一种以煤层气为还原气直接还原铁的方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种以煤层气为原料的还原气直接还原铁的方法，该方法包括煤层气进行脱氧处理、煤层气与竖炉炉顶气混合、水洗塔降温除尘、气液分离器进行气液分离、混合气作为冷却气、变压吸附装置进行脱氮、混合气调质成还原气以及含铁氧化球团与还原气在竖炉中发生反应得到海绵铁产品。本发明专利技术还涉及实现该方法直接炼铁的系统。本发明专利技术利用了煤层气与炉顶气混合后的成分特点，含有较高比例的氮气，将水洗降温后的混合气通入竖炉下部作为冷却气使用，一方面甲烷的存在实现了冷却同时对海绵铁增碳的目的，另一方面不采用冷却气回收系统而使冷却气直接上升进入还原段，实现了设备、能耗的最优化。

Method and system for directly reducing iron by using coal-bed gas as reducing gas

The invention relates to a reducing gas to coal gas as raw material, direct reduction iron method, the method includes gas deoxidation treatment, coal seam gas and furnace top gas mixed water tower, cooling dust separator for gas-liquid separation, mixed gas as cooling gas, PSA nitrogen gas mixture, and a the reduction of iron oxide pellets and gas and reducing gas in furnace reaction by sponge iron products. The invention also relates to a system for direct ironmaking of the process. The invention utilizes the characteristics of gas mixture composition of gas and coal seam roof, with a higher proportion of nitrogen, the mixed gas water cooled into the lower part of the shaft furnace is used as a cooling gas, methane has realized the cooling of sponge iron to carbon, on the other hand, without the use of cooling gas recovery system. The cooling gas directly up into the reduction section to realize optimization, equipment, energy consumption.

【技术实现步骤摘要】
一种以煤层气为还原气直接还原铁的方法及系统
本专利技术涉及冶金
，更具体地，涉及一种以煤层气为原料的还原气直接还原铁的方法及系统。
技术介绍
直接还原铁是指一种铁矿石在炉内低于熔化温度条件下还原生产海绵铁的炼铁生产过程。2015年，全世界直接还原铁产量为7257万吨，其中气基竖炉法生产直接还原铁约占80％。目前成熟的HYLⅢ法以天然气和部分炉顶气为原料，通过原料天然气、转化剂水蒸汽在重整炉内的催化重整反应制取还原气，经加热炉加热至900～950℃后通入竖炉还原铁矿石。这两种工艺都是以天然气为气源通过重整后制取还原炼铁所需要的还原气，这类方法更适合于天然气储量丰富并且价格低廉的中东、北美以及俄罗斯等地区。而在我国这类天然气储量不丰富的国家使用天然气为原料进行竖炉法生产直接还原铁存在成本偏高等问题。现有技术中使用瓦斯气和天然气制成混合气还原铁，为了使瓦斯气偏离爆炸极限，采用的方法是充入了大量的天然气，极大提高了混合气中甲烷的浓度。但是其处理流程长，在气体处理过程中由于氧气的存在，还是存在发生爆炸的危险。并且该项技术处理前提是给瓦斯气充入大量的天然气，这对于天然气匮乏或成本高的地区依然很难大规模推广。因此，为了克服现有技术中天然气匮乏等技术缺陷，需要一种新型的直接还原铁的系统和方法。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种以煤层气为原料的还原气直接还原铁的方法及系统。煤层气从矿井下抽采的过程中会混入大量的空气，形成不同比例的甲烷与空气的混合气。我国煤层气资源储量丰富，而目前总体利用率偏低。因此，使用煤层气作为原料进行竖炉冶炼海绵铁，既可以降低气源成本，又可以利用大量存在煤层气资源，解决我国天然气匮乏，成本偏高的问题。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种以煤层气为原料的还原气直接还原铁的方法，包括以下步骤：步骤一：将煤层气进行脱氧处理后送入混合器中；步骤二：在混合器中，煤层气与竖炉炉顶气混合成混合气后，进入水洗塔降温除尘后进入气液分离器进行气液分离；步骤三：在气液分离器中分离出的混合气分别进入竖炉的冷却气入口、变压吸附装置及加热炉，变压吸附装置将混合气脱氮；进入加热炉的混合气用于加热炉的燃料气；步骤四：将步骤三中脱氮后的混合气通入重整炉调质成还原气；步骤五：将还原气经过加热炉加热后通入竖炉中作为还原过程气体原料使用；步骤六：铁矿制的氧化球团与还原气在竖炉中发生反应得到海绵铁产品。进一步地，步骤三中进入竖炉的冷却气入口的混合气用作冷却气冷却处于竖炉冷却段的海绵铁产品。。进一步地，步骤三中进入竖炉的冷却气入口的混合气占通入竖炉的还原气的体积比为5-15％。进一步地，步骤一中煤层气是甲烷和空气的混合气体，其中甲烷占混合气体的体积百分数的30％-80％。进一步地，步骤四中的还原气的成分是(H2+CO)/(H2+CO+H2O+CO2)的摩尔比不小于0.9。进一步地，重整炉中使用的催化剂为镍或镍基合金催化剂。进一步地，步骤五中经加热炉加热后还原气的温度为900℃以上。进一步地，煤层气与炉顶气混合体积比为0.15-0.45:1。根据本专利技术，提供一种实现上述方法的系统，包括：煤层气脱氧装置，该煤层气脱氧装置用于进行煤层气的脱氧，煤层气脱氧装置具有第一进口和第一出口，第一进口用于输入煤层气；混合器，该混合器具有第二煤层气进口、第二炉顶气进口和第二出口，混合器的第二煤层气进口与煤层气脱氧装置的第一出口连通；竖炉，该竖炉具有炉顶气出口、球团进口、产品出口、还原气进口和冷却气入口；竖炉的炉顶气出口与混合器的第二炉顶气进口连通；水洗塔，该水洗塔具有第三进口和第三出口，水洗塔的第三进口与混合器的第二出口连通；气液分离器，该气液分离器具有第四进口和第四出口，气液分离器的第四进口与水洗塔的第三出口连通，第四出口接有三向分流阀，三向分流阀包含第一分流口、第二分流口和第三分流口；变压吸附装置，该变压吸附装置具有第五进口和第五出口，变压吸附装置的第五进口与第一分流口连通；重整炉，该重整炉具有第六进口和第六出口，重整炉的第六进口与变压吸附装置的第五出口连通；以及加热炉，该加热炉具有第七进口、第七出口和燃料气入口，加热炉的第七进口与重整炉的第六出口连通，燃料气入口与第二分流口连通；加热炉的第七出口与竖炉的还原气入口相连；第三分流口与竖炉的冷却气入口相连。进一步地，煤层气脱氧装置采用双塔变压吸附装置，其中双塔变压吸附装置的吸附剂采用炭分子筛吸附剂或者炭分子筛与活性碳混合吸附剂。更进一步地，炭分子筛与活性碳混合吸附剂的炭分子筛与活性碳的质量比为1:1-2:1。进一步地，双塔变压吸附装置的操作条件是室温下，单塔吸附时间为60-150s，置换时间为30-60s，煤层气吸附压力为0.2-0.4MPa。进一步地，双塔变压吸附装置的工作过程是一个变压吸附过程包括吸附、置换、均压、脱附等步骤；双吸附塔异步操作，塔1吸附、置换操作时塔2进行脱吸，然后均压并且再进行反向操作。进一步地，变压吸附装置为除氮装置。进一步地，变压吸附装置的吸附剂为沸石分子筛、炭分子筛和活性碳的一种。本专利技术的煤层气和炉顶气的混合原理在于：脱氧后煤层气与炉顶气的混合比例需要考虑煤层气中CH4含量与炉顶气中CO2含量而定，一般的煤层气与炉顶气混合体积比为：0.45:1～0.15:1。目的是为了尽量使煤层气中的CH4在重整炉中充分反应生成还原性CO与H2；具体发生的主要化学反应为：CH4+CO2＝2CO+2H2。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术采用煤层气作为竖炉反应的气体原料，竖炉系统生产过程中对氮气有一定的接受能力，在煤层气处理过程中只要脱氧就可以直接进入还原气制备系统，减小了煤层气的处理难度，工艺易于实现。2.本专利技术利用脱氧处理后煤层气含有氮气的成分特点与炉顶气混合后，将水洗降温后的少部分混合气直接通入竖炉下部作为冷却气使用，一方面水洗后的煤层气与炉顶气混合后其中甲烷比例为10％～20％，还存在大量的CO、H2、N2、与CO2，上述气体少部分直接通入竖炉底部冷却段可以直接作为冷却气使用，同时由于其成分含有甲烷的特点，实现冷却的同时对海绵铁起到增碳作用，不需要专门配制增碳冷却气。另一方面本专利技术不采用冷却气回收系统而使冷却气直接进入还原段，实现了设备、能耗的最优化。3.本专利技术将水洗降温后的大部分混合气通过脱氮装置去除掉氮气后，重整、加热作为还原气来使用，这样竖炉还原段使用的是低氮还原气，使竖炉本身可以容纳冷却气上升到还原段后所含氮气带来的影响，从而保证竖炉的直接还原过程，另外控制入炉还原气温度较高，以保证可以重整掉冷却气带入的少部分甲烷，去除甲烷含量过高对还原反应所带来的影响。附图说明图1是按照本专利技术的实施例的由竖炉直接炼铁的系统的示意图；图2是按照本专利技术的实施例的由竖炉直接炼铁的工艺流程图。附图标记1竖炉、2混合器、3水洗塔、4气液分离器、5变压吸附装置、6重整炉、7加热炉、8煤层气脱氧装置。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术使用的系统包括竖炉1、混合器2、水洗塔3、气液分离器4、变压吸附装置5、重整炉6、加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以煤层气为原料的还原气直接还原铁的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将煤层气进行脱氧处理后送入混合器中；步骤二：在混合器中，煤层气与竖炉炉顶气混合成混合气后，进入水洗塔降温除尘后进入气液分离器进行气液分离；步骤三：在气液分离器中分离出的混合气分别进入竖炉的冷却气入口、变压吸附装置及加热炉，所述变压吸附装置将所述混合气脱氮，所述进入加热炉的混合气用于加热炉的燃料气；步骤四：将步骤三中脱氮后的混合气通入重整炉调质成还原气；步骤五：将还原气经过加热炉加热后通入竖炉中作为还原过程气体原料使用；步骤六：铁矿制的氧化球团与还原气在竖炉中发生反应得到海绵铁产品。

【技术特征摘要】
1.一种以煤层气为原料的还原气直接还原铁的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将煤层气进行脱氧处理后送入混合器中；步骤二：在混合器中，煤层气与竖炉炉顶气混合成混合气后，进入水洗塔降温除尘后进入气液分离器进行气液分离；步骤三：在气液分离器中分离出的混合气分别进入竖炉的冷却气入口、变压吸附装置及加热炉，所述变压吸附装置将所述混合气脱氮，所述进入加热炉的混合气用于加热炉的燃料气；步骤四：将步骤三中脱氮后的混合气通入重整炉调质成还原气；步骤五：将还原气经过加热炉加热后通入竖炉中作为还原过程气体原料使用；步骤六：铁矿制的氧化球团与还原气在竖炉中发生反应得到海绵铁产品。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤三中进入竖炉的冷却气入口的所述混合气用作冷却气冷却处于所述竖炉冷却段的海绵铁产品。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤三中进入竖炉的冷却气入口的所述混合气占通入竖炉的还原气的5-15％。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中煤层气是甲烷和空气的混合气体，其中甲烷占混合气体的体积百分数的30％-80％。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四中的所述还原气的成分是(H2+CO)/(H2+CO+H2O+CO2)的摩尔比不小于0.9。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重整炉中使用的催化剂为镍或镍基合金催化剂。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤五中经加热炉加热后还原气的温度为900℃以上。8.一种实现权利要求1-7任一项所述的方法的系统，其特征在于，包括：煤层气脱氧装置，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亮，邓君，范志辉，员晓，唐敬坤，吴道洪，
申请(专利权)人：江苏省冶金设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32