一种天然气三重整制备直接还原铁的系统和方法与流程

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种天然气三重整制备直接还原铁的系统和方法。

背景技术：

直接还原铁又称海绵铁，是一种重要的可代替废钢且优于废钢的炼钢原料，可稀释废钢中的杂质元素成分，为电炉炼钢提供必不可少的纯净铁原料。钢铁企业发展直接还原铁技术，能更好地适应时代对企业向紧凑化、高效化、洁净化方向发展的要求。

2014年，全世界直接还原铁产量为7455万吨。其中，由气基竖炉法生产的约占80％。典型的工艺包括MIDREX工艺和HYLⅢ(Energiron)工艺。

MIDREX法以天然气为原料气，用炉顶气作为转化剂，经重整反应得到高品质还原气。炉顶气经降温除尘后，其中60～70％经压缩后与天然气按照化学反应当量混合，经预热器预热，然后通过装有镍催化剂的重整炉。在重整炉内，天然气与炉顶气中的CO₂和H₂O发生重整反应，得到850～900℃的还原气，然后将该还原气送入竖炉中。含铁的氧化球团或块矿在竖炉内经还原气还原得到直接还原铁。直接还原铁经竖炉底部的冷却段冷却后排出竖炉。冷却段的冷却气从竖炉排出，然后经水洗塔水洗和压缩机提压后，送回竖炉循环使用。但是，该方法中，重整炉造价昂贵，维护成本较高。并且，气体中的硫会导致重整炉内的重整催化剂中毒。因此，该工艺中需要严格控制矿石和煤气中的硫含量。

HYLⅢ工艺以天然气和部分炉顶气为原料，通过原料天然气、转化剂水蒸气在重整炉中的催化重整反应制取还原气。由重整炉制取的还原气，通过热量回收装置、水洗冷却装置处理，然后与部分经水洗冷却、脱硫脱碳的炉顶气混合。得到的混合气经加热炉加热至900～950℃，然后通入竖炉中，还原氧化球团或块矿。但是，该工艺中，操作压力较高，对反应器的要求较高。并且，由转化炉制取的高温还原气，需经冷却除水以降低氧化度，然后再加热升温。因此，工艺上不太合理，耗能较高。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种天然气三重整制备直接还原铁的系统和方法，本发明可以充分循环利用炉顶气，并提高天然气中甲烷的三重整效率。

本发明提供了一种天然气三重整制备直接还原铁的系统，包括竖炉、第一气体单元、第二气体单元、第三气体单元。

所述竖炉具有炉顶气出口、还原气入口、铁氧化球团入口、直接还原铁出口。

所述第一气体单元包括依次连接的预热装置、脱硫装置、加热装置、三重整反应器。所述预热装置具有混合气体入口，所述混合气体入口与所述竖炉的炉顶气出口连接。所述三重整反应器具有氧气入口、还原气出口，所述还原气出口与所述竖炉的还原气入口连接。

所述第二气体单元包括所述加热装置、所述预热装置。所述加热装置具有第二气体入口、烟气出口，所述第二气体入口与所述竖炉的炉顶气出口连接。所述预热装置具有烟气入口，所述烟气入口与所述加热装置的烟气出口连接。

所述第三气体单元包括脱硫脱碳装置，所述脱硫脱碳装置具有第三气体入口、第三气体出口。所述第三气体入口与所述竖炉的炉顶气出口连接。所述第三气体出口与所述竖炉的还原气入口连接。

优选的，所述三重整反应器设置有多个，所述多个三重整反应器并联连接，所述多个并联连接的三重整反应器与所述加热炉串联连接。

进一步的，上述的系统中还包括依次连接的洗涤装置、压缩装置，用于洗涤、压缩炉顶气。所述洗涤装置与所述竖炉连接，所述压缩装置上设置有所述炉顶气出口。

本发明还提供了一种利用上述系统由天然气三重整制备直接还原铁的方法，包括步骤：

所述竖炉排出的炉顶气分为三部分：第一气体，第二气体，第三气体。

将所述第一气体与天然气混合，得到混合气体。所述混合气体经预热、脱硫后，送入所述加热装置中加热，然后送入所述三重整反应器中，并向所述三重整反应器中通入氧气，所述三重整反应器中发生三重整反应得到还原气。

将所述第二气体送入所述加热装置中作为燃料。

所述第三气体经过脱硫脱碳后与所述还原气混合，然后送入所述竖炉中，并还原所述竖炉中的铁氧化球团，得到直接还原铁。

进一步的，所述第一气体的体积占所述炉顶气总体积的百分数为40～70％。所述第二气体的体积占所述炉顶气总体积的百分数为25～40％。所述第三气体的体积占所述炉顶气总体积的百分数为5～20％。

优选的，所述三重整反应的催化剂为镍基催化剂。

进一步的，所述氧气的体积占所述天然气体积的70～80％。

进一步的，所述混合气体经预热后的温度为200～300℃。

进一步的，所述混合气体经加热装置加热后的温度为500～600℃。

进一步的，所述还原气的温度为950～1050℃。

本发明的方法中，部分天然气在三重整反应器中与氧气发生重整反应生成一氧化碳和氢气，剩余天然气三重整反应器中催化剂的作用下与二氧化碳和水蒸汽发生重整反应，可有效提高甲烷转化率，避免甲烷进入竖炉后发生裂解导致还原反应不畅。甲烷与氧气发生部分氧化后，甲烷含量降低，对剩余甲烷进行二氧化碳和水蒸汽重整时，消耗的镍基催化剂较少，降低了生产成本。

本发明的系统中，可设置多个三重整反应器。如果三重整反应时间过长后催化剂的活性降低，可以实现不同三重整反应器之间的替换，从而提高生产效率。

附图说明

图1为本发明实施例天然气三重整制备直接还原铁的系统示意图。

图2为本发明利用图1所示的系统由天然气三重整制备直接还原铁的方法流程示意图。

附图中的附图标记如下：

1、竖炉；2、洗涤装置；3、压缩装置；4、脱硫脱碳装置；5、预热装置；6、脱硫装置；7、加热装置；8、第一三重整反应器；9、第二三重整反应器；10、洗涤装置；11、压缩装置。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

如图1所示，为本发明实施例中天然气三重整制备直接还原铁的系统示意图。

本发明的系统包括竖炉、第一气体单元、第二气体单元、第三气体单元。

(1)竖炉1包括上部的还原段和下部的冷却段。竖炉1上设置有炉顶气出口、还原气入口、铁氧化球团入口、直接还原铁出口。

在本发明的不同实施例中，还可在竖炉1的冷却段上设置冷却气入口、冷却气出口。其中，冷却气出口与洗涤装置10的进气口连接。压缩装置11与洗涤装置10连接，冷却气经洗涤装置10洗涤后通入压缩装置11中，经压缩后由竖炉1的冷却气入口送入冷却段。实现冷却气的循环冷却利用。

(2)第一气体单元包括依次连接的预热装置5、脱硫装置6、加热装置7、三重整反应器。在本发明的不同实施例中，还可设置多个三重整反应器，即为图1所示的第一三重整反应器8、第二三重整反应器9。其中，该多个三重整反应器并联连接。并且，该多个并联连接的三重整反应器与加热装置7串联连接，便于实现三重整反应器的替换。本发明中不限制三重整反应器的数量。

预热装置5具有混合气体入口。该混合气体入口与竖炉1的炉顶气出口连接。由竖炉1排出的炉顶气依次经预热装置5、脱硫装置6、加热装置7处理后，送入三重整反应器中。三重整反应器上还设置有氧气入口、还原气出口，该还原气出口与竖炉1的还原气入口连接。

(3)第二气体单元包括加热装置7、预热装置5。加热装置7具有第二气体入口、烟气出口。第二气体入口与竖炉1的炉顶气出口连接。预热装置5具有烟气入口。烟气入口与加热装置7的烟气出口连接。

(4)第三气体单元包括脱硫脱碳装置4。脱硫脱碳装置4具有第三气体入口、第三气体出口。其中，第三气体入口与竖炉1的炉顶气出口连接。第三气体出口与竖炉1的还原气入口连接。

在本发明的其它实施例中，设置有洗涤装置2、压缩装置3，用于洗涤、压缩由竖炉1排出的炉顶气。其中，洗涤装置2的进气口与竖炉1的炉顶气出口连接。压缩装置3上设置有炉顶气出口，用于压缩由洗涤装置2排出的经洗涤的炉顶气。即，洗涤装置2和压缩装置3可根据不同的生产需求，实现对炉顶气的进一步处理。

如图2所示，为本发明利用图1所示的系统，由天然气三重整制备直接还原铁的方法流程示意图。

竖炉1顶部排出的炉顶气经洗涤、压缩后分为三部分：第一气体，第二气体，第三气体。

其中，第一气体、第二气体、第三气体的体积占所述炉顶气总体积的百分数分别为40～70％、25～40％、5～20％。

(1)将第一气体与天然气(天然气的主要成分为甲烷)混合，得到混合气体。将混合气体分别送入预热装置5、脱硫装置6中经预热、脱硫，然后送入加热装置7中加热。经加热的混合气体送入第一三重整反应器8中。同时，向第一三重整反应器8中通入氧气。混合气体中的甲烷与二氧化碳、水、氧气在第一三重整反应器8中发生三重整反应，得到还原气。

本发明的方法中，可设定两个或两个以上三重整反应器。如果反应时间过长，导致催化剂活性降低，本发明可实现多个三重整反应器之间的替换，从而提高生产效率。

本发明的三重整反应器一端设置有进气口，该部分不含有镍基催化剂，用于进行甲烷的部分氧化。而只在另一部分设置有镍基催化剂，天然气中的剩余甲烷在该部分进行甲烷二氧化碳和甲烷水蒸汽的重整反应。

三重整反应器中通入氧气的体积占天然气体积的70～80％。

混合气体经预热装置5预热后的温度为200～300℃。经加热的混合气体的温度为500～600℃。混合气体经三重整反应器后，得到的还原气温度为950～1050℃。

(2)将第二气体送入加热装置7中作为燃料，为加热装置7提供燃料气。

(3)将第三气体送入脱硫脱碳装置4中。第三气体经过脱硫脱碳处理后与还原气混合，然后送入竖炉1中，并还原竖炉中的铁氧化球团，得到直接还原铁。直接还原铁经竖炉1冷却段冷却后，排出竖炉。

还原气与第三气体混合后，温度降低为850～900℃。

冷却段中，冷却气冷却直接还原铁后，排出竖炉。将该冷却气依次送入洗涤装置10、压缩装置11中，经洗涤、压缩后，重新送回竖炉1的冷却段中，作为冷却气循环冷却使用。

实施例1

天然气与第一气体混合，得到混合气体。将混合气体送入预热装置中，温度由40℃升至200℃，经脱硫处理后，送入加热装置中加热至500℃。然后，将加热后的混合气体送入第一三重整反应器中，同时，向其中通入氧气。氧气的体积为天然气体积的70％。混合气体与氧气在第一三重整反应器中发生三重整反应，得到还原气，还原气温度为900℃。还原气与经脱硫脱碳的第三气体混合后，温度为850℃，并送入竖炉中还原铁氧化球团，得到炼钢用直接还原铁。还原过程中，由竖炉排出的炉顶气经洗涤、脱水、压缩后，按照体积占比分为三部分：60％作为本实施例中的第一气体与天然气混合，35％作为本实施例中的第二气体通入加热装置做燃料气，5％作为本实施例中的第三气体。冷却气冷却竖炉下方的直接还原铁后，排出竖炉，然后经洗涤、压缩后送回冷却段循环冷却使用。

实施例2

天然气与第一气体混合，得到混合气体。将混合气体送入预热装置中，温度由30℃升至220℃，经脱硫处理后，送入加热装置中加热至550℃。然后，将加热后的混合气体送入第二三重整反应器中，同时，向其中通入氧气。氧气的体积为天然气体积的75％。混合气体与氧气在第二三重整反应器中发生三重整反应，得到还原气，还原气温度为1000℃。还原气与经脱硫脱碳的第三气体混合后，温度为900℃，并送入竖炉中还原铁氧化球团，得到炼钢用直接还原铁。还原过程中，由竖炉排出的炉顶气经洗涤、脱水、压缩后，按照体积占比分为三部分：50％作为本实施例中的第一气体与天然气混合，40％作为本实施例中的第二气体通入加热装置做燃料气，10％作为本实施例中的第三气体。冷却气冷却竖炉下方的直接还原铁后，排出竖炉，然后经洗涤、压缩后送回冷却段循环冷却使用。

实施例3

天然气与第一气体混合，得到混合气体。将混合气体送入预热装置中，温度由60℃升至300℃，经脱硫处理后，送入加热装置中加热至600℃。然后，将加热后的混合气体送入第一三重整反应器中，同时，向其中通入氧气。其中，氧气的体积为天然气体积的80％。混合气体与氧气在第一三重整反应器中发生三重整反应，得到还原气，还原气温度为1050℃。还原气与经脱硫脱碳的第三气体混合后，温度为880℃，并送入竖炉中还原铁氧化球团，得到炼钢用直接还原铁。还原过程中，由竖炉排出的炉顶气经洗涤、脱水、压缩后，按照体积占比分为三部分：65％作为本实施例中的第一气体与天然气混合，25％作为本实施例中的第二气体通入加热装置做燃料气，10％作为本实施例中的第三气体。冷却气冷却竖炉下方的直接还原铁后，排出竖炉，然后经洗涤、压缩后送回冷却段循环冷却使用。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。