竖炉还原气的制备系统的制作方法

本实用新型涉及钢铁冶金技术领域，特别涉及一种竖炉还原气的制备系统。

背景技术：

高炉炼铁工艺与转炉结合在一起，形成了效率很高，规模巨大的钢铁生产流程，是世界上钢铁生产的主力。但由于其流程长、能耗高、污染重、需要消耗焦炭等特点，发展空间逐渐受到限制，世界各国开始转向非高炉炼钢技术，发展以废钢和直接还原铁为原料的电炉短流程炼钢技术，是一种环境友好和资源节约型的炼钢技术。在此技术中，直接还原铁可以稀释废钢中存在的碳、铜、锰、锌等杂质，在欧美发达国家的市场需求特别大。目前世界先进的直接还原铁技术是气基竖炉直接还原技术，该技术主要以天然气为原料，经变换成富H2和CO的气体后，直接与铁矿石在高温条件下发生固态还原，生产海绵铁(直接还原铁)。由于我国天然气资源匮乏，发展气基竖炉还原技术受到限制。我国的煤炭资源相对丰富，发展煤炭气化制气用于气基竖炉生产海绵铁是符合我国国情的优选的技术路线，是适合我国发展新型炼铁技术的重要方向。

一般而言，竖炉直接还原炼铁对还原气的要求是，H2与CO的总体积分数大于90％，φ(H2)/φ(CO)为1.0～4.0，压力为0.15Mpa～0.60Mpa。现有的煤气化工艺均不能直接提供满足要求的气体组分，需要CO变换设备来调节气体组分，且普遍存在气化炉压力高，对原料要求苛刻、制气成本高、能耗高等不足。若要满足还原气的要求，目前的气化技术，采用固定床或流化床均需要纯氧气化，配套脱碳，CO变换设备，需要先降温再升温，造成能源浪费，能耗高。气流床气化技术炉温高，生成的CO+H2>90％，不需配套脱碳设备，只需要配套CO变换设备以提高氢气的含量，同样造成能源的浪费和高能耗。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种能降低能耗且合理利用热量的竖炉还原气的制备系统。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种竖炉还原气的制备系统，其至少包括：

氢气生成设备，其具有合成气进口、水蒸气进口、直接还原铁入口和氢气排气口；

气流床气化炉，其具有合成气排气口；

换热器，其具有合成气入口、合成气出口、氢气入口和氢气出口，所述合成气入口与所述合成气排气口相连通，所述氢气入口与所述氢气排气口相连通；

混合器，其具有第一入口、第二入口和还原气出口，所述氢气出口与所述第一入口相连通；

第一降温净化设备，其具有第三入口、合成气净化出口和水蒸气出口，所述第三入口与所述合成气出口相连通，所述合成气净化出口通过两连接管路分别与所述第二入口和所述合成气进口相连通，所述水蒸气排出口与所述水蒸气进口相连通；

第二降温净化设备，其具有炉顶气入口和炉顶气净化出口，所述炉顶气净化出口与所述第一入口相连通。

如上所述的竖炉还原气的制备系统，其中，所述氢气生成设备包括：

第一反应器，其设有第一进料口、第一出料口、所述合成气进口和排放口，所述排放口与外界连通；

第二反应器，其设有所述直接还原铁入口、第二进料口、第二出料口、所述水蒸气进口和所述氢气排气口，所述第二进料口与所述第一出料口相连通，所述第二出料口与所述第一进料口相连通。

如上所述的竖炉还原气的制备系统，其中，所述氢气排气口与所述氢气入口之间设有冷凝器。

如上所述的竖炉还原气的制备系统，其中，所述第一反应器为移动床反应器或者流化床反应器，所述第二反应器为移动床反应器或者流化床反应器。

如上所述的竖炉还原气的制备系统，其中，所述第一降温净化设备包括依次连通的废热锅炉、除尘装置和脱硫装置，所述废热锅炉为管壳式换热器，所述水蒸气出口和所述第三入口设置在所述废热锅炉上，所述脱硫装置的出口通过两所述连接管路分别与所述第二入口和所述合成气进口相连通。

如上所述的竖炉还原气的制备系统，其中，所述第二降温净化设备包括依次连通的洗涤器和净化装置，所述炉顶气入口设置在所述洗涤器上，所述净化装置的出口与所述第一入口相连通。

如上所述的竖炉还原气的制备系统，其中，所述净化装置包括依次连通的气体加压装置和脱硫脱碳装置，所述气体加压装置的进口与所述洗涤器相连通，所述脱硫脱碳装置的出口与所述第一入口相连通。

如上所述的竖炉还原气的制备系统，其中，所述竖炉还原气的制备系统还包括竖炉，所述竖炉包括炉本体，所述炉本体上设有铁矿石入口、炉顶气出口、还原气入口和直接还原铁出口，所述炉顶气出口与所述炉顶气入口相连通，所述还原气入口与所述还原气出口相连通，所述直接还原铁入口能与所述直接还原铁出口相连通。

与现有技术相比，本实用新型的优点如下：

本实用新型提供的竖炉还原气的制备系统，利用高温气化合成气耦合直接还原铁制氢，组分可调，无需使用昂贵的催化剂，成本低廉，热效率高，并且无需CO变换装置，利用换热器将高温的合成气的热量传递至氢气，使氢气被加热，从而使得气化炉生成的高温高压合成气的显热得到充分利用，与传统工艺先降温脱硫脱碳，再变换升温相比，节省了投资，大幅降低了能耗，并降低了运行成本。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1是本实用新型的竖炉还原气的制备系统的结构示意图。

附图标号说明：

1、氢气生成设备；

11、第一反应器；111、第一进料口；112、第一出料口；113、合成气进口；114、排放口；

12、第二反应器；121、直接还原铁入口；122、第二进料口；123、第二出料口；124、水蒸气进口；125、氢气排气口；

13、冷凝器；

2、气流床气化炉；21、合成气排气口；

3、换热器；31、合成气入口；32、合成气出口；33、氢气入口；34、氢气出口；

4、混合器；41、第一入口；42、第二入口；43、还原气出口；

5、第一降温净化设备；51、废热锅炉；511、第三入口；512、水蒸气出口；52、除尘装置；53、脱硫装置；531、合成气净化出口；

6、第二降温净化设备；61、洗涤器；611、炉顶气入口；62、净化装置；621、炉顶气净化出口；

7、竖炉；71、炉本体；711、铁矿石入口；712、炉顶气出口；713、还原气入口；714、直接还原铁出口。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术方案、目的和效果有更清楚的理解，现结合附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，本实用新型提供了一种竖炉还原气的制备系统，其至少包括氢气生成设备1、气流床气化炉2、换热器3、混合器4、第一降温净化设备5和第二降温净化设备6，其中，氢气生成设备1具有合成气进口113、水蒸气进口124、直接还原铁入口121和氢气排气口125，氢气生成设备1能够通过化学反应生成氢气；气流床气化炉2具有合成气排气口21，气流床气化炉2为现有技术，其具体结构在此不再赘述；换热器3具有合成气入口31、合成气出口32、氢气入口33和氢气出口34，具体的，换热器3为管壳式换热器，氢气入口33和氢气出口34设置在换热器3的传热管的两端，合成气入口31和合成气出口32设置在换热器3的壳体的两侧，合成气入口31与合成气排气口21相连通，氢气入口33与氢气排气口125相连通，合成气的热量能够在换热器3内传递给氢气生成设备生成的氢气，将氢气加热；混合器4具有第一入口41、第二入口42和还原气出口43，氢气出口34与第一入口41相连通；第一降温净化设备5具有第三入口511、合成气净化出口531和水蒸气出口512，第三入口511与合成气出口32相连通，合成气净化出口531通过两连接管路分别与第二入口42和合成气进口113相连通，水蒸气排出口与水蒸气进口124相连通，第一降温净化设备5能够对合成气进行二次降温处理，并能将吸收的热量生成水蒸气，生成的水蒸气能够被输送至氢气生成设备1制取氢气，同时，第一降温净化设备5能过滤合成气中的杂质；第二降温净化设备6具有炉顶气入口611和炉顶气净化出口621，炉顶气净化出口621与第一入口41相连通，第二降温净化设备6能够对炉顶气进行降温净化处理，降温净化后的炉顶气、净化后的合成气和加热后的氢气在混合器4内进行混合形成竖炉还原气。

在使用时，向第二降温净化设备6通入炉顶气，炉顶气是温度300℃～500℃的富氢气体，炉顶气经由第二降温净化设备6降温净化后进入混合器4，气流床气化炉2产生的合成气，先进入换热器3，与氢气换热后进入第一降温净化设备5，经由第一降温净化设备5降温净化处理的合成气一部分进入混合器4，另一部分进入氢气生成设备1，并且第一降温净化设备5吸收合成气的热量产生的水蒸气也进入氢气生成设备1，向氢气生成设备1通入直接还原铁，直接还原铁的温度为550℃～800℃，直接还原铁、水蒸气以及合成气在氢气生成装置内发生的反应如下：

Fe3O4+4CO＝3Fe+4CO2，△H＝-13kJ/mol；

Fe3O4+4H2＝3Fe+4H2O，△H＝151kJ/mol；

3Fe+4H2O＝Fe3O4+4H2，△H＝-151kJ/mol；

生成的氢气经由换热器3换热后通入混合器4，直接还原铁作为铁基载氧体在氢气生成装置中循环反应，生成纯氢气，而直接还原铁效率降低后，可添加新鲜的直接还原铁进行替换，净化后的炉顶气、加热后的氢气与降温净化处理后的合成气在混合器4内混合，经过调节温度和组分后形成竖炉还原气。

本实用新型提供的竖炉还原气的制备系统，利用高温气化合成气耦合直接还原铁制氢，无需使用昂贵的催化剂，成本低廉，热效率高，并且无需CO变换装置，利用换热器将高温的合成气的热量传递至氢气，使氢气被加热，从而使得气化炉生成的高温高压合成气的显热得到充分利用，与传统工艺先降温脱硫脱碳，再变换升温相比，节省了投资，大幅降低了能耗，并降低了运行成本。

在本实用新型的一种优选的实施方式中，如图1所示，氢气生成设备1包括第一反应器11和第二反应器12，其中：

第一反应器11设有第一进料口111、第一出料口112、合成气进口113和排放口114，排放口114与外界连通，生成的CO2和H2O收集后经由排放口114排出；第二反应器12设有直接还原铁入口121、第二进料口122、第二出料口123、水蒸气进口124和氢气排气口125，第二进料口122与第一出料口112相连通，第二出料口123与第一进料口111相连通，在第一反应器11内发生的反应为：Fe3O4+4CO＝3Fe+4CO2，△H＝-13kJ/mol；Fe3O4+4H2＝3Fe+4H2O，△H＝151kJ/mol；在第二反应器12内发生的反应为：3Fe+4H2O＝Fe3O4+4H2，△H＝-151kJ/mol，即直接还原铁与水蒸气反应生成H2和Fe3O4，所生成的Fe3O4输送到第一反应器11与合成气中的CO、H2反应生成Fe(包含部分FeO)和CO2、H2O，Fe(部分FeO)重新回到第二反应器12中发生反应制取氢气，这样循环反应，生成纯氢气，成本低廉。

需要说明的是，根据检测混合器4内缺少的氢气的量，决定向第一反应器11内通入的合成气的量，从而使得氢气生成装置产生的氢气满足混合器4内需要制成竖炉还原气缺少氢气的量，为了便于检测混合器4内气体的组成成分，可以在混合器4的还原气出口43处设置检测装置。

进一步，为了避免氢气生成装置产生的氢气中水分影响制成的竖炉还原气的品质，在氢气排气口125与氢气入口33之间设有冷凝器13，通过冷凝器13去除氢气中的水，使得进入混合器4内的氢气为干燥的气体，以确保制成的竖炉还原气的质量。

进一步，第一反应器11为移动床反应器或者流化床反应器，第一反应器11主要发生还原反应，反应温度为600℃～900℃，第二反应器12为移动床反应器或者流化床反应器，第二反应器12主要发生氧化反应，反应温度为550℃～850℃，氧化反应为放热反应，且输入的直接还原铁可为氧化反应提供热量。

进一步，第一降温净化设备5包括依次连通的废热锅炉51、除尘装置52和脱硫装置53，废热锅炉51为管壳式换热器，水蒸气出口512和第三入口511设置在废热锅炉51上，废热锅炉51的传热管内为水，合成气通过第三入口511通入废热锅炉51的壳体内，通过合成气将废热锅炉51的传热管内的水加热成水蒸气，除尘装置52的进口与废热锅炉51的壳体的出口连通，除尘装置52的出口与脱硫装置53的入口相连通，通过除尘装置52对合成气进行过滤除尘处理，除尘装置52可以采用现有技术中任何能够对合成气进行过滤除尘处理的装置，因此，除尘装置52的具体结构在此不再赘述，脱硫装置53的出口通过两连接管路分别与第二入口42和合成气进口113相连通，经脱硫处理的合成气一部分通过一连接管路进入混合器4，另一部分通过另一连接管路进入第一反应器11循环制取氢气，具体的，采用干法脱硫，在脱硫装置53内添加脱硫剂FeO或ZnO进行脱硫，采用湿法脱硫，在脱硫装置53内添加碱液，通过碱液吸收合成气内的硫。

进一步，第二降温净化设备6包括依次连通的洗涤器61和净化装置62，炉顶气入口611设置在洗涤器61上，通过洗涤器61对炉顶气进行水洗降温除尘处理，净化装置62的出口与第一入口41相连通，通过净化装置62对降温除尘处理后的炉顶气进行脱硫脱碳处理，以使得进入混合器4的炉顶气较纯净，以确保制成的竖炉还原气的质量。

进一步，净化装置62包括依次连通的气体加压装置和脱硫脱碳装置，气体加压装置的进口与洗涤器61的出口相连通，气体加压装置的出口与脱硫脱碳装置的进口相连通，脱硫脱碳装置的出口与第一入口41相连通，具体的，脱硫脱碳装置内添加MDEA(methyldiethanolamine，甲基二乙醇胺)溶液，夹杂在炉顶气内的硫和碳能被MDEA溶液吸收。

在本实用新型的一种实施方式中，竖炉还原气的制备系统还包括竖炉7，竖炉7包括炉本体71，炉本体71上设有铁矿石入口711、炉顶气出口712、还原气入口713和直接还原铁出口714，铁矿石入口711位于炉本体71的顶部，直接还原铁出口714位于炉本体71的底部，炉顶气出口712和还原气入口713由上至下设置于铁矿石入口711与直接还原铁出口714之间，炉顶气出口712与炉顶气入口611相连通，还原气入口713与还原气出口43相连通，直接还原铁入口121与直接还原铁出口714相连通，竖炉7优选采用包括Midrex(米德莱克斯)和HYL(希尔)等形式的气基竖炉，其具体结构为现有技术相同，在此不再赘述，在使用时，铁矿石从炉铁矿石入口711进入，其中，铁矿石为球团或块矿，竖炉还原气从下向上流动，发生铁矿石的还原反应，反应温度850℃～1000℃，得到直接还原铁和炉顶气，生成的炉顶气是温度300℃～500℃的富氢气体，直接还原铁的温度为550℃～800℃，竖炉7产生的直接还原铁作为载氧体可以通过管道直接输入第二反应器12，成本低廉，而混合器4生成的竖炉还原气能够通过还原气入口713直接通入竖炉7内进行反应制取直接还原铁。

需要说明的是，在上述竖炉还原气的制备系统中，各个部件之间优选采用管道进行连通。

下面结合附图具体说明本实用新型提供的竖炉还原气的制备系统的使用过程：

如图1所示，在使用时，将竖炉7生成的温度为300℃～500℃的富氢的炉顶气通入第二降温净化设备6，炉顶气经由第二降温净化设备6降温除尘脱硫脱碳处理后进入混合器4，气流床气化炉2产生的合成气，先进入换热器3，与氢气换热后进入第一降温净化设备5，经由第一降温净化设备5二次降温以及除尘脱硫处理后的一部分合成气进入混合器4，另一部分合成气进入第一反应器11，并且废热锅炉51吸收合成气的热量产生的水蒸气进入第二反应器12，同时第二反应器12通入竖炉7生成的温度为550℃～800℃的直接还原铁，直接还原铁与水蒸气在第二反应器12内发生的反应为：3Fe+4H2O＝Fe3O4+4H2，△H＝-151kJ/mol，将生成的Fe3O4输送至第一反应器11，Fe3O4与合成气在第一反应器11内发生的反应为：Fe3O4+4CO＝3Fe+4CO2，△H＝-13kJ/mol；Fe3O4+4H2＝3Fe+4H2O，△H＝151kJ/mol；将生成的Fe(部分FeO)通入第一反应器11，以使第一反应器11和第二反应器12能够形成循环反应，不断制取纯氢气，而直接还原铁效率降低后，可采用竖炉7生成的新鲜的直接还原铁进行替换，纯氢气经过冷凝器13的冷凝除水处理后进入换热器3内被高温合成气升温加热，净化后的炉顶气、加热后的氢气与降温净化处理后的合成气在混合器4内混合，经过调节温度和组分后形成竖炉还原气。

需要说明的是，在图1中，箭头方向为气体的流动方向或者直接还原铁的移动方向。

本实用新型还提供了一种竖炉还原气的制备方法，其采用上述竖炉还原气的制备系统，竖炉还原气的制备方法包括：

向第二降温净化设备的炉顶气入口通入炉顶气进行降温净化处理，即对炉顶气进行降温除尘、脱硫脱碳处理；

将降温净化处理后的炉顶气通入混合器；

将气流床气化炉生成的合成气依次通过换热器和第一降温净化设备进行降温净化处理，即对气流床气化炉生成的高温合成气进行两次降温处理以及除尘脱硫处理；

将降温净化处理后的一部分合成气通入混合器，将另一部分合成气、第一降温净化设备产生的水蒸气和直接还原铁通入氢气生成设备制取氢气，即根据混合器需要的氢气的量，向氢气生成设备通入适量的合成气以制取所需的氢气；

将氢气生成设备生成的氢气与气流床气化炉生成的合成气通入换热器进行换热处理，即通过高温的合成气对氢气进行加热；

将换热后的氢气通入混合器；

降温净化处理后的炉顶气、降温净化处理后的一部分合成气和换热后的氢气在混合器内混合制成还原气。

本实用新型提供的竖炉还原气的制备方法采用上述竖炉还原气的制备系统，因此，竖炉还原气的制备方法具有上述竖炉还原气的制备系统的全部优点，并且，竖炉还原气的制备方法具有操作简单方便的优点。

进一步，气流床气化炉的气化温度为1300℃～1800℃，气流床气化炉的气化压力为0.5MPa～3.0MPa，氢气生成设备的反应温度为600℃-900℃，以满足各化学反应所需的条件。

进一步，将第二降温净化设备的炉顶气入口与竖炉的炉本体的炉顶气出口相连通，将混合器的还原气出口与竖炉的炉本体的还原气进口相连通，使得炉顶气能够不断进入第二降温净化设备，由于直接还原铁作为载氧体是循环利用的，只需定期补充即可，不需要全部进入反应器，直接还原铁的量根据炉顶气的成分和竖炉的还原气需要决定，竖炉还原气的制备系统开始工作投入，定期补充即可，因此，竖炉的炉本体的直接还原铁出口可以通过管道与氢气生成设备的直接还原铁入口相连接，也可以通过人工将竖炉生成的直接还原铁输送至氢气生成设备内。

其中，竖炉内生成的炉顶气是温度300℃～500℃的富氢气体，直接还原铁的温度为550℃～800℃。

进一步，可以在还原气出口与竖炉的炉本体的还原气进口之间设置加热装置，以使得通入竖炉的竖炉还原气的温度满足使用需求。

综上所述，本实用新型提供的竖炉还原气的制备系统，利用高温气化合成气耦合直接还原铁制氢，组分可调，无需使用昂贵的催化剂，成本低廉，热效率高，并且无需CO变换装置，利用换热器将高温的合成气的热量传递至氢气，使氢气被加热，从而使得气化炉生成的高温高压合成气的显热得到充分利用，与传统工艺先降温脱硫脱碳，再变换升温相比，节省了投资，大幅降低了能耗，并降低了运行成本。

本实用新型提供的竖炉还原气的制备方法采用上述竖炉还原气的制备系统，因此，竖炉还原气的制备方法具有上述竖炉还原气的制备系统的全部优点，并且，竖炉还原气的制备方法具有操作简单方便的优点。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。而且需要说明的是，本实用新型的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本实用新型的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本实用新型理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。