本发明属于直接还原铁生产技术领域，涉及一种利用熔铁浴煤制气冶炼直接还原铁的工艺方法。本发明方法可以最大限度的利用粗煤气余热、余气、余压冶炼直接还原铁，实现煤炭能源的分质、高效、清洁利用，提高能源利用效率。
背景技术：
现有天然气、焦炉煤气竖炉还原铁技术如midrex、hyl-ⅲ、csdri、ctr、wty-dri等，都离不开ch4重整炉和还原气再加热工序。例如典型的midrex技术是经管式加热炉将还原气预加热到600℃，再在第二段还原气重整炉中将ch4裂解成（h2+co）并将还原气加热到840～900℃，送入直接还原铁竖炉，用于生产直接还原铁。
与其对应，世界上所有的煤基熔融还原铁中的铁浴炉以及熔铁浴煤制气在经历了长达40余年的研究实验后，除hismelt熔融还原铁外，大都沉寂了。其主要原因在于：1、产气量大，达到了2000m3/t煤；2、粗煤气温度高达1200～1700℃，而且含有大量粉尘，难以利用；3、炉衬耐火材料侵蚀速度过快，达到19kg/t煤；4、能耗高于高炉炼铁，无法与高炉竞争。
日本与瑞典在1982～1983年合作，对瑞典皇家工学院cig熔融还原铁方法进行了研究。其中日方研究小组侧重研究炼铁炼钢工艺，瑞典方面侧重研究煤的气化方法。其得到的粗煤气组分为：co67～69%，h228%～29%，co2≤1.4，n2＜4%，以及少量硫。cig熔融还原铁的目的产品是铁水，试验受挫后没有进展。
cn101787408a公开了一种利用粗煤气显热生产直接还原铁的方法，以直接还原竖炉兼做粗煤气颗粒床高温除尘器，竖炉中的铁矿(包括铁矿煤球团、氧化铁球团矿、煤包裹铁矿粉球团)兼做移动颗粒床除尘颗粒，在对高温粗煤气除尘的过程中联产直接还原铁，同时完成了利用显热、还原铁、降温、除尘、降低还原竖炉中煤气压力5个功能。该专利将还原竖炉产出的炉顶煤气净化后用作生产化工产品的原料气或燃气，可以有效提高煤炭能源的综合利用效率。该专利将煤制气与直接还原铁竖炉分置，煤制气采用高灰熔点、软化点的煤，避免了煤气中含有低软化点的铁矿物和其它矿物，可以消除低软化点矿物造成的粘结、堵塞问题。
但是，该专利中的粗煤气并不循环利用，仅利用了1次粗煤气显热，而生产直接还原铁后的炉顶煤气经过净化后作为了燃气和化工原料气，余热、余气利用并不充分。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种熔铁浴煤制气加热循环还原气生产直接还原铁的方法，以最大限度的利用熔铁浴产出粗煤气余热、余气、余压冶炼直接还原铁。
本发明所述的熔铁浴煤制气加热循环还原气生产直接还原铁的方法是将h2含量≥80%的常温循环还原气不加热，或者预加热至400～600℃，兑入1400～1700℃的熔铁浴煤制气高温粗煤气中，得到氢碳比＞1.1、温度810～1050℃的循环还原气，通入直接还原铁竖炉中，提供热量以生产直接还原铁，并由直接还原铁竖炉炉顶产出350～500℃、压力2～7kg的炉顶气。
其中，所述的常温循环还原气是由所述炉顶气余热回收降温至200～220℃，通入水蒸气进行co低温变换，再次余热回收降温至常温，加压至3～8kg得到的h2含量≥80%的常温循环还原气。
采用本发明上述方法不需要设置ch4重整炉，也可以不设置还原气预加热炉。而众所周知，重整炉和还原气预加热炉是midrex、hyl-ⅲ、sxdri、ctr、wty-dri等常规的直接还原铁工艺中的必须工艺环节。
一般地，所述熔铁浴煤制气得到的1400～1700℃高温粗煤气的氢碳比≤0.4，压力为3～8kg。因此，本发明同样将常温循环还原气也加压至3～8kg，以保证常温循环还原气能够加入到高温粗煤气中。
进一步地，本发明是采用废热锅炉进行所述的余热回收，将回收的余热用于生产水蒸气。进而，余热回收生产的水蒸气用于co低温变换，同样实现了循环利用。
更具体地，本发明是将所述常温循环还原气通过管道兑入熔铁浴煤制气高温粗煤气中进行混合，随后，再将混合后得到的循环还原气通过设在直接还原铁竖炉中下部的围管加入到直接还原铁竖炉中。
循环还原气经围管送入直接还原铁竖炉后，穿过炉体内装填的氧化铁球团矿层，在加热氧化铁球团矿的同时，还原氧化铁球团矿生产出直接还原铁。其中，氧化铁球团矿在竖炉还原段的运行时间为4h～8h。氧化铁球团矿还原过程中产生炉顶气排出直接还原铁竖炉炉体成为炉顶气。炉顶气经除尘→余热回收→变换工序→脱除酸性气体→降温脱湿后，用熔铁浴煤制高温粗煤气加热成为循环还原气。
熔铁浴煤制气工艺生产高温粗煤气，是将煤粉、o2和脱硫剂cao、caco3用喷枪喷入熔铁浴煤制气炉中泡沫渣底层，煤粉和o2在压力作用下喷入铁水中，在铁水中瞬间反应成为含有co、h2、h2s、cos、n2等成分的煤气，经泡沫渣层脱硫，形成高温粗煤气。产生的高温粗煤气中，co含量65～70%，h2含量25～30%，n2含量3%、co2≤1%、h2o≤1%、(h2s+cos)含量0.0022%。
因此，熔铁浴煤制气工艺产生的高温粗煤气含硫量低，且不含煤焦油，不含ch4，不需要脱硫和重整，就可以用于直接还原铁，且煤气压力适当，可以直接对接直接还原铁竖炉。与midrex、hyl-ⅲ、sxdri、ctr、wty-dri等直接还原铁工艺比，可以取消加热直接还原铁还原气中的还原气加热炉，取消了天然气、焦炉煤气、一般煤气重整炉，取消了高压煤气条件下，直接还原铁竖炉的装入炉料、产出产品中间过渡室，从而大大简化了直接还原铁竖炉结构、简化了直接还原铁流程。本发明利用熔铁浴煤制气工艺高温粗煤气直接加热常温循环还原气形成用于加热直接还原铁的循环还原气，全部利用了粗煤气中的显热。
但同时也需要考虑到，由于熔铁浴煤制气的粗煤气温度较高，不仅不能直接用于直接还原铁，也存在熔铁浴煤制气炉炉衬在高温下受feo、fe2o3侵蚀速度过快的问题。
本发明解决炉衬侵蚀问题的方法是采用水冷壁或在中空耐火砖中通入常温n2，将少部分炉衬热量引出熔铁浴煤制气炉的气冷壁或水冷壁技术，降低炉衬温度以保护炉衬，延长炉衬使用寿命。气冷壁产出的高温n2同样可以用于生产水蒸气以用于co低温变换，降温后的n2返回气冷壁循环利用。
进而，熔铁浴煤制气工艺的脱硫方法是将cao、caco3等碱性物质用喷枪喷入熔铁浴煤制气炉中，与煤粉灰分中的sio2、al2o3、cao、mgo、feo、fes2等矿物质一起形成泡沫渣，初始煤气在通过泡沫渣层时，煤气中的h2s、cos与碱性氧化物渣结合，形成含s(cas)的炉渣，液态炉渣定时从渣口排出熔铁浴煤制气炉。熔铁浴煤制气炉产出的液态炉渣经水淬产生水渣，可以用于生产铝酸盐水泥，或配cao、sio2生产硅酸盐水泥。
本发明中，由直接还原铁竖炉炉顶产出的炉顶气同样需要进行常规的除尘和煤气净化处理，以脱除掉h2s、cos、co2等酸性气体，并尽可能减少其中的饱和水蒸气。炉顶气的净化可以采用常规的化工煤气净化工艺中压降较小、净化效果好、硫可以回收利用的净化方法，或者各种直接还原铁工艺的煤气净化技术，例如气基直接还原铁竖炉炉顶气净化方法。
进一步地，本发明优选将所述常温循环还原气中的饱和水蒸气降到25g/m3以下。
采用本发明方法，能够生产出较高质量的直接还原铁，可以达到中华人民共和国冶金行业标准，炼钢用直接还原铁(yb/t4170-2008)中牌号h90、h92、h94的质量标准。在转炉炼钢全流程中，利用炼钢过程富裕热量熔化本发明生产的直接还原铁，可以直接加入≤30%的直接还原铁用于转炉炼钢。本发明生产的直接还原铁还可以用于电炉炼钢和废炼炼钢的杂质稀释剂、粉末冶金还原铁粉用原料。
本发明采用熔铁浴煤制气工艺，其不仅更具有经济价值，同时还具有环境效益及碳减排效应。例如，可以采用废旧塑料、废旧橡胶轮胎、生物质农林固废、高热值生活垃圾等有机固废作为熔铁浴造气原料，则不仅还原气的成本更低，同时还能够大幅消纳社会积存的固废，实现近“零”碳排放炼铁。若采用生物质制还原气，在造气、变换之后进行二氧化碳的捕集封存，能够实现“负碳炼铁炼钢”。
虽然本发明的主旨依然是利用粗煤气显热生产直接还原铁，但与cn101787408a公开的利用粗煤气显热生产直接还原铁的方法具有根本的区别。
1、cn101787408a是将除尘后的粗煤气直接通入直接还原铁竖炉中，用于加热竖炉中的铁矿(包括铁矿煤球团、氧化铁球团矿、煤包裹铁矿粉球团)。而本发明却是利用煤制气炉产出的粗煤气去加热循环还原气后，再共同除尘通入直接还原铁竖炉中加热氧化铁球团矿以生产直接还原铁。
2、cn101787408a是在煤制气炉内调整粗煤气的温度至900～1100℃，经除尘后直接通入直接还原铁竖炉生产直接还原铁，中间没有调整粗煤气温度的过程。而本发明煤制气粗煤气的出口温度达到了1400～1700℃，以其加热常温循环还原气后，得到810～1050℃的循环还原气经除尘后进入直接还原铁竖炉生产直接还原铁。
3、cn101787408a将生产直接还原铁后产生的炉顶煤气净化后用作燃气和化工原料气。而本发明则是将直接还原铁炉顶煤气经除尘、余热回收后，co低温变换成h2，再回收余热后作为常温循环还原气，兑入熔铁浴煤制气高温粗煤气中形成循环还原气，再次通入到直接还原铁竖炉中用于生产直接还原铁，实现了还原气的循环利用。
4、同样，cn101787408a中的粗煤气也不循环利用，仅利用1次粗煤气显热。而本发明中循环还原气经循环3次，才能将粗煤气显热和还原气用完。因此，若直接还原铁循环还原气循环3次，则cn101787408a相当于仅利用了可以利用还原气的1/3用于还原铁。以采用中国华能集团两段式干粉煤加压气化炉为例，由于采用向上段炉喷煤粉和水蒸气的方法，以降低煤制气炉内粗煤气出口温度至900～1100℃，在降低粗煤气温度增产煤气的同时，也降低了粗煤气显热的利用效率。而本发明可以将循环还原气全部用于直接还原铁，粗煤气显热全部用于加热循环还原气。
5、cn101787408a利用的通入直接还原铁竖炉的高温粗煤气co含量65～70%，h2含量20～30%，氢碳比≤0.43；本发明利用的通入直接还原铁竖炉的循环还原气co含量37%，h2含量58%，氢碳比≥1.1。cn101787408a没有对高温粗煤气的组成成分进行调整，就直接利用了，而本发明却通过co低温变换调整循环还原气的氢碳比≥1.1。氢碳比的调整是非常必要的，提高氢炭比可以降低碳排放，co还原铁在直接还原铁竖炉内是放热反应，有利于维持竖炉内的还原温度，维持还原反应的连续进行，但是还原气中co含量过高，会导致运行中的炉温升高，造成炉料粘结，因此氢碳比应选择一个合理比例。
6、cn101787408a利用的高温粗煤气出口温度900℃，而本发明利用的煤制气炉产出的粗煤气出口温度为1400～1700℃，将粗煤气的显热利用从900℃的1370.66kj/m3提高到了1600℃的2319.1kj/m3。本发明利用的粗煤气显热占投入的煤粉加氧气热值的比例≥13%，由于冷煤气效率≥83%，13%+83%≥95%，本发明直接利用显热+冷煤气热能≥95%热值的煤气，这是一般的煤制气工艺和cn101787408a热效率难以达到的水平。还原气(h2+co)可以全部用作直接还原铁的还原剂。
以下针对本发明熔铁浴煤制气加热循环还原气生产直接还原铁方法的工艺可行性进行估算评价。
其中，还原气的温度、成分是产生直接还原铁的依据。查表得到不同温度、不同成分条件下的煤气、还原气焓值，列于表1中。
熔铁浴煤制气炉的小时粗煤气产量：2000m3/t.煤×100t/h=200000m3/h。
1600℃粗煤气显热：2319.1kj/m3×200000m3/h=463820000kj/h。
本发明加热铁矿球团所需显热计算如下。
根据相关资料，1000℃下铁矿粉的比热为0.865kj/㎏·℃。
则加热球团中铁矿粉所需热量为：q矿=0.865×1000×(1100－0)=9.515×105kj。
设热量有效利用率为66%，并不考虑粘结剂因素。
则加热铁矿球团所需热量为：q=q矿/66%≈1.442×106kj。
球团矿产出dri中的含铁量：mfe=1000kg×69%=690kg。
则显热理论消耗为：q/mfe=1.442×106kj/690kg≈2090kj/kg(fe)。
900℃需要显热：1229.3kj/m3×(2090kj/kg.fe÷1229.3kj/m3)×2136832t/8000h=1229.3kj/m3×1700m3/t.fe×2136832t/8000h≈558196610kj/h。
循环还原气显热保障程度计算如下。
循环还原气要周转3次，每次利用1/3，还原气还原铁后成为h2o、co2，在还原气净化后排出循环还原气系统，并回收co2，排空n2气。
200000m3/h×2/3=133333m3/h。
加热到600℃的循环还原气显热：794.2kj/m3×133333m3/h≈105893069kj/h。
600℃还原气显热+1600℃粗煤气显热：105893069kj/h+463820000kj/h=569713069kj/h。
1600℃粗煤气显热加热600℃循环还原气显热的保障度：569713069kj/h÷558196610kj/h≈102.06%，可以满足循环还原气需要的显热。
1600℃粗煤气显热折合标煤量：2318.5kj/m3×2000m3/t×100t/h×8000h÷29302kj/kg.标煤=109421t标煤/a。
全年利用粗煤气显热量生产dri量。
用显热代替燃气生产dri年产量：(midrex天然气消耗折318kg标煤/t，其中还原剂消耗218kg标煤/t，燃气消耗100kg标煤/t；设定显热值=燃料气热值=0.1t标煤)109421t.标煤÷0.1t.标煤/t.dri=1094210t.dri/a。
全年利用剩余还原气生产dri产量。
冷煤气热值：[(10783kj/m3.h2×27%+12633kj/m3.co×68%)×(2000m3×100t/h×8000h)÷29302kj/kg]=(2911kj/m3+8590kj/m3)×(2000m3×100t/h×8000h)÷29302kj/kg=627998t标准煤。
用显热生产dri消耗还原剂：0.218t/t.dri×1094210t=238537t标煤/a。
剩余还原气热值：627998t-238537t=389461t.标煤/a。
剩余还原气用于生产dri产量：389461t.标煤÷0.37354t.标煤/dri=1042622t.dri。
全年dri产量=利用粗煤气显热生产dri产量+剩余还原气生产dri产量=1094210t+1042622t=2136832t.dri/a。
本发明工艺方法中的单耗计算如下。
熔铁浴煤制气炉投入煤粉600000t，热值29302kj/kg，折合标准煤600000t；投入氧气348000000m3，热值0.4kg/m3，折合标准煤139200t，合计投入739200t标准煤。
说明：煤粉热值采用29302kj/kg，其余全部采用gb/t2589-2008标准《综合能耗计算通则》。
单耗为：[(28kg+11.06kg)×1094210t+739200t]÷2136832t.dri≈0.3516t.dri。
说明：参考midrex能耗373.54kg/t(fe)标准煤，其中天然气消耗265nm3，折合标准煤318kg；电耗90kwh/t.dri，折标准煤11.06kg；氧耗41.2nm3，折标准煤16.48kg，本工艺算在煤气里；氧化球团能耗28kg标准煤。
与midrex能耗比较：0.3516t-0.37354t=-0.02194t.dri。
分析本发明能耗比midrex低21.94kg的原因。
1、利用粗煤气显热折合109421t标煤，替代了天然气热解能耗。
2、利用全部1600℃粗煤气加热常温循环还原气至900℃(不需还原气加热炉)产量占38%。
3、利用剩余还原气加热到900℃(用炉顶气或还原气做燃料气用加热炉加热)产量占62%。
4、利用全部1600℃粗煤气显热加热600℃循环还原气(需还原气预加热炉)产量占100%。
已知600℃循环还原气达不到还原铁820℃还原温度，不能往还原竖炉里输送。用1600℃粗煤气显热加热600℃循环还原气，可以将循环还原气加热到900℃，就可以达到直接还原铁所需的还原气温度，全部利用了1600℃粗煤气显热。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不是限制本发明的保护范围。本领域普通技术人员在不脱离本发明原理和宗旨的情况下，针对这些实施例进行的各种变化、修改、替换和变型，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1。
首先采用熔铁浴煤制气炉生产高温粗煤气。按照比例，在煤制气炉中喷入煤粉、石灰粉、石灰石粉和o2，物料输送气可以是o2、n2、co2。设计煤气压力4kg，在熔铁浴煤制气炉煤气出口处产生出1400～1700℃的高温粗煤气。
接着，向熔铁浴煤制气炉煤气出口处管道中的1400～1700℃的高温粗煤气中兑入压力4kg、温度25℃的常温循环还原气，利用粗煤气高温将常温循环还原气加热至900℃，经旋风除尘器除尘后，送入直接还原铁竖炉中，由下向上对流穿过氧化铁球团矿床层，将氧化铁球团矿加热还原成直接还原铁。
直接还原铁竖炉炉顶气出口压力4kg，温度400℃，经废锅回收水蒸气后，再通过除尘器除尘，依次经过co水煤气变换工序产出h2和co2、经废锅回收水蒸气，脱除co2、cos、h2s，经变压吸附提纯(h2+co)或变压吸附脱n2，最后经水冷至25℃，用气泵加压到4kg后，作为常温循环还原气，用管道输送到熔铁浴煤制气炉顶部的粗煤气出口处管道中，由高温粗煤气加热至900℃送入直接还原铁竖炉中。
分离出的co2、cos和h2s经回收s和co2后，含有少量co、h2、n2的尾气作为燃料气，或将变压吸附分离出的n2排空，含有少量co、h2、n2的尾气混入循环还原气中利用。
当高温粗煤气的温度超过1450℃时，可以加入少量的常温n2气作为冷却剂进行冷却调温。加入的n2在循环还原气的净化过程中可以分离脱除排空。加入循环还原气中的n2占比≤2%。
实施例2。
首先采用熔铁浴煤制气炉生产高温粗煤气。按照比例，在煤制气炉中喷入煤粉、石灰粉、石灰石粉和o2，物料输送气可以是o2、n2、co2。设计煤气压力4kg，在熔铁浴煤制气炉煤气出口处产生出1400～1500℃的高温粗煤气。
接着，向熔铁浴煤制气炉煤气出口处管道中的1400～1700℃的高温粗煤气中兑入压力4kg、温度600℃的循环还原气（在还原气预加热炉中用流程中的炉顶煤气或还原气作燃料气预热循环还原气），利用粗煤气高温将600℃循环还原气加热至900℃，经旋风除尘器除尘后，送入直接还原铁竖炉中，由下向上对流穿过氧化铁球团矿床层，将氧化铁球团矿加热还原成直接还原铁。
直接还原铁竖炉炉顶气出口压力4kg，温度400℃，经废锅回收水蒸气后，再通过除尘器除尘，依次经过co水煤气变换工序产出h2和co2、经废锅回收水蒸气，脱除co2、cos、h2s，经变压吸附提纯(h2+co)或变压吸附脱n2，最后经水冷至25℃，用气泵加压到4kg后，作为常温循环还原气，用管道输送到熔铁浴煤制气炉顶部的粗煤气出口处管道中，由高温粗煤气加热至900℃送入直接还原铁竖炉中。
分离出的co2、cos和h2s经回收s和co2后，含有少量co、h2、n2的尾气作为燃料气，或将变压吸附分离出的n2排空，含有少量co、h2、n2的尾气混入循环还原气中利用。
当高温粗煤气的温度超过1450℃时，可以加入少量的常温n2气作为冷却剂进行冷却调温。加入的n2在循环还原气的净化过程中可以分离脱除排空。加入循环还原气中的n2占比≤2%。
实施例3。
预加热循环还原气至600℃所用的燃料气是：高炉煤气、煤矿瓦斯气、生物质制燃气等低热值燃气中的一种或多种，循环还原气中的(h2+co)还原气全部用作生产直接还原铁的还原剂，可提高直接还原铁产量23%。其它流程同实施例2。
实施例4。
采用熔铁浴煤制气炉生产高温粗煤气，在煤制气炉中按比例喷入废塑料颗粒、废轮胎颗粒、生物质颗粒、各种废鞋子制成的颗粒、城市垃圾脱水后制成的颗粒。这些含有碳氢物质的有机废弃物成为制直接还原铁循环还原气的原料，有机废弃物合计比例≤50%。其后流程与实施例1和实施例2相同。