一种采用快速热解生产气基竖炉还原气的装置与方法与流程

本发明涉及化工冶金领域，涉及生产气基竖炉还原气的装置。

同时涉及生产气基竖炉还原气的方法。

背景技术：

褐煤、长焰煤等低阶煤，具有挥发分高、活性强等特点，因其中的水分和氧含量高而热值低，直接燃烧或气化利用效率低，经济价值远不如高阶煤，因此大规模开发低阶煤必须先对其进行加工提质才能更好利用。热解处理，是处理低阶煤的最科学有效的方法之一。常说的热解是指煤在隔绝空气或在惰性气体条件下持续加热至较高温度时，所发生的一系列物理变化和化学反应，最终得到气体(热解气)、液体(焦油)、及固体(半焦)等产物，其中热解气可作为气基竖炉直接还原炼铁的原料气。

气基竖炉直接还原炼铁技术，是一种绿色低碳的炼铁新技术，属于非高炉炼铁工艺。气基竖炉法具有能耗低、污染小、产品质量稳定等特点。目前世界范围内，76％的直接还原铁是通过气基法生产，主要以天然气为制气原料、水蒸气或二氧化碳为转化剂，在装有镍基催化剂的重整转化炉内制备高品质的还原气。目前这类工艺工业化生产装置主要集中在中东、南美等天然气储量丰富、价格低廉地区；而对于天然气比较稀缺、价格昂贵地区，则无法采用该工艺技术进行建设生产以获得良好的经济效益。中国的能源禀赋特点是“富煤少气缺油”，难以采用天然气重整—气基竖炉直接还原工艺，还原气由煤炭制取将是最佳选择。

专利CN201610657153《一种热解炉与气基竖炉联用系统及处理煤的方法》中介绍了一种热解炉与气基竖炉联用系统与方法，系统由热解炉、分离净化系统、重整变换系统和气基竖炉构成。煤炭经热解炉热解产生半焦与高温热解荒煤气(700-900℃)，高温热解荒煤气经分离净化系统进行洗涤冷却、分离热解油、脱硫处理，得到低温净化热解气(低于50℃)，热解气再经重整变换系统处理后生成符合竖炉要求的还原气通入竖炉还原铁矿石。其中，热解荒煤气分离净化系统由初冷塔、鼓风机、电捕焦油器及脱苯塔等一套复杂的冷却、脱焦及脱苯装置构成，热解荒煤气经分离净化系统处理后回收少量的煤焦油。

该现有技术主要的不足之处在于：

1、热解荒煤气中因含有5-15％的CH4，不适合直接作为竖炉的还原气，需经装填有大量昂贵镍基催化剂的重整转化炉处理后再通入竖炉，且对入重整炉气体中的硫含量有严格限制。此外，热解荒煤气中含约10-20％的H2O(g)及5-10％的CO2等不利于还原铁矿石的氧化性成分，需进一步降低这二者含量后，才能变成优质还原气用于还原铁矿石。

2、热解荒煤气含有一定量的焦油等有机物，直接作为还原气通入竖炉可能对竖炉的正常运行产生不利影响。

3、700-900℃的热解荒煤气显热未被利用。

4、热解荒煤气分离净化系统工序复杂、投资大，煤焦油捕集与进一步利用成本高。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种装置，能够进一步的处理热解荒煤气，使热解荒煤气显热能更好的被直接利用，且装置中又不需要热解荒煤气分离净化系统，从而不需建设加热炉或重整炉，整个系统简单、投资小、生产成本低。

本发明还提供了使用上述装置生产气基竖炉还原气的方法。

为达到上述目的，本发明生产气基竖炉还原气的装置可采用如下技术方案：

一种采用快速热解生产气基竖炉还原气的装置，包括热解炉、气基竖炉；热解炉内设有相互独立的两个腔体及荒煤气导出装置，所述两个腔体分为第一腔体及第二腔体；第一腔体内具有第一辐射管；第二腔体内具有第二辐射管；所述第一腔体顶部具有第一进料口而底部具有第一出料口；第二腔体顶部具有第二进料口而底部具有第二出料口；荒煤气导出装置包括位于第一腔体内的进气管、位于第二腔体内的出气管、同时与进气管和出气管连通并延伸出热解炉的排尘管；所述气基竖炉设有连通所述第二腔体的热解炉还原气通道，同时第二腔体内延伸出连通第二腔体及热解炉还原气通道的净热解气通道；热解炉还原气通道一端为连通第二腔体的热解炉还原气入口，另一端为连通气基竖炉的竖炉还原气入口。

有益效果：

通过本装置的结构设计，热解荒煤气经热解炉第二腔体处理后，再经加热即可通入竖炉还原铁矿石，无需建设填装由大量昂贵催化剂的重整炉，系统得到简化，维护成本低。既直接充分利用了700-900℃的热解荒煤气的全部显热，能源利用效率显著提高；又通过在第二腔体设置辐射管保证适宜的氧化球团还原、海绵铁重整温度和出炉净热解气温度，使得海绵铁金属化率高、重整转化效率大大提高、还生产出满足下游气基竖炉温度与成分要求的优质还原气；无热解荒煤气分离净化系统，且不需建设加热炉或重整炉，整个系统简单、投资小、生产成本低。

为达到上述目的，本发明中生产气基竖炉还原气的方法可采用如下技术方案：

一种使用上述装置的生产气基竖炉还原气的方法：

粉状低阶煤由第一进料口加入第一腔体并在800-950℃热解形成提质煤和热解荒煤气；热解荒煤气进入荒煤气导出装置的进气管；

铁矿石氧化球团从第二进料口加入第二腔体内，第二腔体内预留有热解气，铁矿石氧化球团被净热解气预热、还原，生成海绵铁，海绵铁由荒煤气导出装置排气管排出的热解荒煤气进行催化重整、除尘和吸附焦油处理(海绵铁催化CH4、C2+、焦油等与荒煤气所含的H2O和CO2重整转化生成有效气H2、CO)后，形成的净热解气从净热解气通道排出，然后一部分的净热解气通过热解炉还原气通道再回到第二腔体内，另一部分净热解气通过热解炉还原气通道通入气基竖炉还原气基竖炉内的铁矿石。

有益效果：热解炉第一腔体完成对低阶煤的热解，第二腔体能气基还原铁矿石生产海绵铁，且海绵铁中携带能提供后续熔分热量或还原剂的提质煤粉尘与焦油。

从炉顶加入的铁矿石先经预热、还原生成海绵铁，再往下移动，过程中对热解炉第一腔体生产的热解荒煤气进行催化重整、除尘与吸附焦油等处理，然后热解荒煤气被重整转化成CH4<6％、C2+<0.3％、H2+CO>84％、H2O+CO2<7％的净热解气，该净热解气中粉尘和焦油含量显著降低，同时热解炉第二腔体也对热解气进行加热，产生的温度与成分都达到优质还原气成分的净热解气直接通入气基竖炉还原铁矿石，生成高金属化率海绵铁。热解荒煤气经热解炉第二腔体处理后，再经加热炉加热即可通入竖炉还原铁矿石，无需建设填装由大量昂贵催化剂的重整炉，系统得到简化，维护成本低。既直接充分利用了700-900℃的热解荒煤气的全部显热，能源利用效率显著提高；又通过在第二腔体设置辐射管保证适宜的氧化球团还原、海绵铁重整温度和出炉净热解气温度，使得海绵铁金属化率高、重整转化效率大大提高、还生产出满足下游气基竖炉温度与成分要求的优质还原气；无热解荒煤气分离净化系统，且不需建设加热炉或重整炉，整个系统简单、投资小、生产成本低。

附图说明

图1为本发明中生产气基竖炉还原气的装置的结构示意图；

图2为图1中荒煤气导出装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例提供一种生产气基竖炉还原气的装置。

请结合图1及图2所示，该装置包括热解炉1、气基竖炉2。

热解炉1内设有相互独立的两个腔体及荒煤气导出装置4，所述两个腔体分为第一腔体及第二腔体。所述第一腔体及第二腔体中间通过设置一个隔墙3而隔离开，所述荒煤气导出装置4还包括与所述隔墙3固定的固定装置4-6。第一腔体内具有第一辐射管9；第二腔体内具有第二辐射管10。辐射管起到加热的作用。并且为了能够在不同位置加热温度不同，辐射管的设置密度也不同。所述第一腔体顶部具有第一进料口5而底部具有第一出料口7。第二腔体顶部具有第二进料口6而底部具有第二出料口8。荒煤气导出装置4包括位于第一腔体内的进气管4-1、位于第二腔体内的出气管4-3、同时与进气管4-1和出气管4-3连通并延伸出热解炉1的排尘管4-2。所述第二腔体顶部还设有炉顶气出口13。

所述气基竖炉2设有连通所述第二腔体的热解炉还原气通道，同时第二腔体内延伸出连通第二腔体及热解炉还原气通道的净热解气通道11。热解炉还原气通道一端为连通第二腔体的热解炉还原气入口12，另一端为连通气基竖炉2的竖炉还原气入口2-1。

请参阅图2，所述荒煤气导出装置的进气管4-1包括进气段411及自进气段411顶部倾斜向下延伸的中间段412，且该中间段412与水平方向呈50-70°，中间段412的末端与排尘管4-2连通；出气管4-3包括自中间段412底部倾斜向上延伸的延伸段431及自延伸段431弯折向下延伸的出气段432，延伸段431与水平方向呈50-70°。排尘管4-2的底部设有排尘储罐4-4，排尘储罐下设置有排尘口4-5。

该装置结构设计遵循达到以下方法的目的：

粉状低阶煤由第一进料口5加入热解炉1第一腔体，在800-950℃热解形成的提质煤和热解荒煤气分别从第一出料口7和荒煤气导出装置4排出，辐射管9通过燃烧气体燃料为热解炉第一腔体供热。铁矿石氧化球团从第二进料口6加入热解炉1第二腔体，先被从热解炉还原气入口12通入的净热解气预热、还原，生成的海绵铁再往下运动对由荒煤气导出装置4排出的热解油气进行催化重整、除尘和吸附焦油等处理(海绵铁催化CH4、C2+、焦油等与荒煤气所含的H2O和CO2重整转化生成有效气H2、CO)，形成的净热解气从净热解气通道11排出，然后少部分的净热解气通入热解炉还原气入口12，剩下的净热解气从竖炉还原气入口2-1通入竖炉还原铁矿石。从热解炉还原气入口12通入的净热解气对加入的氧化球团还原、预热后，从第二腔体炉顶的炉顶气出口13排出热解炉，经水洗降温后可作为辐射管9与10的燃料。海绵铁重整转化反应是需要吸收大量热量的，为提高重整转化效率，在第二腔体出气结构4-3附近重整段设置有辐射管10以提供热量，使重整段控制在800-950℃；同时在净热解气通道11附近设置有辐射管10，以将排出的净热解气温度提高到850-1000℃(这里为了达到较高温度，周边的辐射管数量的设置密度可以变大)，这样达到竖炉还原气温度与成分要求的净热解气就直接送入气基竖炉2还原铁矿石。第二腔体海绵铁还吸附脱除大部分的粉尘与焦油，最终使用过的海绵铁从第二出料口8排出热解炉1。荒煤气导出装置4收集到的提质煤粉尘经排尘储罐4-4储存与冷却后，从排尘口4-5排出炉外。

其中：

热解炉第一腔体完成对低阶煤的热解，第二腔体能气基还原铁矿石生产海绵铁，且海绵铁中携带能提供后续熔分热量或还原剂的提质煤粉尘与焦油。

进气管4-1的进气口与底部提质煤堆积顶端距离1-2m，且优选呈喇叭口，中间段412呈水平向下趋势，与水平方向呈50-70°。(有利于降低进入右侧的热解荒煤气的粉尘含量)

出气结构4-3的延伸段431呈水平向上趋势，与水平方向呈50-70°。(有利于降低进入右侧的热解荒煤气的粉尘含量)

第二腔体中入炉氧化球团颗粒为8-25mm。

从热解炉还原气入口12排出的净热解气摩尔含量CH4<6％、C2+<0.3％、H2+CO>84％、H2O+CO2<7％、焦油等有机物含量<4g/Nm3。

实施例二

本实施例提供一种使用上述装置的生产气基竖炉还原气的方法。

请结合图1和图2。

100t/h、粒度小于3mm的长焰煤由第一进料口5加入热解炉1第一腔体，在850℃热解形成的提质煤和热解荒煤气分别从第一出料口7和荒煤气导出装置4排出，辐射管9通过燃烧气体燃料为热解炉第一腔体供热。进气管4-1进气口与底部提质煤堆积顶端距离1.2m，呈喇叭口，中间段412呈水平向下趋势，与水平方向呈70°。出气结构4-3延伸段呈水平向上趋势，与水平方向呈50°。8-16mm质量含量占95％、全铁58％的钒钛氧化球团从第二进料口6加入热解炉1第二腔体，先被从热解炉还原气入口12通入的净热解气预热、还原，生成85％金属化率的海绵铁再往下运动对由荒煤气导出装置4排出的热解油气进行催化重整、除尘和吸附焦油等处理，形成的5.6万Nm³/h净热解气从净热解气通道11排出，净热解气摩尔含量CH4＝5.9％、C2+＝0.2％、H2+CO＝85％、H2O+CO2＝6.8％、焦油等有机物含量＝3.9g/Nm³、粉尘含量1.8g/Nm³。然后10％的净热解气通入热解炉还原气入口12，剩下90％的净热解气从竖炉还原气入口2-1通入竖炉还原全铁67％的铁精矿氧化球团，竖炉2年产金属化率90％的海绵铁50万吨。从热解炉还原气入口12通入的净热解气对加入的氧化球团还原、预热后，从第二腔体炉顶的炉顶气出口13排出热解炉，经水洗降温后可作为辐射管10的燃料。在第二腔体出气结构4-3附近重整段设置有辐射管10以提供热量，使重整段控制在850℃；同时在净热解气通道11附近设置有辐射管10，以将排出的净热解气温度提高到900℃，然后直接送入气基竖炉2还原铁矿石。使用过的海绵铁从第二出料口8排出热解炉1。荒煤气导出装置4收集到的提质煤粉尘经排尘储罐4-4储存与冷却后，从排尘口4-5排出炉外，该提质煤粉尘与第二出料口排出的提质煤混合后进行进一步利用。热解炉第二腔体生产的钒钛海绵铁向下移动速度为0.3m/s，该海绵铁携带有10kg/t的提质煤粉尘和2.5kg/t的焦油等有机物，这些携带的提质煤粉尘与焦油将为海绵铁后续的熔分提供能量与还原剂。

实施例三

本实施例提供一种使用上述装置的生产气基竖炉还原气的方法。

150t/h、粒度小于3mm的褐煤由第一进料口5加入热解炉1第一腔体，在950℃热解形成的提质煤和热解荒煤气分别从第一出料口7和荒煤气导出装置4排出，辐射管9通过燃烧气体燃料为热解炉第一腔体供热。进气管4-1的进气口与底部提质煤堆积顶端距离1.7m，呈喇叭口，中间段412呈水平向下趋势，与水平方向呈50°。出气结构4-3的延伸段431呈水平向上趋势，与水平方向呈70°。8-16mm质量含量占95％、全铁20％、镍1.8％的红土镍矿氧化球团从第二进料口6加入热解炉1第二腔体，先被从热解炉还原气入口12通入的净热解气预热、还原，生成60％金属化率的红土镍矿海绵铁再往下运动对由荒煤气导出装置4排出的热解油气进行催化重整、除尘和吸附焦油等处理，形成的8.4万Nm³/h净热解气从净热解气通道11排出，净热解气摩尔含量CH4＝4.6％、C2+＝0.1％、H2+CO＝87％、H2O+CO2＝6.1％、焦油等有机物含量＝3.6g/Nm³、粉尘含量1.6g/Nm³。然后7％的净热解气通入热解炉还原气入口12，剩下93％的净热解气从竖炉还原气入口2-1通入竖炉还原铁矿石，竖炉2年产金属化率93％的海绵铁80万吨。从热解炉还原气入口12通入的净热解气对加入的氧化球团还原、预热后，从第二腔体炉顶的炉顶气出口13排出热解炉，经水洗降温后可作为辐射管9的燃料。在第二腔体出气结构4-3附近重整段设置有辐射管10以提供热量，使重整段控制在880℃；同时在净热解气通道11附近设置有辐射管10，以将排出的净热解气温度提高到980℃，然后直接送入气基竖炉2还原铁矿石。使用过的海绵铁从第二出料口8排出热解炉1。荒煤气导出装置4收集到的提质煤粉尘经排尘储罐4-4储存与冷却后，从排尘口4-5排出炉外，该提质煤粉尘与第二出料口排出的提质煤混合后进行进一步利用。热解炉第二腔体生产的钒钛海绵铁向下移动速度为0.3m/s，该海绵铁携带有9kg/t的提质煤粉尘和1.8kg/t的焦油等有机物，这些携带的提质煤粉尘与焦油将为海绵铁后续的熔分提供能量与还原剂。