一种由竖炉直接炼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，涉及一种使用混合气源作为还原气由竖炉直接炼铁的系统及方法。

背景技术：

直接还原铁是指一种铁矿石在炉内低于熔化温度条件下还原生产海绵铁的炼铁生产过程，其产品主要用作电炉炼钢的原料，也可作为转炉炼钢的冷却剂，如果经二次还原还可供粉末冶金用。由于是低温还原得到的直接还原铁未能充分渗碳，因而含碳较低，而矿石中的脉石成分既不能熔化造渣脱除也不能被还原，因而直接还原铁几乎保留了铁矿石中的全部脉石杂质。

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为midrex工艺和hylⅲ(energiron)工艺。midrex法以天然气为原料气，用炉顶气混合经重整后制成还原气。铁矿石在竖炉内经还原气还原，得到直接还原铁，在竖炉底部冷却段冷却后出炉。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。这两种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，采用的方法是充入大量的天然气，极大提高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。

另外，目前国外midrex气基竖炉直接还原生产海绵铁工艺对竖炉炉顶气的处理方式都是水洗塔降温、除尘，然后通过气液分离器进行脱水处理。水洗塔降温除尘，需要使用大量的冷却水，同时需要维持诸多污水处理、循环设备，使污水进行循环利用，整体处理工艺复杂并且成本偏高。竖炉炉顶气排放后有400℃左右的温度，直接对其进行水洗降温浪费了炉顶气所含热量，没有做到热量的充分利用。

因此，为了克服现有技术中天然气匮乏以及工艺复杂等技术缺陷，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使用脱氧煤层气和炉顶气的混合气源作为还原气由竖炉直接炼铁的系统及方法。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。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明，提供一种由竖炉直接炼铁的系统，包括：

脱氧装置，该脱氧装置用于进行煤层气的脱氧，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；

旋风除尘器，该旋风除尘器具有第三进口和第三出口，旋风除尘器的第三进口与混合器的第二出口连通；

电除尘器，该电除尘器具有第四进口和第四出口，电除尘器的第四进口与旋风除尘器的第三出口连通；

变压吸附装置，该变压吸附装置具有第五进口和第五出口，变压吸附装置的第五进口与电除尘器的第四出口连通；

重整炉，该重整炉具有第六进口和第六出口，重整炉的第六进口与变压吸附装置的第五出口连通；以及

加热炉，该加热炉具有第七进口和第七出口，加热炉的第七进口与重整炉的第六出口连通；

其中，加热炉的第七出口与竖炉的还原气入口相连。

进一步地，变压吸附装置为除氮装置。

进一步地，变压吸附装置的吸附剂为沸石分子筛、炭分子筛和活性碳的至少一种。

进一步地，旋风除尘器和电除尘器的工作温度为低于300℃。

更进一步地，旋风除尘器和电除尘器的工作温度为100-300℃

进一步地，脱氧装置采用两塔变压吸附法，主要设备有两个吸附塔、真空泵、缓冲罐。吸附剂采用炭分子筛，吸附温度为室温，单塔吸附时间为60-150s，置换时间为30-60s，煤层气吸附压力为0.2-0.4mpa。处理后的煤层气可以根据竖炉炉顶气压力调节一致后直接与炉顶气混合；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：塔1吸附、转换操作时塔2进行脱吸，然后均压并且再次进行两塔反向操作。

根据本发明，提供一种采用如上的系统直接炼铁的方法，包括以下步骤：

步骤一：将煤层气在脱氧装置中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(炉顶气多余部分可作为燃料气使用)混合成混合气后，进入旋风除尘器进行粗除尘，然后进入电除尘器进行精除尘；

步骤三：对混合气在变压吸附装置进行脱氮；

步骤四：将步骤三中脱氮后的混合气通入重整炉调质成还原气；

步骤五：将还原气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；

步骤六：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，步骤一中煤层气是甲烷和空气的混合气体，其中甲烷的体积分数为20％-60％；

进一步地，步骤二中煤层气与竖炉炉顶气混合成混合气的温度为110℃-300℃。

进一步地，步骤四中的还原气的成分是(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)的摩尔比不小于0.9。

进一步地，重整炉中使用的催化剂为镍或镍基合金催化剂。

进一步地，步骤五中经加热炉加热后还原气的温度为800℃以上。

进一步地，煤层气与炉顶气混合体积比为0.4-1.4:1。

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与h2o含量而定，一般的煤层气与炉顶气混合体积比为：1.4:1～0.4:1。在后续工艺中从气体成分配比角度可以更好的发生甲烷重整反应，同时考虑炉顶气与煤层气混合后的气体温度达到除尘设备的温度工作范围要求，另外混合后气体温度还需保持在110℃以上，以保证炉顶气中水蒸气不会冷凝，提高水资源利用率，目的是尽量使煤层气中的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+h2o＝co+3h2和ch4+co2＝2co+2h2。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过对煤层气处理，可以实现煤层气与竖炉的炉顶气混合后，作为竖炉还原铁的气体原料，充分利用了我国量大价低的煤层气资源。

2.本发明通过对煤气层进行脱氧处理，保证煤气层的安全性，而煤气层中的氮气通过与炉顶气进行混合除尘后，对于高氮混合气再次进行脱氮处理，不仅降低了混合气的分离难度，并且减少分离步骤，同时极易满足混合气的氮气含量要求，技术上更加容易实现，且成本较低。

3.本发明利用脱氧后的煤层气与竖炉炉顶气混合，得到温度为110-300℃的混合气，保留了炉顶气中的水分，提高了水资源利用率。通过旋风除尘器与电除尘器进行除尘处理，使混合气达到重整炉的要求，混合气中的co2与水蒸气作为重整原料与煤层气中的甲烷反应，减小了加水量，本发明与现有技术相比，尤其是与水洗塔除尘工艺相比，冷却水的使用量可以减少95％以上，并且省去冷却水处理、循环系统，节省工艺流程和生产成本。

附图说明

图1是按照本发明的实施例由竖炉直接炼铁的系统示意图；

图2是按照本发明的实施例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旋风除尘器、4电除尘器、5变压吸附装置、6重整炉、7加热炉、8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、旋风除尘器3、电除尘器4、变压吸附装置5、重整炉6、加热炉7和脱氧装置8；脱氧装置8用于进行煤层气的脱氧，脱氧装置具8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；旋风除尘器3具有第三进口和第三出口，旋风除尘器的第三进口与混合器的第二出口连通；电除尘器4具有第四进口和第四出口，电除尘器的第四进口与旋风除尘器的第三出口连通；变压吸附装置5具有第五进口和第五出口，变压吸附装置的第五进口与电除尘器的第四出口连通；重整炉6具有第六进口和第六出口，重整炉的第六进口与变压吸附装置的第五出口连通；以及加热炉7具有第七进口和第七出口，加热炉的第七进口与重整炉的第六出口连通；加热炉7的第七出口与竖炉1的还原气入口相连。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。

脱氧装置8采用两塔变压吸附法进行对煤层气的脱氧，主要设备有两个吸附塔、真空泵、缓冲罐。吸附剂采用炭分子筛，吸附温度为室温，单塔吸附时间为60-150s，置换时间为30-60s，煤层气吸附压力为0.2-0.4mpa。处理后的煤层气可以根据竖炉炉顶气压力调节一致后直接与炉顶气混合；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：塔1吸附、转换操作时塔2进行脱吸，然后均压并且再次进行两塔反向操作。脱氧装置8与混合器2连通。竖炉1的炉顶气出口与混合器2连通，将炉顶气输送至混合器2中。旋风除尘器3的一端与混合器2相连，旋风除尘器3的另一端依次连接有电除尘器4、变压吸附装置5、重整炉6和加热炉7。加热炉7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。变压吸附装置5为除氮装置，吸附剂可以为沸石分子筛、炭分子筛或活性碳的一种。旋风除尘器3和电除尘器4的工作温度为低于300℃。变压吸附装置5产生的氮气还可以用作吹扫或气封气使用。重整炉6中使用催化剂使得ch4、co2与h2o反应。催化剂可以是镍或镍基合金。

实施例1

如图1和2所示，本实施例使用如上所述的系统进行还原铁，并且使用开采的煤层气，其中甲烷的体积分数为45％；炉顶气主要为h2、co、h2o与co2的混合气体，温度为400℃，其中体积分数为75％的炉顶气与煤层气混合使用，剩余的体积分数为25％的炉顶气作为燃料气使用；

将煤层气在两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。脱氧处理后的煤层气输出压力为200kpa，与竖炉炉顶气压力相同；变压吸附装置去除煤层气中95％以上的氧气。将脱氧后的温度为25℃煤层气1200nm³/h与温度为400℃的炉顶气1900nm³/h在混合器2中进行充分混合后，混合气温度低于300℃，符合旋风除尘器3与电除尘器4的工作温度；

将混合气通入旋风除尘器3进行粗除尘，再在电除尘器4进行精除尘处理，然后在变压吸附装置5中脱氮，此时变压吸附装置5采用沸石分子筛作为吸附剂。脱氮后的混合气加入含镍基催化剂重整炉6进行重整调质，得到(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)为0.92的还原气。

将调质后的还原气在加热炉7中加热到800℃，从竖炉1中下部通入竖炉本体中；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，实验结果表明海绵铁产品金属化率达到90％以上。

实施例2

如图1和2所示，本实施例使用如上所述的系统进行还原铁，并且使用开采的煤层气，其中甲烷的体积分数为20％；炉顶气主要为h2、co、h2o与co2的混合气体，温度为430℃，其中体积分数为65％的炉顶气与煤层气混合使用，剩余的体积分数为35％的炉顶气作为燃料气使用；

将煤层气在两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0.4mpa。处理后的煤层气输出压力为200kpa，与竖炉炉顶气的压力相同；变压吸附装置去除掉煤层气中95％以上的氧气。将脱氧后的温度为15℃煤层气2000nm³/h与温度为400℃的炉顶气1800nm³/h在混合器2中进行充分混合后，混合气温度为低于300℃，符合旋风除尘器3与电除尘器4的工作温度；

将混合气通入旋风除尘器3进行粗除尘，再在电除尘器4进行精除尘处理，然后在变压吸附装置5中脱氮，此时变压吸附装置5采用炭分子筛作为吸附剂。脱氮后的混合气加入含镍基合金催化剂重整炉6进行重整调质，得到(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)为0.90的还原气。

将调质后的还原气在加热炉7中加热到900℃，从竖炉1中下部通入竖炉本体中；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，实验结果表明海绵铁产品金属化率能达到90％以上。

实施例3

如图1和2所示，本实施例使用如上所述的系统进行还原铁，并且使用开采的煤层气，其中甲烷的体积分数为60％；炉顶气主要为h2、co、h2o与co2的混合气体，温度为400℃，其中体积分数为80％的炉顶气与煤层气混合使用，剩余的体积分数为20％的炉顶气作为燃料气使用；

将煤层气在两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0.2mpa，处理后的煤层气输出压力为200kpa，与竖炉炉顶气的压力相同；变压吸附后去除掉煤层气中95％以上的氧气将脱氧后的温度为30℃煤层气830nm³/h与温度为400℃的炉顶气1800nm³/h在混合器2中进行充分混合后，混合气温度为低于300℃，符合旋风除尘器3与电除尘器4的工作温度；

将混合气通入旋风除尘器3进行粗除尘，再在电除尘器4进行精除尘处理，然后在变压吸附装置5中脱氮，此时变压吸附装置5采用活性碳作为吸附剂。脱氮后的混合气加入含镍基合金催化剂重整炉6进行重整调质，得到(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)为0.92的还原气。

将调质后的还原气在加热炉7中加热到850℃，从竖炉1中下部通入竖炉本体中；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，实验结果表明海绵铁产品金属化率能达到90％以上。

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物原料制成。

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，然后按一定比例与竖炉炉顶气混合，所得混合气温度小于300℃，通入旋风除尘器、电除尘器除尘，除尘后混合气进行变压吸附脱氮处理，然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，同时最大程度利用了炉顶气中的水分与二氧化碳进行重整反应，同时混合气除尘采用旋风除尘与电除尘与传统的水洗塔除尘方式相比可以有效减少水的使用在低资源消耗的前提下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。