一种利用洁净热解气冶炼直接还原铁的系统和方法与流程

本发明属于直接还原炼铁技术领域，并且更具体地，涉及一种利用洁净热解气冶炼直接还原铁的系统和方法。

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。2015年，全世界直接还原铁的年产量达7520万吨，创历史新高。我国将直接还原工艺列为钢铁工业发展的主要方向之一。

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。其中气基法具有能耗低、污染小、产品质量稳定等特点。目前世界范围内，76％的直接还原铁是通过气基法生产，主要以天然气为制气原料以制备高品质的还原气，还原气中co+h2>85％。目前这类工艺工业化生产装置主要集中在中东、南美等天然气储量丰富、价格低廉地区；而对于天然气比较稀缺、价格昂贵地区，则无法采用该工艺技术进行建设生产以获得良好的经济效益。中国的能源禀赋特点是“富煤少气缺油”，难以采用天然气重整-气基竖炉直接还原工艺，还原气由煤炭制取将是最佳选择。

煤炭中的褐煤、长焰煤等低阶煤，具有挥发分高、活性强等特点，因其中的水分和氧含量高而热值低，直接燃烧或气化利用效率低，经济价值远不如高阶煤，因此大规模开发低阶煤必须先对其进行加工提质才能更好利用。热解处理，是处理低阶煤的最科学有效的方法之一。热解是指煤在隔绝空气或在惰性气体条件下持续加热至较高温度时，所发生的一系列物理变化和化学反应，最终得到气体(热解气)、液体(焦油)、及固体(半焦)等产物，其中的热解气可作为竖炉还原铁矿石的优质还原气体。

然而，现有冶炼直接还原铁的系统和方法存在高温热解油气的显热未得到充分利用、能源利用效率低以及成本高等缺陷。因此，一种新型的冶炼直接还原铁的系统和方法是期望的。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用洁净热解气冶炼直接还原铁的系统和方法。通过该系统和方法，本发明实现以下目的：

1)热解炉生产的700-900℃的高温热解油气不经过水洗脱水冷却，直接经高温净化室处理后形成合适温度与成分的洁净热解气后送入竖炉作为还原气体还原铁矿石。高温热解油气的显热得到充分高效利用，能源利用效率高。

2)高温热解油气经高温净化室反应除去焦油、苯和萘等有机物后，生产洁净的热解气作为竖炉还原气，这样竖炉炉顶气中不存在焦油、苯和萘等有机物，故炉顶气只需经过简单的水洗塔洗涤处理，而无需设置复杂的焦油及苯等回收装置、废水处理简单。炉顶气净化系统得到简化、炉顶气不存在焦油及苯等冷凝粘结管道设备等危害，同时焦油、苯和萘等有机物经高温净化室反应后会生成竖炉铁矿石还原的还原剂h2和co，从而降低了对热解油气的消耗量，降低生产成本，同时还将热解气(还原气)温度提高到竖炉还原铁矿石所需要求。

3)无需使用大量昂贵的重整催化剂，维护成本低，且对气基竖炉还原气中的硫含量无严格限制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一方面，提供一种利用洁净热解气冶炼直接还原铁的系统，包括：

热解炉，热解炉用于生产热解油气，热解炉设置有热解油气出口；

旋风分离器，旋风分离器设置有第一入口和第一出口，第一入口与热解油气出口连通；

高温净化室，高温净化室设置有第二入口、氧气入口和第二出口，第二入口与所述第一出口连通；

气基竖炉，气基竖炉设置有还原气入口、铁矿石入口、炉顶气出口和产品出口，还原气入口与第二出口连通。

根据本发明的一个实施例，还包括：

水洗塔，水洗塔设置有第三入口和第三出口，第三入口与炉顶气出口连通；

压缩机，压缩机设置有第四入口和第四出口，第四入口与第三出口连通；

脱硫脱碳处理装置，脱硫脱碳处理装置设置有第五入口和第五出口，第五入口与第四出口连通；

加热炉，加热炉设置有第六入口、燃料入口和第六出口，第六入口与第五出口连通，第六出口接入第二出口和还原气入口之间。

根据本发明的一个实施例，燃料入口与第三出口连通。

根据本发明的一个实施例，高温净化室长度为2m-4m；高温净化室包括净化室、氧气环管和氧气喷嘴，氧气环管套接在净化室的外周上，氧气环管具有氧气进口，氧气喷嘴贯通净化室的管壁并连接氧气环管，用于将氧气环管内的氧气喷至高温净化室内，氧气喷嘴对称设置且数量为6-10个。

根据本发明的一个实施例，净化室的管壁和氧气环管上分别设置有保温层。

根据本发明的另一方面，还提供一种采用上述系统冶炼直接还原铁的方法，包括以下步骤：

1)利用热解炉生产热解油气；

2)将步骤1)中的得到的热解油气通入旋风分离器中进行除尘；

3)向高温净化室内通入氧气，将步骤2)中除尘后的热解油气通入高温净化室内与氧气进行反应，生成洁净热解气；

4)将洁净热解气通入气基竖炉中，与铁矿石发生反应得到直接还原铁产品。

根据本发明的一个实施例，还包括：

31)将气基竖炉的炉顶气通入水洗塔进行洗涤，然后进入压缩机中进行加压处理；

32)将步骤31)中处理后的炉顶气通入脱硫脱碳处理装置中进行脱硫脱碳；

33)向加热炉中加入燃料，将步骤32)中的炉顶气通入加热炉中进行加热形成净化炉顶气；

34)将步骤3)中生成的洁净热解气和步骤33)中形成的净化炉顶气混合形成还原气，并通入到气基竖炉中。

根据本发明的一个实施例，在步骤33)中，向加热炉中加入的燃料部分或全部为经过水洗塔处理后的气基竖炉的炉顶气。

根据本发明的一个实施例，步骤1)中热解油气的温度为700℃-900℃。

根据本发明的一个实施例，步骤1)的热解油气中焦油、苯和萘的含量为20g/nm³-100g/nm³，c1-c3烷烃气体体积百分含量为4％-12％。

根据本发明的一个实施例，其特征在于，步骤2)中旋风分离器将热解油气中的粉尘控制在8g/nm³以下。

根据本发明的一个实施例，步骤3)中高温净化室的温度为1000℃-1250℃。

根据本发明的一个实施例，步骤3)中氧气与热解油气的体积比为0.03-0.15；和/或，洁净热解气中ch4的体积含量为2％-4％；和/或，洁净热解气与热解油气的体积比为1.1-1.4。

根据本发明的一个实施例，步骤31)中气基竖炉的炉顶气的温度为350℃-450℃。

根据本发明的一个实施例，步骤33)中净化炉顶气的温度为850℃-950℃。

根据本发明的一个实施例，步骤34)中形成的还原气的温度为900℃-1050℃。

通过采用上述技术方案，本发明相比于现有技术具有如下优点：

1)热解炉生产的700-900℃的高温热解油气的显热得到充分利用，能量利用效率高、系统能耗大大降低，由此造成的气基竖炉海绵铁生产能耗降低0.1-0.3gcal/dri，无需建设复杂的洗涤冷却净化、脱焦脱苯等装置，降低投资。

2)无需建设一套由初冷塔、鼓风机、电捕焦油器及脱苯塔等装置构成的冷却、脱焦及脱苯的热解油气分离净化复杂系统，简化了系统工序，降低了投资，无需处理含酚污水，降低生产成本并更环保。

3)热解油气只需经简单的高温净化室处理后直接热送至竖炉，无需使用大量昂贵的重整催化剂，系统得到简化，维护成本低。

4)热解油气中含有20-100g/nm³的焦油、苯和萘等有机物，在气体温度低于450℃后将会析出成液态物质而粘在管道、阀门、仪表、炉膛或球团上，从而影响设备、阀门、仪表的正常工作；且该热解油气若直接水洗后产生的含酚污水处理工艺复杂、处理成本高。在高温净化室内热解油气经与一定量的氧气在高温下反应，将焦油、苯和萘等高分子有机物转化成竖炉还原铁矿石所需的还原剂h2+co，这样炉顶气将不会再发生温度低于450℃时焦油等液态物质会析出而粘在管道、阀门、仪的不利情况；同时炉顶气洗涤之后的污水只是普通污水而不是含酚污水，处理简单成本低；还能副产大量有利于还原铁矿石的h2+co；此外还将热解气(还原气)温度提高到竖炉还原铁矿石所需要求。

附图说明

图1是根据本发明的优选实施例的利用洁净热解气冶炼直接还原铁的系统示意图；

图2是图1的系统中高温净化室的主视图；

图3是图1的系统中高温净化室的侧视图；

图4是根据本发明的优选实施例的利用图1的系统冶炼直接还原铁的工艺流程图。

附图标记说明

1热解炉、11热解油气出口、2旋风分离器、21第一入口、22第一出口、3高温净化室、31第二入口、32氧气入口、33第二出口、34氧气环管、35氧气喷嘴、36保温层、37净化室、4气基竖炉、41还原气入口、42炉顶气出口、43铁矿石入口、44产品出口、5水洗塔、51第三入口、52第三出口、6压缩机、61第四入口、62第四出口、7脱硫脱氧装置、71第五入口、72第五出口、8加热炉、81第六入口、82燃料入口、83第六出口。

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，本发明提供一种利用洁净热解气冶炼直接还原铁的系统，包括：热解炉1，热解炉1用于生产热解油气，热解炉1设置有热解油气出口11；旋风分离器2，旋风分离器2设置有第一入口21和第一出口22，第一入口21与热解油气出口11连通；高温净化室3，高温净化室3设置有第二入口31、氧气入口32和第二出口33，第二入口31与第一出口21连通；气基竖炉4，气基竖炉41设置有还原气入口41、铁矿石入口43、炉顶气出口42和产品出口44，还原气入口41与第二出口33连通。

通过本发明的上述系统，本发明中热解炉生产的700-900℃的高温热解油气的显热得到充分利用，能量利用效率高、系统能耗大大降低，由此造成的气基竖炉海绵铁生产能耗降低0.1-0.3gcal/dri，无需建设复杂的洗涤冷却净化、脱焦脱苯等装置，降低投资。而且，本发明无需建设一套由初冷塔、鼓风机、电捕焦油器及脱苯塔等装置构成的冷却、脱焦及脱苯的热解油气分离净化复杂系统，简化了系统工序，降低了投资，无需处理含酚污水，降低生产成本并更环保。此外，本发明的热解油气只需经简单的高温净化室处理后直接热送至竖炉，无需使用大量昂贵的重整催化剂，系统得到简化，维护成本低。

进一步地，在本发明的优选实施例中，本发明的系统还包括水洗塔5，水洗塔5设置有第三入口51和第三出口52，第三入口51与炉顶气出口42连通；压缩机6，压缩机6设置有第四入口61和第四出口62，第四入口62与第三出口52连通；脱硫脱碳处理装置7，脱硫脱碳处理装置7设置有第五入口71和第五出口72，第五入口71与第四出口62连通；加热炉8，加热炉8设置有第六入口81、燃料入口82和第六出口83，第六入口81与第五出口72连通，第六出口83接入第二出口33和还原气入口41之间。

在本发明的优选实施例中，燃料入口82与第三出口52连通。

在本发明的优选实施例中，如图2-3所示，高温净化室3长度为2m-4m；高温净化室3包括净化室37、氧气环管34和氧气喷嘴35，氧气环管34套接在净化室37的外周上并且设置在靠近第二入口31的一端，氧气环管34具有氧气进口，氧气喷嘴35贯通净化室37的管壁并连接氧气环管34，用于将氧气环管34内的氧气喷至高温净化室3内，氧气喷嘴35对称设置且数量为6-10个。

优选地，6个氧气喷嘴35呈圆周对称分布在高温净化室3前部0.5m处。

在本发明的优选实施例中，净化室37的管壁和氧气环管34上分别设置有保温层36。

在本发明优选的实施例中，脱硫脱碳处理装置为脱硫脱碳塔。

通过本发明的上述优选实施例，本发明中的热解油气中含有20-100g/nm³的焦油、苯和萘等有机物，在气体温度低于450℃后将会析出成液态物质而粘在管道、阀门、仪表、炉膛或球团上，从而影响设备、阀门、仪表的正常工作；且该热解油气若直接水洗后产生的含酚污水处理工艺复杂、处理成本高。在高温净化室内热解油气经与一定量的氧气在高温下反应，将焦油、苯和萘等高分子有机物转化成竖炉还原铁矿石所需的还原剂h2+co，这样炉顶气将不会再发生温度低于450℃时焦油等液态物质会析出而粘在管道、阀门、仪的不利情况；同时炉顶气洗涤之后的污水只是普通污水而不是含酚污水，处理简单成本低；还能副产大量有利于还原铁矿石的h2+co；此外还将热解气(还原气)温度提高到竖炉还原铁矿石所需要求。

如图4所示，本发明还相应地提供一种采用上述系统冶炼直接还原铁的方法，包括：1)利用热解炉1生产热解油气；2)将得到的热解油气通入旋风分离器2中进行除尘；3)向高温净化室3内通入氧气，将除尘后的热解油气通入高温净化室3内与氧气进行反应，生成洁净热解气；将洁净热解气通入气基竖炉4中，与铁矿石发生反应得到直接还原铁产品。

在本发明优选的实施例中，该方法还包括：将气基竖炉4的炉顶气通入水洗塔5进行洗涤，然后进入压缩机6中进行加压处理；将处理后的炉顶气通入脱硫脱碳处理装置7中进行脱硫脱碳；向加热炉8中加入燃料，将炉顶气通入加热炉8中进行加热形成净化炉顶气；将生成的洁净热解气和形成的净化炉顶气混合形成还原气，并通入到气基竖炉4中。

在本发明优选的实施例中，向加热炉8中加入的燃料部分或全部为经过水洗塔5处理后的气基竖炉4的炉顶气。

本发明优选的实施例中，热解油气的温度为700℃-900℃。

本发明优选的实施例中，热解油气中焦油、苯和萘的含量为20g/nm³-100g/nm³，c1-c3烷烃气体体积百分含量为4％-12％。

本发明优选的实施例中，旋风分离器2将热解油气中的粉尘控制在8g/nm³以下。

本发明优选的实施例中，高温净化室3的温度为1000℃-1250℃。

本发明优选的实施例中，氧气与热解油气的体积比为0.03-0.15；洁净热解气中ch4的体积含量为2％-4％；洁净热解气与热解油气的体积比为1.1-1.4。

本发明优选的实施例中，气基竖炉4的炉顶气的温度为350℃-450℃。

本发明优选的实施例中，净化炉顶气的温度为850℃-950℃。

本发明优选的实施例中，形成的还原气的温度为900℃-1050℃。

综上所述，本发明公开了一种洁净热解气冶炼直接还原铁的系统与方法。煤炭热解炉生产的高温热解油气经高温净化室处理后通入竖炉还原铁矿石。

更具体地来说，热解炉生产的高温热解油气，经旋风除尘将热解油气中的粉尘控制在8g/nm³以下后，通入1000-1250℃的高温净化室内与一定比例的氧气反应生成洁净热解气，与850-950℃的净化炉顶气混合形成还原气后通入竖炉还原铁矿石，形成350-450℃的炉顶气经水洗塔洗涤后，大部分经压缩机加压、脱硫脱碳处理、加热炉加热形成净化炉顶气。铁矿石被还原气还原后，最终形成优质海绵铁产品从竖炉底部排出。

其中：

(1)热解油气中焦油、苯及萘等含量为20-100g/nm³，c1-c3烷烃气体含量4％-12％。

(2)高温净化室喷入的氧气与热解油气体积比为0.03-0.15，生成的洁净热解气中ch4含量为2％-4％，生成的洁净热解气与热解油气体积比为1.1-1.4。

(3)高温净化室长度约2-4m，包括净化室，以及套接在净化室外周的氧气环管，净化室管壁上对称分布有6-10个氧气喷嘴。另外，净化室管壁设有一层保温层，氧气环管上也可以设有一层保温层。

设备装置间的连接：热解炉的油气出口与旋风除尘入口相连，旋风除尘出口与高温净化室相连，高温净化室结构见图2与图3，高温净化室还具有氧气入口与洁净煤气出口，气基竖炉具有还原气入口、炉顶气出口、铁矿石入口和直接还原铁出口，炉顶气出口与水洗塔入口相连，水洗塔出口与压缩机入口和加热炉燃料入口相连，压缩机出口与脱硫脱碳塔入口相连，脱硫脱碳塔出口与加热炉入口相连，加热炉净化炉顶气出口与高温净化室洁净热解气出口及竖炉还原气入口相连。

下面参照具体实施例，对本发明进行说明。

实施例1

如图1-4所示，热解炉1生产的850℃、7.2万nm³/h的热解油气(热解油气中焦油、苯及萘等含量为20g/nm³，ch4含量10％)，经旋风分离器2除尘，将热解油气中的粉尘控制在7g/nm³左右后，通入到1100℃高温净化室3(长度为3m，6个氧气喷嘴35呈圆周对称分布在高温净化室前部0.5m处)中，在高温净化室3中与4300nm³/h的氧气反应生成约8.5万nm³/h、ch4含量3％的洁净热解气；气基竖炉4产生的400℃的炉顶气经水洗塔5洗涤后、80％经压缩机6加压、脱硫脱碳处理装置7进行脱硫脱碳、加热炉8加热后形成880℃、13.1万nm³/h的净化炉顶气；生成的洁净热解气和形成的净化炉顶气混合形成940℃的还原气，并通入到气基竖炉4中还原全铁67％的铁精矿氧化球团，从而得到直接还原铁产品。最终从气基竖炉4底部的产品出口44排出120吨/h、全铁品位91％、金属化率93％的直接还原铁。

实施例2

如图1-4所示，热解炉1生产的850℃、6.5万nm³/h的热解油气(热解油气中焦油、苯及萘等含量为100g/nm³，ch4含量5％)，经旋风分离器2除尘，将热解油气中的粉尘控制在7g/nm³左右后，通入到1250℃高温净化室3(长度为4m，10个氧气喷嘴35呈圆周对称分布在高温净化室前部0.5m处)中，在高温净化室3中与9200nm³/h的氧气反应生成约8.5万nm³/h、ch4含量2％的洁净热解气；气基竖炉4产生的440℃的炉顶气经水洗塔5洗涤后、80％经压缩机加压、脱硫脱碳处理装置7进行脱硫脱碳、加热炉8加热后形成850℃、13.3万nm³/h的净化炉顶气；生成的洁净热解气和形成的净化炉顶气混合形成990℃的还原气，并通入到气基竖炉4中还原全铁67％的铁精矿氧化球团，从而得到直接还原铁产品。最终从气基竖炉4底部的产品出口44排出120吨/h、全铁品位91％、金属化率93％的直接还原铁。

实施例3

如图1-4所示，热解炉1生产的700℃、8.2万nm³/h的热解油气(热解油气中焦油、苯及萘等含量为80g/nm³，ch4含量4％)，经旋风分离器2除尘，将热解油气中的粉尘控制在6.5g/nm³左右后，通入到1000℃高温净化室3(长度为2m，8个氧气喷嘴35呈圆周对称分布在高温净化室前部0.5m处)中，在高温净化室3中与2460nm³/h的氧气反应生成约9.02万nm³/h、ch4含量4％的洁净热解气；将气基竖炉4产生的350℃的炉顶气经水洗塔5洗涤后、90％经压缩机6加压、脱硫脱碳处理装置7进行脱硫脱碳、加热炉8加热后形成900℃、12.9万nm³/h的净化炉顶气；生成的洁净热解气和形成的净化炉顶气混合形成900℃的还原气，并通入到气基竖炉4中还原全铁65％的铁精矿氧化球团，从而得到直接还原铁产品。最终从气基竖炉4底部的产品出口44排出130吨/h、全铁品位92％、金属化率95％的直接还原铁。

实施例4

如图1-4所示，热解炉1生产的900℃、6.8万nm³/h的热解油气(热解油气中焦油、苯及萘等含量为60g/nm³，ch4含量12％)，经旋风分离器2除尘，将热解油气中的粉尘控制在7g/nm³左右后，通入到1100℃高温净化室3(长度为4m，8个氧气喷嘴35呈圆周对称分布在高温净化室前部0.5m处)中，在高温净化室3中与1.02万nm³/h的氧气反应生成约9.52万nm³/h、ch4含量2％的洁净热解气；将气基竖炉4产生的450℃的炉顶气经水洗塔5洗涤后、80％经压缩机6加压、脱硫脱碳处理装置7进行脱硫脱碳、加热炉8加热后形成950℃、12.9万nm³/h的净化炉顶气；生成的洁净热解气和形成的净化炉顶气混合形成1000℃的还原气，并通入到气基竖炉4中还原全铁70％的铁精矿氧化球团，从而得到直接还原铁产品。最终从气基竖炉4底部的产品出口44排出125吨/h、全铁品位90％、金属化率94％的直接还原铁。

实施例5

如图1-4所示，热解炉1生产的850℃、7.4万nm³/h的热解油气(热解油气中焦油、苯及萘等含量为50g/nm³，ch4含量8％)，经旋风分离器2除尘，将热解油气中的粉尘控制在6g/nm³左右后，通入到1050℃高温净化室3(长度为3m，6个氧气喷嘴35呈圆周对称分布在高温净化室前部0.5m处)中，在高温净化室3中与7400nm³/h的氧气反应生成约8.14万nm³/h、ch4含量3％的洁净热解气；将气基竖炉4产生的400℃的炉顶气经水洗塔5洗涤后、80％经压缩机6加压、脱硫脱碳处理装置7进行脱硫脱碳、加热炉8加热后形成900℃、13.2万nm³/h的净化炉顶气；生成的洁净热解气和形成的净化炉顶气混合形成1050℃的还原气，并通入到气基竖炉4中还原铁67％的铁精矿氧化球团，从而得到直接还原铁产品。最终从气基竖炉4底部的产品出口44排出120吨/h、全铁品位94％、金属化率97％的直接还原铁。

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。