一种生产直接还原铁的系统及方法与流程

本发明属于直接还原炼铁技术领域，具体涉及一种生产直接还原铁的系统及方法。

背景技术：

直接还原铁(dri)又称海绵铁，是铁矿石在低于熔化温度下直接还原得到的含铁产品。海绵铁是一种废钢的代用品，是电炉炼纯净钢、优质钢不可缺少的杂质稀释剂，是转炉炼钢优质的冷却剂，是发展钢铁冶金短流程不可或缺的原料。

生产直接还原铁的工艺称为直接还原法，属于非高炉炼铁工艺，分为气基法和煤基法两大类。其中，76％的直接还原铁是通过气基法生产的。气基法采用还原气(其主要成分为co和h2)还原铁矿石，制备直接还原铁。目前，还原气主要以天然气为原料制得。现有的采用天然气制备还原气的工艺所需热量多、设备昂贵，导致所得的直接还原铁的成本也很高。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明首先提供了一种生产直接还原铁的系统，所述系统包括：

气基竖炉，具有氧化物料入口、高温还原气入口、第一co2入口、炉顶气出口和直接还原铁出口；

洗涤器，具有炉顶气入口和净炉顶气出口，所述炉顶气入口与所述气基竖炉的炉顶气出口相连；

压缩机，具有净炉顶气入口和压缩炉顶气出口，所述净炉顶气入口与所述洗涤器的净炉顶气出口相连；

脱硫脱碳塔，具有压缩炉顶气入口、第一还原气出口和co2出口，所述压缩炉顶气入口与所述压缩机的压缩炉顶气出口相连；

换热器，具有h2入口、第二co2入口、高温逆变换气体入口、预热混合气体出口和低温逆变换气体出口，所述第二co2入口与所述脱硫脱碳塔的co2出口相连；

逆变换炉，具有预热混合气体入口、高温逆变换气体出口和燃料气入口，所述预热混合气体入口与所述换热器的预热混合气体出口相连，所述高温逆变换气体出口与所述换热器的高温逆变换气体入口相连；

间冷器，具有低温逆变换气体入口、第二还原气出口和冷凝水出口，所述低温逆变换气体入口与所述换热器的低温逆变换气体出口相连；

加热炉，具有低温还原气入口、燃料气入口和高温还原气出口，所述低温还原气入口分别与所述脱硫脱碳塔的第一还原气出口、所述间冷器的第二还原气出口相连，所述燃料气入口与所述洗涤器的净炉顶气出口相连，所述高温还原气出口与所述气基竖炉的高温还原气入口相连。

进一步地，所述脱硫脱碳塔的第一还原气出口还与所述加热炉的燃料气入口相连。

进一步地，所述逆变换炉的燃料气入口与所述洗涤器的净炉顶气出口或所述脱硫脱碳塔的第一还原气出口相连。

进一步地，所述系统还包括co2驰放车间，所述co2驰放车间与所述气基竖炉的第一co2入口相连。

进一步地，所述换热器还包括第三co2入口，所述第三co2入口与所述co2驰放车间相连。

本发明还提供了一种利用上述系统生产直接还原铁的方法，所述方法包括如下步骤：

准备氧化物料、第一co2和h2；

将从所述气基竖炉中排出的炉顶气送入所述洗涤器中除尘、脱水，获得净炉顶气；

将80％-90％的所述净化炉顶气送入所述压缩机进行压缩，获得压缩炉顶气；将剩下的10％-20％的所述净化炉顶气送入所述加热炉中作为燃料使用；

将所述压缩炉顶气送入所述脱硫脱碳塔中，脱除炉顶气中的硫化氢和二氧化碳，获得第一还原气和第二co2；

将所述第二co2送入所述换热器中，并往所述换热器中加入所述h2，所述第二co2和所述h2在所述换热器中混合后被预热为预热混合气体；

将所述预热混合气体送入所述逆变换炉中在催化剂的作用下进行反应，获得高温逆变换气体；

将所述高温逆变换气体送回所述换热器中与所述第二co2和所述h2形成的混合气体换热，所述混合气体被预热，所述高温逆变换气体变为低温逆变换气体；

将所述低温逆变换气体送入所述间冷器中冷却，除去所述低温逆变换气体中的水蒸气，获得第二还原气；

将所述第一还原气、所述第二还原气送入所述加热炉中进行加热，获得高温还原气；

将所述高温还原气送入所述气基竖炉中，用于还原所述氧化物料，获得直接还原铁；所述气基竖炉采用所述第一co2进行动态密封。

进一步地，将1％-20％的所述第一还原气作为燃料气送入所述加热炉中进行燃烧，提供热量；将剩下的80％-99％的所述第一还原气送入所述加热炉中进行加热，制备高温还原气。

进一步地，所述逆变换炉使用的燃料气为所述净化炉顶气或所述第一还原气。

进一步地，所述第一co2的泄入量为10-20标立/dri。

进一步地，所述催化剂为铜基催化剂或铁基催化剂。

本发明采用炉顶气作为原料，制备气基竖炉用还原气，炉顶气的循环利用率在80％以上，提高了炉顶气的利用价值，降低了还原气的制备成本，且减少了对环境的污染。

其次，本发明的气基竖炉采用co2进行动态密封，不仅能起到良好的密封作用，同时降低了炉顶气中n2的富集，因此可提高炉顶气的循环利用率，且泄漏进炉顶气中的co2可作为后续逆变换工序的反应原料。

进一步地，本发明采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气，既减少了投资，又降低了能耗。本发明制得的还原气的还原能力强，还原气中co和h2的含量高于85％，由其制得的直接还原铁的品质高。

此外，本发明的炉顶气经过脱硫脱碳处理后再循环利用，因此本发明提供的工艺可用于还原高硫氧化物球团。

本发明可用于工业化生产装置，特别是大中型工业试验装置。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种直接还原铁的制备系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的一种利用上述系统制备直接还原铁的工艺流程图。

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。

如图1所示，本发明提供的生产直接还原铁的系统包括：气基竖炉1、洗涤器2、压缩机3、脱硫脱碳塔4、换热器5、逆变换炉6、间冷器7、加热炉8和co2驰放车间9。

气基竖炉1具有氧化物料入口、高温还原气入口、第一co2入口、炉顶气出口和直接还原铁出口。

洗涤器2具有炉顶气入口和净炉顶气出口，炉顶气入口与气基竖炉1的炉顶气出口相连。

压缩机3具有净炉顶气入口和压缩炉顶气出口，净炉顶气入口与洗涤器2的净炉顶气出口相连。

脱硫脱碳塔4具有压缩炉顶气入口、第一还原气出口和co2出口，压缩炉顶气入口与压缩机3的压缩炉顶气出口相连。

换热器5具有h2入口、第二co2入口、第三co2入口、高温逆变换气体入口、预热混合气体出口和低温逆变换气体出口，第二co2入口与脱硫脱碳塔4的co2出口相连。

逆变换炉6具有预热混合气体入口、高温逆变换气体出口和燃料气入口，预热混合气体入口与换热器5的预热混合气体出口相连，高温逆变换气体出口与换热器5的高温逆变换气体入口相连，燃料气入口分别与洗涤器2的净炉顶气出口和脱硫脱碳塔4的第一还原气出口相连。

间冷器7具有低温逆变换气体入口、第二还原气出口和冷凝水出口，低温逆变换气体入口与换热器5的低温逆变换气体出口相连。

加热炉8具有低温还原气入口、燃料气入口和高温还原气出口，低温还原气入口分别与脱硫脱碳塔4的第一还原气出口、间冷器7的第二还原气出口相连，燃料气入口分别与洗涤器2的净炉顶气出口和脱硫脱碳塔4的第一还原气出口相连，高温还原气出口与气基竖炉1的高温还原气入口相连。

co2驰放车间9分别与气基竖炉1的第一co2入口和换热器5的第三co2入口相连。

炉顶气中含有n2，为了防止n2无限制循环，因此需要排出一部分炉顶气。本发明将洗涤器2的净炉顶气和脱硫脱碳塔4的第一还原气排出一部分，并将其作为燃料气供逆变换炉6和加热炉8使用。图1中，逆变换炉6和加热炉8的燃料气入口同时与洗涤器2的净炉顶气出口和脱硫脱碳塔4的第一还原气出口相连。需要说明的是，逆变换炉6的燃料气入口或加热炉8的燃料气入口也可单独与洗涤器2的净炉顶气出口或脱硫脱碳塔4的第一还原气出口相连。

本发明的co2驰放车间9可以是煤化工厂或石油化工厂的co2驰放车间，本发明将其变害为宝用于生产还原剂co，可极大的降低还原系统产生的co2排放。

换热器5设置第三co2入口的目的是为了往系统中加入新的co2，以制备更多的co。显而易见的，换热器5也可以不设第三co2入口，此时，制备第二还原气的co2可全是从脱硫脱碳塔4排出的第二co2。

本发明采用炉顶气作为原料，制备气基竖炉用还原气，炉顶气的循环利用率在80％以上，提高了炉顶气的利用价值，降低了还原气的制备成本，且减少了对环境的污染。

进一步地，本发明采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气，既减少了投资，又降低了能耗。本发明制得的还原气的还原能力强，还原气中co和h2的含量高于85％，由其制得的直接还原铁的品质高。

此外，本发明的炉顶气经过脱硫脱碳处理后再循环利用，因此本发明提供的工艺可用于还原高硫氧化物球团。

本发明可用于工业化生产装置，特别是大中型工业试验装置。

如图2所示，本发明提供的利用上述系统生产直接还原铁的方法，包括如下步骤：

1)准备氧化物料、第一co2、第三co2和h2。

2)将从气基竖炉1中排出的炉顶气送入洗涤器2中除尘、脱水，获得净炉顶气。

3)将80％-90％的净化炉顶气送入压缩机3进行压缩，获得压缩炉顶气；将剩下的10％-20％的净化炉顶气送入逆变换炉6和加热炉8中作为燃料气使用。

4)将压缩炉顶气送入脱硫脱碳塔4中，脱除炉顶气中的硫化氢和二氧化碳，获得第一还原气和第二co2。

5)将第二co2送入换热器5中，并往换热器中加入h2和第三co2，第二co2、第三co2和h2在换热器5中混合后被预热为预热混合气体。

6)将预热混合气体送入逆变换炉6中在催化剂的作用下进行反应，获得高温逆变换气体。

7)将高温逆变换气体送回换热器5中与第二co2、第三co2和h2形成的混合气体换热，混合气体被预热，高温逆变换气体变为低温逆变换气体。

8)将低温逆变换气体送入间冷器7中冷却，除去低温逆变换气体中的水蒸气，获得第二还原气。

9)将1％-20％的第一还原气作为燃料气送入逆变换炉6和加热炉8中进行燃烧，提供热量。

10)将第二还原气和剩下的80％-99％的第一还原气送入加热炉8中进行加热，获得高温还原气。

11)将高温还原气送入气基竖炉1中，用于还原氧化物料，获得直接还原铁。

本发明中，气基竖炉1采用co2(本发明中将其称为第一co2)进行动态密封，不仅能起到良好的密封作用，同时降低了炉顶气中n2的富集，因此可提高炉顶气的循环利用率，且泄漏进炉顶气中的co2可作为后续逆变换工序的反应原料。第一co2来源于co2驰放车间。在本发明优选的实施例中，第一co2的泄入量为10-20标立/dri。

第三co2也来源于co2驰放车间，同前所述，也可不往换热器5中加入第三co2。

同前所述，逆变换炉6或加热炉8所用的燃料气也可只是净化炉顶气或第一还原气中的一种。

本发明制得的直接还原铁的金属化率高于90％。

co2和h2在催化剂的作用下进行如下反应(本发明亦将其称为逆变换反应)：

co2+h2＝co+h2o

在本发明优选的实施例中，第二co2、第三co2和h2的体积比为(15-30)：(0.1-15)：(65-80)。

co2和h2的逆变换反应属于吸热反应，但由于采用了高温逆变换气体预热进入逆变换炉6的co2和h2，因此，co2和h2在进行逆变换反应时所需的热量不用太多。在本发明优选的实施例中，混合气体被预热至400℃-650℃。在本发明优选的实施例中，预热混合气体在逆变换炉6中的反应温度为500℃-700℃。

本发明采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气。既能减少投资，又能降低能耗。本发明制得的还原气的还原能力强，还原气中co和h2的含量高于85％。在本发明优选的实施例中，催化剂为铜基催化剂或铁基催化剂。

还原气中的co和h2的总含量越高越好，co2和水蒸气的含量越低越好。在本发明优选的实施例中，高温还原气的水蒸气的含量≤3.5％。在本发明优选的实施例中，高温还原气中的co2的含量≤4.5％。

在本发明优选的实施例中，第二还原气和第一还原气的摩尔比为0.4:1-0.6:1时，获得的混合还原气中h2/co的比值为1.5-1.9，用其制得的直接还原铁的金属化率高。

制备直接还原铁的反应为吸热反应，因此，还原气在使用前需加热，然后再送入气基竖炉中。经过大量的实验发现，送入气基竖炉前，优选将还原气加热至800℃-1000℃。

本发明使用的第一co2、第三co2和h2的纯度均≥90％，其他成分为n2。

需要说明的是，除特别指明外，本发明所有提及的气体的百分含量均为体积含量，气体的百分比均为体积百分比。

下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述发明内容中所示。下述实施例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。

实施例1

本实施例生产直接还原铁的具体过程如下：

(1)制备还原气：

1)制备第一还原气：

将从气基竖炉1中排出的炉顶气送入洗涤器2中除尘、脱水，获得净炉顶气。

将80％的净炉顶气送入压缩机3中进行压缩，获得压缩炉顶气。

将压缩炉顶气送入脱硫脱碳塔4中，脱除炉顶气中的硫化氢和二氧化碳，获得第一还原气、第二co2。第二co2与第一还原气的体积比为1:9。

2)制备第二还原气：

准备第一co2、第三co2和h2；第一co2、第三co2来自co2驰放车间9，co2驰放车间9为石油化工厂co2驰放车间；第一co2、第三co2和h2的纯度为95％，其余成分为n2。

将第二co2送入换热器5中，并往换热器中加入第三co2和h2，第二co2、第三co2和h2在换热器5中混合后被预热为预热混合气体。第二co2、第三co2和h2的体积比为30：0.1：70，获得的预热混合气体的温度为400℃。

将预热混合气体送入逆变换炉6中在催化剂的作用下进行反应，获得高温逆变换气体。预热混合气体在逆变换炉6中的反应温度为500℃，逆变换炉6所用的催化剂为铜基催化剂。

将高温逆变换气体送回换热器5中与第二co2、第三co2和h2形成的混合气体换热，混合气体被预热，高温逆变换气体变为低温逆变换气体。

将低温逆变换气体送入间冷器7中冷却，除去低温逆变换气体中的水蒸气，获得第二还原气。

(2)制备直接还原铁

准备全铁品位为62％的氧化球团；

将第一还原气和第二还原气送入加热炉8中混合后加热至1000℃，获得高温还原气。第二还原气和第一还原气的摩尔比为0.4:1；高温还原气中co和h2的含量为90％，h2/co的比值为1.5；高温还原气中水蒸气的含量为3.5％，co2的含量为4.5％。加热炉8使用的燃料气为剩下的20％的净炉顶气。

将高温还原气送入气基竖炉1中还原上述氧化球团，制备直接还原铁。气基竖炉1采用第一co2进行动态密封，第一co2的泄入量为20标立/dri。

制得的直接还原铁的金属化率为93％。

实施例2

本实施例生产直接还原铁的具体过程如下：

(1)制备还原气：

1)制备第一还原气：

将从气基竖炉1中排出的炉顶气送入洗涤器2中除尘、脱水，获得净炉顶气。

将90％的净炉顶气送入压缩机3中进行压缩，获得压缩炉顶气。

将压缩炉顶气送入脱硫脱碳塔4中，脱除炉顶气中的硫化氢和二氧化碳，获得第一还原气、第二co2。第二co2与第一还原气的体积比为1:4。

2)制备第二还原气：

准备第一co2和h2；第一co2来自co2驰放车间9，co2驰放车间9为煤化工厂co2驰放车间；第一co2和h2的纯度为99％，其余成分为n2。

将第二co2送入换热器5中，并往换热器中加入h2，第二co2和h2在换热器5中混合后被预热为预热混合气体。第二co2和h2的体积比为20：80，获得的预热混合气体的温度为650℃。

将预热混合气体送入逆变换炉6中在催化剂的作用下进行反应，获得高温逆变换气体。预热混合气体在逆变换炉6中的反应温度为700℃，逆变换炉6所用的催化剂为铁基催化剂。

将高温逆变换气体送回换热器5中与第二co2和h2形成的混合气体换热，混合气体被预热，高温逆变换气体变为低温逆变换气体。

将低温逆变换气体送入间冷器7中冷却，除去低温逆变换气体中的水蒸气，获得第二还原气。

(2)制备直接还原铁

准备全铁品位为65％的氧化球团；

将第二还原气和99％的第一还原气送入加热炉8中混合后加热至800℃，获得高温还原气。第二还原气和第一还原气的摩尔比为0.6:1；高温还原气中co和h2的含量为91％，h2/co的比值为1.9；高温还原气中水蒸气的含量为2.3％，co2的含量为4％。加热炉8使用的燃料气为剩下的10％净炉顶气和1％第一还原气。

将高温还原气送入气基竖炉1中还原上述氧化球团，制备直接还原铁。气基竖炉1采用第一co2进行动态密封，第一co2的泄入量为10标立/dri。

制得的直接还原铁的金属化率为94％。

实施例3

本实施例生产直接还原铁的具体过程如下：

(1)制备还原气：

1)制备第一还原气：

将从气基竖炉1中排出的炉顶气送入洗涤器2中除尘、脱水，获得净炉顶气。

将85％的净炉顶气送入压缩机3中进行压缩，获得压缩炉顶气。

将压缩炉顶气送入脱硫脱碳塔4中，脱除炉顶气中的硫化氢和二氧化碳，获得第一还原气、第二co2。第一还原气与第二co2的体积比为1:6。

2)制备第二还原气：

准备第一co2、第三co2和h2；第一co2、第三co2来自co2驰放车间9，co2驰放车间9为石油化工厂co2驰放车间；第一co2、第三co2和h2的纯度为97％，其余成分为n2。

将第二co2送入换热器5中，并往换热器中加入第三co2和h2，第二co2、第三co2和h2在换热器5中混合后被预热为预热混合气体。第二co2、第三co2和h2的体积比为15：15：65，获得的预热混合气体的温度为500℃。

将预热混合气体送入逆变换炉6中在催化剂的作用下进行反应，获得高温逆变换气体。预热混合气体在逆变换炉6中的反应温度为600℃，逆变换炉6所用的催化剂为铜基催化剂。

将高温逆变换气体送回换热器5中与第二co2、第三co2和h2形成的混合气体换热，混合气体被预热，高温逆变换气体变为低温逆变换气体；

将低温逆变换气体送入间冷器7中冷却，除去低温逆变换气体中的水蒸气，获得第二还原气。

(2)制备直接还原铁

准备全铁品位为63％的氧化球团；

将第二还原气和80％的第一还原气送入加热炉8中混合后加热至900℃，获得高温还原气。第二还原气和第一还原气的摩尔比为0.5:1；高温还原气中co和h2的含量为88％，h2/co的比值为1.7；高温还原气中水蒸气的含量为2.3％，co2的含量为3.5％。加热炉8使用的燃料气为洗涤器2排出的驰放气。

将高温还原气送入气基竖炉1中还原上述氧化球团，制备直接还原铁。气基竖炉1采用第一co2进行动态密封，第一co2的泄入量为15标立/dri。

逆变换炉6和加热炉8使用的燃料气为剩下的15％净炉顶气和20％第一还原气。

制得的直接还原铁的金属化率为92％。

综上，本发明采用炉顶气作为原料制备气基竖炉用还原气，炉顶气的循环利用率在80％以上，提高了炉顶气的利用价值，降低了还原气的制备成本，且减少了对环境的污染。

其次，本发明的气基竖炉采用co2进行动态密封，不仅能起到良好的密封作用，同时降低了炉顶气中n2的富集，因此可提高炉顶气的循环利用率，且泄漏进炉顶气中的co2可作为后续逆变换工序的反应原料。

进一步地，本发明采用逆变换炉制备还原气，所用的逆变换炉只需装填廉价催化剂即可获得高品质的还原气，既减少了投资，又降低了能耗。本发明制得的还原气的还原能力强，还原气中co和h2的含量高于85％，由其制得的直接还原铁的品质高。

此外，本发明的炉顶气经过脱硫脱碳处理后再循环利用，因此本发明提供的工艺可用于还原高硫氧化物球团。

本发明可用于工业化生产装置，特别是大中型工业试验装置。

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。