利用CH₄非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺的制作方法

专利名称：利用CH₄非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于铁或钢的冶炼技术领域，具体涉及一种利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺。
背景技术：
钢铁工业是国民经济的基础产业，也是我国能源资源消耗和污染排放的重点行业。为加快钢铁工业结构调整和产业升级，转变钢铁工业发展方式，促进节约、清洁和可持续发展，国家在《钢铁产业调整和振兴规划》中提出将“加强非高炉冶炼-炼钢、精炼-直接轧制全新流程清洁工艺技术研发和试验”等作为推进全行业节能减排的重点任务，全面推行清洁生产。直接还原工艺作为典型的非高炉炼铁工艺，是实现钢铁生产短流程，即废钢/海绵铁(DRI) —电炉流程的重要环节。气基竖炉直接还原工艺的原料气可采用天然气、焦炉煤气、煤层气、兰碳排放气等富甲烷煤气，针对我国多煤少天然气的资源特点，发展利用焦炉煤气、煤层气、兰碳排放气等富甲烷煤气加大型化竖炉的直接还原工艺具有较为宽广的市场前景。 目前国内针对焦炉煤气等富甲烷煤气的气基竖炉直接还原工艺提出了相应的技术路线，主要的有以下几类:
1)利用焦炉煤气和净化脱碳后的竖炉炉顶气一起，加湿后再加热至100(TC左右进入竖炉还原铁矿石，该技术路线的关键在于利用高温和海绵铁的催化作用，使部分CH4发生改质反应生成CCHH2补充还原气，但该工艺路线需要脱碳和喷氧提温，同时在1000°C左右的温度下，若还原气气氛控制不好，则存在海绵铁容易黏结的缺陷；
2))利用氧气、焦炉煤气、二氧化碳、水蒸汽在转化炉内转化后，再和炉顶气混合，经脱硫脱碳后加热至800°C进入竖炉还原铁矿石，同时要求&/0)>1.5 ;该技术路线的工艺路线复杂，加热炉为避免析碳对气体成分有严格限制，转化后的高温煤气先降温再加热，存在原料气利用效率较低、能耗较高的缺陷；
3)利用焦炉煤气和净化、降温后的炉顶气混合，在加热炉中加热至900°C 950°C使焦炉煤气中的CH4与炉顶气中的CO2和H2O发生反应，生成CCHH2后进入竖炉还原铁矿石；该技术路线存在经净化降温后的炉顶气中的H20、CO2等氧化剂含量较低，不足以与焦炉煤气中的CH4反应，导致CH4在加热炉中大量析碳堵塞炉管，同时在900°C 950°C的温度下，CH4与H2OXO2的反应不充分，进入竖炉后在高温(900°C 950°C)和海绵铁的催化下容易发生CH4的大量析碳，并引起黏结，这在焦炉煤气CH4含量过高或原料气为天然气时更为明显。综上所述，目前国内针对天然气、焦炉煤气等富甲烷煤气气基竖炉直接还原工艺的技术路线，存在工艺流程长、转化工艺复杂、转化不充分和竖炉容易黏结等技术缺陷。

发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺，该直接还原工艺不仅具有工艺流程短、节能减排和投资成本低的优点，并且能够防止海绵铁黏结和防止析碳。为达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
一种利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺，经净化、压力调节后的富CH4原料气与竖炉输出的经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气一起进入管式炉中预热；预热后的煤气进入非催化纯氧转化炉，在非催化纯氧转化炉中与氧气发生燃烧反应并升温，将CH4非催化转化生成CCHH2 ;非催化纯氧转化炉排出的高温煤气与前端经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气混合降温后，进入竖炉还原铁矿石生产海绵铁；竖炉排出的炉顶煤气经降温、除尘、加压、脱碳后，部分与补充的富CH4原料气一起进入管式炉及非催化纯氧转化炉，部分作为非催化纯氧转化炉排出的高温煤气的掺冷煤气。进一步,所述富CH4原料气为焦炉煤气或天然气。进一步，所述富CH4原料气与炉顶煤气在管式炉中的预热温度不超过400°C。进一步，经管式炉预热后的所述煤气在非催化纯氧转化炉中与氧气发生燃烧反应后升温至1200°C 1400°C。进一步，所述非催化纯氧转化炉排出的高温煤气中，CH4体积比含量小于2%，且该高温煤气的温度为1000°c 1100°C。进一步，所述非催化纯氧转化炉排出的高温煤气与前端经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气混合降温后得到的还原煤气的温度为850°C 900°C，且该还原煤气中，CCHH2的体积与C02+H20的体积之比大于10。进一步，所述炉顶煤气采用 真空变压吸附(VPSA)工艺脱碳。进一步，所述竖炉排出的炉顶煤气经降温、除尘后被部分引出作为燃料气输出。进一步，所述管式炉采用富CH4原料气和/或采用经降温、除尘后的炉顶煤气作为加热用的燃料气。本发明的有益效果在于:
本发明利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺，首先将富CH4原料气和前端经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气混合后预热，预热温度低于400°C，不会发生析碳；另夕卜，管式炉预热温度低，外排烟气少，对管材要求不高，使得管式炉的投资较低，相比其它工艺技术路线，在投资和排放上的优势十分明显；
本发明利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺的工艺流程简单，工艺参数可控性强，通过在纯氧转化炉中的燃烧反应，使CH4充分转化为C0+H2，富CH4原料气利用率较高，同时进入竖炉的还原煤气温度保持在850°C 900°C，能够防止海绵铁黏结；
本发明利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺不使用催化剂，不存在H2S导致催化剂失效的情况，对富CH4原料气中H2S含量无严格限制，尤其适合焦炉煤气这类H2S含量较高的原料气。


为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明:
图1为本发明利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺的工艺流程图。
具体实施例方式下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。如图1所示，为本发明利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺的工艺流程图。本发明利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺为:
经净化、压力调节后的富CH4原料气与竖炉输出的经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气一起进入管式炉中预热，且预热温度不超过400°C，富CH4原料气可采用天然气或焦炉煤气;
预热后的煤气进入非催化纯氧转化炉，在非催化纯氧转化炉中与氧气发生燃烧反应并迅速提温至1200°C 1400°C，将CH4非催化转化生成CCHH2 ；
非催化纯氧转化炉排出的高温煤气与前端经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气混合降温后，进入竖炉还原铁矿石生产海绵铁；且非催化纯氧转化炉排出的高温煤气中，CH4体积比含量小于2%，该高温煤气的温度为1000°C 1100°C ;该高温煤气与前端经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气混合降温后得到的还原煤气的温度为850°C 900°C，且该还原煤气中，CCHH2的体积与C02+H20的体积之比大于10 ；
竖炉排出的炉顶煤气经降温、除尘、加压、脱碳后，部分与补充的富CH4原料气一起进入管式炉及非催化纯氧转化炉，部分作为非催化纯氧转化炉排出的高温煤气的掺冷煤气。掺冷煤气用作与非催化纯氧转化炉排出的高温煤气混合降温，具体的，与富CH4原料气一起进入管式炉及非催化纯氧转化炉的炉顶煤气与作为掺冷煤气的炉顶煤气之间的比例，根据实际工艺条件确定。优选的，炉顶煤气采用真空变压吸附(VPSA)工艺脱碳，脱碳效果好。优选的，竖炉排出的炉顶煤气经降温、除尘后被部分引出作为燃料气，且管式炉可采用富CH4原料气作为其燃料 气和/或采用经降温、除尘后的炉顶煤气作为燃料气。本发明利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺，首先将富CH4原料气和前端经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气混合后预热，由于预热温度小于400°C，不会发生析碳；另外，管式炉预热温度低，外排烟气少，对管材要求不高，使得管式炉的投资较低，相比其它工艺技术路线，在投资和排放上的优势十分明显；
本发明利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺的工艺流程简单，工艺参数可控性强，通过在纯氧转化炉中的燃烧反应，使CH4充分转化为C0+H2，富CH4原料气利用率较高，同时进入竖炉的还原煤气温度保持在850°C 900°C，能够防止海绵铁黏结；
本发明利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺不使用催化剂，不存在H2S导致催化剂失效的情况，对富CH4原料气中H2S含量无严格限制，尤其适合焦炉煤气这类H2S含量较高的原料气。第一实施例
本实施例利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺为:
将经净化、调压后的富CH4原料气与竖炉输出的并经降温、除尘、脱水、加压、脱碳后得到的炉顶煤气一起进入管式炉中预热，且预热温度为400°C，本实施例的富CH4原料气为焦炉煤气；
预热后的煤气进入非催化纯氧转化炉，在非催化纯氧转化炉中与氧气发生燃烧反应并迅速提温至1300°C，将CH4非催化转化生成CCHH2 ；
非催化纯氧转化炉排出的高温煤气与前端经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气混合降温后，进入竖炉还原铁矿石生产海绵铁；且非催化纯氧转化炉排出的高温煤气中，CH4体积比含量为1%，该高温煤气的温度为1050°C;该高温煤气与前端经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气混合降温后得到的还原煤气的温度为900°C，且该还原煤气中，CCHH2的体积与C02+H20的体积之比等于12 ；
竖炉排出的炉顶煤气经降温、除尘、加压、脱碳后，大部分与补充的富CH4原料气一起进入管式炉及非催化纯氧转化炉，小部分作为非催化纯氧转化炉排出的高温煤气的掺冷煤气，掺冷煤气用作与非催化纯氧转化炉排出的高温煤气混合降温。本实施例的炉顶煤气采用真空变压吸附(VPSA)工艺脱碳，脱碳效果好。本实施例竖炉排出的炉顶煤气经降温、除尘后被部分引出作为管式炉的燃料气。第二实施例
本实施例利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺为:
将经净化、调压后的富CH4原料气与竖炉输出的并经降温、除尘、脱水、加压、脱碳后得到的炉顶煤气一起进入管式炉中预热，且预热温度为380°C，本实施例的富CH4原料气为天然气；
预热后的煤气进入非催化纯氧转化炉，在非催化纯氧转化炉中与氧气发生燃烧反应并迅速提温至1200°C，将CH4非催化转化生成CCHH2 ；
非催化纯氧转化炉排 出的高温煤气与前端经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气混合降温后，进入竖炉还原铁矿石生产海绵铁；且非催化纯氧转化炉排出的高温煤气中，CH4体积比含量为2%，该高温煤气的温度为1000°C;该高温煤气与前端经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气混合降温后得到的还原煤气的温度为850°C，且该还原煤气中，CCHH2的体积与C02+H20的体积之比等于10 ；
竖炉排出的炉顶煤气经降温、除尘、加压、脱碳后，大部分与补充的富CH4原料气一起进入管式炉及非催化纯氧转化炉，小部分作为非催化纯氧转化炉排出的高温煤气的掺冷煤气，掺冷煤气用作与非催化纯氧转化炉排出的高温煤气混合降温。本实施例的炉顶煤气采用真空变压吸附(VPSA)工艺脱碳，脱碳效果好。本实施例竖炉排出的炉顶煤气经降温、除尘后被部分引出并与富CH4原料气混合一起作为管式炉的燃料气。第三实施例
本实施例利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺为:
将经净化、调压后的富CH4原料气与竖炉输出的并经降温、除尘、脱水、加压、脱碳后得到的炉顶煤气一起进入管式炉中预热，且预热温度为350°C，本实施例的富CH4原料气为焦炉煤气；
预热后的煤气进入非催化纯氧转化炉，在非催化纯氧转化炉中与氧气发生燃烧反应并迅速提温至1400°C，将CH4非催化转化生成CCHH2 ；
非催化纯氧转化炉排出的高温煤气与前端经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气混合降温后，进入竖炉还原铁矿石生产海绵铁；且非催化纯氧转化炉排出的高温煤气中，CH4体积比含量为0.5%，该高温煤气的温度为1100°C;该高温煤气与前端经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气混合降温后得到的还原煤气的温度为880°C，且该还原煤气中，CCHH2的体积与C02+H20的体积之比等于14 ；
竖炉排出的炉顶煤气经降温、除尘、加压、脱碳后，大部分与补充的富CH4原料气一起进入管式炉及非催化纯氧转化炉，小部分作为非催化纯氧转化炉排出的高温煤气的掺冷煤气，掺冷煤气用作与非催化纯氧转化炉排出的高温煤气混合降温。本实施例的炉顶煤气采用真空变压吸附(VPSA)工艺脱碳，脱碳效果好。本实施例的管式炉采用富CH4原料气作为燃料气。最后说明 的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
权利要求
1.一种利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺，其特征在于:经净化、压力调节后的富CH4原料气与竖炉输出的经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气一起进入管式炉中预热；预热后的煤气进入非催化纯氧转化炉，在非催化纯氧转化炉中与氧气发生燃烧反应并升温，将CH4非催化转化生成CCHH2 ;非催化纯氧转化炉排出的高温煤气与前端经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气混合降温后，进入竖炉还原铁矿石生产海绵铁；竖炉排出的炉顶煤气经降温、除尘、加压、脱碳后，部分与补充的富CH4原料气一起进入管式炉及非催化纯氧转化炉，部分作为非催化纯氧转化炉排出的高温煤气的掺冷煤气。
2.根据权利要求1所述的利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺，其特征在于:所述富CH4原料气为焦炉煤气或天然气。
3.根据权利要求1所述的利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺，其特征在于:所述富014原料气与经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气在管式炉中的预热温度不超过 400°C。
4.根据权利要求3所述的利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺，其特征在于:经管式炉预热后的所述煤气在非催化纯氧转化炉中与氧气发生燃烧反应后升温至1200。。 1400。。。
5.根据权利要求4所述的利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺，其特征在于:所述非催化纯氧转化炉排出的高温煤气中，CH4体积比含量小于2%，且该高温煤气的温度为 IOOO0C-1lOO0Co
6.根据权利要求5所述的利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺，其特征在于:所述非催化纯氧转化炉排出的高温煤气与前端经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气混合降温后得到的还原煤气的温度为850°C 900°C，且该还原煤气中，CCHH2的体积与C02+H20的体积之比大于10。
7.根据权利要求1-6任一项所述的利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺，其特征在于:所述炉顶煤气采用真空变压吸附(VPSA)工艺脱碳。
8.根据权利要求7所述的利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺，其特征在于:所述竖炉排出的炉顶煤气经降温、除尘后被部分引出作为燃料气输出。
9.根据权利要求8所述的利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺，其特征在于:所述管式炉采用富CH4原料气和/或采用经降温、除尘后的炉顶煤气作为加热用的燃料气。
全文摘要
一种利用CH4非催化转化生产海绵铁的直接还原工艺，经净化、压力调节后的富CH4原料气和竖炉输出的经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气一起进入管式炉中预热；预热后的煤气进入非催化纯氧转化炉，在非催化纯氧转化炉中与氧气发生燃烧反应并升温，将CH4非催化转化生成CO+H2；非催化纯氧转化炉排出的高温煤气与前端经降温、除尘、加压、脱碳后的炉顶煤气混合降温后，进入竖炉还原铁矿石生产海绵铁；竖炉排出的炉顶煤气经降温、除尘、加压、脱碳后，部分与补充的富CH4原料气一起进入管式炉及非催化纯氧转化炉，部分作为非催化纯氧转化炉排出的高温煤气的掺冷煤气。由于预热温度较低，不会发生析碳，并对富CH4原料气中H2S含量无严格限制，能够防止海绵铁黏结。
文档编号C21B13/02GK103146866SQ201310114729
公开日2013年6月12日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者陈凌, 郭敏, 张涛, 吴开基, 鹿存房, 林亮成 申请人:中冶赛迪工程技术股份有限公司