本發(fā)明涉及冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種天然氣三重整制備直接還原鐵的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

直接還原鐵又稱(chēng)海綿鐵，是一種重要的可代替廢鋼且優(yōu)于廢鋼的煉鋼原料，可稀釋廢鋼中的雜質(zhì)元素成分，為電爐煉鋼提供必不可少的純凈鐵原料。鋼鐵企業(yè)發(fā)展直接還原鐵技術(shù)，能更好地適應(yīng)時(shí)代對(duì)企業(yè)向緊湊化、高效化、潔凈化方向發(fā)展的要求。

2014年，全世界直接還原鐵產(chǎn)量為7455萬(wàn)噸。其中，由氣基豎爐法生產(chǎn)的約占80％。典型的工藝包括MIDREX工藝和HYLⅢ(Energiron)工藝。

MIDREX法以天然氣為原料氣，用爐頂氣作為轉(zhuǎn)化劑，經(jīng)重整反應(yīng)得到高品質(zhì)還原氣。爐頂氣經(jīng)降溫除塵后，其中60～70％經(jīng)壓縮后與天然氣按照化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量混合，經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱，然后通過(guò)裝有鎳催化劑的重整爐。在重整爐內(nèi)，天然氣與爐頂氣中的CO₂和H₂O發(fā)生重整反應(yīng)，得到850～900℃的還原氣，然后將該還原氣送入豎爐中。含鐵的氧化球團(tuán)或塊礦在豎爐內(nèi)經(jīng)還原氣還原得到直接還原鐵。直接還原鐵經(jīng)豎爐底部的冷卻段冷卻后排出豎爐。冷卻段的冷卻氣從豎爐排出，然后經(jīng)水洗塔水洗和壓縮機(jī)提壓后，送回豎爐循環(huán)使用。但是，該方法中，重整爐造價(jià)昂貴，維護(hù)成本較高。并且，氣體中的硫會(huì)導(dǎo)致重整爐內(nèi)的重整催化劑中毒。因此，該工藝中需要嚴(yán)格控制礦石和煤氣中的硫含量。

HYLⅢ工藝以天然氣和部分爐頂氣為原料，通過(guò)原料天然氣、轉(zhuǎn)化劑水蒸氣在重整爐中的催化重整反應(yīng)制取還原氣。由重整爐制取的還原氣，通過(guò)熱量回收裝置、水洗冷卻裝置處理，然后與部分經(jīng)水洗冷卻、脫硫脫碳的爐頂氣混合。得到的混合氣經(jīng)加熱爐加熱至900～950℃，然后通入豎爐中，還原氧化球團(tuán)或塊礦。但是，該工藝中，操作壓力較高，對(duì)反應(yīng)器的要求較高。并且，由轉(zhuǎn)化爐制取的高溫還原氣，需經(jīng)冷卻除水以降低氧化度，然后再加熱升溫。因此，工藝上不太合理，耗能較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種天然氣三重整制備直接還原鐵的系統(tǒng)和方法，本發(fā)明可以充分循環(huán)利用爐頂氣，并提高天然氣中甲烷的三重整效率。

本發(fā)明提供了一種天然氣三重整制備直接還原鐵的系統(tǒng)，包括豎爐、第一氣體單元、第二氣體單元、第三氣體單元。

所述豎爐具有爐頂氣出口、還原氣入口、鐵氧化球團(tuán)入口、直接還原鐵出口。

所述第一氣體單元包括依次連接的預(yù)熱裝置、脫硫裝置、加熱裝置、三重整反應(yīng)器。所述預(yù)熱裝置具有混合氣體入口，所述混合氣體入口與所述豎爐的爐頂氣出口連接。所述三重整反應(yīng)器具有氧氣入口、還原氣出口，所述還原氣出口與所述豎爐的還原氣入口連接。

所述第二氣體單元包括所述加熱裝置、所述預(yù)熱裝置。所述加熱裝置具有第二氣體入口、煙氣出口，所述第二氣體入口與所述豎爐的爐頂氣出口連接。所述預(yù)熱裝置具有煙氣入口，所述煙氣入口與所述加熱裝置的煙氣出口連接。

所述第三氣體單元包括脫硫脫碳裝置，所述脫硫脫碳裝置具有第三氣體入口、第三氣體出口。所述第三氣體入口與所述豎爐的爐頂氣出口連接。所述第三氣體出口與所述豎爐的還原氣入口連接。

優(yōu)選的，所述三重整反應(yīng)器設(shè)置有多個(gè)，所述多個(gè)三重整反應(yīng)器并聯(lián)連接，所述多個(gè)并聯(lián)連接的三重整反應(yīng)器與所述加熱爐串聯(lián)連接。

進(jìn)一步的，上述的系統(tǒng)中還包括依次連接的洗滌裝置、壓縮裝置，用于洗滌、壓縮爐頂氣。所述洗滌裝置與所述豎爐連接，所述壓縮裝置上設(shè)置有所述爐頂氣出口。

本發(fā)明還提供了一種利用上述系統(tǒng)由天然氣三重整制備直接還原鐵的方法，包括步驟：

所述豎爐排出的爐頂氣分為三部分：第一氣體，第二氣體，第三氣體。

將所述第一氣體與天然氣混合，得到混合氣體。所述混合氣體經(jīng)預(yù)熱、脫硫后，送入所述加熱裝置中加熱，然后送入所述三重整反應(yīng)器中，并向所述三重整反應(yīng)器中通入氧氣，所述三重整反應(yīng)器中發(fā)生三重整反應(yīng)得到還原氣。

將所述第二氣體送入所述加熱裝置中作為燃料。

所述第三氣體經(jīng)過(guò)脫硫脫碳后與所述還原氣混合，然后送入所述豎爐中，并還原所述豎爐中的鐵氧化球團(tuán)，得到直接還原鐵。

進(jìn)一步的，所述第一氣體的體積占所述爐頂氣總體積的百分?jǐn)?shù)為40～70％。所述第二氣體的體積占所述爐頂氣總體積的百分?jǐn)?shù)為25～40％。所述第三氣體的體積占所述爐頂氣總體積的百分?jǐn)?shù)為5～20％。

優(yōu)選的，所述三重整反應(yīng)的催化劑為鎳基催化劑。

進(jìn)一步的，所述氧氣的體積占所述天然氣體積的70～80％。

進(jìn)一步的，所述混合氣體經(jīng)預(yù)熱后的溫度為200～300℃。

進(jìn)一步的，所述混合氣體經(jīng)加熱裝置加熱后的溫度為500～600℃。

進(jìn)一步的，所述還原氣的溫度為950～1050℃。

本發(fā)明的方法中，部分天然氣在三重整反應(yīng)器中與氧氣發(fā)生重整反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣，剩余天然氣三重整反應(yīng)器中催化劑的作用下與二氧化碳和水蒸汽發(fā)生重整反應(yīng)，可有效提高甲烷轉(zhuǎn)化率，避免甲烷進(jìn)入豎爐后發(fā)生裂解導(dǎo)致還原反應(yīng)不暢。甲烷與氧氣發(fā)生部分氧化后，甲烷含量降低，對(duì)剩余甲烷進(jìn)行二氧化碳和水蒸汽重整時(shí)，消耗的鎳基催化劑較少，降低了生產(chǎn)成本。

本發(fā)明的系統(tǒng)中，可設(shè)置多個(gè)三重整反應(yīng)器。如果三重整反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)后催化劑的活性降低，可以實(shí)現(xiàn)不同三重整反應(yīng)器之間的替換，從而提高生產(chǎn)效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例天然氣三重整制備直接還原鐵的系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明利用圖1所示的系統(tǒng)由天然氣三重整制備直接還原鐵的方法流程示意圖。

附圖中的附圖標(biāo)記如下：

1、豎爐；2、洗滌裝置；3、壓縮裝置；4、脫硫脫碳裝置；5、預(yù)熱裝置；6、脫硫裝置；7、加熱裝置；8、第一三重整反應(yīng)器；9、第二三重整反應(yīng)器；10、洗滌裝置；11、壓縮裝置。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行更加詳細(xì)的說(shuō)明，以便能夠更好地理解本發(fā)明的方案以及其各個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。然而，以下描述的具體實(shí)施方式和實(shí)施例僅是說(shuō)明的目的，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。

如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例中天然氣三重整制備直接還原鐵的系統(tǒng)示意圖。

本發(fā)明的系統(tǒng)包括豎爐、第一氣體單元、第二氣體單元、第三氣體單元。

(1)豎爐1包括上部的還原段和下部的冷卻段。豎爐1上設(shè)置有爐頂氣出口、還原氣入口、鐵氧化球團(tuán)入口、直接還原鐵出口。

在本發(fā)明的不同實(shí)施例中，還可在豎爐1的冷卻段上設(shè)置冷卻氣入口、冷卻氣出口。其中，冷卻氣出口與洗滌裝置10的進(jìn)氣口連接。壓縮裝置11與洗滌裝置10連接，冷卻氣經(jīng)洗滌裝置10洗滌后通入壓縮裝置11中，經(jīng)壓縮后由豎爐1的冷卻氣入口送入冷卻段。實(shí)現(xiàn)冷卻氣的循環(huán)冷卻利用。

(2)第一氣體單元包括依次連接的預(yù)熱裝置5、脫硫裝置6、加熱裝置7、三重整反應(yīng)器。在本發(fā)明的不同實(shí)施例中，還可設(shè)置多個(gè)三重整反應(yīng)器，即為圖1所示的第一三重整反應(yīng)器8、第二三重整反應(yīng)器9。其中，該多個(gè)三重整反應(yīng)器并聯(lián)連接。并且，該多個(gè)并聯(lián)連接的三重整反應(yīng)器與加熱裝置7串聯(lián)連接，便于實(shí)現(xiàn)三重整反應(yīng)器的替換。本發(fā)明中不限制三重整反應(yīng)器的數(shù)量。

預(yù)熱裝置5具有混合氣體入口。該混合氣體入口與豎爐1的爐頂氣出口連接。由豎爐1排出的爐頂氣依次經(jīng)預(yù)熱裝置5、脫硫裝置6、加熱裝置7處理后，送入三重整反應(yīng)器中。三重整反應(yīng)器上還設(shè)置有氧氣入口、還原氣出口，該還原氣出口與豎爐1的還原氣入口連接。

(3)第二氣體單元包括加熱裝置7、預(yù)熱裝置5。加熱裝置7具有第二氣體入口、煙氣出口。第二氣體入口與豎爐1的爐頂氣出口連接。預(yù)熱裝置5具有煙氣入口。煙氣入口與加熱裝置7的煙氣出口連接。

(4)第三氣體單元包括脫硫脫碳裝置4。脫硫脫碳裝置4具有第三氣體入口、第三氣體出口。其中，第三氣體入口與豎爐1的爐頂氣出口連接。第三氣體出口與豎爐1的還原氣入口連接。

在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，設(shè)置有洗滌裝置2、壓縮裝置3，用于洗滌、壓縮由豎爐1排出的爐頂氣。其中，洗滌裝置2的進(jìn)氣口與豎爐1的爐頂氣出口連接。壓縮裝置3上設(shè)置有爐頂氣出口，用于壓縮由洗滌裝置2排出的經(jīng)洗滌的爐頂氣。即，洗滌裝置2和壓縮裝置3可根據(jù)不同的生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐頂氣的進(jìn)一步處理。

如圖2所示，為本發(fā)明利用圖1所示的系統(tǒng)，由天然氣三重整制備直接還原鐵的方法流程示意圖。

豎爐1頂部排出的爐頂氣經(jīng)洗滌、壓縮后分為三部分：第一氣體，第二氣體，第三氣體。

其中，第一氣體、第二氣體、第三氣體的體積占所述爐頂氣總體積的百分?jǐn)?shù)分別為40～70％、25～40％、5～20％。

(1)將第一氣體與天然氣(天然氣的主要成分為甲烷)混合，得到混合氣體。將混合氣體分別送入預(yù)熱裝置5、脫硫裝置6中經(jīng)預(yù)熱、脫硫，然后送入加熱裝置7中加熱。經(jīng)加熱的混合氣體送入第一三重整反應(yīng)器8中。同時(shí)，向第一三重整反應(yīng)器8中通入氧氣?；旌蠚怏w中的甲烷與二氧化碳、水、氧氣在第一三重整反應(yīng)器8中發(fā)生三重整反應(yīng)，得到還原氣。

本發(fā)明的方法中，可設(shè)定兩個(gè)或兩個(gè)以上三重整反應(yīng)器。如果反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致催化劑活性降低，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)多個(gè)三重整反應(yīng)器之間的替換，從而提高生產(chǎn)效率。

本發(fā)明的三重整反應(yīng)器一端設(shè)置有進(jìn)氣口，該部分不含有鎳基催化劑，用于進(jìn)行甲烷的部分氧化。而只在另一部分設(shè)置有鎳基催化劑，天然氣中的剩余甲烷在該部分進(jìn)行甲烷二氧化碳和甲烷水蒸汽的重整反應(yīng)。

三重整反應(yīng)器中通入氧氣的體積占天然氣體積的70～80％。

混合氣體經(jīng)預(yù)熱裝置5預(yù)熱后的溫度為200～300℃。經(jīng)加熱的混合氣體的溫度為500～600℃?；旌蠚怏w經(jīng)三重整反應(yīng)器后，得到的還原氣溫度為950～1050℃。

(2)將第二氣體送入加熱裝置7中作為燃料，為加熱裝置7提供燃料氣。

(3)將第三氣體送入脫硫脫碳裝置4中。第三氣體經(jīng)過(guò)脫硫脫碳處理后與還原氣混合，然后送入豎爐1中，并還原豎爐中的鐵氧化球團(tuán)，得到直接還原鐵。直接還原鐵經(jīng)豎爐1冷卻段冷卻后，排出豎爐。

還原氣與第三氣體混合后，溫度降低為850～900℃。

冷卻段中，冷卻氣冷卻直接還原鐵后，排出豎爐。將該冷卻氣依次送入洗滌裝置10、壓縮裝置11中，經(jīng)洗滌、壓縮后，重新送回豎爐1的冷卻段中，作為冷卻氣循環(huán)冷卻使用。

實(shí)施例1

天然氣與第一氣體混合，得到混合氣體。將混合氣體送入預(yù)熱裝置中，溫度由40℃升至200℃，經(jīng)脫硫處理后，送入加熱裝置中加熱至500℃。然后，將加熱后的混合氣體送入第一三重整反應(yīng)器中，同時(shí)，向其中通入氧氣。氧氣的體積為天然氣體積的70％。混合氣體與氧氣在第一三重整反應(yīng)器中發(fā)生三重整反應(yīng)，得到還原氣，還原氣溫度為900℃。還原氣與經(jīng)脫硫脫碳的第三氣體混合后，溫度為850℃，并送入豎爐中還原鐵氧化球團(tuán)，得到煉鋼用直接還原鐵。還原過(guò)程中，由豎爐排出的爐頂氣經(jīng)洗滌、脫水、壓縮后，按照體積占比分為三部分：60％作為本實(shí)施例中的第一氣體與天然氣混合，35％作為本實(shí)施例中的第二氣體通入加熱裝置做燃料氣，5％作為本實(shí)施例中的第三氣體。冷卻氣冷卻豎爐下方的直接還原鐵后，排出豎爐，然后經(jīng)洗滌、壓縮后送回冷卻段循環(huán)冷卻使用。

實(shí)施例2

天然氣與第一氣體混合，得到混合氣體。將混合氣體送入預(yù)熱裝置中，溫度由30℃升至220℃，經(jīng)脫硫處理后，送入加熱裝置中加熱至550℃。然后，將加熱后的混合氣體送入第二三重整反應(yīng)器中，同時(shí)，向其中通入氧氣。氧氣的體積為天然氣體積的75％?；旌蠚怏w與氧氣在第二三重整反應(yīng)器中發(fā)生三重整反應(yīng)，得到還原氣，還原氣溫度為1000℃。還原氣與經(jīng)脫硫脫碳的第三氣體混合后，溫度為900℃，并送入豎爐中還原鐵氧化球團(tuán)，得到煉鋼用直接還原鐵。還原過(guò)程中，由豎爐排出的爐頂氣經(jīng)洗滌、脫水、壓縮后，按照體積占比分為三部分：50％作為本實(shí)施例中的第一氣體與天然氣混合，40％作為本實(shí)施例中的第二氣體通入加熱裝置做燃料氣，10％作為本實(shí)施例中的第三氣體。冷卻氣冷卻豎爐下方的直接還原鐵后，排出豎爐，然后經(jīng)洗滌、壓縮后送回冷卻段循環(huán)冷卻使用。

實(shí)施例3

天然氣與第一氣體混合，得到混合氣體。將混合氣體送入預(yù)熱裝置中，溫度由60℃升至300℃，經(jīng)脫硫處理后，送入加熱裝置中加熱至600℃。然后，將加熱后的混合氣體送入第一三重整反應(yīng)器中，同時(shí)，向其中通入氧氣。其中，氧氣的體積為天然氣體積的80％?；旌蠚怏w與氧氣在第一三重整反應(yīng)器中發(fā)生三重整反應(yīng)，得到還原氣，還原氣溫度為1050℃。還原氣與經(jīng)脫硫脫碳的第三氣體混合后，溫度為880℃，并送入豎爐中還原鐵氧化球團(tuán)，得到煉鋼用直接還原鐵。還原過(guò)程中，由豎爐排出的爐頂氣經(jīng)洗滌、脫水、壓縮后，按照體積占比分為三部分：65％作為本實(shí)施例中的第一氣體與天然氣混合，25％作為本實(shí)施例中的第二氣體通入加熱裝置做燃料氣，10％作為本實(shí)施例中的第三氣體。冷卻氣冷卻豎爐下方的直接還原鐵后，排出豎爐，然后經(jīng)洗滌、壓縮后送回冷卻段循環(huán)冷卻使用。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。