本发明属于还原竖炉领域，具体涉及一种还原竖炉生产海绵铁的炉顶气利用系统及方法。
背景技术：
我国是钢铁生产大国，2015年我国大陆粗钢产量为8.04亿吨，占全球总产量49.5％。但是钢铁产业结构不合理，铁钢比高、电炉钢比例小，部分特殊的钢材品种还需进口，炼钢工艺以高炉炼铁-转炉炼钢的长流程为主，能源资源消耗大、生产成本高，经济效益差。气基竖炉直接还原技术作为主要的非高炉炼铁技术在国外已得到成熟应用，具有能耗低，无需高炉炼铁涉及到的烧结、焦化两个高耗能、高污染工序，具有流程短、节能减排效果明显的优势，是改善钢铁产品结构，提高钢铁产品质量，实现清洁冶炼的重要生产技术。
气基竖炉主要有Midrex和HYL工艺，主要采用天然气重整方法制取还原气，进而还原铁矿石。Midrex炉顶气冷却工艺是将净炉顶煤气作为竖炉下部海绵铁冷却气，完成冷却过程后的炉顶煤气再作为重整剂与天然气混合，预热后则通入转化炉制取还原气，再进入竖炉内对铁矿石进行还原。部分炉顶煤气与适量天然气混合后作为转化炉燃料。但工艺采用外部转化炉，增加投资，需要消耗大量Ni基等贵金属催化剂，运行费用较高。
HYL-ZR(Energiron)工艺取消天然气重整炉，以经过洗涤净化后的炉顶气为重整剂与天然气混合入炉，由炉内的海绵铁为催化剂重整生成还原气。针对天然气资源贫乏地区，同时开发了以焦炉煤气制取还原气生产海绵铁技术，其炉顶气利用方式与传统MIDREX及HYL-ZR工艺类似。竖炉还原过程耗气量大，还原铁矿石后的炉顶气温度大约为400℃左右，富含大量显热还未有效利用，同时炉顶气中CO+H2含量仍然较高，具有一定还原能力。因此，研究炉顶煤气如何高效利用的工艺，对竖炉炼铁工艺流程降低能耗有着极为重要的意义。
因此，针对现有技术竖炉生产海绵铁时炉顶气热能回收率偏低，只能回收部分热能及副产中压蒸汽，及炉顶煤气处理过程复杂，处理工艺只适用于熔炼制气炉-竖炉工艺，并不适用于以天然气、焦炉煤气为原料气重整制取还原气生产海绵铁工艺的问题，有必要提出一种新的炉顶气利用技术。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种还原竖炉生产海绵铁的炉顶气利用系统及方法，主要为了提高炉顶气热能回收率，简化炉顶煤气处理过程，并适用于以天然气、焦炉煤气为原料气重整制取还原气生产海绵铁的工艺。
本发明提供了一种还原竖炉生产海绵铁的炉顶气利用系统，所述系统包括预热罐、洗涤塔、脱水器、脱碳系统、冷却气输入管、冷却气排出管和预还原罐，其中，所述预热罐、洗涤塔、脱水器和脱碳系统依次相连设于还原竖炉的外部，所述预热罐的预热气体入口连接所述还原竖炉的炉顶气出口；所述冷却气输入管和冷却气排出管从下到上依次设于所述还原竖炉的下部冷却段并与所述冷却段内部相连通；所述冷却气输入管的入口连接所述脱碳系统的冷却气出口；所述预还原罐设于所述还原竖炉的外部，所述预还原罐的预还原气体入口与所述冷却气排出管的出口连接。
上述的炉顶气利用系统，在所述脱水器和脱碳系统之间还连接有压缩机。
上述的炉顶气利用系统，所述冷却气输入管与所述脱碳系统之间连接有加压系统，所述加压系统还连接焦炉煤气或天然气管道。
进一步地，所述系统还包括依次相连的热交换器、脱水设备、第二压缩机、CO2脱除器和加热器，所述热交换器与所述预还原罐的煤气出口相连；所述加热器的气体入口还连接加压焦炉煤气或天然气管道；所述加热器的混合气输出管道与氧气管道相交连通后与所述还原竖炉的还原气入口相连。
进一步地，所述加热器的燃料入口连接所述脱水设备的煤气出口。
本发明还提供一种上述的炉顶气利用系统的炉顶气利用方法，所述方法包括以下步骤：
将还原竖炉的炉顶气通入所述预热罐，对冷态球团进行干燥和预热；
将从所述预热罐排出的炉顶气送入所述洗涤塔进行降温除尘；
将所述降温除尘后的炉顶气进行脱水、脱碳；
将所述脱碳后的脱碳气作为冷却气对还原竖炉冷却段内的高温海绵铁进行冷却；
将从所述冷却段排出的高温冷却气通入预热后的铁矿石内，对所述铁矿石进行预还原。
上述的炉顶气利用方法，在所述脱水和脱碳步骤之间还对所述炉顶气进行加压，脱碳后的所述脱碳气中CO2的体积含量≤1％，H2O的体积含量≤2％。
进一步地，上述的炉顶气利用方法，脱碳后的所述脱碳气在冷却高温海绵铁前还包括步骤：将所述脱碳气经加压后与焦炉煤气或天然气混合。
上述的炉顶气利用方法，所述方法进一步还包括：将所述预还原后的煤气经过热交换、脱水、加压、脱碳后与加压焦炉煤气或天然气混合进行加热，加热后的高温混合气通入竖炉内进行重整反应，生成还原气对炉内铁矿石进行还原。
上述的炉顶气利用方法，所述预热用燃料包括从所述预还原排出后经过热交换与脱水的煤气。
本发明利用高温炉顶气的显热对铁矿石进行干燥和预热，预热完成后的炉顶气经过降温除尘、脱水后加压进入脱碳系统脱除CO2，随后作为高温海绵铁的冷却气，通入还原竖炉冷却段，完成冷却过程的高温炉顶气再用来对预热后的铁矿石进行预还原。
进一步地，本发明将还原完成后的炉顶气作为重整剂与天然气或焦炉煤气混合预热后通入竖炉，依靠还原后的海绵铁作催化剂进行自重整生成CO和H2，进而还原竖炉内铁矿石。
本发明可充分利用高温炉顶气所含热能对矿石进行预热，并且能够利用冷却后的炉顶气的热能以及煤气中的CO、H2还原气体对预热后的矿石进行进一步预还原。使预还原后的球团进入竖炉的竖炉热装球团工艺可极大降低竖炉能耗，实现了竖炉炼铁技术的低碳和环保生产。本发明进一步采用天然气或焦炉煤气在竖炉内的水蒸气重整技术,，可避免外部转化炉的投资和Ni基等贵重金属催化剂的消耗费用，极大地降低了生产成本。
本发明利用炉顶气的各工艺步骤衔接合理，充分考虑以天然气、焦炉煤气为原料气重整制取还原气生产海绵铁的特点，使得炉顶气与天然气、焦炉煤气结合起来，各部分协同作用，取得极佳的低能耗、环保节能的效果。
附图说明
图1为本发明实施例的竖炉炉顶煤气利用工艺系统流程示意图。
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，本发明提出一种还原竖炉生产海绵铁的炉顶气利用工艺，主要工艺为：从竖炉1出来的炉顶气直接通入炉料预热罐2，出炉料预热罐2的炉顶气则经过降温除尘、脱水、脱碳后与部分焦炉煤气或天然气混合通入竖炉冷却段，从冷却段出口排出的高温冷却气通入炉料预还原罐3对铁矿石进行还原，之后经过处理与焦炉煤气混合作为重整气通入炉内进行重整、还原、渗碳反应。
本发明提出的还原竖炉生产海绵铁的炉顶气利用系统主要包括预热罐2、洗涤塔4、脱水器5、脱碳系统6、冷却气输入管、冷却气排出管和预还原罐3。
所述预热罐2、洗涤塔4、脱水器5和脱碳系统6依次相连设于还原竖炉1的外部，所述预热罐2的预热气体入口连接所述还原竖炉1的炉顶气出口。
所述冷却气输入管和冷却气排出管从下到上依次设于所述还原竖炉1的下部冷却段并与所述冷却段内部相连通；所述冷却气输入管的入口连接所述脱碳系统6的冷却气出口。
所述预还原罐3设于所述还原竖炉1的外部，所述预还原罐3的预还原气体入口与所述冷却气排出管的出口连接。
本发明对还原竖炉1炉顶气的处理工艺流程具体实施如下所述。
竖炉炉顶气由炉顶排出后直接进入炉料预热罐2，对罐内冷态球团进行干燥和预热。
经过炉料预热罐2排出的炉顶气进入洗涤塔4进行降温除尘。
在所述脱水器5和脱碳系统6之间还连接有压缩机7。
经过降温除尘后的煤气进入脱水器5进行脱水，随后经过压缩机6加压后进入脱碳系统6脱碳，脱碳后的脱碳气中CO2的体积含量≤1％，H2O的体积含量≤2％。
所述冷却气输入管与所述脱碳系统6之间连接有加压系统8，所述加压系统还连接焦炉煤气或天然气管道。
经过脱碳后的炉顶煤气作为冷却气，经加压系统8加压到满足冷却段入口压力范围内，与适量焦炉煤气或天然气混合直接通入炉内，冷却高温海绵铁。
从冷却段排出的高温冷却气直接通入预热后铁矿所在的罐内(预还原罐3)，对铁矿石进行预还原。
所述系统还包括依次相连的热交换器9、脱水设备10、第二压缩机11、CO2脱除器12和加热器13，所述热交换器9与所述预还原罐3的煤气出口相连；所述加热器13的气体入口还连接加压焦炉煤气或天然气管道；所述加热器13的混合气输出管道与氧气管道相交连通后与所述还原竖炉1的还原气入口相连。喷氧装置与混合气输出管道连通时，可将较细喷氧管插入混合气输出管道的中心位置。
从预还原罐3排出的煤气经过热交换器9及脱水设备10，并在加压后进行脱碳，得到的脱碳气与加压焦炉煤气或天然气混合后通入加热器13进行升温。
经过升温后的混合气在入炉前管道内添加一定量氧气，进行部分氧化重整，并提高了混合气温度。混合气在炉内进行自重整，产生富含CO和H2的还原气，以此对炉内的铁矿石进行还原。
所述加热器13的燃料入口可连接所述脱水设备10的煤气出口。
其中加热器13所用燃料一部分可从预还原罐排出后经过换热脱水的煤气，另一部分燃料为焦炉煤气或天然气。
上述过程中，炉顶煤气对铁矿石的预热及预还原工艺可包括三个反应罐组，分别为冷料罐14、预热罐2、预还原罐3。还原气是自上向下通过反应罐固定床料柱的。这3个反应罐采用交替循环的方式进行工作，装料完成后的冷料罐14可转变为预热罐2，而原预热罐2经过炉顶煤气预热完成后可作为预还原罐3，还原完成后的预还原罐3则可转变为冷料罐14。
本发明提出的上述还原竖炉1炉顶气利用工艺包含的炉顶气利用系统及方法，能够利用高温炉顶气对铁矿石进行干燥和预热，预热完成后的炉顶气再经过降温除尘、脱水后加压进入脱碳系统脱除CO2。脱碳气随后作为高温海绵铁的冷却气，通入还原竖炉冷却段，完成冷却过程的高温炉顶气则用来对预热后的铁矿石进行还原，将还原完成后的炉顶气与天然气/焦炉煤气混合并预热后通入竖炉，依靠还原后的海绵铁作催化剂进行自重整生成CO和H2，进而还原铁矿石。
与现有技术相比，本发明可以充分利用竖炉炉顶气的显热以及竖炉冷却段内高温海绵铁显热，脱碳脱水后得到CO+H2含量较高的煤气可实现对铁矿石的预还原，可以获得具有一定温度和还原率的炉料，该炉料热装入炉可以降低炉内还原气的消耗。
最终在预还原罐反应结束后的煤气与原料气重整回流参与竖炉还原铁矿石的反应，节省了还原单位质量相同铁矿石需要的还原气，降低了竖炉的耗气量。
总之，本发明可充分利用高温炉顶气所含热能对矿石进行预热，并且能够利用冷却后的炉顶气的热能以及煤气中CO、H2还原气体对预热后的铁矿石进行预还原。本发明的这种使铁矿石经预热与预还原后的竖炉热装球团工艺可降低竖炉能耗，实现竖炉炼铁技术的低碳和环保生产。此外，本发明进一步采用竖炉内自重整技术，避免了外部转化炉的投资和Ni基等贵重金属催化剂的消耗费用。
实施例1
本实施例以焦炉煤气为原料气进行竖炉铁矿石还原，焦炉煤气精制脱硫后成分为：60％H2、8％CO、27％CH4、4％C2+、2％CO2、2％N2、0.5％O2。350-400℃的竖炉炉顶气成分为：32.6％H2、12.2％CO、12.6％CH4、9.7％CO2、9.3％N2、23.6％H2O，经排气管排出后直接进入铁精矿球团预热罐，对铁精矿球团进行预热。如图1所示，煤气经炉料预热罐2后出口温度为150℃，随后进入降温除尘系统如洗涤塔4降温至40℃左右，含尘量降至500mg/m3。除尘后的煤气经脱水器5脱水，再经过压缩机7加压后进入脱碳系统6如MDEA溶液进行脱碳处理，得到脱碳气体成分为：47.4％H2、17.7％CO、18.3％CH4、1％CO2、13.5％N2、2％H2O。
脱碳气与焦炉煤气混合后作为下部海绵铁的冷却气，其中焦炉煤气所占比例为20％，由竖炉1冷却段下部的冷却气输入管通入炉内，由炉内分配器均匀地吹入，在向上流动的同时与高温海绵铁对流换热，最后通过装设在冷却段上部的收集罩进入冷却气排出管排出炉外。出口冷却气温度在550℃左右，炉料在冷却段的停留时间为5h。
随后将550℃左右的出口煤气通入预还原罐3即已经完成预热炉料的预热罐2，利用煤气中的CO和H2还原铁矿石，预还原后铁矿石的金属化率可达到20％左右。完成对预还原罐3内炉料还原的煤气进入热管换热器9进行热能回收，副产低压蒸汽或热水。然后经过脱水器10脱水并加压后进入脱碳系统12进行脱碳得到循环炉顶气，成分为：45.6％H2、18.1％CO、21.5％CH4、1％CO2、11.8％N2、2％H2O。
循环炉顶煤气与焦炉煤气混合后先经过加湿器15使H2O％控制在16％左右，之后将加湿后的混合气通入加热器13内预热至900℃左右。在入炉前，在还原气管道上注入氧气，将混合气温度上升到1050℃左右，混合气入炉后发生还原、重整和渗碳反应，得到一定含碳量的金属化率为92％的优质海绵铁。
实施例2
本实施例以焦炉煤气为原料气进行竖炉铁矿石还原，焦炉煤气精制脱硫后成分为：60％H2、8％CO、27％CH4、4％C2+、2％CO2、2％N2、0.5％O2。350-400℃的竖炉炉顶气成分为：32.6％H2、12.2％CO、12.6％CH4、9.7％CO2、9.3％N2、23.6％H2O，经排气管排出后直接进入铁精矿球团预热罐，对铁精矿球团进行预热。如图1所示，煤气经炉料预热罐2后出口温度为150℃，随后进入降温除尘系统如洗涤塔4降温至40℃左右，含尘量降至500mg/m3。除尘后的煤气经脱水器5脱水，再经过压缩机7加压后进入脱碳系统6如MDEA溶液进行脱碳处理，得到脱碳气体成分为：47.7％H2、17.8％CO、18.4％CH4、0.8％CO2、13.6％N2、1.7％H2O。
脱碳气与焦炉煤气混合后作为下部海绵铁的冷却气，其中焦炉煤气所占比例为25％，由竖炉1冷却段下部的冷却气输入管通入炉内，由炉内分配器均匀地吹入，在向上流动的同时与高温海绵铁对流换热，最后通过装设在冷却段上部的收集罩进入冷却气排出管排出炉外。出口冷却气温度在550℃左右，炉料在冷却段的停留时间为5h。
随后将550℃左右的出口煤气通入预还原罐3即已经完成预热炉料的预热罐2，利用煤气中的CO和H2还原铁矿石，预还原后铁矿石的金属化率可达到20％左右。完成对预还原罐3内炉料还原的煤气进入热管换热器9进行热能回收，副产低压蒸汽或热水。然后经过脱水器10脱水并加压后进入脱碳系统12进行脱碳得到循环炉顶气，成分为：46.7％H2、17.4％CO、22.0％CH4、1.0％CO2、10.9％N2、2％H2O。
循环炉顶煤气与焦炉煤气混合后先经过加湿器15使H2O％控制在16％左右，之后将加湿后的混合气通入加热器13内预热至900℃左右。在入炉前，在还原气管道上注入氧气，将混合气温度上升到1050℃左右，混合气入炉后发生还原、重整和渗碳反应，得到一定含碳量的金属化率为92％的优质海绵铁。
实施例3
本实施例以焦炉煤气为原料气进行竖炉铁矿石还原，焦炉煤气精制脱硫后成分为：60％H2、8％CO、27％CH4、4％C2+、2％CO2、2％N2、0.5％O2。350-400℃的竖炉炉顶气成分为：32.6％H2、12.2％CO、12.6％CH4、9.7％CO2、9.3％N2、23.6％H2O，经排气管排出后直接进入铁精矿球团预热罐，对铁精矿球团进行预热。如图1所示，煤气经炉料预热罐2后出口温度为150℃，随后进入降温除尘系统如洗涤塔4降温至40℃左右，含尘量降至500mg/m3。除尘后的煤气经脱水器5脱水，再经过压缩机7加压后进入脱碳系统6如MDEA溶液进行脱碳处理，得到脱碳气体成分为：47.8％H2、17.9％CO、18.5％CH4、0.7％CO2、13.6％N2、1.5％H2O。
脱碳气与焦炉煤气混合后作为下部海绵铁的冷却气，其中焦炉煤气所占比例为30％，由竖炉1冷却段下部的冷却气输入管通入炉内，由炉内分配器均匀地吹入，在向上流动的同时与高温海绵铁对流换热，最后通过装设在冷却段上部的收集罩进入冷却气排出管排出炉外。出口冷却气温度在550℃左右，炉料在冷却段的停留时间为5h。
随后将550℃左右的出口煤气通入预还原罐3即已经完成预热炉料的预热罐2，利用煤气中的CO和H2还原铁矿石，预还原后铁矿石的金属化率可达到20％左右。完成对预还原罐3内炉料还原的煤气进入热管换热器9进行热能回收，副产低压蒸汽或热水。然后经过脱水器10脱水并加压后进入脱碳系统12进行脱碳得到循环炉顶气，成分为：47.6％H2、16.9％CO、22.8％CH4、1％CO2、9.7％N2、2％H2O。
循环炉顶煤气与焦炉煤气混合后先经过加湿器15使H2O％控制在16％左右，之后将加湿后的混合气通入加热器13内预热至900℃左右。在入炉前，在还原气管道上注入氧气，将混合气温度上升到1050℃左右，混合气入炉后发生还原、重整和渗碳反应，得到一定含碳量的金属化率为92％的优质海绵铁。
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。