一种外加热的甲醇裂解生产直接还原铁的设备的制作方法

本实用新型涉及一种采用外加热方式利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备，属于还原铁生产设备技术领域。

背景技术：

直接还原铁是电炉炼钢的主要原料，目前世界上最先进的直接还原铁生产工艺是HYL ZR，它利用的是天然气的自重整生产高碳还原铁，但是我国天然气能源短缺，不适合我国的能源结构。现在国内研究的热门技术是利用煤制气生产直接还原铁，提出三十多年没有成功，原因是煤制气工艺流程长，设备复杂，技术跨度大，没有联合机制。再加上现在国家对煤炭资源收紧，推行煤化工大型化，大的煤化工企业又主要建在西北地区，和钢铁企业实体上的联合变得更加困难。

与此同时，甲醇是煤化工生产中最重要的一项产品，既是最终产物又是中间产物。甲醇在我国是过剩产能，现在开工率不足63%，如果能够利用甲醇生产还原铁，不但能够实现煤化工和直接还原铁的结合，为取代高炉炼铁找到一个好方法，也符合国家“去产能、补短板”的产业政策。甲醇作为气基还原竖炉的原料具有以下优点：1.常温常压下是液体，安全稳定；2.便于储存和运输；3.分子结构简单；4、不含硫；5.氢碳比高；6.裂解温度低；7.产物中一氧化碳的含量低（意味着反应后CO2含量低），成为首选的化学储氢物质；8.来源非常广泛，市场存量大，煤制气生产甲醇是最主要的来源。同时，甲醇裂解制氢工艺是现在化工行业比较成熟的技术，甲醇在高温及特制催化剂下，裂解产生CO和H2，然后和水蒸气重整，将CO变换成CO2和H2。如果将甲醇裂解制氢工艺直接和气基竖炉相结合，不但成本高，而且甲醇中的C元素绝大部分转变成了二氧化碳而排放。

利用甲醇裂解生产直接还原铁可以采用氢气内燃加热方式，或者采用外加热方式。采用氢气内燃加热方式的优点是提高了热效率，但同时产生了具有氧化气氛的H2O，需要用CH4与H2O重整产生CO和H2还原性气体。若不具有天然气（CH4）使用资源，则不能使用氢气内燃加热方式。采用外燃加热方式时，燃气可不用纯氢气，采用部分处理后的尾气作为燃烧气源，其优点是节约了能源，提高了经济效益。采用这种方式时，尾气的处理工艺也会有所不同。

目前，还没有能够投入实际生产的利用甲醇裂解生产直接还原铁的设备，设计和开发这种设备不但能够充分利用甲醇资源，发挥煤炭储存量大的优势，还能够节约大量的天然气，具有非常积极的经济效益和社会效益。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种外加热的甲醇裂解生产直接还原铁的设备，这种设备可以充分利用甲醇资源，将甲醇作为气基还原竖炉的原料生产高碳还原铁，实现煤化工和直接还原铁的结合，为取代天然气生产高碳还原铁开辟新的途径。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种外加热的甲醇裂解生产直接还原铁的设备，它包括气基还原竖炉，气基还原竖炉由提升机、料仓、连接管、尾气分离仓、还原管、螺旋输料机构、甲醇裂解管、加热套管、甲醇换热箱体、氢气换热箱体、冷却管道、冷却罐组成，提升机安装在料仓的顶部，料仓的下端通过连接管与尾气分离仓相连接，在连接管上安装有氮气喷入口，尾气分离仓的下端与还原管相连接，还原管外壁套有加热套管，还原管的下方连接甲醇裂解管，螺旋输料机构的上端安装在还原管内，螺旋输料机构的下端直通到甲醇裂解管的底部，甲醇裂解管的下端通过冷却管道与冷却罐上端相连接，甲醇裂解管外壁上分别安装甲醇换热箱体和氢气换热箱体，甲醇换热箱体的进气口通过管道与甲醇汽化器相连接，甲醇换热箱体的过热甲醇蒸汽通过甲醇换热箱体的出气口通入甲醇裂解管中，氢气换热箱体的进气口与氢气输送管道相连接，氢气换热箱体的出气口与还原管的还原气体喷射入口相连接。

上述外加热的甲醇裂解生产直接还原铁的设备，所述尾气分离仓内安装有伞形挡板，伞形挡板的上端与尾气分离仓的入口相对，伞形挡板连接提升杆，提升杆与提升装置相连接，提升装置安装在尾气分离仓外部，尾气排气口安装在尾气分离仓的上部。

上述外加热的甲醇裂解生产直接还原铁的设备，所述还原管的顶部有一个垂直放置的筒体，螺旋输料机构的顶部支撑铜轴套安装在筒体中，筒体上安装有冷却气体喷入口，冷却气体喷入口与分离气体输送管道相连接。

上述外加热的甲醇裂解生产直接还原铁的设备，所述还原管的管壁上套有加热套管。加热套管上有四个气体燃烧器，每侧两个上下排列，每个气体燃烧器分别与分离气输送管道和制氮机尾气输送管道相连接，在加热套管的下方有还原气体喷射入口，还原气体喷射入口与氢气输送管道相连接，还原气体喷射入口的氢气输送管道与氢气换热箱体的氢气出气口相连接。

上述外加热的甲醇裂解生产直接还原铁的设备，它还有换热器、旋风除尘器、余热回收装置、冷凝器、布袋除尘器、氢气提取装置，旋风除尘器、余热回收装置、冷凝器、布袋除尘器顺序连接在尾气分离仓的尾气排气口与氢气提取装置之间，氢气提取装置的氢气输出管道与换热器相连接，氢气输送管道与氢气换热箱体入口相连接，氢气提取装置的分离气输出管道分别与还原管的顶部筒体的冷却气体喷入口和换热器相连接，换热器有分离气管道与气体燃烧器相连接。

本实用新型的有益效果是：

（1）甲醇利用还原尾气和还原铁余热加热，利用还原铁做催化剂，在炉内实现完全裂解，产生还原剂（CO、H2）。

（2）甲醇与氮气和少量的液化石油气（丙烷C3H8）、组成可调式渗碳气氛，相当于从碳氢化合物中把碳夺出来，不让其生成二氧化碳，而成为有用的高碳还原铁。

（3）利用部分尾气和制氮机富氧尾气加热炉体，能源阶梯利用效率高。

（4）燃烧后的气体二氧化碳纯度高，可选择性回收二氧化碳，可实现二氧化碳近零排放。

（5）创新的炉体结构，生产效率更高。

（6）除用甲醇外，煤化气、焦炉煤气也可用于本设备。

本实用新型可以充分利用甲醇资源，将甲醇作为气基还原竖炉的原料生产高碳还原铁，实现煤化工和直接还原铁的结合，为取代天然气生产高碳还原铁开辟新的途径。

本实用新型是甲醇利用的首创，实现了热、电、化等多元能量的综合高效梯级利用，将煤炭的资源利用率分别从发电的33%-41%与化工的53%，提高到大于80%的综合利用率水平，具有显著的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的气基还原竖炉结构示意图；

图3是甲醇换热箱体和氢气换热箱体的连接展开示意图；

图4是冷却罐的结构示意图；

图5是图4的侧视图。

图中标记如下：提升机1、料仓2、挡板3、连接管4、氮气喷入口5、尾气分离仓6、伞形挡板7、尾气排气口8、筒体9、冷却气体喷入口10、还原管11、加热套管12、螺旋输料机构13、燃烧废气出口14、气体燃烧器15、还原气体喷射入口16、甲醇裂解管17、过热甲醇蒸汽喷入口18、低温氮气喷入口19、冷却管道20、冷却罐21、半圆管螺旋水冷却装置22、甲醇换热箱体23、氢气换热箱体24、钢片25、鳍片26、甲醇换热箱出口27、甲醇换热箱体进口28、氢气换热箱体出口29、氢气换热箱体进口30、三角形出口31、伞形套板32、金属杆33、旋风除尘器34、余热回收装置35、冷凝器36、布袋除尘器37、氢气提取装置38、甲醇储罐39、甲醇汽化器40、换热器41、制氮机42、水箱43、气基还原竖炉44。

具体实施方式

图1显示，本实用新型的主体是气基还原竖炉44，配套的设备有旋风除尘器34、余热回收装置35、冷凝器36、布袋除尘器37、氢气提取装置38、甲醇储罐39、甲醇汽化器40、换热器41、制氮机42、水箱43以及设备之间的连接管道。

以下结合生产流程对本实用新型的结构进行说明。

图1显示，余热回收装置35与旋风除尘器34连接，尾气分离仓6分离出的尾气经排气口8排出进入旋风除尘器34除去大颗粒粉尘后进入余热回收装置35，350℃-400℃的尾气在此进行热交换，把从冷却罐21经连接管道打入的热水加热成蒸汽，蒸汽通过连接管道再进入甲醇汽化器39使用，用以使甲醇预热和汽化。蒸汽冷凝成水后经连接管道注入到水箱43。

图1显示，旋风除尘器34还与余热回收装置35、冷凝器36、布袋除尘器37，和氢气提取装置38顺序连接，尾气经尾气排气口8通过连接管道进入旋风除尘器34除去大颗粒的粉尘（5-15μm以上）再进入余热回收装置35进行热置换后，经过冷凝器36将尾气中的水蒸汽冷凝成液态水经连接管道注入到水箱43，为了降低粉尘颗粒含量，还需要经过布袋除尘器37，去除＜5μm的细小颗粒粉尘，进入氢气提取装置38，提取富氢气体，然后经氢气输送管道进入换热器41，加热后的氢气经连接管道进入氢气换热箱体24继续加热，再经连接管道向气基还原竖炉44提供由尾气中提取的富氢气体。氢气提取装置38分离出来的气体主要成分为CO、CO2和少量N2，分离气一部分与经布袋除尘器37净化后的一部分尾气作为补充燃气通过连接管道混合输送到换热器41，换热器41有分离气管道与气体燃烧器15相连接，在换热器41中的分离气体作为燃烧气体再经分离气管道输送气体燃烧器15。分离气另一部分作为冷却气体经连接管道输送到还原管11顶部的冷却气体喷入口10。

图1显示，制氮机42制出纯度为95%-99%氮气分别通过连接管道输送到氮气喷入口5和低温氮气喷入口19。

图1显示，制氮机42尾气为含氧量23%-31%的富氧气体，通过连接管道与换热器41相连接，加热后再通过连接管道与氢气提取装置38的一部分分离气一同作为燃烧气体供给加热套管12上的气体燃烧器15使用，氧气不足时，通过连接管道补充空气。

图2显示，本实用新型的气基还原竖炉44由提升机1、料仓2、连接管道4、尾气分离仓6、还原管11、加热套管12、螺旋输料机构13、甲醇裂解管17、甲醇换热箱体23、氢气换热箱体24、冷却管道20、冷却罐21组成。

图2显示，提升机1安装在料仓2的顶部，料仓2的下端通过连接管4与尾气分离仓6相连接，在连接管4上安装有氮气喷入口5。尾气分离仓6的下端与还原管11相连接，还原管11的下方连接甲醇裂解管17，螺旋输料机构13的上端安装在还原管11内，螺旋输料机构13的下端直通到甲醇裂解管17的底部，还原管11的管壁上安装加热套管12，甲醇裂解管17的下端通过冷却管道20与冷却罐21上端相连接，甲醇裂解管17外壁上分别安装甲醇换热箱体23和氢气换热箱体24，甲醇换热箱体23的进气口28通过连接管道与甲醇汽化器40相连接，甲醇换热箱体23的过热甲醇蒸汽通过甲醇换热箱体23的出气口27经连接管道通入甲醇裂解管17中，氢气换热箱体24的进气口30与连接换热器41的氢气输送管道相连接，氢气换热箱体24的出气口29经连接管道与还原管11的还原气体喷射入口16相连接。

图2显示，料仓2内部有两个斜向下50°的挡板3，挡板3的底端有近似于椭圆的开口，挡板3用两部分钢板焊接而成，夹角160°-170°。球团依靠自身重力从开口下落，经由一个“S”形的路线从料仓2排出，这样可以增加球团行走距离，阻挡氮气的顺畅排出，增加氮气的排出压力，通过调节料仓2内料面高低平衡与下面尾气的压力，尽可能减少氮气的用量。球团向下经由一根狭长的连接管4，氮气由氮气喷入口5喷入连接管4，由压差调节器控制，喷入压力略大于下面的尾气分离仓6压力300pa左右。氮气一部分进入尾气分离仓6由尾气排气口8排出，一部分进入料仓2，从料仓进口排出，隔离大气与尾气（含有高温的一氧化碳和氢气），同时流动的氮气可以起到干燥球团的作用。

图2显示，在尾气分离仓6入口处有一伞形挡板7，由四根钢杆向上连接到仓外，用电动控制其提升，改变伞形挡板7与入口的距离，用以调节球团的进入速度，从而可以调节料位，进而可以调节尾气压力。一旦氮气系统出现问题，伞形挡板7可以完全堵住进口，及时阻止尾气向外溢出发生危险。球团在伞形挡板7的引导下，均匀的散布在尾气分离仓6内，减小了球团的偏析现象。同时尾气在伞形挡板7的遮挡下，沿边缘向上流动，减小了对球团入口的压力，350℃-400℃尾气在顶部由尾气排气口8排出。在尾气分离仓6下部仓体向斜下方收窄与还原管11连接，720℃-850℃的还原气体在此与球团充分换热还原，生成FeO进入还原管11。

图2显示，还原管11由整根复合离心铸造的耐高温不锈钢管构成，最高工作温度可到1300度。还原管11内有一根螺旋输料机构13，从还原管11顶部直通到甲醇裂解管17底部，穿出后由电机带动其转动，螺旋输料机构13的转动轴用复合离心铸造，内壁涂有5-8mm厚隔温材料，里面再套一根轴，用以增强螺旋输料机构13轴的机械强度。螺旋输料机构13叶片的倾角为40°- 45°。螺旋输料机构13逆时针旋转，球团在自身重力的作用下，由顶部的螺旋叶片向下推进，改变旋转速度可以控制进料速度。

图2显示，还原管11最上端温度可达850℃左右，还原管8的顶部有一个小的筒体9，螺旋输料机构13的顶部支撑铜轴套就在里面，筒体9上有冷却气体喷入口10，常温的分离气从这里喷入，可以降低筒体内的温度，冷却轴与轴套，保证螺旋输料机构13正常转动，同时一氧化碳在这里得到加热，流向尾气分离仓6，一氧化碳810度以下的气体利用率要高于氢气，这样一氧化碳的还原优势得以在尾气分离仓6利用。还原管11内越往下温度越高，最高到1150℃。螺旋输料机构13从两头到中间螺距是对称增大的，螺距的增大给膨胀的球团留出空间，叶片可以将热量快速地向料柱中间传递，同时叶片的旋转增大了球团的空隙率，使球团产生滚动、径向位移，高温的还原气体在球团内顺畅流动，分布均匀，增强了还原气氛，也防止了球团的高温黏结。

图2显示，在还原管11外壁上套有加热套管12，下部有上下各两个，共四个气体燃烧器15，燃烧气体为部分分离气和制氮机42的富氧尾气，燃烧产生的热量在加热套管12的环形腔体内传递给还原管11，从而加热球团为还原提供热能。再下面有还原气体喷射入口16，气体是由氢气换热箱体24加热的氢气，氢气在还原管11内继续加热，在高温下氢气还原利用率要高。球团与还原气体的逆向穿行中充分接触，动力学条件和热力学条件都得以很好的满足，球团从入炉到还原完毕只用35-50min的时间即完成。

图2显示，加热套管12上部有燃烧废气出口14，氢气提取装置38部分的分离气和制氮机42的富氧尾气在加热套管12内燃烧产生的废气从燃烧废气出口14排出经连接管道进入换热器41，为换热器41提供热量，再经过连接管道进入余热回收装置35，热交换完成后最后由连接管道排空，因为二氧化碳含量较高，或选择性回收二氧化碳，这样可达到二氧化碳的近零排放。在没有选择回收时，换热器41的出口管道可以直接连接到氮气喷入口5，作为密封气代替氮气，同时利用燃烧废气的热量加热球团，降低还原段热量的耗损。

图2显示，还原管11下面相连接的是甲醇裂解管17，在甲醇裂解管17内要完成工作是利用还原铁降温过程实现甲醇裂解，并且形成渗碳气氛，对还原铁进行渗碳。甲醇裂解管17由单壁不锈钢管构成，外部有两部分围绕管壁形成的环形箱体组成的换热装置。

图3显示，换热装置为甲醇换热箱体23和氢气换热箱体24。甲醇换热箱体23和氢气换热箱体24内有若干错位焊接的钢片25形成迂回的路径，沿着路径与管壁连接的有鳍片26，管内的球团将热量传递给管壁，管壁的热量再传递给鳍片。

图2、3显示，在甲醇换热箱体23中，气化的甲醇（CH3OH)由底部通过此路径逐渐加热成过热甲醇蒸汽，至甲醇换热箱体23顶部时已有部分发生裂解，产生一氧化碳和氢气，方程式如下：CH3OH=CO+2H2 过热甲醇蒸汽从甲醇换热箱体23顶部出口27排出后再由甲醇裂解管17的过热甲醇蒸汽喷入口18进入甲醇裂解管17内，在甲醇裂解管17内金属铁的催化下迅速裂解，在 930℃左右达到完全裂解。过热甲醇蒸汽由过热甲醇蒸汽喷入口18进入甲醇裂解管11内，球团温度为300℃-350℃，与下面的氮气形成了氮基甲醇渗碳气氛，如果对渗碳有更高的要求，可以加入少量液化石油气（C3H8）作为富化气使用，通过调节液化石油气（C3H8）的含量实现渗碳率在1.2%-3.5%（质量成分）之间可调，此刻的球团已成为高碳还原铁。在甲醇裂解管17内壁及此段的螺旋输料机构13上涂有保护涂料，防止过度渗碳而产生裂纹。

图2、3显示，氢气换热箱体24加热的是氢气，由还原气体喷射入口16进入还原管11内，还原管11内气压要控制在0.2-0.4Mpa，高压操作能提高气体利用率，减小气流，减小灰尘，大大提高生产效率。

图2显示，还原铁在甲醇裂解管17底部的斜面向下通过冷却管道20进入冷却罐21。冷却管道20内有纯度为95%-99%的氮气从低温氮气喷入口19喷入，氮气气压通过压差调节器调节，始终大于甲醇裂解管17内气压300pa左右。氮气一部分进入甲醇裂解管17内形成氮基甲醇渗碳气氛，一部分进入冷却罐21，即可作为冷却气体，又可作为保护气体，保护还原铁不被氧化和脱碳。同时隔绝大气和还原管11内的还原气体。在设备开车前后，氮气作为吹扫气，排空设备内的空气。

图4、5显示，还原铁进入冷却罐21，由顶部中心的锥形体均匀地将还原铁分布在环形的腔体内，冷却罐21的罐体外部为半圆管螺旋水冷却装置22，将还原铁快速冷却，常温的液态水加热后进入余热回收装置35。还原铁冷却到40℃左右经由两个逐渐收窄的三角形出口31排出。锥形体顶部有一个可移动的伞形套板32，下面由一根金属杆33连接，可控制调节伞形套板32的高度，改变腔内料面高度，进而调节氮气与甲醇裂解管17内的气压平衡，尽可能减少氮气的用量。另外当氮气系统出现问题，伞形套板32可以及时堵住进料口，防止甲醇裂解管17内气体溢出产生危险。

图2显示，尾气分离仓6和还原管11、甲醇裂解管17与冷却罐21要错位连接，其原因主要是为螺旋输料机构13及还原管11、甲醇裂解管17的安装、调试、使用、维修、更换提供充足的空间，减小工作难度和工作量。为防止热量损失，除料仓2外，所有设备外部均涂有隔热材料。