一种由脱氧处理的煤层气与竖炉炉顶气的混合气直接还原铁的系统及方法与流程

本发明涉及冶金技术领域，更具体地，涉及一种由脱氧处理的煤层气与竖炉炉顶气的混合气直接还原铁的系统及方法。

背景技术：

2015年，全世界直接还原铁产量为7257万吨，其中气基竖炉法生产的直接还原铁约占80％。目前成熟的气基竖炉直接还原炼铁工艺的一种为hyliii(energiron)工艺。hyliii法以天然气和部分炉顶气为原料，通过原料天然气、转化剂水蒸汽在重整炉内的催化重整反应制取还原气，经加热炉加热至900～950℃后通入竖炉还原铁矿石。现有的工艺都是以天然气为气源通过重整后制取还原炼铁所需要的还原气，这类方法更适合于天然气储量丰富并且价格低廉的中东、北美以及俄罗斯等地区。而在我国这类天然气储量不丰富的国家使用天然气为原料进行竖炉法生产直接还原铁存在成本偏高等问题。

现有技术中使用瓦斯气和天然气制成混合气还原铁，为了使瓦斯气偏离爆炸极限，采用的方法是充入了大量的天然气，极大提高了混合气中甲烷的浓度。但是其处理流程长，在气体处理过程中由于氧气的存在，还是存在发生爆炸的危险。并且该项技术处理前提是给瓦斯气充入大量的天然气，这对于天然气匮乏或成本高的地区依然很难大规模推广。

因此，为了克服现有技术中使用天然气的技术缺陷，需要一种新型的直接还原铁的系统和方法。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种由脱氧处理的煤层气与竖炉炉顶气的混合气直接还原铁的系统及方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明，提供一种由脱氧处理的煤层气与竖炉炉顶气的混合气直接还原铁的系统包括：

煤层气脱氧装置，该煤层气脱氧装置用于进行煤层气的脱氧，煤层气脱氧装置具有第一进口和第一出口，第一进口用于输入煤层气；

混合器，该混合器具有第二煤层气进口、第二炉顶气进口和第二出口，混合器的第二煤层气进口与煤层气脱氧装置的第一出口连通；

竖炉，该竖炉具有炉顶气出口、球团进口、产品出口及还原气进口；竖炉的炉顶气出口与混合器的第二炉顶气进口连通；

水洗塔，该水洗塔具有第三进口和第三出口，水洗塔的第三进口与混合器的第二出口连通；

气液分离器，该气液分离器具有第四进口和第四出口，气液分离器的第四进口与水洗塔的第三出口连通；

重整炉，该重整炉具有第五进口、燃料气出口和第五出口，重整炉的第五进口与气液分离器的第四出口连通；以及

加热炉，该加热炉具有第六进口和第六出口，加热炉的第六进口与重整炉的第五出口连通；

加热炉的第六出口与竖炉的还原气入口相连。

进一步地，重整炉包含有催化剂。

更进一步地，所述催化剂为镍或镍基合金催化剂。

进一步地，煤层气脱氧装置采用两吸附塔变压吸附装置。

进一步地，两吸附塔变压吸附装置的吸附剂是炭分子筛。

根据本发明，提供一种采用如上的系统直接还原铁的方法，包括以下步骤：

步骤一：将煤层气进行脱氧处理后送入混合器中；

步骤二：在混合器中，煤层气与竖炉炉顶气混合成混合气后，进入水洗塔降温除尘，之后进入气液分离器进行气液分离；

步骤三：将步骤二中分离出的混合气通入重整炉调质成还原气；

步骤四：将还原气的一部分经过加热炉加热后通入竖炉中作为还原过程气体原料使用，还原气的其余部分不加热直接作为燃料气使用；

步骤五：铁矿制的氧化球团与还原气在竖炉中发生反应得到海绵铁产品。

进一步地，步骤一中煤层气脱氧装置采用两吸附塔变压吸附装置。

进一步地，变压吸附装置的吸附剂是炭分子筛。

进一步地，一个变压吸附过程包括吸附、置换、均压、脱附等步骤，两吸附塔异步操作为塔1吸附、置换操作时塔2进行脱吸，然后均压并且再进行反向操作。

进一步地，吸附温度为15-30℃，单塔吸附时间为60-150s，置换时间30-60s。其中吸附温度以环境温度为宜。

进一步地，煤层气吸附压力为0.1-0.5mpa，优选为0.2-0.4mpa，处理后的煤层气可以根据竖炉炉顶气压力条件调节为200kpa，直接与炉顶气混合。

进一步地，步骤一中煤层气是甲烷和空气的混合气体，其中甲烷所占的体积百分数是40％-80％。

进一步地，步骤三中的还原气的成分摩尔比(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)不小于0.9。

进一步地，步骤三中的还原气的成分体积比为h2/co＝1.2-1.8。

进一步地，步骤四中经加热炉加热后还原气的温度为800℃以上。

进一步地，步骤四中直接作为燃料气使用的还原气的其余部分占重整调质后还原气的体积比为20-35％。

进一步地，所述煤层气与所述炉顶气混合体积比为0.15-0.3:1

本发明的煤层气和炉顶气的混合原理在于：

脱氧后煤层气与炉顶气的混合比例需要考虑煤层气中ch4含量与炉顶气中co2含量而定，一般的煤层气与炉顶气混合体积比为0.3:1～0.15:1。目的是为了尽量使煤层气中的ch4在重整炉中充分反应生成还原性co与h2；

具体发生的主要化学反应为：ch4+co2＝2co+2h2。

本发明的有益效果是：

1.本发明的竖炉的直接还原过程中，还原气中含有一定的氮气含量，对于还原反应过程影响很小；本发明将煤层气的只需进行脱氧处理，从而将煤气层中的氧气进行脱除，脱氧率可以达到95％以上，满足安全使用要求，同时从变压吸附处理煤层气的角度上，进一步降低了煤气层的处理难度与处理负荷(由于煤层气为甲烷与空气的混合，其中空气中氮气与氧气的比例大致为4比1，只脱除氧气处理负荷较小)，并且使其可以满足竖炉的使用要求。

2.本发明的反应过程中炉顶气与脱氧后的煤层气混合处理再重整得到还原气，有效减少了体系中co2排放的问题，同时重整后的气体有部分作为燃料气使用，一方面提高了资源利用率，另一方面实现体系的氮气平衡保证竖炉生产不受影响。

附图说明

图1是按照本发明的实施例的由竖炉直接炼铁的系统的示意图；

图2是按照本发明的实施例的由竖炉直接炼铁的工艺流程图。

附图标记

1竖炉、2混合器、3水洗塔、4气液分离器、5重整炉、6加热炉、7煤层气脱氧装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明使用的系统包括竖炉1、混合器2、水洗塔3、气液分离器4、重整炉5、加热炉6和煤层气脱氧装置7。煤层气脱氧装置7用于进行煤层气的脱氧，煤层气脱氧装置具有第一进口和第一出口，第一进口用于输入煤层气；混合器2具有第二煤层气进口、第二炉顶气进口和第二出口，混合器的第二煤层气进口与煤层气脱氧装置的第一出口连通；竖炉1具有炉顶气出口、球团进口、产品出口及还原气进口；竖炉的炉顶气出口与混合器的第二炉顶气进口连通；水洗塔3具有第三进口和第三出口，水洗塔的第三进口与混合器的第二出口连通；气液分离器4具有第四进口和第四出口，气液分离器的第四进口与水洗塔的第三出口连通；重整炉5具有第五进口、燃料气出口和第五出口，重整炉的第五进口与气液分离器的第四出口连通；以及加热炉6具有第六进口和第六出口，加热炉的第六进口与重整炉的第五出口连通；加热炉6的第六出口与竖炉1的还原气入口相连，将加热后的还原气输送至竖炉1中进行还原。球团从竖炉1的球团进口进入竖炉中还原，还原后的产品从竖炉1的产品出口送出。

重整炉6中使用催化剂使得ch4、co2反应。催化剂可以是镍或镍基合金。

煤层气脱氧装置采用变压吸附方式脱氧，吸附剂采用炭分子筛。

一个变压吸附过程包括吸附、置换、均压、脱附等步骤，两吸附塔异步操作为塔1吸附、置换操作时塔2进行脱吸，然后均压并且再进行反向操作。吸附温度为15-30℃，单塔吸附时间为60-150s，置换时间30-60s。其中吸附温度以环境温度为宜。煤层气吸附压力为0.1-0.5mpa，处理后的煤层气可以根据竖炉炉顶气压力条件调节为200kpa，直接与炉顶气混合。

实施例1

如图1和2所示，本实施例使用的如上所述的系统进行还原铁，并且使用开采的煤层气其甲烷含量为50％(体积百分比)；炉顶气为h2、co、co2与n2的混合气体，温度为370℃。

步骤100中，将煤层气在两吸附塔变压吸附装置中进行脱氧处理，吸附剂是炭分子筛，反应条件为吸附温度25℃，单塔吸附时间150s,置换时间60s,吸附压力0.3mpa，处理后的煤层气输出压力为200kpa，变压吸附后去除掉煤层气中95％以上的氧气。然后将脱氧之后的煤层气送入混合器2中。步骤200中，竖炉1产生炉顶气。步骤300中，将脱氧后的煤层气800nm³/h与炉顶气2800nm³/h在混合器2中进行充分混合后，在步骤400中将混合气通入水洗塔3进行降温除尘处理，然后在步骤500中通过气液分离器4进行气液分离；

在步骤600中，将分离后的混合气加入含镍基催化剂重整炉5进行重整调质，得到含h2/co的体积比为1.5并且(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)为0.92的还原气，还原气的70％(体积百分数)用于竖炉还原，剩余的30％(体积百分数)用于燃料气(步骤800)。

步骤700中，将70％的调质后的还原气在加热炉6中加热到800℃，从竖炉1中下部通入竖炉本体中；步骤900中，还原气在竖炉1中将铁矿制的氧化球团还原成为海绵铁产品。

实施例2

如图1和2所示，本实施例使用的如上所述的系统进行还原铁，并且使用开采的煤层气其甲烷含量为40％(体积百分比)；炉顶气为h2、co、co2与n2的混合气体，温度为380℃；

步骤100中，将煤层气在两吸附塔变压吸附装置中进行脱氧处理，吸附剂是炭分子筛，反应条件为吸附温度15℃，单塔吸附时间100s,置换时间50s,吸附压力0.1mpa，处理后的煤层气输出压力为200kpa,变压吸附后去除掉煤层气中95％以上的氧气。然后将脱氧之后的煤层气送入混合器2中。步骤200中，竖炉1产生炉顶气。步骤300中，将脱氧后的煤层气900nm³/h与炉顶气3200nm³/h在混合器2中进行充分混合后，在步骤400中将混合气通入水洗塔3进行降温除尘处理，然后在步骤500中通过气液分离器4进行气液分离；

在步骤600中，将分离后的混合气加入含镍基合金催化剂重整炉5进行重整调质，得到含h2/co的体积比为1.8并且(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)为0.90的还原气，还原气的65％(体积百分数)用于竖炉还原，剩余的35％(体积百分数)用于燃料气(步骤800)。

步骤700中，将65％调质后的还原气在加热炉6中加热到900℃，从竖炉1中下部通入竖炉本体中；步骤900中，还原气在竖炉1中将铁矿制的氧化球团还原成为海绵铁产品。

实施例3

如图1和2所示，本实施例使用的如上所述的系统进行还原铁，并且使用开采的煤层气其甲烷含量为80％(体积百分比)；炉顶气为h2、co、co2与n2的混合气体，温度为400℃；

步骤100中，将煤层气在两吸附塔变压吸附装置中进行脱氧处理，吸附剂是炭分子筛，反应条件为吸附温度30℃，单塔吸附时间60s，置换时间30s，吸附压力0.5mpa，处理后的煤层气输出压力为200kpa，变压吸附后去除掉煤层气中95％以上的氧气。然后将脱氧之后的煤层气送入混合器2中。步骤200中，竖炉1产生炉顶气。步骤300中，脱氧后的煤层气500nm³/h与炉顶气2900nm³/h在混合器2中进行充分混合后，在步骤400中将混合气通入水洗塔3进行降温除尘处理，然后在步骤500中通过气液分离器4进行气液分离；

在步骤600中，将分离后的混合气加入含镍基合金催化剂重整炉5进行重整调质，得到含h2/co的体积比为1.2并且(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)为0.90的还原气，还原气80％(体积百分数)用于竖炉还原，剩余20％(体积百分数)用于燃料气(步骤800)。

步骤700中，将80％调质后的还原气在加热炉6中加热到850℃，从竖炉1中下部通入竖炉本体中；步骤900中，还原气在竖炉1中将铁矿制的氧化球团还原成为海绵铁产品。

本发明重整炉中使用的镍或镍基合金催化剂可以是本领域技术人员所公知的镍或镍基合金催化剂。

本实例1-3使用的铁矿制的氧化球团可以是由精铁矿或者钒钛铁矿等含铁矿等原料制成。

本实例1-3使用的煤层气是指从矿井下抽采的过程中会混入大量的空气，形成不同比例的甲烷与空气的混合气。我国煤层气资源储量丰富，而目前总体利用率偏低。因此，使用煤层气作为原料进行竖炉冶炼海绵铁，既可以降低气源成本，又可以利用大量存在煤层气资源，解决我国天然气匮乏或者成本偏高的问题。

本发明提出利用煤层气资源作为气体原料进行竖炉直接还原生产海绵铁，煤层气通过变压吸附装置脱除氧气去除气源爆炸的隐患，同时保留了煤层气中部分氮气，相对于传统煤层气处理工艺变压吸附处理规模小，易于实现，降低了煤层气处理成本，同时部分含氮煤层气对竖炉直接还原影响小，与传统煤层气回收利用技术相比，开发难度大大降低。煤层气与竖炉炉顶气混合处理后通入重整炉进行重整反应，最后加热并通入竖炉作为还原气原料进行海绵铁生产。本发明既利用了大量存在的煤层气资源又避免了其存在的爆炸风险并且与传统煤层气处理工艺相比降低了处理成本，另外还有效减少了体系中co2排放的问题，实现了海绵铁生产过程的资源、能源高效利用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。