一种转炉煤气的脱氧方法和装置的制造方法
【专利摘要】一种转炉煤气的脱氧方法和装置，该脱氧方法包括如下步骤：将转炉煤气进行除尘，除尘后的转炉煤气中粉尘含量＜5mg/Nm3；将除尘后的转炉煤气送入脱氧器，脱氧器内填充表面镀铜的不锈钢球，控制脱氧器内温度为150～300℃，脱氧后的转炉煤气中氧气含量小于200ppm；对脱氧后的转炉煤气空冷至常温，输送到下游的微生物厌氧发酵工序。本发明针对微生物厌氧发酵工艺对原料气转炉煤气的要求，设计了一种简单高效的新型脱氧剂即在不锈钢球表面镀一层铜，利用铜和氧气反应生成氧化铜的原理消耗氧气，从而达到脱氧的目的。本发明所述脱氧装置设计简单，经济合理，能较低能耗地将转炉煤气中的氧气脱除到满足发酵工艺的要求。
【专利说明】
_种转炉煤气的脱氧方法和装置
技术领域
[0001]本发明涉及气体的脱氧技术领域，具体涉及一种转炉煤气的脱氧方法和装置，更具体涉及一种对微生物厌氧发酵工艺所用原料转炉煤气中微量氧气的脱除方法和装置。
【背景技术】
[0002]钢厂转炉煤气在回收前要经过电除尘工段，因此考虑到回收安全，控制转炉煤气中氧气含量指标为小于1%。国内各大钢厂转炉煤气中氧气含量普遍在0.2?0.8%之间。转炉煤气的一般用途是去发电或做其他燃料，因此，基本不做脱氧处理。
[0003]以钢厂转炉煤气为原料，采用微生物厌氧发酵技术生产乙醇、丁醇、乙酸等化学品是近些年来非常热门的技术，已经经过小试、中试验证，正在实施商业化。微生物厌氧发酵技术对钢厂转炉煤气中氧气含量要求并不是特别苛刻，低于200ppm即能满足发酵要求。但目前还没有报道关于微生物厌氧发酵工艺中钢厂转炉煤气的脱氧方法或装置。
[0004]目前的脱氧工艺、装置主要集中在石油化工中对烯烃精制净化和煤化工中合成气的脱氧，要求脱氧后氧含量要小于lOppm，甚至lppm。脱氧装置的核心是脱氧剂和根据被处理工艺气体而独特设计的脱氧器。国内外关于脱氧剂的研究也非常多，脱氧剂主要分为两种:贵金属脱氧剂和非贵金属脱氧剂。脱氧工艺方法主要有两种:采用铂和钯贵金属为催化剂的催化加氢法;采用铂、钯贵金属或铜、锰等非贵金属为脱氧剂的化学吸收法。
[0005]其中，贵金属脱氧剂的制备成本非常高，所以，催化加氢法以及采用贵金属为脱氧剂的化学吸收法较适合对于脱氧精度要求非常高的工艺，而对微生物厌氧发酵工艺中原料转炉煤气脱氧来说显得并不经济实用。再者，石油化工和煤化工的脱氧装置处理的原料气中含有少量硫化物，由于贵金属脱氧剂不耐硫，容易中毒，失去活性，因此，原料气进入脱氧装置前要经过脱硫净化过程。
[0006]传统化学吸收法中采用铜、锰等非贵金属脱氧剂，一般是将非贵金属等负载在分子筛或三氧化二铝等载体上制备而得。该脱氧剂主要以铜、锰为活性组分，共沉淀法生产，即将活性组分铜、锰与载体成份铝和硅等共沉淀后经焙烧后成型制得，这种脱氧剂生产工艺也比较复杂，成本也较高。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种转炉煤气的脱氧方法和装置，可经济合理地脱除转炉煤气中的氧气，将转炉煤气中的氧气含量降低到符合微生物厌氧发酵工艺的要求，且该脱氧方法中所用脱氧剂制备容易，成本低，可连续使用，无需定期还原再生。
[0008]为达到上述目的，本发明的技术方案是:
[0009]—种转炉煤气的脱氧方法，其包括如下步骤:将转炉煤气进行除尘，除尘后的转炉煤气中粉尘含量<5mg/Nm3;将除尘后的转炉煤气送入脱氧器，脱氧器内填充表面镀铜的不锈钢球，控制脱氧器内温度为150?300°C，脱氧后的转炉煤气中氧气含量小于200ppm;将脱氧后的转炉煤气空冷至常温，输送到微生物厌氧发酵系统进行厌氧发酵。
[0010]进一步，所述除尘后的转炉煤气进入脱氧器之前先送入压缩机压缩，压缩后的转炉煤气压力<8bar(G)，再将压缩后的转炉煤气输送到脱氧器。
[0011]本发明所述转炉煤气包括如下成分，以体积百分数计:氧气0.2?0.8%，粉尘<10mg/Nm3，一氧化碳48?52%，氢气I?2%，氮气25?28%，二氧化碳18?20%。
[0012]本发明将转炉煤气在脱氧前送入压缩机进行压缩，压缩到发酵工艺所需要的压力，不仅满足了后续发酵工艺的要求，还提高了转炉煤气中氧气的分压，使转炉煤气进入脱氧器后提高了氧气分子和脱氧剂不锈钢球表面镀铜的接触几率，从而提高脱氧效果。
[0013]本发明将脱氧器预先加热到所需反应温度，转炉煤气进入脱氧器内，在镀铜不锈钢球的表面，氧气和铜发生反应生成氧化铜，氧气得以脱除。同时，转炉煤气中的一氧化碳和氧化铜在高温下进行还原反应，生成铜和二氧化碳，这样，脱氧剂能够实现在线再生，不会有损耗。具体反应方程式为:
[0014]脱氧:Cu+02—Cu0;
[0015]再生:Cu0+C0—Cu+C02。
[0016]传统脱氧剂，例如贵金属脱氧剂和非贵金属负载类脱氧剂等，其内部疏松多孔，气体组分通过扩散进入孔隙内与金属发生脱氧反应，但气体组分中的颗粒物会堵塞脱氧剂内部孔道，被堵塞的孔道将很难得到疏通，基本失去脱氧作用。因此，传统脱氧剂的脱氧效果不佳，长期运行，脱氧剂需要定期彻底更换。本发明所述转炉煤气尽管先经过除尘，但仍有大量非常细微的颗粒。如果采用传统脱氧剂，这些细微的颗粒也会导致脱氧剂内部孔道阻塞。为此，本发明专门设计了一种新型脱氧剂，采用表面镀铜层的不锈钢球作为脱氧剂，脱氧反应在表面薄铜层上进行，脱氧器内部较大的气体流速能够带走不锈钢球铜层表面的颗粒，避免颗粒沉积，铜层表面和氧气接触良好，无需更换。
[0017]此外，本发明的脱氧剂具体制备过程为将不锈钢球浸渍在熔融铜液中，待不锈钢球表面覆盖一层薄铜液后，经过自然冷却，得到表面镀薄层铜的不锈钢球，制备过程简单，并且不需采用纯铜，制备成本低。
[0018]本发明所述转炉煤气的脱氧装置，其包括，至少一个粉尘过滤器，其上设置进、出口，其中，进口通过进口管道连接转炉煤气气源，该进口管道中设置第一流量调节控制阀；脱氧器，为一罐体结构，其上、下设置气体出口、气体进口；所述脱氧器内均匀设置若干电加热器，所述脱氧器内部填充表面镀铜的不锈钢球;所述脱氧器的气体进口通过管道连接所述粉尘过滤器的出口；温度检测器、功率输出控制器，分别与脱氧器内的电加热器电性连接;空冷器，其进口端通过管道连接所述脱氧器的气体出口，该管道中设置第一氧气分析仪和第二流量调节控制阀；其出口端通过管道连接微生物厌氧发酵工序;第一逻辑运算器，所述第一氧分析仪、第一、第二流量调节控制阀分别电性连接第一逻辑运算器;第二逻辑运算器，所述温度检测器、功率输出控制器分别电性连接第二逻辑运算器。
[0019]进一步，与所述粉尘过滤器进口连接的进口管道中设置第二氧分析仪，所述第二氧分析仪电性连接所述第一逻辑运算器。
[0020]与所述粉尘过滤器进口连接的进口管道中设置一流量计。
[0021]本发明还包括至少一个压差显示器，其并联设置于所述粉尘过滤器的进、出口端。
[0022]优选的，所述粉尘过滤器、所述压差显示器均设置两台，形成一开一备配置。
[0023]又，本发明还包括一压缩机，其进口端通过管道连接所述粉尘过滤器的出口；其出口端通过管道连接所述脱氧器的气体进口。
[0024]优选的，所述压缩机为活塞压缩机或螺杆压缩机等。
[0025]再，所述电加热器垂直设置于所述脱氧器内底部。
[0026]本发明中利用粉尘过滤器将转炉煤气中的粉尘含量从约10mg/Nm3降到小于5mg/Nm3;然后将除尘后的转炉煤气送入压缩机压缩到压力小于Sbar(G);压缩后的转炉煤气进入脱氧器，脱氧器底部设有均匀分布的电加热器，电加热器和容器壁的空隙内填充表面镀薄铜层的不锈钢球，利用电加热器控制脱氧器内温度150?300°C，脱氧后，转炉煤气中氧气含量从0.2-1%降到小于200ppm，满足发酵工艺的要求;脱氧后的转炉煤气进入冷却器，冷却器利用常温空气冷却，将脱氧后的转炉煤气冷却至室温;冷却后的转炉煤气送入下游的微生物厌氧发酵工序进行厌氧发酵。
[0027]本发明将第一、第二氧分析仪检测到的氧气含量参数反馈到第一逻辑运算器，第一逻辑运算器根据这些氧气含量参数信号控制第一、第二流量调节控制阀，进而控制进入脱氧器的转炉煤气量和确保输出脱氧器的转炉煤气中氧含量合格;所述温度检测器将温度信号反馈到第二逻辑运算器，第二逻辑运算器根据该温度参数信号控制功率输出控制器的电加热功率输出，实现稳定连续精确控温，能有效脱除转炉煤气中的微量氧气，保障后续厌氧发酵工艺对氧气含量指标的要求。本发明所述脱氧方法和装置同样适用于高炉煤气的脱氧。
[0028]本发明的有益效果:
[0029]本发明根据微生物厌氧发酵工艺对转炉煤气的要求，结合转炉煤气内含有粉尘和还原性的气体一氧化碳的特殊性，采取先过滤粉尘，再送入脱氧器内脱氧，脱氧器内的脱氧剂是针对转炉煤气的脱氧要求而独特设计，即在不锈钢球表面镀一层薄的铜层，利用铜和氧气反应生成氧化铜的原理消耗氧气，从而达到脱氧的目的，简单高效，然后利用转炉煤气中含有的大量一氧化碳将氧化铜还原成铜的原理，在线再生得到新的脱氧剂，实现脱氧剂连续使用的目的。
[0030]本发明采用不锈钢球表面的镀铜层作为脱氧剂，制备简单易得，价格便宜，且易于在线再生，脱氧能耗低，一次投资小。
[0031]本发明所提供的脱氧方法和装置可以合理地、较低能耗地将转炉煤气中的氧气脱除到满足微生物厌氧发酵工艺要求。
【附图说明】
[0032]图1为本发明实施例的脱氧装置结构示意图。
[0033]图2为本发明实施例中脱氧器的剖面示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
[0035]参见图1-图2，本发明所述转炉煤气的脱氧装置，其包括，两个粉尘过滤器1、1’，其上设置进口 101、101’、出口 102、102’，其中，进口 101、101’通过进口管道连接转炉煤气气源A，该进口管道中设置第一流量调节控制阀2;两个压差显示器3、3’，其并联设置于粉尘过滤器1、I’的进口 101、101’端、出口 102、102’端;压缩机4，其进口端通过管道连接所述粉尘过滤器1、I’的出口 102、102 ’ ；脱氧器5，为一罐体结构，其上、下设置气体出口 501、气体进口502;所述脱氧器5内均匀设置若干电加热器6;所述脱氧器5内部填充表面镀铜的不锈钢球7;所述脱氧器5的气体进口502通过管道连接所述压缩机4的出口端;温度检测器8、功率输出控制器9，分别与脱氧器5内的电加热器6电性连接;空冷器10，其进口端通过管道连接所述脱氧器5的气体出口 501，该管道中设置第一氧气分析仪11和第二流量调节控制阀2’；其出口端通过管道连接微生物厌氧发酵系统B;第一逻辑运算器12，所述第一氧分析仪11，第一、第二流量调节控制阀2、2’，分别电性连接第一逻辑运算器12;第二逻辑运算器12’，所述温度检测器8、功率输出控制器9分别电性连接第二逻辑运算器12 ’。
[0036]进一步，与所述粉尘过滤器1、I’进口101、101’连接的进口管道中设置第二氧分析仪11’，所述第二氧分析仪11’电性连接所述第一逻辑运算器12。
[0037]与所述粉尘过滤器1、1’进口101、101’连接的进口管道中设置一流量计13。
[0038]本实施例中，所述粉尘过滤器1、I’、所述压差显示器3、3，均设置两台，形成一开一备配置。
[0039]本实施例中，所述压缩机4为活塞压缩机;所述冷却器10为气体冷却器，其底部采用电机驱动风扇。
[0040]再，所述电加热器6垂直设置于所述脱氧器5内底部，并采用电阻丝加热。
[0041 ] 本实施例中脱氧器5容器内底部垂直安装有若干电加热器6，其内部在电加热器6和容器内壁间存在大量空隙，空隙内均匀填充有大量表面镀铜的不锈钢球7。
[0042]本实施例中，转炉煤气经过粉尘过滤器1、I’后，绝大部分粉尘被截留下来。粉尘过滤器1、I，交替运行，当压差显示器3读取的压差达到设定值后，表明粉尘过滤器I需要去切换清洗，此时系统切换到粉尘过滤器I’来运行，继续脱除粉尘。
[0043]本发明所述脱氧器5预先加热到反应温度，然后转炉煤气进入脱氧器5，在表面镀铜的不锈钢球7的表面，转炉煤气中的氧气和铜发生反应，生成氧化铜，氧气得以脱除，然后转炉煤气中的一氧化碳将氧化铜还原成铜，在线再生得到新的脱氧剂，实现脱氧剂连续使用。
[0044]本实施例中，第一氧分析仪11监测脱氧器5出口处的氧含量，第一逻辑运算器12处理氧含量数据，并给第一、第二流量控制调节阀2和2’的执行机构输出，控制进入脱氧器5的转炉煤气流量以及脱氧合格的转炉煤气输出脱氧器。具体是，本发明装置正常工作状态下，第一氧分析仪11监测到脱氧器5出口处的氧含量<200ppm，第一、第二流量控制调节阀2和2 ’正常输出，正常工作状态下，如果出现第一氧分析仪11监测到脱氧器5出口处的氧含量持续升高，则将信号传输给第一逻辑运算器12，第一逻辑运算器12控制第一、第二流量控制调节阀2和2’的输出开度减小;本发明有时会短暂出现第一氧分析仪11监测到脱氧器5出口处的氧含量>200ppm的情况，则第一逻辑运算器12控制第一、第二流量控制调节阀2和2’的输出开度减小。
[0045]本发明中温度检测器8检测脱氧器5内部电加热器6表面温度，第二逻辑运算器12’处理温度数据，控制电加热器6的功率输出控制器9输出，保证脱氧器5在正常安全温度范围内操作。
[0046]本发明的整套脱氧装置中第一氧分析仪11实时监测从脱氧器输出的转炉煤气中氧含量，第二氧分析仪11，实时监测入口氧气含量，第一逻辑运算器12处理第一、第二氧分析仪11、11’反馈的氧含量数据，给第一、第二流量调节控制阀2和2’的执行机构输出不同开度，来保持进入脱氧器5内总的氧含量，保证脱氧装置在安全负荷下操作。
[0047]本实施例中，经过脱氧器5脱氧后的煤气经过空冷器10的冷却后，由管道送往下游微生物厌氧发酵系统B进行厌氧发酵。
[0048]实施例1
[0049]在本实施例中，原料转炉煤气中氧气含量为6000ppm，粉尘含量为10mg/Nm3。粉尘过滤器1、I’将转炉煤气中的粉尘含量降到3mg/Nm3，然后转炉煤气进入压缩机4，将气体压力压缩到6bar(G)，压缩后的转炉煤气从脱氧器5的气体进口 502进入脱氧器5底部，脱氧器内填充镀铜的不锈钢球，脱氧器5内电加热器6设定加热温度为250°C，经过加热后，第一氧分析仪11检测到脱氧器5气体出口 501处的氧气含量为180ppm，氧气脱除效率达到97%，满足发酵工艺的需求，从脱氧器5的气体出口 501排出的转炉煤气经过冷却器10后，温度降到室温，然后送入下游微生物厌氧发酵系统B进行厌氧发酵。
【主权项】
1.一种转炉煤气的脱氧方法，其包括如下步骤: 将转炉煤气进行除尘，除尘后的转炉煤气中粉尘含量<5mg/Nm3;将除尘后的转炉煤气送入脱氧器，脱氧器内填充表面镀铜的不锈钢球，控制脱氧器内温度为150?300°C，脱氧后的转炉煤气中氧气含量小于200ppm;将脱氧后的转炉煤气空冷到常温，再输送到微生物厌氧发酵系统进行厌氧发酵。2.根据权利要求1所述的转炉煤气的脱氧方法，其特征在于，所述除尘后的转炉煤气进入脱氧器之前先送入压缩机压缩，压缩后的转炉煤气压力<8bar(G)，再将压缩后的转炉煤气输送到脱氧器。3.根据权利要求1所述的转炉煤气的脱氧方法，其特征在于，所述转炉煤气包括如下成分，以体积百分数计:氧气0.2?0.8 %，粉尘< 10mg/Nm3，一氧化碳48?52 %，氢气I?2 %，氮气25?28%，二氧化碳18?20%。4.一种转炉煤气的脱氧装置，其特征在于，所述脱氧装置包括， 至少一个粉尘过滤器，其上设置进、出口，其中，进口通过进口管道连接转炉煤气气源，该进口管道中设置第一流量调节控制阀； 脱氧器，为一罐体结构，其上、下设置气体出口、气体进口；所述脱氧器内均匀设置若干电加热器，所述脱氧器内部填充表面镀铜的不锈钢球;所述脱氧器的气体进口通过管道连接所述粉尘过滤器的出口； 温度检测器、功率输出控制器，分别与脱氧器内的电加热器电性连接； 空冷器，其进口端通过管道连接所述脱氧器的气体出口，该管道中设置第一氧气分析仪和第二流量调节控制阀；其出口端通过管道连接微生物厌氧发酵系统； 第一逻辑运算器，所述第一氧分析仪、第一、第二流量调节控制阀分别电性连接第一逻辑运算器； 第二逻辑运算器，所述温度检测器、功率输出控制器分别电性连接第二逻辑运算器。5.根据权利要求4所述的转炉煤气的脱氧装置，其特征在于，与所述粉尘过滤器进口连接的进口管道中设置第二氧分析仪，所述第二氧分析仪电性连接所述第一逻辑运算器。6.根据权利要求4或5所述的转炉煤气的脱氧装置，其特征在于，与所述粉尘过滤器进口连接的进口管道中设置一流量计。7.根据权利要求4所述的转炉煤气的脱氧装置，其特征在于，还包括至少一个压差显示器，其并联设置于所述粉尘过滤器的进、出口端。8.根据权利要求4或7所述的转炉煤气的脱氧装置，其特征在于，所述粉尘过滤器、所述压差显示器均设置两台，形成一开一备配置。9.根据权利要求4所述的转炉煤气的脱氧装置，其特征在于，还包括一压缩机，其进口端通过管道连接所述粉尘过滤器的出口；其出口端通过管道连接所述脱氧器的气体进口。10.根据权利要求4所述的转炉煤气的脱氧装置，其特征在于，所述电加热器垂直设置于所述脱氧器内底部。
【文档编号】C21C5/40GK105886695SQ201610301405
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】胡建国, 李雪勇, 张琪渔
【申请人】上海宝钢气体有限公司