CN111979371B - 一种干熄焦耦合竖炉生产直接还原铁的工艺中热量分布式利用的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化工冶金技术领域，尤其涉及一种干熄焦耦合竖炉生产直接还原铁的工艺中热量分布式利用的方法。本发明方法中系统热量由干熄焦回收红焦显热、含甲烷气非催化转化反应化学热和竖炉产生的炉顶煤气提供，实现了炉顶煤气全部作为系统还原剂利用，减少因还原性气体的燃烧供热而造成的气耗增加和使用价值降低。同时通过补充系统还原气和加入含甲烷气非催化转化得到的转化气调整入炉气的碳氢比和温度，有利于控制竖炉内反应温度，减少炉料热结，保持竖炉内还原反应平稳进行。

Description

一种干熄焦耦合竖炉生产直接还原铁的工艺中热量分布式利 用的方法

技术领域

发明涉及化工冶金技术领域，尤其涉及一种干熄焦耦合竖炉生产直接还原铁的工艺中热量分布式利用的方法。

背景技术

直接还原铁(DRI)是电炉冶炼高端钢铁产品的优质原料和废钢利用过程中残留元素不可或缺的稀释剂。直接还原技术是钢铁工业持续发展、实现节能减排、环境友好发展的前沿技术之一。随着我国钢铁产业结构调整，纯净钢、优质钢比例提高，DRI作为钢铁行业的优质原料需求将不断增加。

目前，在直接还原技术方面，竖炉法在直接还原中占据绝对主导地位，其代表性工艺主要有Midrex、HYL-Ⅲ工艺。竖炉还原温度一般在800℃～1000℃，工艺成熟，操作简单，生产率高，投资低，可实现大规模生产(单炉产能可达200万t/a以上)，单位产品的气耗在10Gcal/t。但竖炉法也存在一定的局限性，首先，要求有丰富的天然气资源作保障，这使得竖炉法在广大石油、天然气资源匮乏的地区难以推广；其次，采用甲烷催化重整工艺制取还原性气体(H₂+CO)，对于矿石和还原气中S等容易引起催化剂失活的杂质含量要求严格，这些杂质可以通过炉顶煤气和原料气进入甲烷重整转化炉，从而造成催化剂中毒失效，导致整个工艺系统无法正常工作；再次，通常气体还原法化学能的一次利用率不超过40％，为了提高整个系统的能源利用效率和维持系统热量平衡，除一部分回收循环利用外，将部分未反应的还原性气体和一部分原料气作为燃料提供热量，没有完全体现气体的还原功能，能量利用不对口，造成能量浪费。

中国专利CN 101597663 B提供了一种基于煤基竖炉法生产海绵铁的高压粉煤气化制取海绵铁能量回收方法及系统。该能量回收方法及系统的优点是煤的气化效率高，能适应品位不同的煤种；大大提高了竖炉煤气的回收利用率和简化了竖炉煤气利用系统，其缺点是净化后的高压煤气部分需作为燃料燃烧为竖炉提供热量，没有完全利用气化煤气的还原功能，能量利用不对口，造成一定程度的能量浪费。

为了解决现有的竖炉法生产直接还原铁得工艺流程中的热量来源全部来自于天然气和炉顶气的氧化燃烧，最终燃料中所有碳都生成CO₂，增加温室气体排放，即现有技术中产生过多CO₂等技术缺陷，2017年中国专利CN 107419048 A公开了一种采用核反应系统为生产海绵铁工艺供热的系统。该系统的优点是将核能作为直接还原炼铁工艺能量来源，既保证了重整反应需要的温度条件，又不向环境排放温室气体和其它有害废物，将其应用于气基竖炉直接还原炼铁领域，能够有效的降低化石能源的消耗，从源头上减少了CO₂排放。但是，该方法并未改变现有的直接还原铁生产工艺中采用天然气资源作为还原气原料，然后经甲烷催化重整工艺制取还原性气体(H₂+CO)的所存在的技术局限性。且采用该系统，炉顶气中仍然含有大量的CO和H₂，未被充分利用于还原铁矿石，部分用于燃烧提供热量，同样存在能量利用不对口，造成一定程度的能量浪费的问题。

针对现有技术中采用高炉煤气、煤制气等作为还原气进行还原时，由于还原气中CO占比高，而CO还原铁为放热反应，因此气基竖炉中还原温度较高，易造成炉料热结，影响生产顺行的问题，中国专利CN 110484672 A于2019年公开了一种气基竖炉生产直接还原铁的方法。该发明方法将含铁原料、碎焦炭由顶部送入竖炉中，下部通入煤制气等还原气体进行还原，利用高炉筛下碎焦与CO₂的布多尔反应(C+CO₂＝2CO)吸收部分热量，可有效降低竖炉内温度，减少炉料热结产生，同时有效利用还原放热能量，提高了整体能量利用率。但是，该法存在的不足之处是，焦炭可能与铁矿球团粘结甚至熔融在一起，导致直接还原铁(海绵铁)产品中含有一定量的焦炭颗粒杂质。

中国专利CN 102206724 A公开了一种“焦炉煤气干熄焦联产直接还原铁的方法”，该方法是用焦炉气或以焦炉煤气生产甲醇后的富裕驰放气代替氮气作为冷却红焦的传热介质通入干熄焦炉中加热至650～960℃，再向出干熄焦炉的富氢还原气加入O₂，使其与还原气燃烧产生热量，将还原气加热到1100～1150℃送入还原竖炉与铁矿煤球团发生还原反应生产直接还原铁。该方法为了保证焦炉煤气代替干熄焦氮气作为红焦冷却介质的安全性，需将红焦经过度室中停放>5分钟，用于消耗空气中的氧气，然后送入干熄焦炉，在干熄焦炉装焦过程中需要N₂或CO₂补充排焦后的空间，此举不仅较现有干熄焦工艺复杂、控制难度增加，且补充的N2或CO2作为惰性气体不起还原反应，还会带出大量的系统热量。

此外，现有技术CN 101307371 A、CN 109937247 A、CN 103146866 A等也公开了采用焦炉煤气、气化煤气、CH4等不同来源的还原气生产竖炉直接还原铁的方法。但是，这些方法针对现有技术的改进主要体现在采用焦炉煤气+竖炉工艺或煤气化制合成气(H₂+CO)+竖炉工艺代替现有的天然气+竖炉工艺，以克服我国因天然气资源贫乏和价格高制约了竖炉生产直接还原铁工艺的应用和发展。

总结现有技术中技术改进方法的特点，不难看出，现有技术中均未重视直接还原铁的生产工艺中热量的对口利用，以及炉顶煤气中未反应的还原气的还原功能的充分利用，使得现有技术中普遍存在还原气气耗过高、系统的能源利用效率低的问题，能量利用不合理问题较为突出。

发明内容

为了解决现有竖炉直接还原炼铁工艺中存在的能量利用不对口，还原气还原功能未充分利用，导致系统的能源利用效率低、能量利用不合理的技术问题，本发明的目的在于提供一种干熄焦耦合竖炉生产直接还原铁的工艺中热量分布式利用的方法，具体技术方案如下。

一种干熄焦耦合竖炉生产直接还原铁的工艺中热量分布式利用的方法，其特征在于：利用干熄焦炉产生的高温惰性气体与冷还原气在换热器内换热，得到温度500～950℃的热还原气，换热后的惰性气体返回干熄焦炉作为热交换介质循环；热还原气经调整碳氢比和温度，转换为温度800℃～1100℃且(CO+H₂)/(CO₂+H₂O)>10的入炉气，所述入炉气从竖炉中下部进入竖炉还原段参与还原反应，炉顶煤气从竖炉炉顶排出后经净化处理和热量回收后作为冷还原气或冷还原气的一部分。

上述方法中，所述的冷还原气由净化后的炉顶煤气和还原气补充气组成。

上述方法中，所述热还原气调整碳氢比和温度的过程为，含甲烷气首先在重整反应器内发生重整反应得到温度为700～1500℃的转化气，然后将所述转化气与热还原气按照气体流量比为1：1～1：4在高温气体混合器内混合。

进一步地，上述方法中，冷还原气所需的热量通过工艺系统热回收提供，所述热量回收装置的热源为从竖炉炉顶排出的炉顶煤气、干熄焦炉产生的高温惰性气体、直接还原铁显热中的一种或多种。

进一步地，上述方法中，所述含甲烷气为净化后的焦炉煤气、煤层气、页岩气中的一种或多种。

一种更为优选的技术方案为，上述技术方案中，所述炉顶煤气经高温除尘、热量回收、洗涤、脱碳后与还原气补充气混合成为冷还原气；或者所述炉顶煤气经高温除尘、热量回收、洗涤后与还原气补充气混合，然后对混合气体脱碳后成为冷还原气；所述的冷还原气中CO₂<6％。

进一步地，所述的还原气补充气为净化后的气化煤气、转炉煤气、高炉煤气中的一种或多种。

进一步地，所述惰性气体为氮气、二氧化碳的一种或氮气与二氧化碳的混合物；换热后，所述惰性气体的温度不大于200℃。

进一步地，所述入炉气可根据竖炉入炉气的进气温度要求选择是否进行二次加热增温。

本发明一种干熄焦耦合竖炉生产直接还原铁的工艺中热量分布式利用的方法，相对于现有技术方案所具有的优点与积极效果在于：

(1)干熄焦可以回收赤热焦炭83％左右的显热，提高了炼焦生产的热效率，但传统干法熄焦回收的显热通过加热锅炉发生蒸汽，再通过蒸汽推动汽轮机生产电力，由于蒸汽发电效率约40％左右，因此这部分显热经过二次能量转化的能量可利用效率不足50％，能量利用效率低。本发明方法中，通过干熄焦与竖炉生产直接还原铁工艺的耦合，以干熄焦回收红焦的显热替代现有工艺中的原料气中的燃料部分为系统供热，此举，一方面减少红焦显热能量的转换次数，提高能量利用效率，另一方面降低了竖炉直接还原铁的气耗和能耗，提高了能源利用效率。相对于现有技术中采用核反应系统等热量供应方式，充分利用了现有焦化工业余热，具有控制过程简单，社会效益显著的优点。

(2)热力学分析表明，CO和H₂还原铁矿石的反应具有不同的热效应，用CO还原时是微弱的放热反应，H₂还原时则是吸热反应。本发明方法中，采用了调整还原气中碳氢比和入炉气温度的技术手段，在经济可行条件下适度提高还原气中CO含量，一方面减少了竖炉中还原反应热量消耗，提高了竖炉炉顶煤气的热焓，另一方面减少了作为热载体的还原气气量消耗，降低还原气消耗量，改善了还原气利用过程。相对于以天然气、焦炉煤气为还原气原料的竖炉生产直接还原铁的工艺，还原气中的碳氢比可在较宽的范围内灵活调节，更有利于控制竖炉内反应温度，减少炉料热结，保持竖炉内还原反应过程平稳进行。一种具体的实施例中，在脱碳后的净化炉顶煤气中补入气化煤气，由于气化煤气甲烷含量低，但CO/H₂较高，因此二者混合后可以实现还原气中第一次碳氢比调节，冷还原气经过换热装置与来自干熄焦产生的高温惰性气体换热，同时实现了还原气中第一次温度调节。然后在热还原气中加入含甲烷气经非催化转化得到的转化气，利用转化气温度较高且CO/H₂较低的特点，实现了还原料气中第二次碳氢比调节及第二次温度调节。该过程中还原气中CO/H₂比可在较宽范围内调节，且整个过程灵活可控，操作性较强，从而有利于得到较为理想的入炉气。

(3)本发明方法中，采用含甲烷气在重整反应器内发生重整反应的技术手段调整热还原气的碳氢比和温度，产生温度为700～1500℃的高温还原性(CO+H₂)气体，然后通过控制转化气与热还原气混合过程中的体积比例进一步调节入炉气中碳氢比和温度，从而可以实现能量的对口利用，生产成本较低。同时，一种优选的技术方案中，含甲烷气与氧气在重整反应器发生非催化重整反应，产生高温转化气，对热还气进行温度和CO/H₂调整，并且该过程无需催化剂，同时通过对竖炉炉顶排出的炉顶煤气、干熄焦炉产生的高温惰性气体、直接还原铁显热中的一种或多种热源进行热量回收利用，进一步提高了实现了整体工艺过程中热量的分布式利用，进一步降低了工艺的能耗。

(4)本发明方法中，一种优选的技术方案中，竖炉炉顶煤气(炉顶气)可全部作为还原性气体循环使用，而不是利用其中的一部分去燃烧供热，充分实现了炉顶煤气中未反应的还原气的最大利用价值，改善了还原气的利用途径，同时还降低了工艺中还原气气量消耗，提高了整体工艺的能效水平。

(5)本发明方法中，还原气补充气采用净化后的气化煤气、转炉煤气、高炉煤气中的一种或多种，在经济可行的条件下，改变了传统气基竖炉直接还原铁对天然气的依赖，实现资源的最大化转化利用。与现有技术中原料气采用常规天然气、焦炉煤气竖炉直接还原铁的生产系统相比，单位直接还原铁原料气气耗可降低10％—30％。

附图说明

图1为根据本发明一种干熄焦耦合竖炉生产直接还原铁的工艺中热量分布式利用的方法的一种实施方式的工艺流程示意图。

图2为根据本发明实施方式1的竖炉直接还原铁技术方案单位DRI产品热量利用分配图。

图中：1-干熄焦炉、2-高温除尘器、3-高温换热器、4-脱碳装置、5-洗涤器、6-低温换热器、7-高温除尘器、8-竖炉、9-重整反应器、10-高温气体混合器。

具体实施方式

下面结合本发明的一种实施方式的工艺流程图示意图，进一步详细描述本发明提出的一种干熄焦、非催化转化和竖炉耦合生产直接还原铁的方法，以便所属技术领域的技术人员能够更好地理解和实现本发明所述的技术方案。

实施例

如图1所示，温度约1050℃的红焦进入干熄焦炉1，氮气在干熄焦炉1中至下而上吸收红焦显热，红焦放出热量后从干熄焦炉1下部排出焦炭，氮气吸热后成为高温氮气，高温氮气经高温除尘器2后送入高温换热器3中与来自脱碳装置4的气体和净气化煤气进行热交换，高温氮气换热后成为温度不大于180℃的循环氮气返回干熄焦炉1循环利用，来自脱碳装置4的气体和净气化煤气混合的冷还原气，一部分冷还原气通过低温换热器6回收炉顶煤气的显热后成为100～300℃的低温还原气，剩余冷还原气与低温还原气一起送入高温换热器3吸收热量后成为温度为600～700℃的热还原气。

热还原气与1200～1300℃、CO/H₂≈2的转化气在高温气体混合器10中混和为温度为980℃的入炉气，入炉气中CO+H₂≥90％、(CO+H₂)/(CO₂+H₂O)>10，H₂:CO≈1。入炉气送入竖炉8与球团进行还原反应生成直接还原铁，球团由竖炉顶部进料口加入，生成的直接还原铁由竖炉底部排料口排出。

竖炉8中未反应的还原气与反应生成的二氧化碳和水蒸气从竖炉8顶部排出形成炉顶煤气，温度为400℃左右，炉顶煤气依次通过高温除尘器7、低温热交换器6和洗涤器5后的得到的净化的炉顶煤气作为还原气的原料气来源的一部分，温度为30-50℃、CO+H₂＝60-75％。净化的炉顶煤气经脱碳装置4脱除二氧化碳后与还原气补充气混合送入高温换热器3吸收热量后成为热还原气，还原气补充气的H2/CO≈0.35、CO₂<5％、CO+H₂≥90温度常温。

净焦炉煤气、氧气进入重整反应器9进行非催化部分氧化反应生成转化气，产生1200～1300℃的高温还原性气体(CO+H₂)，同时加入少量的水蒸气，一方面防止积碳发生，另一方面增加还原气有效成分(CO+H₂)。

脱碳装置4产生的二氧化碳气体送竖炉8作为进料和出料的二氧化碳气封。

上述实施例中，根据还原气原料气中二氧化碳含量，还原气补充气也可以选择在脱碳装置4与换热器3之间加入，或在脱碳装置4之前加入。同时，根据高温气体混合器10出口气体温度的情况，必要时还可以在进入竖炉之前入炉气二次加热装置，进一步调整入炉气入炉温度。

图2为本发明实施例中竖炉直接还原铁技术方案单位DRI产品热量利用分配图，图2中是以1kg直接还原铁为基准，所有数据单位均为MJ/kg(DRI)。

传统天然气竖炉直接还原铁方案中，直接作为燃料的天然气为2.18MJ，占总输入量10.68MJ的20.4％；经过一次利用后，炉顶煤气有4.65MJ作为燃料，占炉顶煤气总量13.28MJ的35％，按还原气利用率为40％计算，顶煤气作为燃料的4.65MJ能量中有1.37为补入天然气所提供，综合以上两方面统计，该方案中作为燃料形态的能量为3.55MJ，占总输入量10.68MJ的33.2％(参见文献：非高炉炼铁工艺与理论(第2版)[M]，方觉等编著，冶金工业出版社，2010，第123-124页.)。

如图2所示，在保证传统天然气竖炉直接还原铁方案中竖炉能量平衡的条件下，通过热量回收可将炉顶煤气因直接洗涤损失的0.88MJ能量回收50％，由高温氮气供给显热热量为1.23MJ、含甲烷气带入能量5.29MJ、气化煤气带入能量2.2MJ，综合能量输入为8.72MJ。

通过对比，本发明比传统气基竖炉直接还原铁能耗降低18.4％，原料气消耗降低29.9％。以100万吨直接还原铁规模对比，当采用天然气为原料时，可节省天然气8200万方，按2.5元/方的天然气价，可节省运行成本2亿元以上；当采用焦炉气为原料时，可节省天然气1.8亿方，按0.5元/方的焦炉气价，可节省运行成本近1亿元。

在本说明书的描述中，尽管以上所述已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，并不用以限制本发明，本领域的普通技术人员本在本发明的精神和原则之内，在形式上和细节上对其做出的任何变化、修改、替换、变形和改进都应涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种干熄焦耦合竖炉生产直接还原铁的工艺中热量分布式利用的方法，其特征在于：利用干熄焦炉产生的高温惰性气体与冷还原气在换热器内换热，得到温度500～950℃的热还原气，换热后的惰性气体返回干熄焦炉作为热交换介质循环；热还原气经调整碳氢比和温度，转换为温度800℃～1100℃且（CO+H₂）/（CO₂+H₂O）>10的入炉气，所述入炉气从竖炉中下部进入竖炉还原段参与还原反应，炉顶煤气从竖炉炉顶排出后经净化处理和热量回收后作为冷还原气的一部分；

所述的高温惰性气体与冷还原气在换热器内换热的过程为，一部分冷还原气通过低温换热器回收炉顶煤气的显热后成为100～300℃的低温还原气，剩余部分冷还原气再与所述低温还原气一起送入高温换热器与干熄焦炉产生的高温惰性气体换热；

所述的热还原气调整碳氢比和温度的过程为，含甲烷气首先在重整反应器内发生非催化重整反应得到温度为700～1500℃的转化气，然后将所述转化气与热还原气按照气体流量比为1：1～1：4在高温气体混合器内混合；

冷还原气转换为热还原气所需的热量通过工艺系统热回收提供，所述热回收的热源为从竖炉炉顶排出的炉顶煤气和干熄焦炉产生的高温惰性气体两种；

上述方法中，所述的冷还原气由净化后的炉顶煤气和还原气补充气组成；所述的还原气补充气为净化后的气化煤气、转炉煤气、高炉煤气中的一种或多种；所述含甲烷气为净化后的焦炉煤气、煤层气、页岩气中的一种或多种；

所述炉顶煤气经高温除尘、热量回收、洗涤、脱碳后与还原气补充气混合成为冷还原气；或者所述炉顶煤气经高温除尘、热量回收、洗涤后与还原气补充气混合，然后对混合气体脱碳后成为冷还原气；所述的冷还原气中CO₂<6%。

2.根据权利要求1所述的一种干熄焦耦合竖炉生产直接还原铁的工艺中热量分布式利用的方法，其特征在于：所述高温惰性气体为氮气、二氧化碳的一种或氮气与二氧化碳的混合物；换热后，循环回干熄焦系统的惰性气体的温度不高于200℃。

3.根据权利要求1所述的一种干熄焦耦合竖炉生产直接还原铁的工艺中热量分布式利用的方法，其特征在于：所述入炉气根据竖炉入炉气的进气温度要求进行二次加热增温。

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