本發(fā)明屬于直接還原鐵技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種煤制氣兩段串聯(lián)冶煉直接還原鐵的工藝方法。本發(fā)明方法可以最大限度的利用粗煤氣余熱、余氣、余壓冶煉直接還原鐵，實現(xiàn)煤炭能源的分質(zhì)、高效、清潔利用，提高能源利用效率。

背景技術(shù)：

在COREX熔融還原爐的上段有一個直接還原鐵豎爐，以利用下端煤制氣熔分爐的爐頂高溫煤氣，兌入冷煤氣除塵后送入直接還原鐵豎爐冶煉直接還原鐵。這是余熱煉鐵的一個案例。但是COREX有兩個自身無法克服的工藝缺陷：豎爐和煤制氣熔分爐弧頂煤氣管道的粘結(jié)堵塞問題。分析其原因，主要是煤氣中含有軟化點(diǎn)較低的鐵礦物。

現(xiàn)有的氣基豎爐還原鐵包括有MIDREX、HYL-Ⅲ、MME、CTR等技術(shù)，都是將爐頂煤氣凈化后返回豎爐循環(huán)利用。

2010101245421號專利公開了一種利用粗煤氣顯熱生產(chǎn)直接還原鐵的方法，以直接還原豎爐兼做粗煤氣顆粒床高溫除塵器，豎爐中的鐵礦(包括鐵礦煤球團(tuán)、氧化鐵礦球團(tuán)、煤包裹鐵礦粉球團(tuán))兼做移動顆粒床除塵顆粒，在對高溫粗煤氣除塵的過程中聯(lián)產(chǎn)直接還原鐵，同時完成了利用顯熱、還原鐵、降溫、除塵、降低還原豎爐中煤氣壓力5個功能。該專利將從還原豎爐中產(chǎn)出的爐頂煤氣經(jīng)凈化后用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品的原料氣或燃?xì)猓梢杂行岣呙禾磕茉淳C合利用效率。該專利將煤制氣與直接還原鐵豎爐分置，煤制氣采用高灰熔點(diǎn)、軟化點(diǎn)的煤，避免了煤氣中含有低軟化點(diǎn)的鐵礦物和其它礦物，可以消除低軟化點(diǎn)礦物造成的粘結(jié)、堵塞問題。

011356464號專利公開了一種從常溫到高溫保持強(qiáng)度的含碳冷固結(jié)球團(tuán)礦，由55～96%原料礦粉，0～33%碳質(zhì)還原劑，0～25%熔劑和3～6%粘結(jié)劑混合制團(tuán)而成，制成的球團(tuán)礦在常溫和高溫還原氣氛環(huán)境下都保持有一定的強(qiáng)度，常溫抗壓強(qiáng)度780N/個，還具有較高的軟化點(diǎn)，一般能達(dá)到1100℃，從而保證了球團(tuán)礦在較高溫度下還原時不會粘結(jié)，球團(tuán)礦的還原速度大為提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種煤制氣兩段串聯(lián)冶煉直接還原鐵工藝方法，以最大限度的利用粗煤氣余熱、余氣、余壓冶煉直接還原鐵。

本發(fā)明所述的煤制氣兩段串聯(lián)冶煉直接還原鐵工藝方法是將裝填有含碳鐵礦球團(tuán)的第一還原豎爐與裝填有氧化鐵礦球團(tuán)的第二還原豎爐串聯(lián)，將煤制氣高溫粗煤氣從第一還原豎爐的下部經(jīng)圍管口通入第一還原豎爐中，穿過爐體內(nèi)裝填的含碳鐵礦球團(tuán)，利用粗煤氣顯熱加熱含碳鐵礦球團(tuán)以冶煉直接還原鐵；第一還原豎爐還原過程中產(chǎn)生的爐頂氣排出爐體外，經(jīng)凈化后作為直接還原鐵的還原氣，由第二還原豎爐的下部經(jīng)圍管口通入第二還原豎爐中，穿過爐體內(nèi)裝填的氧化鐵礦球團(tuán)，還原所述氧化鐵礦球團(tuán)以生產(chǎn)直接還原鐵。

本發(fā)明上述工藝方法中，所述通入第一還原豎爐中用于還原含碳鐵礦球團(tuán)的高溫粗煤氣的溫度≥900℃，氧化度＜17%，壓力≥2kg。

進(jìn)一步地，所述第一還原豎爐與第二還原豎爐之間的壓力差不小于2kg。

本發(fā)明所述工藝方法中，所述含碳鐵礦球團(tuán)是由焦粉、半焦粉、無煙煤粉中的一種或幾種與鐵精礦、無機(jī)粘結(jié)劑混合后壓制成的球團(tuán)礦。所述含碳鐵礦球團(tuán)采用焦粉、半焦粉或無煙煤粉做還原劑，在還原過程中不會產(chǎn)生焦油。所述的無機(jī)粘結(jié)劑是水玻璃、膨潤土、黏土、消石灰、矸石、輕燒白云石中的一種或幾種的任意比例混合物。所述含碳鐵礦球團(tuán)一般采用對輥壓球機(jī)壓制。

本發(fā)明所述工藝方法中，向裝填有含碳鐵礦球團(tuán)的第一還原豎爐中通入高溫粗煤氣的過程，其實質(zhì)是一個在對高溫粗煤氣進(jìn)行除塵的同時聯(lián)產(chǎn)直接還原鐵的過程，該過程同時完成了利用粗煤氣顯熱、還原鐵、粗煤氣降溫、粗煤氣除塵、降低還原豎爐中粗煤氣壓力5個功能，因此是一個余熱煉鐵的過程。一般地，采用粉煤加壓氣化工藝生產(chǎn)的粗煤氣的氧化度都較低，≤10%，溫度可以達(dá)到1400℃，壓力較高，可以達(dá)到40kg，經(jīng)調(diào)整溫度和壓力后，可以作為本發(fā)明第一還原豎爐用粗煤氣進(jìn)行余熱煉鐵。本發(fā)明中，用于生產(chǎn)所述高溫粗煤氣的氣化爐可以是兩段式干粉煤加壓氣化爐、Shell氣化爐、五環(huán)氣化爐、航天氣化爐、、晉煤氣化爐、GSP氣化爐等采用粉煤加壓氣化技術(shù)的氣化爐，以這類氣化爐生產(chǎn)的粗煤氣中不含焦油，只需要處理粉塵，不會因焦油產(chǎn)生粘結(jié)和堵塞問題。

因此，從第一還原豎爐中產(chǎn)出的爐頂煤氣經(jīng)過常規(guī)凈化工序后，能夠直接作為第二還原豎爐的還原氣，通入第二還原豎爐中用于還原豎爐中裝填的氧化鐵礦球團(tuán)生產(chǎn)直接還原鐵。

本發(fā)明所述工藝方法中，所述第二還原豎爐采用MIDREX、HYL、MME、CTR中的一種。

本發(fā)明所述工藝方法通過第一還原豎爐充分利用高溫粗煤氣的余熱、余壓、余氣，以含碳鐵礦球團(tuán)生產(chǎn)直接還原鐵；第二還原豎爐采用凈化后的第一還原豎爐產(chǎn)出的爐頂氣做為還原氣，以氧化鐵礦球團(tuán)為原料，利用第一還原豎爐的余氣和余壓生產(chǎn)直接還原鐵。通過兩段串聯(lián)冶煉直接還原鐵，最大限度的提高了煤炭能源的利用效率。

本發(fā)明工藝方法需要便捷地調(diào)整粗煤氣溫度。以兩段式干粉煤加壓氣化爐為例，其調(diào)整粗煤氣溫度的方法是往上段爐內(nèi)噴入少量煤粉，優(yōu)點(diǎn)是利用了下段爐的粗煤氣高溫，增加了煤粉處理量，降低了粗煤氣中的CO₂含量，提高了CO含量約2～3%，降低了粗煤氣的氧化度。但其缺點(diǎn)是上段噴入煤粉中的灰分全部進(jìn)入到粗煤氣中，增加了粗煤氣中灰分的處理難度。經(jīng)調(diào)查，干粉煤加壓氣化技術(shù)的粗煤氣成分都可以達(dá)到余熱煉鐵的低氧化度要求（不含激冷），因此，本發(fā)明通過往上段爐和降壓罐里噴入一定量的冷煤氣或天然氣或煤層氣來調(diào)整粗煤氣的溫度，可以將粗煤氣溫度降至1050±50℃。噴入冷氣的優(yōu)點(diǎn)還在于能夠稀釋粗煤氣中的硫分，且甲烷分解也會吸收一部分熱量轉(zhuǎn)化成H₂+CO。本發(fā)明同時還保留了上段爐噴煤粉，以提高系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。

本發(fā)明工藝方法還需要方便地調(diào)整粗煤氣的壓力。一般情況下，煤制氣爐在同等容積條件下，壓力高產(chǎn)能大，壓力低產(chǎn)能小。本發(fā)明可以將煤制氣爐壓力設(shè)計為10kg，與達(dá)涅利公司的ENERGIRON(HYL-Ⅲ)連接進(jìn)行余熱煉鐵。HYL-Ⅲ豎爐的工作壓力8kg，承諾最高壓力12kg。本發(fā)明還可以在粗煤氣出口連接一個降壓罐，降壓后的粗煤氣經(jīng)螺旋除塵后送入第一還原豎爐。降壓罐的原理是擴(kuò)徑，以兩段式干粉煤加壓氣化爐為例，降壓罐出口管的截面積是進(jìn)口管的數(shù)倍，可以降壓0～2kg。為配合降壓罐，可以在直接還原鐵豎爐上設(shè)置2～3層煤氣進(jìn)口圍管，從圍管進(jìn)入還原豎爐的進(jìn)氣口為N個。通過降壓罐與直接還原鐵豎爐圍管聯(lián)合為煤制氣爐產(chǎn)出的粗煤氣降壓。降壓罐和螺旋除塵器內(nèi)設(shè)耐火材料、耐高溫保溫材料，外設(shè)耐熱鋼板。

本發(fā)明工藝方法采用兩段串聯(lián)冶煉直接還原鐵，其第一段豎爐充分利用高溫粗煤氣的溫度、壓力和還原氣氛進(jìn)行余熱煉鐵，第二段豎爐利用第一段余熱煉鐵的余壓、余氣，并燃燒一部分自產(chǎn)凈化后的爐頂氣加熱還原氣進(jìn)行還原煉鐵。

本發(fā)明工藝方法將余熱煉鐵與氣基直接還原鐵串聯(lián)，以充分利用粗煤氣的壓力。其中第一段余熱煉鐵工藝中選擇8～12kg的壓力，第二段串聯(lián)的氣基直接還原鐵豎爐選擇3kg壓力，這樣可以取消主要流程中的增壓泵，以降低電耗。作為例外，串聯(lián)的氣基直接還原鐵豎爐中返回利用的爐頂氣還是需要設(shè)置一個增壓泵，或者增設(shè)混氣兌壓罐，即先將返回利用的低壓爐頂氣充入罐中，再兌入壓力較高的凈化后的余熱煉鐵爐頂氣，將還原煤氣壓力兌到3kg后送入豎爐?？梢栽O(shè)置兩個混氣兌壓罐交替工作，當(dāng)一個兌壓罐內(nèi)還原氣接近3kg壓力時，用一個功率較小的泵將罐內(nèi)還原氣泵入另一個兌壓罐，將這個兌壓罐壓力降到常壓后，再將凈化后的低壓爐頂煤氣自流入混氣兌壓罐中。

本發(fā)明工藝方法中涉及的煤氣凈化技術(shù)可以選擇各種直接還原鐵工藝中的煤氣凈化技術(shù)，也可以從現(xiàn)有煤化工工藝中選擇壓降較小、凈化效果好的煤氣凈化工藝。

本發(fā)明工藝方法中，其第二還原豎爐內(nèi)以≥70%的CO作為還原氣，其屬于是間接還原。間接還原是放熱反應(yīng)，可以適當(dāng)降低入爐還原氣的加熱溫度，或從爐頂煤氣中回收間接還原產(chǎn)生的熱量，節(jié)省燃?xì)庀?，達(dá)到節(jié)能的效果。

本發(fā)明工藝方法中，其第一還原豎爐由于采用焦粉或半焦進(jìn)行余熱煉鐵，導(dǎo)致焦中的灰分、硫分進(jìn)入到產(chǎn)出的直接還原鐵產(chǎn)品中，需要將產(chǎn)品進(jìn)行電爐熔分，將渣鐵分離、脫硫后方能用于煉鋼。電爐熔分直接還原鐵產(chǎn)生的熔分渣可以使用污水進(jìn)行水淬以生產(chǎn)水淬渣，用于生產(chǎn)水泥。

本發(fā)明工藝方法中，其第二還原豎爐產(chǎn)出的直接還原鐵是較高質(zhì)量的直接還原鐵，可以用于煉鋼原料、電爐鋼廢鋼雜質(zhì)稀釋劑、粉末冶金還原鐵粉用原料。

其中，用于加熱第二還原豎爐的還原氣的加熱方法可以采用以下方法之一：可以用管式加熱爐將還原氣加熱到600℃，再用部分氧化法加熱到840～1050℃后送入豎爐；也可以部分氧化法將還原氣直接加熱到840～1050℃送入豎爐。

本發(fā)明工藝方法中，當(dāng)?shù)谝贿€原豎爐與第二還原豎爐之間煤氣經(jīng)凈化和脫硫脫碳，煤氣減壓后，壓差如果超過2kg時，可以增設(shè)透平壓差發(fā)電裝置。即當(dāng)?shù)谝贿€原豎爐爐頂煤氣余熱回收或降溫、脫硫、脫碳后的壓力依然大于第二還原豎爐所需還原氣壓力時，可以增設(shè)壓差透平發(fā)電裝置，以利用這部分還原氣壓力發(fā)電。設(shè)置壓差透平發(fā)電，有利于提高煤制氣爐的爐氣壓力，提高能源的利用效率。

本發(fā)明工藝方法中，第一還原豎爐與第二還原豎爐爐頂煤氣脫硫脫碳后回收的CO₂還可以返回通入高溫粗煤氣中，作為高溫粗煤氣的冷卻氣使用，但CO₂的加入量應(yīng)保證其加入后的高溫粗煤氣氧化度不超過17%。

進(jìn)而，本發(fā)明所述工藝方法中，還可以將第一還原豎爐爐頂煤氣中的H₂用變壓吸附的方式分離出一部分，用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品、粉末冶金、燃料電池等，其余的CO+H₂用于第二還原豎爐直接還原鐵的還原氣。還原氣分質(zhì)利用有利于提高裝置整體的經(jīng)濟(jì)效益，有利于建設(shè)綜合生態(tài)工業(yè)園區(qū)。

具體實施方式

實施例1

采用兩段式干粉煤加壓爐生產(chǎn)粗煤氣，設(shè)計煤氣壓力10kg，在兩段式干粉煤加壓氣化爐的上段噴入冷煤氣，將粗煤氣溫度調(diào)整至1100±50℃后送降壓罐，降壓罐煤氣送旋風(fēng)除塵器除塵后，將粗煤氣溫度調(diào)整到1050±50℃，按照2010101245421專利方法送入直接還原鐵豎爐中生產(chǎn)直接還原鐵。豎爐爐頂煤氣出口壓力8kg，溫度350℃，送爐頂氣余熱回收裝置，再通過電袋復(fù)合除塵或陶瓷除塵器除塵，依次經(jīng)過脫硫脫碳裝置后，送入還原氣兌壓罐，最后經(jīng)過還原氣加熱爐調(diào)整還原氣的壓力為3kg，溫度840～900℃，送入第二段的直接還原鐵豎爐中生產(chǎn)直接還原鐵。第二段豎爐采用MDREX技術(shù)，爐頂煤氣凈化后返回第二段豎爐用于還原氣和燃?xì)狻?/p>

實施例2

采用Shell爐生產(chǎn)粗煤氣，設(shè)計煤氣壓力14kg，粗煤氣送降壓罐，向降壓罐中兌入冷煤氣，將煤氣溫度調(diào)整到1050±50℃送旋風(fēng)除塵器，煤氣壓力降至12kg，送入HYL-Ⅲ直接還原鐵豎爐生產(chǎn)直接還原鐵。豎爐爐頂煤氣出口壓力8kg，溫度350℃，送爐頂氣余熱回收裝置，再通過電袋復(fù)合除塵或陶瓷除塵器除塵，依次經(jīng)過脫硫脫碳裝置后，送入還原氣兌壓罐，調(diào)整還原氣壓力為5kg，經(jīng)還原氣加熱爐加熱至850～900℃，送入第二段的直接還原鐵豎爐中生產(chǎn)直接還原鐵。第二段豎爐采用CTR直接還原鐵技術(shù)，爐頂煤氣凈化后返回第二段豎爐用于還原氣和燃?xì)狻?/p>

實施例3

以五環(huán)爐制粗煤氣，設(shè)計煤氣壓力14kg，粗煤氣送降壓罐，降壓罐中兌入冷煤氣，調(diào)整溫度到1050±50℃送旋風(fēng)除塵器，煤氣壓力降至12kg，送入HYL-Ⅲ直接還原鐵豎爐生產(chǎn)直接還原鐵。豎爐爐頂煤氣壓力10kg，溫度350℃，送爐頂氣余熱回收裝置，再通過電袋復(fù)合除塵或陶瓷除塵器除塵，依次經(jīng)過脫硫脫碳裝置后，送入還原氣兌壓罐，經(jīng)過透平余壓發(fā)電裝置，還原氣壓力降至7kg，送還原氣兌壓罐降壓到5kg，經(jīng)還原氣加熱爐加熱至850～900℃，送入第二段的直接還原鐵豎爐中生產(chǎn)直接還原鐵。第二段豎爐采用CTR直接還原鐵技術(shù)，爐頂煤氣凈化后返回第二段豎爐用于還原氣和燃?xì)狻?/p>

實施例4

以兩段式干粉煤加壓爐制粗煤氣，設(shè)計煤氣壓力10kg，在兩段式干粉煤加壓氣化爐的上段噴入冷煤氣，將粗煤氣溫度調(diào)整至1050±50℃后送降壓罐，降壓罐煤氣送旋風(fēng)除塵器除塵后，送HYL-Ⅲ直接還原鐵豎爐生產(chǎn)直接還原鐵。豎爐爐頂煤氣出口壓力8kg，溫度350℃，送爐頂氣余熱回收裝置，再送電袋復(fù)合除塵或陶瓷除塵器，送脫硫脫碳裝置，送還原氣兌壓罐，調(diào)整還原氣壓力為3kg，送還原氣加熱爐加熱至840～900℃，送入第二段直接還原鐵豎爐中生產(chǎn)直接還原鐵。第二段豎爐采用MME直接還原鐵技術(shù)，爐頂煤氣凈化后返回第二段豎爐用于還原氣和燃?xì)狻?/p>

實施例5

以兩段式干粉煤加壓爐制粗煤氣，設(shè)計煤氣壓力10kg，在兩段式干粉煤加壓氣化爐的上段噴入冷煤氣，調(diào)整粗煤氣溫度至1050±50℃送降壓罐，降壓罐煤氣送旋風(fēng)除塵器，送2010101245421專利直接還原鐵豎爐。爐頂煤氣出口壓力8kg，溫度350℃，送爐頂氣余熱回收裝置，再送電袋復(fù)合除塵或陶瓷除塵器，送脫硫裝置，送變壓吸附脫CO₂裝置，送透平余壓發(fā)電裝置，還原氣壓力降至5kg，送還原氣兌壓罐，調(diào)整還原氣壓力為3kg，送還原氣加熱爐，加熱至840～900℃，送入第二段直接還原鐵豎爐。第二段豎爐采用MDREX技術(shù)，爐頂煤氣凈化后返回第二段豎爐用于還原氣和燃?xì)狻?/p>