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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
专利技术涉及化工冶金
，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。
技术介绍
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CN101597663B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CN107419048A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CN110484672A于2019年公开了一种气基竖炉生产直接还原铁的方法。该专利技术方法将含铁原料、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CN102206724A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CN101307371A、CN109937247A、CN103146866A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。
技术实现思路
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，本专利技术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％。进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
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+H

【技术特征摘要】
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或冷还原气的一部分。


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：所述的冷还原气由净化后的炉顶煤气和还原气补充气组成。


3.根据权利要求2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。


4.根据权利要求2或3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％。

【专利技术属性】
技术研发人员：石玉良，梁言，杨力，薛钟安，申峻，王斌，张永发，周晋华，马艳华，
申请(专利权)人：太原理工大成工程有限公司，
类型：发明
国别省市：山西;14