一种采用气基法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，具体涉及一种采用气基法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：

本发明的目的是提供一种采用气基法生产直接还原铁的新工艺，降低直接还原铁的生产成本。

本发明首先提供了采用气基法生产直接还原铁的系统，所述系统包括：

气基竖炉，具有铁矿石入口、还原气入口、高温炉顶气出口和直接还原铁出口；

干法除尘器，具有高温炉顶气入口和除尘炉顶气出口，所述高温炉顶气入口与所述气基竖炉的高温炉顶气出口相连；

压缩机，具有炉顶气入口和压缩炉顶气出口，所述炉顶气入口与所述干法除尘器的除尘炉顶气出口相连；

脱硫器，具有天然气入口和脱硫天然气出口；

分段式部分氧化-重整炉，具有第一脱硫天然气入口、第二脱硫天然气入口、氧气入口、压缩炉顶气入口和还原气出口，所述第一脱硫天然气入口和所述第二脱硫天然气入口分别与所述脱硫器的脱硫天然气出口相连，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；

所述分段式部分氧化-重整炉包括部分氧化装置和重整装置，所述部分氧化装置位于所述重整装置的下方，所述第一脱硫天然气入口和所述氧气入口设置在所述部分氧化装置上，所述第二脱硫天然气入口、所述压缩炉顶气入口和所述还原气出口设置在所述重整装置上。

在本发明的一些实施例中，所述系统还包括换热器，所述换热器具有除尘炉顶气入口、低温天然气入口、低温炉顶气出口和预热天然气出口，所述除尘炉顶气入口与所述干法除尘器的除尘炉顶气出口相连，所述低温炉顶气出口与所述压缩机的炉顶气入口相连，所述预热天然气出口与所述脱硫器的天然气入口相连。

在本发明的一些实施例中，所述系统还包括加热炉，所述加热炉具有燃料气入口、低温压缩炉顶气入口和高温压缩炉顶气出口，所述燃料气入口与所述换热器的低温炉顶气出口相连，所述低温压缩炉顶气入口与所述压缩机的压缩炉顶气出口相连，所述高温压缩炉顶气出口与所述分段式部分氧化-重整炉的压缩炉顶气入口相连。

此外，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：

准备天然气、氧气和铁矿石；

将从所述气基竖炉中排出的高温炉顶气送入所述干法除尘器中进行除尘，获得除尘炉顶气；

将所述除尘炉顶气送入所述压缩机中进行压缩，获得压缩炉顶气；

将所述天然气送入所述脱硫器中进行脱硫，获得脱硫天然气；

将70％-80％的所述脱硫天然气送入所述分段式部分氧化-重整炉的部分氧化装置中，与所述氧气进行部分氧化反应，获得混合气体；

将所述压缩炉顶气和剩下的20％-30％的所述脱硫炉顶气送入所述分段式部分氧化-重整炉的重整装置中，与所述混合气体进行重整反应，获得还原气；

将所述还原气送入所述气基竖炉中，与所述铁矿石进行还原反应，获得直接还原铁。

在本发明的一些实施例中，将所述除尘炉顶气与所述天然气进行换热，回收所述除尘炉顶气的热量，并对所述天然进行预热；再将换热后的所述除尘炉顶气和所述天然气分别送入所述压缩机和所述脱硫器中，分别制备所述压缩炉顶气和所述脱硫天然气。

在本发明的一些实施例中，将所述除尘炉顶气与所述天然气进行换热，将换热后的天然气送入所述脱硫器中脱硫，将换热后的所述除尘炉顶气分为第一炉顶气和第二炉顶气；将所述第一炉顶气送入所述压缩机中，制备所述压缩炉顶气；将所述第二炉顶气燃烧，获得的热量用于预热所述压缩炉顶气，再将预热后的所述压缩炉顶气送入所述分段式部分氧化-重整炉的重整装置中，制备还原气。

在本发明的一些实施例中，所述第一炉顶气与所述第二炉顶气的体积比为65-75:35-25。

在本发明的一些实施例中，将所述压缩炉顶气预热至900℃-1000℃，再送入所述分段式部分氧化-重整炉的重整装置中，制备还原气。

在本发明的一些实施例中，所述脱硫天然气在1250℃-1350℃的温度下与所述氧气进行部分氧化反应。

在本发明的一些实施例中，在800℃-950℃的温度下还原铁矿石，制备直接还原铁。

本发明所用的还原气由分段式部分氧化-重整炉制得。该分段式部分氧化-重整炉先用天然气与氧气进行氧化，再用氧化产生的混合气体与天然气和炉顶气进行重整反应，制备还原气。天然气与氧气的氧化反应为放热反应，制得的混合气体为高温混合气体，因此，在重整反应时，无需外部供热，降低了生产成本。

此外，该分段式部分氧化-重整炉结构简单，且在使用中无需昂贵的镍基催化剂，维护成本低。

此外，炉顶气在进行循环利用时，无需进行脱碳处理，减少了系统中的设备，降低了生产成本。

其次，本发明制得的还原气品质高、还原能力强，还原气中CO和H₂的含量高于85％，且还原气中水蒸气的含量低于5％。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种采用气基法生产直接还原铁的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的一种利用上述生产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。

本发明提供的采用气基法生产直接还原铁的系统包括：气基竖炉，具有铁矿石入口、还原气入口、高温炉顶气出口和直接还原铁出口；干法除尘器，具有高温炉顶气入口和除尘炉顶气出口，高温炉顶气入口与气基竖炉的高温炉顶气出口相连；压缩机，具有炉顶气入口和压缩炉顶气出口，炉顶气入口与干法除尘器的除尘炉顶气出口相连；脱硫器，具有天然气入口和脱硫天然气出口；分段式部分氧化-重整炉，具有第一脱硫天然气入口、第二脱硫天然气入口、氧气入口、压缩炉顶气入口和还原气出口，第一脱硫天然气入口和第二脱硫天然气入口分别与脱硫器的脱硫天然气出口相连，压缩炉顶气入口与压缩机的压缩炉顶气出口相连。

本发明使用的分段式部分氧化-重整炉包括部分氧化装置和重整装置，部分氧化装置位于重整装置的下方，第一脱硫天然气入口和氧气入口设置在部分氧化装置上，第二脱硫天然气入口、压缩炉顶气入口和还原气出口设置在重整装置上。

该分段式部分氧化-重整炉先用天然气与氧气进行氧化，再用氧化产生的混合气体与天然气和压缩炉顶气进行重整反应，制备还原气。天然气与氧气的氧化反应为放热反应，制得的混合气体为高温混合气体，因此，在重整反应时，无需外部供热，降低了生产成本。

炉顶气中也含有不少CO和H₂，经过压缩、重整后，剩下的气体大部分为CO和H₂，本发明将其与天然气制得的还原气体混合，用于还原铁矿石。本发明中，炉顶气被进一步利用，不仅降低了直接还原铁的生产成本，同时也避免了炉顶气中N₂的富集。此外，炉顶气在进行循环利用时，无需进行脱碳处理，减少了系统中的设备，降低了生产成本。

此外，该分段式部分氧化-重整炉结构简单，且在使用中无需昂贵的镍基催化剂，维护成本低。

上述系统制得的还原气品质高、还原能力强，还原气中CO和H₂的含量高于85％，且还原气中水蒸气的含量低于5％。

其次，还原气还原铁矿石的反应为吸热反应，而从该分段式部分氧化-重整炉排出的还原气温度较高，能够为铁矿石的还原反应提供一部分热量，降低了直接还原铁的生产成本。

在本发明优选的实施例中，参考图1，上述系统还包括换热器，换热器具有除尘炉顶气入口、低温天然气入口、低温炉顶气出口和预热天然气出口，除尘炉顶气入口与干法除尘器的除尘炉顶气出口相连，低温炉顶气出口与压缩机的炉顶气入口相连，预热天然气出口与脱硫器的天然气入口相连。

其中，换热器用于回收高温炉顶气的热量，回收的热量被用于预热天然气，热量利用率高。

在本发明进一步优选的实施例中，参考图1，上述系统还进一步包括加热炉。加热炉具有燃料气入口、低温压缩炉顶气入口和高温压缩炉顶气出口，燃料气入口与换热器的低温炉顶气出口相连，低温压缩炉顶气入口与压缩机的压缩炉顶气出口相连，高温压缩炉顶气出口与分段式部分氧化-重整炉的压缩炉顶气入口相连。

同前所述，炉顶气中含有不少CO和H₂，在上述优选实施例中，一部分炉顶气经过压缩和重整处理，用于制备还原气；另一部分炉顶气被燃烧，燃烧得到的热量用于预热压缩炉顶气，可以为重整反应提供热量，降低直接还原铁的生产成本。

本发明进一步提供了一种利用上述系统生产直接还原铁的方法，该方法包括如下步骤：

准备天然气、氧气和铁矿石；

将从气基竖炉中排出的高温炉顶气送入干法除尘器中进行除尘，获得除尘炉顶气；

将除尘炉顶气送入压缩机中进行压缩，获得压缩炉顶气；

将天然气送入脱硫器中进行脱硫，获得脱硫天然气；

将70％-80％的脱硫天然气送入分段式部分氧化-重整炉的部分氧化装置中，与氧气进行部分氧化反应，获得混合气体；

将压缩炉顶气和剩下的20％-30％的脱硫炉顶气送入分段式部分氧化-重整炉的重整装置中，与混合气体进行重整反应，获得还原气；

将还原气送入气基竖炉中，与铁矿石进行还原反应，获得直接还原铁。

其中，混合气体主要为水蒸气和CO₂。采用上述方法制备出的还原气温度在800℃-900℃左右。

同前所述，可将除尘炉顶气与天然气进行换热，回收除尘炉顶气的热量，并对天然进行预热；再将换热后的除尘炉顶气和天然气分别送入压缩机和脱硫器中，分别制备压缩炉顶气和脱硫天然气。

同前所述，可将除尘炉顶气与天然气进行换热，将换热后的天然气送入脱硫器中脱硫，将换热后的除尘炉顶气分为第一炉顶气和第二炉顶气；将第一炉顶气送入压缩机中，制备压缩炉顶气；将第二炉顶气燃烧，获得的热量用于预热压缩炉顶气，再将预热后的压缩炉顶气送入分段式部分氧化-重整炉的重整装置中，制备还原气。

在本发明优选的实施例中，上述第一炉顶气和第二炉顶气的体积比为65-75:35-25。第一炉顶气所占的比例越大，循环利用的炉顶气越多，但用于供热的炉顶气越少。经过大量的实验发现，在此比例下，不仅能较好的预热压缩炉顶气，且能保证有足够多的炉顶气被循环利用。

天然气与氧气反应后生成的混合气体的温度大约为900℃-1000℃，因此，在本发明优选的实施例中，将压缩炉顶气预热至900℃-1000℃，再送入分段式部分氧化-重整炉的重整装置中，与天然气和混合反应器进行重整反应，制备还原气。

在本发明优选的实施例中，脱硫天然气在1250℃-1350℃的温度下与氧气进行部分氧化反应。天然气与氧气的氧化反应为吸热反应，经过大量的实验发现，在1250℃-1350℃的温度下，天然气与氧气反应得比较完全，有利于后续重整反应的进行。

在本发明优选的实施例中，在800℃-900℃的温度下还原铁矿石，制备直接还原铁。同前所述，还原气与铁矿石的还原反应为吸热反应，但由于制得的还原气温度较高，因此，在800℃-900℃的温度下铁矿石就可以很好的被还原。

需要说明的是，上述系统中各装置的有益效果和上述利用该系统生产直接还原铁的方法的有益效果有部分重叠，为了更加简洁，在方法部分并未过多叙述。此外，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

本实施例提供一种采用气基法生产直接还原铁的系统，图1为其结构示意图。

如图1所示，该系统包括：气基竖炉1、干法除尘器2、脱硫器3、压缩机4、分段式部分氧化-重整炉5、换热器6和加热炉7。

气基竖炉1具有铁矿石入口、还原气入口、高温炉顶气出口和直接还原铁出口。

干法除尘器2具有高温炉顶气入口和除尘炉顶气出口，高温炉顶气入口与气基竖炉1的高温炉顶气出口相连。

换热器6具有除尘炉顶气入口、低温天然气入口、低温炉顶气出口和预热天然气出口，除尘炉顶气入口与干法除尘器2的除尘炉顶气出口相连。

脱硫器3具有天然气入口和脱硫天然气出口，天然气入口与换热器6的预热天然气出口相连。

压缩机4具有炉顶气入口和压缩炉顶气出口，炉顶气入口与换热器6的低温炉顶气出口相连。

加热炉7具有燃料气入口、低温压缩炉顶气入口和高温压缩炉顶气出口，燃料气入口与换热器6的低温炉顶气出口相连，低温压缩炉顶气入口与压缩机4的压缩炉顶气出口相连。

分段式部分氧化-重整炉5具有第一脱硫天然气入口、第二脱硫天然气入口、氧气入口、压缩炉顶气入口和还原气出口，第一脱硫天然气入口和第二脱硫天然气入口分别与脱硫器3的脱硫天然气出口相连，压缩炉顶气入口与加热炉7的高温压缩炉顶气出口相连，还原气出口与气基竖炉1的还原气入口相连。

如图1所示，分段式部分氧化-重整炉5包括部分氧化装置(即图1所示的分段式部分氧化-重整炉5中的虚线的下方)和重整装置(即图1所示的分段式部分氧化-重整炉5中的虚线的上方)，部分氧化装置位于重整装置的下方，第一脱硫天然气入口和氧气入口设置在部分氧化装置上，第二脱硫天然气入口、压缩炉顶气入口和还原气出口设置在重整装置上。

实施例2

本实施例提供一种利用实施例1所述的系统生产直接还原铁的方法，其工艺流程如图2所示，具体如下：

准备原料：准备天然气、氧气、铁矿石。

制备还原气：

1)将从气基竖炉1排出的高温炉顶气送入干法除尘器2中除尘净化，再将除尘后的炉顶气与天然气换热，高温炉顶气变为低温炉顶气。

2)将72％的低温炉顶气送入压缩机4中压缩，获得压缩炉顶气。将剩下的28％的低温炉顶气送入加热炉7中燃烧，并用产生的热量预热压缩炉顶气。预热后的压缩炉顶气的温度约为960℃。

3)将预热后的天然气送入脱硫器3中脱硫。78％的脱硫天然气被送入分段式部分氧化-重整炉5的部分氧化装置与预热的氧气进行部分氧化反应，制得混合气体，反应温度为1320℃。混合气体被进一步送入分段式部分氧化-重整炉4的重整装置，与剩下的22％的脱硫天然气和压缩炉顶气进行重整反应，生成还原气。制得的混合还原气的温度大约为860℃，混合还原气中水蒸气的含量为4.5％，CO和H₂的含量为88％。

还原铁矿石：将还原气送入气基竖炉1中还原铁矿石，制备直接还原铁。制得的直接还原铁的金属化率为93％。

实施例3

本实施例提供一种利用实施例1所述的系统生产直接还原铁的方法，其工艺流程如图2所示，具体如下：

本实施例提供一种利用实施例1所述的系统生产直接还原铁的方法，其工艺流程如图2所示，具体如下：

准备原料：准备天然气、氧气、铁矿石。

制备还原气：

1)将从气基竖炉1排出的高温炉顶气送入干法除尘器2中除尘净化，再将除尘后的炉顶气与天然气换热，高温炉顶气变为低温炉顶气。

2)将66％的低温炉顶气送入压缩机4中压缩，获得压缩炉顶气。将剩下的34％的低温炉顶气送入加热炉7中燃烧，并用产生的热量预热压缩炉顶气。预热后的压缩炉顶气的温度约为990℃。

3)将预热后的天然气送入脱硫器3中脱硫。75％的脱硫天然气被送入分段式部分氧化-重整炉5的部分氧化装置与预热的氧气进行部分氧化反应，制得混合气体，反应温度为1270℃。混合气体被进一步送入分段式部分氧化-重整炉4的重整装置，与剩下的25％的脱硫天然气和压缩炉顶气进行重整反应，生成还原气。制得的混合还原气的温度大约为830℃，混合还原气中水蒸气的含量为4.7％，CO和H₂的含量为90％。

还原铁矿石：将还原气送入气基竖炉1中还原铁矿石，制备直接还原铁。制得的直接还原铁的金属化率为95％。

从上述实施例可知，采用本发明提供的工艺制得的直接还原铁的品质高，且生产成本低。

综上，本发明所用的还原气由分段式部分氧化-重整炉制得。该分段式部分氧化-重整炉先用天然气与氧气进行氧化，再用氧化产生的混合气体与天然气和炉顶气进行重整反应，制备还原气。天然气与氧气的氧化反应为放热反应，制得的混合气体为高温混合气体，因此，在重整反应时，无需外部供热，降低了生产成本。

此外，该分段式部分氧化-重整炉结构简单，且在使用中无需昂贵的镍基催化剂，维护成本低。

此外，炉顶气在进行循环利用时，无需进行脱碳处理，减少了系统中的设备，降低了生产成本。

其次，本发明制得的还原气品质高、还原能力强，还原气中CO和H₂的含量高于85％，且还原气中水蒸气的含量低于5％。

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。