本发明涉及一种气基竖炉还原气的制备系统及方法，属于钢铁冶金技术领域。
背景技术：
高炉炼铁工艺与转炉结合在一起，形成了效率很高，规模巨大的钢铁生产流程，是世界上钢铁生产的主力。但由于其流程长、能耗高、污染重、需要消耗焦炭等特点，发展空间逐渐受到限制，世界各国开始转向非高炉炼钢技术，发展以废钢和直接还原铁为原料的电炉短流程炼钢技术，是一种环境友好和资源节约型的炼钢技术。在此技术中，直接还原铁可以稀释废钢中存在的碳、铜、锰、锌等杂质，在欧美发达国家的市场需求特别大。目前世界先进的直接还原铁技术是气基竖炉直接还原技术，该技术主要以天然气为原料，经变换成富h2和co的气体后，直接与铁矿石在高温条件下发生固态还原，生产海绵铁。由于我国天然气资源匮乏，发展气基竖炉还原技术受到限制。我国的煤炭资源相对丰富，发展煤炭气化制气和钢厂原有的焦炉煤气联合制还原气，用于气基竖炉生产海绵铁是符合我国国情的优选的技术路线，是适合我国发展新型炼铁技术的重要方向。
一般而言，竖炉直接还原炼铁对还原气的要求是，h2与co的总体积分数大于90％，
我国焦炉煤气资源丰富，且后续利用工艺不配套，造成大量焦炉煤气的浪费。焦炉煤气含氢气50％～60％，甲烷大于20％。
有鉴于现实需要，本领域亟需寻找一种适合于我国国情的气基竖炉还原气的制备系统及方法。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种气基竖炉还原气的制备系统，利用该还原气制备系统可将煤制气和焦炉煤气有效结合起来，制得可用于气基竖炉的还原气。
本发明的再一目的在于提供应用前述制备系统的气基竖炉还原气的制备方法。
为实现上述目的，本发明一种气基竖炉还原气的制备系统，其中，该制备系统包括气基竖炉炉顶气洗涤器、炉顶气脱碳装置、焦炉煤气净化装置、焦炉煤气脱硫装置、转化炉、热回收装置、合成气除尘装置、合成气脱硫脱碳装置及混合器；
所述转化炉包括密闭壳体，该密闭壳体内设有催化剂管，所述催化剂管的入口端作为所述转化炉的原料气入口，所述催化剂管的出口端作为所述转化炉的变换气出口，该密闭壳体上还设有合成气入口及合成气出口，该合成气入口作为合成气进入系统的入口(合成气进入密闭壳体后首先为催化剂管内反应提供热量，一般从催化剂管侧面通过)；
所述热回收装置为换热器，其设有热粗合成气入口及热粗合成气出口，冷精制合成气入口及冷精制合成气出口，冷原料气入口及冷原料气出口；
所述焦炉煤气净化装置的入口作为焦炉煤气进入系统的入口，所述焦炉煤气净化装置的出口与所述焦炉煤气脱硫装置的入口相连，所述焦炉煤气脱硫装置的出口通过管路与所述冷原料气入口相连，所述冷原料气出口与所述转化炉的原料气入口相连，所述变换气出口与所述混合器的入口相连；
所述气基竖炉炉顶气洗涤器的入口作为炉顶气进入系统的入口，所述气基竖炉炉顶气洗涤器的出口与所述炉顶气脱碳装置的入口相连，同时该气基竖炉炉顶气洗涤器的出口通过管路连接在所述焦炉煤气脱硫装置出口与所述冷流体原料气入口之间的管路上，所述炉顶气脱碳装置的出口与所述混合器的入口相连；
所述转化炉的合成气出口与所述热粗合成气入口相连，所述热粗合成气出口与所述合成气除尘装置的入口相连，所述合成气除尘装置的出口与所述合成气脱硫脱碳装置的入口相连，所述合成气脱硫脱碳装置的出口与所述冷精制合成气入口相连，所述冷精制合成气出口与所述混合器的入口相连；
所述混合器的出口作为气基竖炉还原气的出口。
采用上述制备系统可将煤制的合成气和焦炉煤气结合，二者优势互补，生产出符合竖炉要求的还原气。该技术可充分利用钢厂焦炉煤气资源，气化炉生产高温煤气的优势，大幅降低直接还原铁成本，能耗小，气体组分灵活可调，是钢厂升级改造提升产品质量的极具前景的技术路线。
本发明上述制备系统还可包括气基竖炉，该气基竖炉的炉体设有铁矿石进料口、直接还原铁出口、还原气入口及炉顶气出口；该炉顶气出口与所述气基竖炉炉顶气洗涤器的入口相连。在该气基竖炉内，铁矿石(如球团或块状)从竖炉上部进入，还原气从下向上流动，发生铁矿石的还原反应，反应温度一般为850～1000℃，得到海绵铁和炉顶气，直接还原铁从直接还原铁出口排出，炉顶气从炉顶气出口排出。
本发明上述制备系统还可包括升温装置；所述混合器的出口与所述升温装置的入口相连，所述升温装置的出口与所述还原气入口相连。
本发明上述制备系统还可包括煤气化炉，该煤气化炉设有合成气出口，该煤气化炉的合成气出口与所述转化炉的合成气入口相连；优选地，该煤气化炉为气流床气化炉。需要说明的是该煤气化炉可为其他类型的气化炉。在该煤气化炉内，煤炭在高温条件下，发生氧化还原反应，生成高温合成气。该高温合成气为转化炉提供热量，降低了合成气显热，节省能源。
本发明上述制备系统还可包括焦炉，该焦炉设有焦炉煤气出口，该焦炉煤气出口与所述焦炉煤气净化装置的入口相连。
本发明上述制备系统可包括上述多种组件。
作为本发明上述制备系统的一具体实施方式，优选地，所述合成气除尘装置为干法除尘装置。合成气在此进行除尘后，进入脱硫脱碳装置，经升温后进入混合器。
作为本发明上述制备系统的一具体实施方式，优选地，所述催化剂管为多根，其并列设置。
本发明催化剂管中可所采用的催化剂是镍基催化剂。其为现有催化剂。
另一方面，本发明提供一种气基竖炉还原气的制备方法，所述方法采用上述的制备系统，其包括如下步骤：
来自于焦炉的焦炉煤气经所述焦炉煤气净化装置、焦炉煤气脱硫装置，除尘、除焦油及脱硫后得净化后的焦炉煤气；
来自于气基竖炉的炉顶气进入所述气基竖炉炉顶气洗涤器除尘降温后，一部分进入所述炉顶气脱碳装置脱除二氧化碳后进入所述混合器，另一部分与所述净化后的焦炉煤气混合作为原料气，该原料气经所述热回收装置预热后进入所述催化剂管，在该催化剂管内发生催化重整反应得富含h2和co的变换气，该变换气进入所述混合器；
来自于煤气化炉的合成气首先经所述转化炉的合成气入口进入所述转化炉内为所述催化重整反应提供热量，提供热量后的合成气进入所述热回收装置作为热源，经再次换热冷却后依次进入所述合成气除尘装置及所述脱硫脱碳装置，除尘、脱硫及脱碳后得精制后的合成气，其经所述热回收装置加热后进入所述混合器；
进入所述混合器的所述富含h2和co的变换气、精制后的合成气、脱碳后的炉顶气在混合器内混合调节温度和气体组分，得到还原气。
本发明催化重整反应中，焦炉煤气中的ch4、co2和炉顶气中的co2作为原料被重整为富含co和h2的高温变换气，温度为800～1000℃。这使得资源配置合理，减少了co2的排放。催化重整反应是吸热反应，反应温度为800～1000℃，所需要的热量来自于煤气化炉制得的高温合成气。
本发明来自于气化炉生成的高温合成气，温度为1000～1300℃。进入转化炉为焦炉煤气的催化重整提供热量，节省能源，出转化炉的合成气进入热回收装置，出热回收装置的合成气经除尘后进入脱硫脱碳装置，净化后进入热回收装置，经加热后进入混合器。
本发明所述热回收装置单元中，热量来源于合成气余热，可对精制后的合成气，原料气等进行预热。
本发明合成气脱硫脱碳单元中，较低温度的合成气经冷却后，在此脱硫脱碳，得到高co和h2的精制的合成气。
作为本发明上述制备方法的一具体实施方式，优选地，进入所述炉顶气脱碳装置的气体体积占总体积的60％～90％。
作为本发明上述制备方法的一具体实施方式，优选地，作为所述原料气的炉顶气与所述净化后的焦炉煤气体积比为1～5:1。
作为本发明上述制备方法的一具体实施方式，优选地，进入所述转化炉的合成气与进入所述催化剂管内的原料气的体积比为1～3:1。
作为本发明上述制备方法的一具体实施方式，优选地，使用升温装置将经所述混合器混合后所得的还原气加热至850～1000℃。
本发明采用上述制气系统及方法的创新之处与有益效果包括：
(1)本发明的气基竖炉的还原气制备系统及方法，联合焦炉煤气和气化合成气，气体组分灵活可调，充分利用合成气显热，成本低廉，热效率高；
(2)本发明的气基竖炉的还原气制备系统及方法，气化炉生成的高温合成气，为转化炉提供热量，再经热回收装置降温，与传统工艺的先降温脱硫脱碳，再升温相比，能耗大幅降低。
(3)本发明的气基竖炉的还原气制备系统及方法，所生产的还原气可直接用于直接还原炼铁，不需要co变换装置，资源配置合理。
综上可知，本发明主要提供了一种用于气基竖炉直接还原炼铁的制备系统及方法，其是以煤气化合成气和焦炉煤气为气源，利用这两种气体联合制取高品位竖炉还原气，为直接还原炼铁提供了新的制气方法。本发明将焦炉煤气和气化炉合成气联合，充分利用焦炉煤气中有效的气体组分和合成气的高温特性，生产直接还原铁用还原气，具有气体组分灵活可调、热效率高、成本低、产品气品质好等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的气基竖炉还原气制备系统的示意图，该图中示出了物料流向，图中标号具有如下意义：
1：铁矿石进料口；2：气基竖炉；3：炉顶气出口；4：还原气入口；5：直接还原铁出口；6：气基竖炉炉顶气洗涤器；7：焦炉煤气净化装置；8：焦炉煤气脱硫装置；9：转化炉；10：煤气化炉；11：干法除尘装置；12：混合器；13：热回收装置；131：热粗合成气入口；132：热粗合成气出口；133：冷精制合成气入口；134：冷精制合成气出口；14：合成气脱硫脱碳装置；15：变换气出口；16：合成气入口；17：合成气出口；18：催化剂管；19：原料气入口；20：升温装置；21：炉顶气脱碳装置。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合具体实施例及对本发明的技术方案进行以下详细说明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。实施例中，各原始试剂材料均可商购获得，未注明具体条件的实验方法为所属领域熟知的常规方法和常规条件，或按照仪器制造商所建议的条件。
实施例1
本实施例提供气基竖炉还原气制备系统及方法，请参阅图1，其为本实施例制备系统的示意图，该制备系统包括气基竖炉2、气基竖炉炉顶气洗涤器6、炉顶气脱碳装置21、焦炉煤气净化装置7、焦炉煤气脱硫装置8、转化炉9、煤气化炉10、热回收装置13、合成气除尘装置(干法除尘装置11)、合成气脱硫脱碳装置14、混合器12及升温装置20；
所述气基竖炉2的炉体设有铁矿石进料口1、直接还原铁出口5、还原气入口4及炉顶气出口3；该炉顶气出口3与所述气基竖炉炉顶气洗涤器6的入口相连；
所述转化炉9包括密闭壳体，该密闭壳体内设有多根催化剂管，各催化剂管之间并列设置，所述催化剂管的入口端作为所述转化炉9的原料气入口19，所述催化剂管的出口端作为所述转化炉9的变换气出口15，该密闭壳体上还设有合成气入口16及合成气出口17，该合成气入口16作为合成气进入系统的入口，并首先为催化剂管内反应提供热量；
所述热回收装置13为换热器，其设有热粗合成气入口131及热粗合成气出口132，冷精制合成气入口133及冷精制合成气出口134，冷原料气入口及冷原料气出口(图中未示出)；
所述焦炉煤气净化装置7的入口作为焦炉煤气进入系统的入口，所述焦炉煤气净化装置7的出口与所述焦炉煤气脱硫装置8的入口相连，所述焦炉煤气脱硫装置8的出口通过管路与所述冷原料气入口相连，所述冷原料气出口与所述转化炉9的原料气入口19相连，所述变换气出口15与所述混合器12的入口相连；
所述气基竖炉炉顶气洗涤器的入口作为炉顶气进入系统的入口，所述气基竖炉炉顶气洗涤器2的出口与所述炉顶气脱碳装置21的入口相连，同时该气基竖炉炉顶气洗涤器2的出口通过管路连接在所述焦炉煤气脱硫装置8的出口与所述冷流体原料气入口之间的管路上，所述炉顶气脱碳装置21的出口与所述混合器2的入口相连；
所述转化炉9的合成气出口17与所述热粗合成气入口131相连，所述热粗合成气出口132与所述干法除尘装置11的入口相连，所述干法除尘装置11的出口与所述合成气脱硫脱碳装置14的入口相连，所述合成气脱硫脱碳装置14的出口与所述冷精制合成气入口133相连，所述冷精制合成气出口134与所述混合器12的入口相连；
所述混合器12的出口作为气基竖炉还原气的出口，其与所述升温装置20的入口相连，所述升温装置20的出口与所述还原气入口4相连；
所述煤气化炉10设有合成气出口，该煤气化炉10的合成气出口与所述转化炉9的合成气入口16相连；
该系统还包括焦炉(图中未示出)，该焦炉设有焦炉煤气出口，该焦炉煤气出口与所述焦炉煤气净化装置7的入口相连。
本实施例气基竖炉还原气制备方法采用如上系统，其包括如下步骤：
来自于焦炉的焦炉煤气经所述焦炉煤气净化装置7、焦炉煤气脱硫装置8，除尘、除焦油及脱硫后得净化后的焦炉煤气，该焦炉煤气组分为h259.9％，co5.8％，co22.0％，ch424.3％，n27.6％，o20.4％；温度为40℃。
铁矿石经加工成为球团或块矿后，从所述气基竖炉2上部铁矿石进料口1供料，还原气逆向流动，在970℃温度条件下发生还原反应，得到海绵铁和炉顶气，该炉顶气的温度为400℃，组分为：h256.5％，co8.4％，co28.2％，ch44.1％，n20.5％，h2o22.4％，含尘量2.6g/nm3。炉顶气从所述炉顶气出口3排出进入到所述气基竖炉炉顶气洗涤器6，在此冷却除尘后，炉顶气体积总气量的80％进入所述炉顶气脱碳装置21，脱除二氧化碳后进入所述混合器20，脱碳后炉顶气成分：h277.5％，co11.3％，co21.5％，ch47.4％，n20.8％，h2o1.5％；另一部分炉顶气与所述净化后的焦炉煤气按体积比1.2:1的比例混合的原料气，温度为40℃，组分为：h266.2％，co8.4％，co26.6％，ch413.9％，n23.8％，o20.2％，h2o0.9％；在热回收装置13中预热至600℃后，从所述转化炉9的原料气入口19进入并列的催化剂管18，管内装填镍基催化剂；
原料气在催化剂管18内催化剂的作用下发生重整反应，将ch4和co2重整为h2和co，所得变换气从变换气出口15排出进入所述混合器12，变换气的温度为850℃，组分为：h275.5％，co17.6％，co21.3％，ch41.4％，n23.5％，h2o0.7％；所述转化炉9内的催化剂管18被外部的合成气加热。
煤炭在所述煤气化炉(优选气流床气化炉)10内，高温条件下发生氧化还原反应生成合成气，合成气温度为1200℃，组分为：h221.3％，co74.4％，co23.4％，ch40.1％，n20.7％。高温合成气经所述转化炉9的合成气入口16进入所述转化炉9内为催化重整反应提供热量，提供热量后的合成气，温度降为900℃，进入所述热回收装置13作为热源，经再次换热冷却后，温度降为450℃，进入所述干法除尘装置11，经干法除尘后的合成气进入所述脱硫脱碳装置14，经脱硫脱碳后合成气成为精制后的合成气，温度为40℃，在所述热回收装置13中再次加热到400℃，进入所述混合器12。
进入所述混合器12的富含h2和co的变换气(h275.5％，co17.6％，co21.3％，ch41.4％，n23.5％，h2o0.7％)、精制后的合成气(h221.3％，co74.4％，co23.4％，ch40.1％，n20.7％)、脱碳后的炉顶气(h277.5％，co11.3％，co21.5％，ch47.4％，n20.8％，h2o1.5％)在混合器内混合调节温度和气体组分，三者比例为：1:1.5:3，所得还原气组分为：h261.8％，co29.7％，co22.0％，ch44.3％，n21.3％，h2o0.9％，温度为300℃，得到用于直接还原炼铁的还原气，该还原气进入所述升温装置20，升温至930℃后，从所述还原气入口进入所述气基竖炉。
最后说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的实施过程和特点，而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的保护范围当中。