一种气基竖炉直接还原铁的方法技术

本发明专利技术涉及冶金技术领域，具体涉及一种气基竖炉直接还原铁的方法，含有还原气制备单元、还原气调温调质单元、竖炉还原单元、余热回收单元、气体净化单元、还原性气体提纯单元和循环气加热单元，其中还原气制备单元是通过原料气与补碳剂的非催化部分氧化制取以一氧化碳和氢气为主要组分的高温还原气，并能有效控制反应系统中的水蒸气。还原性气体提纯单元是通过工艺流程的设置和气体分离方法的改进，而实现还原气循环使用过程惰性组分的有效分离。通过上述改进，克服了现有气基竖炉工艺中存在的非催化重整转化反应制取高温还原气中水蒸气含量高，以及还原气循环使用过程中，因惰性组分积累而影响还原气品质及化学能充分利用的技术问题。的技术问题。的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种气基竖炉直接还原铁的方法


[0001]本专利技术涉及冶金
，具体涉及一种气基竖炉直接还原铁的方法。

技术介绍

[0002]气基竖炉直接还原技术是利用温度低于炉料软融温度的还原性气体将铁的氧化物炉料还原并获得金属铁的冶金方法，具有流程短、污染小、能耗低、温室气体排放少等优点。
[0003]现有成熟的气基竖炉直接还原技术主要有Midrex、HYL
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工艺以及以这两种工艺为基础通过工艺路线的调整和改进而获得的一些改进型工艺。现有的主流工艺路线基本都是采取含甲烷原料气催化重整转化为以氢气和一氧化碳组分为主的还原性气体，然后在一定的温度、压力条件下将还原气通入竖炉装置，使铁的氧化物在竖炉内还原性气氛条件下还原成以金属铁为主的固态直接还原铁(DRI)产品。该技术路线中，需要采用活性组分为贵金属的甲烷重整转化催化剂，存在的问题在于：(1)催化剂中活性组分对原料气中硫含量较为敏感，需要对原料气进行精脱硫处理；(2)催化剂由贵金属制备，导致投资和运行成本较大；(3)由于甲烷催化反应通常在较高温度下进行，积碳引起的催化剂失活问题是一个巨大的挑战；(4)贵金属氧化物作为催化剂高温催化性能不稳定，其活性组分在高温下易烧结导致相变，致使其催化活性下降。
[0004]另一种技术路线是通过甲烷非催化部分氧化转化制备还原气，较催化转化制备还原气技术路线，由于非催化部分氧化转化过程中不使用催化剂，优势在于：(1)原料气无需设置精脱硫工序；(2)省去贵金属催化剂和精脱硫剂的昂贵费用，同时避免了催化剂失活更换带来的装置停车等问题；(3)甲烷非催化部分氧化是温和的放热反应，反应可在高温下进行，可使含甲烷原料气中的大分子烃类等有机物全部裂解转化，且有利于甲烷转化反应的正向化学平衡。但是，通常使用的天然气、焦炉煤气等含甲烷原料气中的氢元素含量远高于碳元素含量，在部分氧化和高温条件下转化制备高温还原气过程中，由于氢的活性较高，氢元素更倾向于和氧元素结合生成水，导致高温还原气中水含量较高。同时，该工艺技术路线在实际的生产运行中还存在高温还原气中水蒸气含量过高的技术问题。如史雪君等发表的“天然气非催化部分氧化制还原气的净化系统模拟”(现代化工,2018,38(6):206
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210.)、陈东耳发表的“天然气部分氧化制乙炔和还原气的计算与模拟研究”(西南大学硕士学位论文，2022年，56
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57页)等相关文献均指出甲烷非催化部分氧化转化制取还原气中有约15％以上的水蒸气。而气基竖炉直接还原过程，要求还原气中应尽可能提高CO、H2还原性组分的含量，并降低水、氮气、二氧化碳等非还原性组分含量，通常希望还原气中CO+H2大于86％。显然，甲烷非催化部分氧化转化制备高温还原气中的水蒸汽含量过高，势必会影响还原气中CO和H2含量，同时高温还原气中的水蒸气不仅对铁矿石没有还原作用，而且会吸收、携带大量的系统热量，并伴随还原气竖炉还原后的降温过程释放大量相变显热，造成系统能量利用率低和能耗高等技术问题。
[0005]此外，现有气基竖炉直接还原技术工艺路线，采用天然气、焦炉煤气等原料气中均
含有一定量的N2、Ar等惰性气体，这部分惰性组分在原料气转化过程、竖炉还原过程、还原后尾气降温及脱碳脱硫净化过程一直保留在还原气中，且由于化学平衡限制，通常气体还原法化学能的一次利用率不超过40％，气基竖炉还原过程中要充分利用还原气中CO、H2还原铁矿石的化学能，还原气中的CO、H2必须循环利用，伴随还原气的循环，N2等惰性组分将不断积累，当还原气中惰性组分积累到一定浓度后将严重影响竖炉还原效率，导致竖炉中的还原反应无法有效进行。现有的解决技术方案是将一部分还原气(竖炉炉顶气)进行循环利用，剩余竖炉炉顶气燃烧为还原气升温和原料气催化转化提供热量。这种方式虽然在一定程度上避免了还原气中惰性气体的积累，但产生了新的问题：将部分炉顶气燃烧供热，还原气中大量CO、H2还原铁矿石的化学能没有被充分利用，造成还原气的利用率低和系统能耗高。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术在现有的甲烷非催化部分氧化转化制备还原气的技术路线的基础上，提供了一种气基竖炉直接还原铁的方法的改进工艺。采用本专利技术方法，不但解决了现有的甲烷非催化部分氧化转化制备还原气的技术路线存在高温还原气中水含量高的技术问题，而且通过改变还原性气体提纯单元的设置位置和提取方式，从而很好地克服了现有技术中存在的还原气循环利用而使氮气等惰性气体富集，影响还原气品质及竖炉还原效率的技术问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案。
[0008]一种气基竖炉直接还原铁的方法，含有还原气制备单元、还原气调温调质单元、竖炉还原单元、余热回收单元、气体净化单元、还原性气体提纯单元和循环气加热单元，其特征在于：
[0009]所述的还原气制备单元，是将原料气、适量补碳剂和适量氧气，在常压～8MPa、800～2000℃条件下转化为高温还原气，所述的高温还原气中还原性气体组分≥86％(V/V)且H2O含量≤8％(V/V)；
[0010]所述的还原性气体提纯单元，是将净化后的炉顶煤气进行组分分离，得到H2或CO或H2+CO为主要组分的还原性气体，所述的还原性气体循环使用。
[0011]进一步地，所述的原料气为天然气、页岩气、煤层气、油田气、炼厂气、焦炉煤气、热解气中的一种或多种。进一步优选地，当原料气中氢气含量≥25％(V/V)时，原料气经提氢预处理后再与适量补碳剂和适量氧气送入所述的还原气制备单元制备高温还原气，提取得到的氢气送循环气加热单元，经加热升温后循环使用。采用该优选的技术方案，一方面可以增大原料气中甲烷的浓度，促进后续还原气制备单元制取高温还原气反应的正向移动，减小相关设备的尺寸和投资；另一方面，可降低原料气中的氢元素与碳元素的比例，减少氢元素在部分氧化过程中生成水的量，进而实现对还原气制备单元生成高温还原气中水含量的一定控制。
[0012]进一步地，所述的补碳剂为煤、煤焦、石油焦、生物质碳、活性炭、二氧化碳中的一种或多种；
[0013]进一步地，所述原料气、氧气预热至≯700℃。该技术方案中，将原料气和氧气转化前预热，使得原料气和氧气进入还原气制备单元时即具有较高的初始能量，一旦反应系统
开始反应就可以使更多的原料气和补碳剂迅速转化，缩短物料在还原气制备单元的反应时间，极大地提高了反应速率和转化效率。
[0014]进一步地，所述的还原性气体提纯单元，是采用吸附法、吸收法、膜分离法、低温分离法中的一种或多种，实现炉顶气中还原性气体组分和惰性气体组分有效分离，分离得到的还原性气体组分循环使用。采用该优选的技术方案，还可以控制循环气中的水蒸气含量，有利于提高入炉气中H2+CO的浓度和竖炉还原效率。
[0015]进一步地，所述的循环气加热单元采用外供热源加热方式加热，加热过程中选择性加入补充气作为还原气。
[0016]进一步地，所述的补充气为净化后的煤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气基竖炉直接还原铁的方法，含有还原气制备单元、还原气调温调质单元、竖炉还原单元、余热回收单元、气体净化单元、还原性气体提纯单元和循环气加热单元，其特征在于：所述的还原气制备单元，是将原料气、适量补碳剂和适量氧气，在常压～8MPa、800～2000℃条件下转化为高温还原气，所述的高温还原气中还原性气体组分≥86％(V/V)且H2O含量≤8％(V/V)；所述的还原性气体提纯单元，是将净化后的炉顶煤气进行组分分离，得到H2或CO或H2+CO为主要组分的还原性气体，所述的还原性气体循环使用。2.根据权利1所述的一种气基竖炉直接还原铁的方法，其特征在于：所述的原料气为天然气、页岩气、煤层气、油田气、炼厂气、焦炉煤气、热解气中的一种或多种；当原料气中氢气含量≥25％(V/V)时，经提氢预处理后再与适量补碳剂和适量氧气送入所述的还原气制备单元制备高温还原气，提取得到的氢气送循环气加热单元，经加热升温后循环使用。3.根据权利1所述的一种气基竖炉直接还原铁的方法，其特征在于：所述的补碳剂为煤、煤焦、石油焦、生物质碳、活性炭、二氧化碳中的一种或多种。4.根据权利1所述的一种气基竖炉直接还原铁的方法，其特征在于：所述原料气、氧气预热至≯700℃。5.根据权利1所述的一种气基竖炉直接还原铁的方法，其特征在于：所述的还原性气体提纯单元，是采用吸附法、吸收法、膜分离法、低...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晋华，石玉良，温月丽，蔚明，杨力，董鹏岐，王斌，杜雄伟，梁言，马艳华，薛钟安，
申请(专利权)人：交城县兆晨煤焦有限公司，
类型：发明
国别省市：