一种绿色低碳闭环冶金系统的制作方法

1.本实用新型涉及冶金技术领域，具体涉及一种绿色低碳闭环冶金系统。


背景技术：

2.温室气体排放是引起全球气候变暖的最主要因素，其中二氧化碳产生的温室效应占所有温室气体的70％以上，因此二氧化碳的减排是一个亟待解决的问题。
3.另由于高炉转炉炼铁炼钢工艺赖以依存的炼焦煤资源日益稀缺，造成高炉炼铁生产成本居高不下。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种绿色低碳闭环冶金系统，以解决现有技术的不足。
5.本实用新型采用以下技术方案：
6.一种绿色低碳闭环冶金系统，包括合成气制取装置、合成气余热回收装置、合成气变换装置、合成气净化装置、炼铁炉、尾气余热回收装置、尾气压缩机、尾气净化装置、净化再生装置和钢铁渣资源化利用装置；
7.合成气制取装置，用于制取富含氢气和一氧化碳的粗合成气；
8.合成气余热回收装置，用于对合成气制取装置制取的粗合成气除尘、余热回收；
9.合成气变换装置，用于对除尘、余热回收后的粗合成气中的一部分一氧化碳进行变换反应；
10.合成气净化装置，用于吸收粗合成气中的二氧化碳和水分；
11.炼铁炉，用于净化后的合成气、净化后的尾气与铁矿石发生还原反应，生成海绵铁；
12.尾气余热回收装置，用于对炼铁尾气除尘、余热回收；
13.尾气压缩机，用于将除尘、余热回收后的炼铁尾气加压送入尾气净化装置；
14.尾气净化装置，用于吸收炼铁尾气中的二氧化碳和水分；
15.净化再生装置，用于对合成气净化装置、尾气净化装置中吸收剂再生，同时生产出二氧化碳产品气；
16.钢铁渣资源化利用装置，用于对钢铁渣、净化再生装置再生的二氧化碳资源化利用；
17.合成气制取装置粗合成气出口和合成气余热回收装置连接，合成气余热回收装置粗合成气出口和合成气变换装置连接，合成气变换装置变换气出口和合成气净化装置连接，合成气净化装置净化合成气出口即h2+co出口和炼铁炉进气口连接，炼铁炉尾气出口和尾气余热回收装置连接，尾气余热回收装置尾气出口和尾气压缩机连接，尾气压缩机尾气出口和尾气净化装置连接，尾气净化装置净化尾气出口即h2+co出口和炼铁炉进气口连接，合成气净化装置吸收剂再生出口、尾气净化装置吸收剂再生出口和净化再生装置连接，净化再生装置二氧化碳产品气出口和钢铁渣资源化利用装置连接。
18.进一步地，合成气制取装置包括生物质气化制气装置、煤/焦末气化制气装置或天然气/焦炉气转化制气装置，生物质气化制气装置包括固定床气化制气装置、流化床气化制气装置或气流床气化制气装置，煤/焦末气化制气装置包括水煤浆气化制气装置、粉煤气化制气装置或流化床气化制气装置，天然气/焦炉气转化制气装置包括天然气/焦炉气非催化转化制气装置或天然气/焦炉气催化转化制气装置。
19.更进一步地，合成气制取装置为天然气/焦炉气转化制气装置时，合成气余热回收装置粗合成气出口直接和合成气净化装置连接。
20.进一步地，合成气变换装置为一段变换炉。
21.进一步地，合成气净化装置包括低温甲醇洗法合成气净化装置、mdea法合成气净化装置、nhd法合成气净化装置或psa法合成气净化装置。
22.进一步地，尾气净化装置包括低温甲醇洗法尾气净化装置、mdea法尾气净化装置、nhd法尾气净化装置或psa法尾气净化装置。
23.进一步地，钢铁渣资源化利用装置包括矿化法钢铁渣资源化利用装置或仿生矿化固结法钢铁渣资源化利用装置。
24.更进一步地，矿化法钢铁渣资源化利用装置包括原料输送装置、预处理反应器、离心分离机/真空过滤器、反应槽和产品分离装置；
25.原料输送装置，用于将钢铁渣送入预处理反应器；
26.预处理反应器，用于将钢铁渣利用水蒸气加热、搅拌、静置；
27.离心分离机/真空过滤器，用于对经预处理反应器预处理后的钢铁渣离心分离或真空过滤；
28.反应槽，用于离心分离机/真空过滤器的滤清液、净化再生装置再生的二氧化碳和碱液反应，得到反应液；
29.产品分离装置，用于沉降分离反应槽中的反应液，获得高纯碳酸钙，同时副产碳酸镁和氧化硅。
30.更进一步地，仿生矿化固结法钢铁渣资源化利用装置包括原料输送装置、反应器和成型机；
31.原料输送装置，用于将钢铁渣送入反应器；
32.反应器，用于钢铁渣和净化再生装置再生的二氧化碳进行常温碳化反应，得到结晶型反应物；
33.成型机，用于反应器中的结晶型反应物压制成型，生产结晶型碳酸钙。
34.进一步地，合成气余热回收装置水蒸气出口连接至矿化法钢铁渣资源化利用装置和外部水蒸气利用装置，尾气余热回收装置水蒸气出口连接至矿化法钢铁渣资源化利用装置和外部水蒸气利用装置；外部水蒸气利用装置包括热能回收发电装置。
35.本实用新型的有益效果：
36.本实用新型通过生物质或化石能源制取合成气、合成气直接还原炼铁、炼铁尾气治理及二氧化碳捕集回收利用、钢铁渣的资源化回收等技术和措施的实施，可实现生物质及化石能源的绿色低碳闭环炼铁。
37.1、将合成气制取产生的二氧化碳、炼铁产生的二氧化碳进行综合利用，具有碳减排、控制温室效应、减缓全球变暖的积极效果，同时解决了炼铁尾气难以治理的问题。
38.2、本实用新型合成气制取产生的二氧化碳和炼铁产生的二氧化碳经净化处理后作为钢铁渣资源化利用处理的碳化原料，生产富铁尾矿、高纯碳酸钙、碳酸镁、氧化硅、含量大于75wt％的结晶型碳酸钙等产品，富铁尾矿可以作为炼铁的原料及生产水泥的熟料配料，高纯碳酸钙可作为生产聚氯乙烯pvc的添加剂，碳酸镁可作为医药中间体及添加剂，氧化硅可作为电池的正极材料，含量大于75wt％的结晶型碳酸钙可用于生产超高性能建筑材料即els材料。针对日益增长的钢铁渣，采取资源化利用措施，解决钢铁渣滞销堆积问题，节约土地资源。
39.3、湿法冶金要求二氧化碳的浓度在80％v/v以上、els要求二氧化碳的浓度在60％v/v以上，而本实用新型可制取浓度为80～98％v/v的二氧化碳，可为冶金、建筑等行业提供易得、低成本的高浓度二氧化碳产品。高浓度的二氧化碳还可以作为炼铁系统的密封气，不需要再增加惰性气体。
40.4、采用合成气为原料进行直接还原炼铁、钢铁渣资源化处理后的富铁尾矿作为炼铁原料，可降低炼铁成本、降低炼焦煤资源日益稀缺的困境；同时对提升洁净钢铁优质钢铁产能、优化钢铁结构具有重大意义。
41.5、因为钢铁渣得以回收利用、合成气及炼铁尾气中的二氧化碳得到捕集利用，同时回收合成气制取、炼铁过程中的余热，最终实现钢铁渣资源化利用、二氧化碳捕集利用及生产出洁净、优质钢的循环高质量发展，具有绿色、环保、节能的重大意义。
42.6、生物质是一种环境友好的可再生能源资源，采用生物质原料进行气化或热解制氢气或合成气的技术已发展的较为成熟，未来对改善能源利用结构、环境污染控制及应对气候变化将产生积极的影响。
43.7、本实用新型合成气净化装置、尾气净化装置共用一净化再生装置，对吸收了二氧化碳的吸收剂进行再生，再生后的吸附剂重新恢复吸收功能送入合成气净化装置、尾气净化装置循环利用，同时再生出80～98％v/v的二氧化碳产品气，此过程将合成气制取中的二氧化碳、炼铁尾气中的二氧化碳进行富集，便于二氧化碳的回收利用，解决了炼铁尾气难以治理的问题。
附图说明
44.图1为本实用新型系统结构示意图。
具体实施方式
45.下面结合实施例和附图对本实用新型做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本实用新型，但并不用来限定本实用新型的实施范围。
46.本实用新型涉及的反应机理：
47.(1)生物质气化反应：
48.生物质+o2(or h2o、co2)
→
co+h2+ch4+微量油
49.co+3h2→
ch4+h2o
50.co+h2o
→
co2+h251.(2)煤/焦末气化反应：
52.2c+o2→
2co
53.c+h2o
→
co+h254.c+co2→
2co
[0055][0056]
(3)天然气/焦炉气转化反应：
[0057]
ch4+2o2→
co2+2h2o
[0058]
2h2+o2→
2h2o
[0059]
2co+o2→
2co2[0060]
ch4+h2o
→
3h2+co
[0061]
ch4+co2→
2h2+2co
[0062]
h2+co2→
h2o+co
[0063][0064]
(4)一氧化碳变换反应：
[0065]
co+h2o
→
co2+h2[0066]
(5)h2+co直接还原铁反应：
[0067]
fe2o3+3h2→
2fe+3h2o
[0068]
fe2o3+3co
→
2fe+3co2[0069]
(6)钢渣回收利用的反应：
[0070]
生产高纯碳酸钙、碳酸镁、氧化硅等产品：
[0071]
mg3si2o5(oh)4+3co2→
3mgco3+2sio2+2h2o
[0072]
mg2sio4+2co2→
2mgco3+sio2[0073]
casio3+co2→
caco3+sio2[0074]
生产含量大于75％结晶型碳酸钙：
[0075]
casio3+co2→
caco3+sio2[0076]
一种绿色低碳闭环冶金系统，如图1所示，包括合成气制取装置1、合成气余热回收装置2、合成气变换装置3、合成气净化装置4、炼铁炉5、尾气余热回收装置6、尾气压缩机7、尾气净化装置8、净化再生装置9和钢铁渣资源化利用装置10；
[0077]
合成气制取装置1，用于制取富含氢气和一氧化碳的粗合成气；
[0078]
合成气余热回收装置2，用于对合成气制取装置1制取的粗合成气除尘、余热回收；通过余热回收副产水蒸气，部分作为钢铁渣资源化利用装置10钢铁渣、二氧化碳资源化利用的原料，部分外送或采用发电回收热能；
[0079]
合成气变换装置3，用于对除尘、余热回收后的粗合成气中的一部分一氧化碳进行变换反应，使粗合成气中的h2:co体积比不低于1.5:1；
[0080]
合成气净化装置4，用于吸收h2:co体积比不低于1.5:1的粗合成气中的二氧化碳和水分，使净化后的合成气中h2+co的含量达到90％v/v以上；
[0081]
炼铁炉5，用于净化后的合成气、净化后的尾气与铁矿石发生还原反应，生成海绵铁；
[0082]
尾气余热回收装置6，用于对炼铁尾气除尘、余热回收；通过余热回收副产水蒸气，部分作为钢铁渣资源化利用装置10钢铁渣、二氧化碳资源化利用的原料，部分外送或采用发电回收热能；
[0083]
尾气压缩机7，用于将除尘、余热回收后的炼铁尾气加压送入尾气净化装置 8；
[0084]
尾气净化装置8，用于吸收炼铁尾气中的二氧化碳和水分，使净化后的炼铁尾气中h2+co的含量达到90％v/v以上；
[0085]
净化再生装置9，用于对合成气净化装置4、尾气净化装置8中吸收剂再生，同时生产出80～98％v/v的二氧化碳产品气；
[0086]
钢铁渣资源化利用装置10，用于对钢铁渣、净化再生装置9再生的二氧化碳资源化利用；
[0087]
合成气制取装置1粗合成气出口和合成气余热回收装置2连接，合成气余热回收装置2粗合成气出口和合成气变换装置3连接，合成气变换装置3变换气出口和合成气净化装置4连接，合成气净化装置4净化合成气出口即h2+co出口和炼铁炉5进气口连接，炼铁炉5尾气出口和尾气余热回收装置6连接，尾气余热回收装置6尾气出口和尾气压缩机7连接，尾气压缩机7尾气出口和尾气净化装置8连接，尾气净化装置8净化尾气出口即h2+co出口和炼铁炉5进气口连接，合成气净化装置4吸收剂再生出口、尾气净化装置8吸收剂再生出口和净化再生装置9连接，净化再生装置9二氧化碳产品气出口和钢铁渣资源化利用装置 10连接。
[0088]
利用所述系统进行绿色低碳闭环冶金工艺包括如下步骤：
[0089]
1)、合成气制取：利用合成气制取装置1制取富含氢气和一氧化碳的粗合成气。
[0090]
制取合成气的方法包括生物质气化制气、煤/焦末气化制气或天然气/焦炉气转化制气，生物质气化制气包括固定床气化制气、流化床气化制气或气流床气化制气，煤/焦末气化制气包括水煤浆气化制气、粉煤气化制气或流化床气化制气，天然气/焦炉气转化制气包括天然气/焦炉气非催化转化制气或天然气/焦炉气催化转化制气。
[0091]
生物质气化制气，此处仅描述先进环保的流化床气化制气，生物质(主要指农业废弃物和木材废弃物，如麦秸秆、谷壳、树皮、木屑等)在流化床气化炉中与氧气发生部分氧化还原反应并生成粗合成气，主要成分(按干基，体积百分比) 为氢气27～38％、一氧化碳23～35％、二氧化碳18～28％、甲烷8～12％、氮气 0.9％左右。
[0092]
煤/焦末气化制气，通过原料煤/焦末制成水煤浆，在水煤浆气化炉中发生部分氧化还原反应并生成粗合成气，主要成分(按干基，体积百分比)为氢气42～ 46％、一氧化碳35～38％、二氧化碳17～20％、甲烷及氮气0.5％左右；或通过原料煤/焦末制成煤粉，在粉煤气化炉中发生部分氧化还原反应并生成粗合成气，主要成分(按干基，体积百分比)为氢气28～32％、一氧化碳57～62％、二氧化碳9～11％、甲烷及氮气0.5％左右；或通过选择合适块煤，在流化床气化炉中发生部分氧化还原反应并生成粗合成气，主要成分(按干基，体积百分比)为氢气38～42％、一氧化碳29～32％、二氧化碳16～20％、甲烷3～5％、氮气5～8％。
[0093]
天然气/焦炉气转化制气，通过转化工艺将天然气/焦炉气与氧气进行转化反应(分非催化转化或催化转化)并生产粗合成气。其中非催化转化生产的粗合成气主要成分(按干基，体积百分比)为氢气66～71％、一氧化碳24～28％、二氧化碳2～4％、甲烷及氮气2％左右；催化转化生产的粗合成气主要成分(按干基，体积百分比)为氢气65～74％、一氧化碳17～22％、二氧化碳6～8％、甲烷及氮气2％左右。
[0094]
2)、合成气变换：合成气制取装置1制取的粗合成气经合成气余热回收装置 2除尘(水洗除尘或旋风除尘)、余热回收后，针对粗合成气中不同的一氧化碳含量，利用合成气变
换装置3一段变换炉进行适度变换，对粗合成气中的一部分一氧化碳进行变换反应，使粗合成气中的h2:co体积比不低于1.5:1，满足合成气直接还原铁工艺的要求。
[0095]
3)、合成气净化：利用合成气净化装置4中吸收剂吸收粗合成气中的二氧化碳和水分，使净化后的合成气中h2+co的含量达到90％v/v以上。
[0096]
合成气净化装置4净化粗合成气的方法，包括低温甲醇洗法、mdea法、 nhd法或psa法。
[0097]
低温甲醇洗法、mdea法、nhd法，h2:co体积比不低于1.5:1的粗合成气，从合成气净化装置4即吸收塔的底部送入，吸收剂从塔顶喷淋而下对二氧化碳和水分进行吸收，净化后的合成气从塔顶送出，净化后的合成气中h2+co的含量达到90％v/v以上。
[0098]
psa法脱除二氧化碳和水分的步骤为，h2:co体积比不低于1.5:1的粗合成气经过装有吸附二氧化碳和水分的吸附剂的合成气净化装置4即吸收塔，二氧化碳和水分则被吸附下来，氢气和一氧化碳通过吸附剂，净化后的合成气中h2+co 的含量达到90％v/v以上。
[0099]
吸收了二氧化碳和水分的吸收剂从塔底流出，送入净化再生装置9再生。
[0100]
4)、炼铁：净化后的合成气(h2/co体积比大于1.5，h2+co含量90v％以上，压力为0.5～1.0mpa)送入炼铁炉5，与铁矿石(主要成分为fe2o3)发生还原反应，生成海绵铁。采用天然气/焦炉气转化制气，因h2/co大于1.5、h2+co 的含量超过90％v/v，可不变换不脱碳，只脱除水分即可。
[0101]
5)、尾气净化：炼铁尾气经尾气余热回收装置6除尘、余热回收后，由尾气压缩机7加压送入尾气净化装置8利用吸收剂吸收二氧化碳和水分，使净化后的炼铁尾气中的h2+co的含量达到90％v/v以上。净化后的尾气循环与步骤3)净化后的合成气一起送入炼铁炉5。
[0102]
尾气净化装置8净化炼铁尾气的方法，包括低温甲醇洗法、mdea法、nhd 法或psa法。
[0103]
低温甲醇洗法、mdea法、nhd法，炼铁尾气从尾气净化装置8即吸收塔的底部送入，吸收剂从塔顶喷淋而下对二氧化碳和水分进行吸收，净化后的炼铁尾气从塔顶送出，净化后的炼铁尾气中h2+co的含量达到90％v/v以上。
[0104]
psa法脱除二氧化碳和水分的步骤为，炼铁尾气经过装有吸附二氧化碳和水分的吸附剂的尾气净化装置8即吸收塔，二氧化碳和水分则被吸附下来，氢气和一氧化碳通过吸附剂，净化后的炼铁尾气中h2+co的含量达到90％v/v以上。
[0105]
吸收了二氧化碳和水分的吸收剂从塔底流出，也送入净化再生装置9再生。
[0106]
6)、二氧化碳捕集：合成气净化装置4吸收剂吸收粗合成气中的二氧化碳、水分后形成富液，尾气净化装置8吸收剂吸收炼铁尾气中的二氧化碳、水分后形成富液，两股富液合并送入净化再生装置9再生，生产出80～98％v/v的二氧化碳产品气；再生的吸收剂送入合成气净化装置4、尾气净化装置8，循环利用。
[0107]
具体是吸收了二氧化碳和水分的吸收剂从塔底(合成气净化装置4、尾气净化装置8)流出，经过合成气再生装置9闪蒸、再生后，吸附剂重新恢复吸收功能，经降温后送入合成气净化装置4、尾气净化装置8，溶液再生出80～98％v/v 的二氧化碳产品气。采用psa法的吹除气即为再生的二氧化碳。
[0108]
7)、钢铁渣、二氧化碳资源化利用：钢铁渣、净化再生装置9再生的二氧化碳送入钢铁渣资源化利用装置10资源化利用。
[0109]
钢铁渣资源化利用装置10采用矿化法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，生产富铁尾矿、高纯碳酸钙、碳酸镁和氧化硅；或者采用仿生矿化固结法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，生产含量大于75wt％的结晶型碳酸钙。
[0110]
钢铁渣资源化利用装置10采用矿化法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，其包括：原料输送装置、预处理反应器、离心分离机/真空过滤器、反应槽和产品分离装置；
[0111]
原料输送装置，用于将钢铁渣送入预处理反应器；
[0112]
预处理反应器，用于将钢铁渣利用水蒸气加热至40～95℃、搅拌、静置；
[0113]
离心分离机/真空过滤器，用于对经预处理反应器预处理后的钢铁渣离心分离或真空过滤，滤料为30～50wt％铁含量的富铁尾矿，滤清液是溶解了 mg3si2o5(oh)4、mg2sio4和casio3的溶液；
[0114]
反应槽，用于离心分离机/真空过滤器的滤清液送入反应槽，净化再生装置再生的二氧化碳送入反应槽，滤清液、二氧化碳和碱液在反应槽中进行反应，得到反应液；
[0115]
产品分离装置，用于沉降分离反应槽中的反应液，获得90～98wt％的高纯碳酸钙，同时副产碳酸镁和氧化硅；
[0116]
具体包括如下步骤：
[0117]
1)、将钢铁渣送入预处理反应器，利用水蒸气加热至40～95℃、搅拌、静置；
[0118]
2)、对经预处理反应器预处理后的钢铁渣离心分离或真空过滤，滤料为30～ 50wt％铁含量的富铁尾矿，可作为炼铁的原料或掺入水泥熟料生产水泥，添加比例可达25～40wt％，滤清液是溶解了mg3si2o5(oh)4、mg2sio4和casio3的溶液；
[0119]
3)、滤清液送入反应槽，净化再生装置再生的二氧化碳送入反应槽，滤清液、二氧化碳和碱液(氢氧化钠溶液，调节ph)在反应槽中进反应，得到反应液；
[0120]
4)、将反应液沉降分离，获得90～98wt％的高纯碳酸钙，可作为生产聚氯乙烯pvc的添加剂；同时副产碳酸镁和氧化硅，碳酸镁可作为医药中间体及添加剂，氧化硅可作为电池的正极材料。
[0121]
钢铁渣资源化利用装置10采用仿生矿化固结法对钢铁渣、二氧化碳进行资源化利用，其包括原料输送装置、反应器和成型机；
[0122]
原料输送装置，用于将钢铁渣送入反应器；
[0123]
反应器，用于钢铁渣送入反应器，净化再生装置再生的二氧化碳送入反应器，钢铁渣和二氧化碳在反应器中发生常温碳化反应，得到结晶型反应物；
[0124]
成型机，用于反应器中的结晶型反应物压制成型，生产含量大于75wt％的结晶型碳酸钙；
[0125]
具体包括如下步骤：
[0126]
1)、将钢铁渣送入反应器，净化再生装置再生的二氧化碳送入反应器，搅拌均匀；
[0127]
2)、钢铁渣和二氧化碳在反应器中发生常温碳化反应，得到结晶型反应物；
[0128]
3)、将结晶型反应物压制成型，生产含量大于75wt％的结晶型碳酸钙，用于生产超高性能建筑材料，即els材料(又称人工石)。