天然气水蒸汽重整后还原红土镍矿球团的系统和方法与流程

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种天然气水蒸汽重整后还原红土镍矿球团的系统和方法。

背景技术：

直接还原铁又称海绵铁，是一种重要的可代替废钢且优于废钢的炼钢原料，可稀释废钢中的杂质元素成分，为电炉炼钢提供必不可少的纯净铁原料。钢铁企业发展直接还原铁技术，能更好地适应时代对企业向紧凑化、高效化、洁净化方向发展的要求。

2014年，全世界直接还原铁产量为7455万吨。其中，由气基竖炉法生产的约占80％。典型的工艺包括MIDREX工艺和HYLⅢ(Energiron)工艺。

MIDREX法以天然气为原料气，用炉顶气作为转化剂，经重整反应得到高品质还原气。炉顶气经降温除尘后，其中60～70％经压缩后与天然气按照化学反应当量混合，经预热器预热，然后通过装有镍催化剂的重整炉。在重整炉内，天然气与炉顶气中的CO₂和H₂O发生重整反应，得到850～900℃的还原气，然后将该还原气送入竖炉中。含铁的氧化球团或块矿在竖炉内经还原气还原得到直接还原铁。直接还原铁经竖炉底部的冷却段冷却后排出竖炉。冷却段的冷却气从竖炉排出，然后经水洗塔水洗和压缩机提压后，送回竖炉循环使用。但是，该方法中，重整炉造价昂贵，维护成本较高。并且，气体中的硫会导致重整炉内的重整催化剂中毒。因此，该工艺中需要严格控制矿石和煤气中的硫含量。

HYLⅢ工艺以天然气和部分炉顶气为原料，通过原料天然气、转化剂水蒸气在重整炉中的催化重整反应制取还原气。由重整炉制取的还原气，通过热量回收装置、水洗冷却装置处理，然后与部分经水洗冷却、脱硫脱碳的炉顶气混合。得到的混合气经加热炉加热至900～950℃，然后通入竖炉中，还原氧化球团或块矿。但是，该工艺中，操作压力较高，对反应器的要求较高。并且，由转化炉制取的高温还原气，需经冷却除水以降低氧化度，然后再加热升温。因此，工艺上不太合理，耗能较高。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种天然气水蒸汽重整后还原红土镍矿球团的系统和方法，可以利用红土镍矿还原产生的金属镍作为重整反应的催化剂，有效利用甲烷，还原气中氢气含量较高，降低反应能耗。

本发明提供了一种天然气水蒸汽重整后还原红土镍矿球团的系统，包括竖炉、提氢装置、预热装置、加热装置。

所述竖炉具有红土镍矿球团入口、升温混合气入口、炉顶气出口、海绵铁出口。

所述提氢装置具有炉顶气入口、氢气出口、富一氧化碳气体出口。所述炉顶气入口与所述竖炉的炉顶气出口连接。

所述预热装置具有进气口、混合气出口。所述进气口与所述提氢装置的氢气出口连接，用于向所述预热装置中通入天然气、氢气、水蒸汽。

所述加热装置具有混合气入口、升温混合气出口。所述混合气入口与所述预热装置的混合气出口连接。所述升温混合气出口与所述竖炉的升温混合气入口连接。

进一步的，所述加热装置还具有富一氧化碳气体入口、烟气出口。所述富一氧化碳气体入口与所述提氢装置的富一氧化碳气体出口连接。

所述预热装置还具有烟气入口。所述烟气入口与所述加热装置的烟气出口连接。

进一步的，上述系统还包括依次连接的降温除尘装置、压缩装置、脱碳装置。所述降温除尘装置具有炉顶气入口，所述炉顶气入口与所述竖炉的炉顶气出口连接。所述脱碳装置具有炉顶气出口，所述炉顶气出口与所述提氢装置的炉顶气入口连接。

本发明还提出了一种利用上述系统由天然气水蒸汽重整后还原红土镍矿球团的方法，包括步骤：

将竖炉排出的炉顶气送入所述提氢装置中，分别得到氢气和富一氧化碳气体。

所述氢气与天然气混合后送入所述预热装置中预热，并与经预热的水蒸气混合，得到混合气。

将所述混合气送入所述加热装置中加热，得到升温混合气。

将所述升温混合气送入所述竖炉中，还原所述竖炉中的红土镍矿球团，得到海绵铁。

进一步的，将所述富一氧化碳气体送入所述加热装置中作为燃料气。

进一步的，所述燃料气燃烧产生的烟气送入所述预热装置中作为预热气。

上述由天然气水蒸汽重整后还原红土镍矿球团的方法中，所述炉顶气中CO和H₂的体积占所述炉顶气总体积的百分数为65％～75％。

进一步的，所述CO的体积占所述富一氧化碳气体体积的占比≥70％。

上述由天然气水蒸汽重整后还原红土镍矿球团的方法中，所述水蒸气的体积与所述天然气的体积比为0.9～1.2:1。

上述由天然气水蒸汽重整后还原红土镍矿球团的方法中，所述升温混合气的温度为900～1000℃。

本发明的系统和方法中，直接在竖炉中进行甲烷水蒸汽的重整，不单独使用甲烷重整转化炉，减少了转化炉的费用和镍基催化剂的消耗。而且，避免了炉顶气中含有的硫对催化剂的危害。因此，本发明可选用含硫氧化球团，拓宽了铁矿石选择的范围。

本发明中的提氢装置，可对炉顶气中没有反应的CO和H₂进行分离。其中，将分离得到的富一氧化碳气体作为加热装置的燃料气。并且，氢气与天然气混合重整后，可提高还原气中氢气的含量，促进氧化球团的还原，提高制备的海绵铁的金属化率。

本发明使用加热装置产生的高温烟气作为预热装置的预热气，有效利用了高温烟气的热能。经预热的低压水蒸汽与天然气、氢气混合，可为后序还原红土镍矿球团过程提供氧化剂。本发明采用蒸汽加湿的方式提供氧化剂，可降低重整反应所需的热量，并增加还原气中的氢气含量。

附图说明

图1为本发明实施例中天然气水蒸汽重整后还原红土镍矿球团的系统示意图。

图2为本发明利用图1所示的系统由天然气水蒸汽重整后还原红土镍矿球团的方法流程示意图。

附图中的附图标记如下：

1、竖炉；2、降温除尘装置；3、压缩装置；4、脱碳装置；5、提氢装置；6、预热装置；7、加热装置。

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。

由图1，本发明提供的天然气水蒸汽重整后还原红土镍矿球团的系统包括：竖炉1、提氢装置5、预热装置6、加热装置7。

竖炉1具有红土镍矿球团入口、升温混合气入口、炉顶气出口、海绵铁出口。

提氢装置5具有炉顶气入口、氢气出口、富一氧化碳气体出口。炉顶气入口与竖炉1的炉顶气出口连接。

预热装置6具有进气口、烟气入口、混合气出口。进气口与提氢装置5的氢气出口连接。预热装置6的进气口用于向预热装置6中通入天然气、氢气、水蒸汽，并进行预热。

加热装置7具有混合气入口、富一氧化碳气体入口、升温混合气出口、烟气出口。该混合气入口与预热装置6的混合气出口连接。升温混合气出口与竖炉1的升温混合气入口连接。富一氧化碳气体入口与提氢装置5的富一氧化碳气体出口连接。烟气出口与预热装置6的烟气入口连接。

在本发明的不同实施例中，该系统还包括依次连接的降温除尘装置2、压缩装置3、脱碳装置4。其中，降温除尘装置2具有炉顶气入口，该炉顶气入口与竖炉1的炉顶气出口连接。脱碳装置4具有炉顶气出口，该炉顶气出口与提氢装置5的炉顶气入口连接。本系统中依次连接的降温除尘装置2、压缩装置3、脱碳装置4，用于对竖炉1排出的炉顶气依次进行降温除尘、、压缩、脱碳处理。该三种装置适用于不同的生产需求，或针对不同性质的炉顶气。

本发明还提出了一种利用图1所示的系统，由天然气水蒸汽重整后还原红土镍矿球团的方法。图2为该方法的流程示意图，包括如下步骤：

(1)将竖炉1排出的炉顶气送入提氢装置5中，分别得到氢气和富一氧化碳气体。本发明的炉顶气中，CO和H₂的体积占炉顶气总体积的百分数为65％～75％。其中，富一氧化碳气体的体积占炉顶气体积的占比≥70％。并且，富一氧化碳气体中，CO气体占富一氧化碳气体总体积的占比≥70％。

在本发明的不同实施例中，在将炉顶气送入提氢装置前，还可包括步骤：首先将炉顶气依次送入降温除尘装置2、压缩装置3、脱碳装置4中，进行降温除尘、压缩、脱碳处理，以得到满足提氢装置5进料要求的炉顶气。

(2)上述步骤得到的氢气与天然气混合后，经由预热装置6的进气口送入，水蒸汽也经由进气口送入预热装置6中，得到混合气。其中，天然气中的主要成分为甲烷。该混合气中，水蒸气的体积与天然气的体积比为0.9～1.2:1。然后，将混合气送入加热装置7中加热，得到升温混合气。

本发明中，经预热的混合气的温度为200～300℃。混合气经加热后，得到的升温混合气的温度为900～1000℃。

(3)将升温混合气送入竖炉1中。红土镍矿球团经由竖炉1上设置的红土镍矿球团入口送入。本发明的红土镍矿球团中，镍的质量含量为0.8～1.5％。竖炉的操作压力为0.1～0.2MPa。

在竖炉1中，红土镍矿球团被还原后，得到金属铁和金属镍，可作为升温混合气中甲烷和水蒸汽重整反应的催化剂。甲烷和水蒸汽重整后，生成CO和H₂。CO和H₂作为还原气，在竖炉1中上升的过程中，进一步与红土镍矿球团接触反应，将红土镍矿球团还原，制备海绵铁，并得到所述炉顶气。

本发明中，将提氢装置5中得到的富一氧化碳气体送入加热装置7中，作为燃料气。并且，将加热装置7中燃料气燃烧产生的烟气，送入预热装置6中作为预热气，实现了热量的回收利用。

实施例1

天然气与提氢装置排出的氢气混合后送入预热器中，天然气与氢气的温度由40℃升至200℃，并与经预热的水蒸汽混合，得到混合气。混合气在加热炉中加热至950℃，得到升温混合气。升温混合气送入竖炉中，重整得到还原气，还原含镍量为0.9％(质量含量)的红土镍矿球团，得到海绵铁和炉顶气。其中，海绵铁的金属化率为96％。

炉顶气经降温除尘、压缩、脱碳后，送入提氢装置中。海绵铁经冷却后，由竖炉底部排出，冷却气排出竖炉后，经水洗、压缩后重新送回竖炉中循环冷却使用。

实施例2

天然气与提氢装置排出的氢气混合后送入预热器中，天然气与氢气的温度由40℃升至200℃，并与经预热的水蒸汽混合，得到混合气。混合气在加热炉中加热至1000℃，得到升温混合气。升温混合气送入竖炉中，重整得到还原气，还原含镍量为1.2％(质量含量)的红土镍矿球团，得到海绵铁和炉顶气。其中，海绵铁的金属化率为96％。

炉顶气经降温除尘、压缩、脱碳后，送入提氢装置中。海绵铁不经冷却，直接进行工业应用。

实施例3

天然气与提氢装置排出的氢气混合后送入预热器中，天然气与氢气的温度由60℃升至300℃，并与经预热的水蒸汽混合，得到混合气。混合气在加热炉中加热至900℃，得到升温混合气。升温混合气送入竖炉中，重整得到还原气，还原含镍量为1.1％(质量含量)的红土镍矿球团，得到海绵铁和炉顶气。其中，海绵铁的金属化率为96％。

炉顶气经降温除尘、压缩、脱碳后，送入提氢装置中。海绵铁经冷却后，由竖炉底部排出，冷却气排出竖炉后，经水洗、压缩后重新送回竖炉中循环冷却使用。

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。