同时又利于各种废物回收，使用寿命长，投资小。

附图说明

图1为一种煤气化热煤气直接用于气基竖炉生产直接还原铁的设备的工艺结构示意图。

【附图标记说明】

1：流化床煤气化炉；2：重力除尘器；3a：第一旋风分离器；3b：第二旋风分离器；4a：第一改质炉；4b：第二改质炉；5：竖炉；6：换热器； 7：净化除尘器；8：第一加压泵；9：余热锅炉；10：灰渣仓；11：振动筛；12：除尘水洗器；13：第二加压泵；14：高压蒸汽包；15a：第一切换阀；15b：第二切换阀；16a：第三切换阀；16b：第四切换阀。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1所示，包括流化床煤气化炉1，其内放置有粉煤，并通入氧气和水蒸气，通过调整氧气和水蒸气的比例，使得产出的合成气的H₂和CO>

合成气与换热除尘过的竖炉炉顶煤气混合，温度较低的换热除尘的竖炉炉顶煤气将合成气激冷到800℃-850℃，实际上不高于850℃都可以。混合得到的气体称为热粗煤气。

将热粗煤气通入重力除尘器2中，气流携带的大粒带出物被重力除尘器2分离出来，可以直接运回流化床煤气化炉1中继续使用。重力除尘后的热粗煤气通入到第一旋风分离器3a中，得到净化粗煤气。净化粗煤气以CO和H₂为主要组分，CO和H₂的体积和占气体的72-76％，含尘量降低到10g/m³以下。

第一旋风分离器3a分离出的灰尘自身携带热量，同时含有可燃的粉煤，将灰尘运输到预热锅炉9中，混入空气燃烧，产生的大量热量导入高压蒸汽包14，用来生成流化床煤气化炉1使用的水蒸气。

图1中设置了两个改质炉。改质炉内设置有粒度不小于50mm的炉料，改质炉炉料包括65-85％wt的焦炭，10-25％wt的白云石和5-10％wt 的转炉钢渣。改质炉的炉温保持在1100℃-1250℃，炉内形成改质的工作空间。可以使用煤气加氧气燃烧的方式保持改质炉炉温。

通过红热的焦炭与CO₂发生碳的气化反应脱除CO₂，通过白云石分解产生的CaO与H₂S反应脱除净化粗煤气中的硫得到改质煤气。改质煤气温度为900℃-1100℃，其中主要成份为CO和H₂，二者体积和达92％以上，H₂/CO为1.2-1.7，CH₄含量低于1％vol。

改质炉排出的废炉料先输送到灰渣仓10中激冷，再输送到振动筛11 筛分，大块的回收炉料加回到改质炉中的炉料内继续使用，含碳炉渣输送到余热锅炉9，用于制作水蒸气。

改质炉炉顶煤气经过除尘水洗器12脱除含有的灰尘，再经过第二加压泵13加压，返回改质炉，作为自身加热用的燃料气，其成分主要是CO，还包括少量的H₂。

设置两个改质炉的意义在于，当第一改质炉4a工作时，第二改质炉 4b内通入氧气，通入改质炉炉顶气和/或燃料气，燃烧加热第二改质炉4b 温度至1250℃。然后关闭改质炉炉顶煤气和/或燃料气的进口，关闭助燃氧气，同时也关闭改质炉炉顶煤气出口阀，再将净化粗煤气引入第二改质炉4b，开始脱除CO₂和H₂S的改质过程。

改质过程中第二改质炉4b的温度会有所下降。此时温度较低的第一改质炉4a停止改质过程，随后通入改质炉炉顶煤气和/或燃料气和助燃氧气开始加热，直到第一改质炉4a内温度上升到1250℃。

两个改质炉的改质炉炉顶煤气都通过除尘水洗器12和第二加压泵13，再通过第三切换阀16a，受控制的回流到改质炉内。两个改质炉所用的氧气也可以通过一个总管输送来，然后经过第四切换阀16b分流到两个改质炉内。

第一旋风分离器3a连通到第一切换阀15a，净化粗煤气经过第一切换阀15a分别输送到两个改质炉内。两个改质炉排出的改质煤气经第二切换阀15b汇合，随后通入换热除尘的竖炉炉顶煤气，得到的合成改质煤气的温度降低到900℃以下，优选的控制到850℃-900℃，再经过第二旋风分离器3b除尘后，得到净化合成气，净化合成气的温度为850℃-900℃。

净化合成气输送到竖炉5内。竖炉5内设置有铁矿石和/或氧化球团，经过反应得到DRI和竖炉炉顶煤气。竖炉炉顶煤气经过换热器6换热降温，温度可以降到50℃以下；再经过净化除尘器7和第一加压泵8得到换热除尘的竖炉炉顶煤气，返回到前序使用。

实施例2

一种炼铁方法，使用粉煤、水蒸气和氧气在0.3MPa操作压力下制备合成气，合成气的H₂/CO为1.2。将50℃的换热除尘的竖炉炉顶煤气通入合成气，二者混合得到850℃的热粗煤气。对热粗煤气进行除尘，得到含尘量9g/m³的净化粗煤气。

将净化粗煤气通入改质工作空间，工作空间的温度为1200℃，工作空间设置有粒度50mm的改质炉炉料，其中包括65％wt的焦炭，25％wt 的白云石和10％wt的转炉钢渣。在改质空间内脱除CO₂及H₂S后得到改制煤气，其温度1100℃，H₂/CO为1.2。

将50℃的换热除尘的竖炉炉顶煤气通入改质煤气，得到合成改质煤气。对合成改质煤气进行离心除尘。得到净化合成气，净化合成气的温度为900℃。利用净化合成气和铁矿石制造DRI，并得到竖炉炉顶煤气，操作压力为0.1MPa。

实施例3

一种炼铁方法，使用水蒸气、氧气和含有12％wt白云石粉的粉煤在 0.5MPa操作压力下制备合成气，通过调整水蒸气和氧气的比例，合成气的H₂/CO为1.7。将30℃的换热除尘的竖炉炉顶煤气通入合成气，二者混合得到800℃的热粗煤气。对热粗煤气先进行重力除尘，重力除尘得到的带出物加回到粉煤中；后进行旋风除尘，旋风除尘得到的灰尘用于回收废热。得到含尘量3g/m³的净化粗煤气。

将净化粗煤气通入改质工作空间，工作空间的温度为1100℃，工作空间设置有粒度100mm的改质炉炉料，其中包括85％wt的焦炭，10％wt 的白云石和5％wt的转炉钢渣。在改质空间内脱除CO₂及H₂S后得到改制煤气，其温度900℃，H₂/CO为1.7。

将30℃的换热除尘的竖炉炉顶煤气通入改质煤气，得到合成改质煤气。对合成改质煤气进行离心除尘。得到净化合成气，净化合成气的温度为850℃。利用净化合成气和氧化球团制造DRI，并得到竖炉炉顶煤气，操作压力0.6MPa。

上实施例仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书不应理解为对本发明的限制。