[发明专利]一种焦炉煤气改质直接还原铁矿石系统装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种焦炉煤气改质直接还原铁矿石的系统装置及方法，属非高炉炼铁工艺技术领域。

背景技术

随着世界经济的快速发展、科技水平的大幅度提高，人类改造自然、利用自然资源的规模空前扩大，从自然环境中获取的资源也越来越多，与此同时排出的污染物也与日俱增，从而引发了环境的污染与生态环境的破坏、以及资源能源短缺等问题。目前威胁人类生存并已被人类认识到的环境问题主要有温室效应、臭氧层破坏和酸雨等。导致全球气候变暖的主要原因是人类活动和自然界中排放的大量温室气体，如CO₂，其中重要的温室气体CO₂来源于人类大量使用的煤炭、石油和天然气等企业。温室效应可引起全球性气候变化，会对陆地自然生态系统产生难以预料的影响，如高温、干旱、洪涝、暴风雨等。面对全球气候变化，急需世界各国协同降低或控制CO₂排放。

钢铁企业是我国国民经济的支柱产业，同时也是能耗和污染最严重的企业，目前，钢铁企业排放的CO₂仅次于水泥制造业。因此，降低有害气体排放，是改变钢铁工业形象的根本。发展直接还原铁技术既可以改变长期以来传统炼铁工艺对炼煤的依赖，同时也可减少CO₂排放，是钢铁行业实现节能减排的有效途径。直接还原铁生产根据使用还原剂的种类不同，可以分为煤基还原和气基还原两种。目前，全世界直接还原铁生产中，约90%是通过气基直接还原工艺生产的，典型工艺有Midrex和HYL-Ⅲ。气基竖炉是当今世界公认的直接还原铁生产的主流技术，它具有生产能力大、技术成熟、操作稳定、生产效率高等优势。我国直接还原铁技术就是把气基还原作为主要的发展方向。传统的气基还原需要有丰富天然气资源做保障，而我国天然气资源相当匮乏，且天然气裂解工艺复杂，投资成本大。因此，采用天然气作为原料气的气基直接还原工艺在我国举步维艰。

本发明提出一条新工艺，利用炼焦过程产生的焦炉煤气，将其改质转化制成富氢还原气（H₂和CO），然后将其引入竖炉直接还原铁矿石。由于焦化厂产出的焦炉煤气具有量大价廉等特点，将其改质直接还原铁矿石将对现有钢铁联合企业降低CO₂排放量起到积极的作用。例如在焦碳生产中会产生大量的富氢煤气（420Nm³/吨焦，气体成份：55-60%H₂，27-30%CH₄以及7%左右的CO），经过适度改质后就能成为比天然气还原能力更强的铁矿石还原剂。

中国是一个产焦大国，2011年全国焦碳产量4.28亿吨，占世界总产量的62%。炼焦生产过程中除了产出焦碳以外还产生大量的焦炉煤气，我国焦炉煤气资源丰富，但实际利用的数量和水平非常低，造成了严重的资源浪费和环境污染。焦炉煤气主要含有大量H₂，CH₄和CO，如果利用焦炉煤气制取富氢还原气，不仅解决了焦炉煤气的排放和利用问题，也可以解决铁矿石还原用气的需要，是现阶段氢冶金可供选择的一种获得富氢气体方法。焦炉煤气中的H/C比高于天然气，用它制备富氢还原气将比以天然气为原料的流程排放更少的CO₂。下表1给出了不同流程生产粗钢排放的CO₂量：

表1不同流程生产粗钢排放的CO₂量

显然，利用钢铁联合企业（长流程）中的焦炉煤气进行直接还原铁可使每吨粗钢的CO₂排放量减少23%，而利用独立炼焦厂的煤气直接还原其CO₂排放量只及高炉流程的48%。因此，从经济、环保和资源的有效利用方面来说，如果把焦炉煤气作为一种资源，充分利用焦炉煤气的高物理显热，直接将粗煤气的高碳烃类易冷凝组分进行裂解干气化，高温脱硫后的煤气再经过进一步的重整过程，把焦炉煤气的高物理显热和高化学能组分尽可能地转化为还原气，这样不仅使从焦炉粗煤气制得还原气得到大幅度的增加，也为推动直接还原铁技术发展解决了大规模廉价还原气源的瓶颈问题；而且通过还原后气体的循环重整，极大地降低二氧化碳排放量，是目前开发改质焦炉煤气还原气直接还原铁技术一条有效减排温室气体的新流程。该新工艺特别适合于大型钢铁联合企业。