本发明属于冶金还原气制取技术领域，具体为一种利用焦炉煤气制取冶金还原气的组合工艺。
背景技术：
直接还原铁(DRI-Direct Reduced Iron)是精铁粉或氧化铁在炉内经冶金还原气直接还原形成的低碳多孔状物质，其化学成分稳定，杂质含量少，是废钢的替代品之一。冶金还原气的主要成分为CO和H2，相对于传统的高炉炼铁，采用冶金还原气对铁矿石进行直接还原，实现了无焦炼铁，且碳耗低、CO2排放少。因此，利用冶金还原气炼铁对降低一次性矿物能源消耗、保护环境等有很重要的意义。
目前制取冶金还原气的主要来源还是天然气或富甲烷气的重整反应，但是在天然气资源匮乏的国家和地区该方法很难实现。我国是炼焦大国，炼焦行业每年都会副产大量焦炉煤气。焦炉煤气是焦煤在炼焦炉中经过高温干馏后，在产出焦炭和焦油产品的同时所产生的一种可燃性气体，是炼焦工业的副产品。焦炉煤气的主要成分为H2（55-60%）、CH4（23-27%）、CO（5-8%），此外还含有苯等碳氢化合物。利用焦炉煤气制取冶金还原气则显得意义重大。现有的利用焦炉煤气制取冶金还原气的方法，申请号为201210000587.7的“一种利用焦炉煤气生产海绵铁的方法”的专利，公开的方法是：将净化后的焦炉煤气进行预热；预热后的焦炉煤气在流化床入口处与通入的氧气进行不完全燃烧，并使含有CO+H2的还原气的温度升高到900℃-1000℃，再在流化床内与铁精粉或铁矿进行对流还原，生成海绵铁。该方法的主要缺点在于没有对焦炉煤气净化进行系统阐述；又如申请号为201410088900.6的“一种焦炉煤气改质直接还原铁矿石系统装置及方法”的专利，公开的方法是：利用高温脱硫剂（MO和CeO1.72）实现脱硫净化，然后将焦炉煤气与铁矿石还原尾气按一定配比混合后在高温催化床中进行重整反应得到冶金还原气，最后直接还原铁矿石，铁矿石还原尾气。该方法的主要缺点是焦炉煤气处理不干净，特别是硫化物的处理，会对后续工段造成影响。以上专利报道中均是使用了甲烷的重整反应来生产冶金还原气，但是甲烷的重整反应需要新建大型的转化炉，这也增加了设备功耗和产品成本。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有焦炉煤气制取冶金还原气方法的不足之处，提出一种利用焦炉煤气制取冶金还原气的组合工艺，即采用焦炉煤气净化-分离组合工艺来生产冶金还原气的同时得到富甲烷气。即通过膜分离和PSA技术，分离得到H2，CH4和CO。H2和CO可以通过不同配比，进而满足各类炼铁工艺所需的还原气组成。CH4可以根据需求作为返回焦炉的燃烧气或者厂区内锅炉燃烧等使用，充分利用甲烷燃烧热。该组合工艺特别适合中国、印度此类炼焦大国，同时缺少天然气资源的地区和国家。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种利用焦炉煤气制取冶金还原气的组合工艺，以焦炉煤气为原料，经预净化后进入气柜，再经压缩机增压、深度净化、变温吸附后，进行膜分离得到氢气，经膜分离提氢后的气体进入变压吸附装置，将甲烷、氮气和CO分离，获得的CO和H2可作为还原气使用，而富甲烷气则可以根据需求作为返回焦炉的燃烧气或者厂区内锅炉燃烧等使用，充分利用甲烷燃烧热。
所述方法的具体步骤如下：
（1）预净化
首先将压强为7-10kPa的原料气焦炉煤气进入预净化装置，所述的预净化是在净化器中装填焦炭，利用焦炭的吸附性脱除焦炉煤气中的焦油、萘杂质，焦油含量降至4mg/Nm3以下，萘含量降至10mg/Nm3以下，具体依据所选择的压缩机型式和压缩机厂家要求进行灵活调节。
（2）气柜
第（1）步完成后，焦炉煤气进入气柜。所述气柜是针对焦炉煤气气源组成气量波动而作为缓冲作用。
（3）压缩
第（2）步气柜出来的焦炉煤气经压缩机增压至0.2MPa，达到后续操作单元对原料气压力的要求。除工艺流程本身的压力损失外，后续工序的操作压力均在这一压力下进行。
（4）深度净化
第（3）步完成后，焦炉煤气再进行深度净化。所述的深度净化主要包括两部分，第一部分采用碳基吸附剂进一步脱除焦油、萘，使其脱除指标分别达到焦油小于1mg/Nm3，萘指标小于1mg/Nm3。第二部分采用湿法脱硫粗脱硫，将H2S和有机硫的硫含量降低至10mg/Nm3，粗脱硫工艺根据装置原料气硫含量和原料气规模优选经济合理的工艺方案。
（5）变温吸附
第（4）步完成后，焦炉煤气进入变温吸附单元。本单元采用常温吸附、升温脱附的操作方法使原料气中的苯和氨的含量小于10mg/Nm3。吸附剂采用改性硅胶和特种活性炭复合吸附剂，所述变温吸附净化吸附操作温度为常温，吸附剂再生需要加热。
（6）膜分离
第（5）步完成后，焦炉煤气进行膜分离。膜分离装置利用原有压力作为推动力，使氢气在膜的低压侧富集，一部分与变压吸附工序得到的CO混合，得到可直接用于还原铁的冶金还原气，另一部分输送到用户需要的入口。
（7）变压吸附
经第（6）步处理后的气体进入PSA装置，PSA将甲烷、氮气和CO分离，获得的CO和H2可作为还原气混合使用，而富甲烷气则可以根据需求作为返回焦炉的燃烧气或者厂区内锅炉燃烧等使用，充分利用甲烷燃烧热。
本发明的积极效果是：
（1）焦炉煤气中杂质脱除更彻底。在焦炉煤气净化过程中，先经预净化粗脱焦油萘，再经深度净化、变温吸附，避免了杂质对设备的影响，所制取的冶金还原气完全满足各种还原铁技术的要求。
（2）实现工业排放气综合利用，经济环保。整个工艺过程无连续污染物排放，硫、焦油及粉尘均得到固化收集。装置具有运行稳定，可靠性高、热量利用率高的优点，达到工业排放气回收利用、节能减排、变废为宝的效果。
（3）通过新的组合工艺得到的H2和CO可以根据任何冶金工艺对还原气的要求，合理配比，达到最优的还原效果。
（4）通过PSA得到的富甲烷气，富甲烷气可以作为燃料，还可以作为甲烷重整的原料，充分的利用了焦炉煤气中的各个重要组分。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1：
一种利用焦炉煤气制取冶金还原气的组合工艺，所述工艺的具体步骤如下：
（1）预净化
焦炉煤气流量为30000Nm3/h，其中，以体积比计，H2含量为57.5%，CO含量为7%，CH4含量为24.4%，CO2含量为2.3%，N2含量为5%，多碳烃含量为3.5%，O2含量为0.3%，总体积百分含量之和为100%。杂质含量为：苯、甲苯含量约3500mg/Nm3，萘含量约200mg/Nm3，焦油及粉尘含量约110mg/Nm3，氨含量约48mg/Nm3，H2S含量约200mg/Nm3，有机硫含量约200mg/Nm3。该组成的原料焦炉煤气温度40℃，压力7kPa，进入预净化装置，利用焦炭的吸附性将焦油含量降至4mg/Nm3以下，萘含量降至10mg/Nm3以下。
（2）气柜
第（1）步完成后，焦炉煤气进入气柜。所述气柜是针对焦炉煤气气源组成气量波动而作为缓冲作用。
（3）压缩
第（2）步气柜出来的焦炉煤气经压缩机增压至0.2MPa，达到后续操作单元对原料气压力的要求。除工艺流程本身的压力损失外，后续工序的操作压力均在这一压力下进行。
（4）深度净化
第（3）步完成后，焦炉煤气再进行深度净化。所述的深度净化主要包括两部分，第一部分采用碳基吸附剂进一步脱除焦油、萘，使其脱除指标分别达到焦油小于1mg/Nm3，萘指标小于1mg/Nm3。第二部分采用湿法脱硫粗脱硫，将H2S和有机硫的硫含量降低至10mg/Nm3，粗脱硫工艺根据装置原料气硫含量和原料气规模优选经济合理的工艺方案。
（5）变温吸附
第（4）步完成后，焦炉煤气进入变温吸附单元。本单元采用常温吸附、升温脱附的操作方法使原料气中的苯和氨的含量小于10mg/Nm3。吸附剂采用改性硅胶和特种活性炭复合吸附剂，所述变温吸附净化吸附操作温度为常温，吸附剂再生需要加热。
（6）膜分离
第（5）步完成后，焦炉煤气进行膜分离。膜分离装置利用原有压力作为推动力，得到富氢气14663Nm3/h。其中，与变压吸附工序得到的CO混合的氢气量为3080Nm3/h，混合后得到可直接用于还原铁的冶金还原气，剩余11583Nm3/h氢气输送到用户需要的入口。
（7）变压吸附
经第（6）步处理后的气体进入PSA装置，PSA将甲烷、氮气和CO分离，获得1596Nm3/h的CO，与膜分离得到的H2可作为还原气混合使用，同时得到9120Nm3/h的富甲烷气。
实施例2
一种利用焦炉煤气制取冶金还原气的组合工艺，同实施例1，其中：
第（1）步中，焦炉煤气流量为40000Nm3/h，其中，以体积比计，H2含量为57.1%，CO含量为7%，CH4含量为24%，CO2含量为2.5%，N2含量为5%，多碳烃含量为3.9%，O2含量为0.5%，总体积百分含量之和为100%。杂质含量为：苯、甲苯含量约3500mg/Nm3，萘含量约150mg/Nm3，焦油及粉尘含量约100mg/Nm3，氨含量约45mg/Nm3，H2S含量约180mg/Nm3，有机硫含量约200mg/Nm3。该组成的原料焦炉煤气温度40℃，压力7kPa，进入预净化装置，利用焦炭的吸附性将焦油含量降至4mg/Nm3以下，萘含量降至10mg/Nm3以下。
第（6）步中，焦炉煤气进行膜分离。膜分离装置利用原有压力作为推动力，得到富氢气23158Nm3/h。其中，与变压吸附工序得到的CO混合的氢气量为4867Nm3/h，混合后得到可直接用于还原铁的冶金还原气，剩余18291Nm3/h氢气输送到用户需要的入口。
第（7）步中，经第（6）步处理后的气体进入PSA装置，PSA将甲烷、氮气和CO分离，获得2433Nm3/h的CO，与膜分离得到的H2可作为还原气混合使用，同时得到14308Nm3/h的富甲烷气。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。