本發(fā)明涉及冶金技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種以煤層氣為原料的還原氣直接還原鐵的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

直接還原鐵是指一種鐵礦石在爐內(nèi)低于熔化溫度條件下還原生產(chǎn)海綿鐵的煉鐵生產(chǎn)過程。2015年，全世界直接還原鐵產(chǎn)量為7257萬噸，其中氣基豎爐法生產(chǎn)直接還原鐵約占80％。目前成熟的hylⅲ法以天然氣和部分爐頂氣為原料，通過原料天然氣、轉(zhuǎn)化劑水蒸汽在重整爐內(nèi)的催化重整反應(yīng)制取還原氣，經(jīng)加熱爐加熱至900～950℃后通入豎爐還原鐵礦石。這兩種工藝都是以天然氣為氣源通過重整后制取還原煉鐵所需要的還原氣，這類方法更適合于天然氣儲(chǔ)量豐富并且價(jià)格低廉的中東、北美以及俄羅斯等地區(qū)。而在我國這類天然氣儲(chǔ)量不豐富的國家使用天然氣為原料進(jìn)行豎爐法生產(chǎn)直接還原鐵存在成本偏高等問題。

現(xiàn)有技術(shù)中使用瓦斯氣和天然氣制成混合氣還原鐵，為了使瓦斯氣偏離爆炸極限，采用的方法是充入了大量的天然氣，極大提高了混合氣中甲烷的濃度。但是其處理流程長，在氣體處理過程中由于氧氣的存在，還是存在發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。并且該項(xiàng)技術(shù)處理前提是給瓦斯氣充入大量的天然氣，這對(duì)于天然氣匱乏或成本高的地區(qū)依然很難大規(guī)模推廣。

因此，為了克服現(xiàn)有技術(shù)中天然氣匱乏等技術(shù)缺陷，需要一種新型的直接還原鐵的系統(tǒng)和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種以煤層氣為原料的還原氣直接還原鐵的方法及系統(tǒng)。煤層氣從礦井下抽采的過程中會(huì)混入大量的空氣，形成不同比例的甲烷與空氣的混合氣。我國煤層氣資源儲(chǔ)量豐富，而目前總體利用率偏低。因此，使用煤層氣作為原料進(jìn)行豎爐冶煉海綿鐵，既可以降低氣源成本，又可以利用大量存在煤層氣資源，解決我國天然氣匱乏，成本偏高的問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種以煤層氣為原料的還原氣直接還原鐵的方法，包括以下步驟：

步驟一：將煤層氣進(jìn)行脫氧處理后送入混合器中；

步驟二：在混合器中，煤層氣與豎爐爐頂氣混合成混合氣后，進(jìn)入水洗塔降溫除塵后進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行氣液分離；

步驟三：在氣液分離器中分離出的混合氣分別進(jìn)入豎爐的冷卻氣入口、變壓吸附裝置及加熱爐，變壓吸附裝置將混合氣脫氮；進(jìn)入加熱爐的混合氣用于加熱爐的燃料氣；

步驟四：將步驟三中脫氮后的混合氣通入重整爐調(diào)質(zhì)成還原氣；

步驟五：將還原氣經(jīng)過加熱爐加熱后通入豎爐中作為還原過程氣體原料使用；

步驟六：鐵礦制的氧化球團(tuán)與還原氣在豎爐中發(fā)生反應(yīng)得到海綿鐵產(chǎn)品。

進(jìn)一步地，步驟三中進(jìn)入豎爐的冷卻氣入口的混合氣用作冷卻氣冷卻處于豎爐冷卻段的海綿鐵產(chǎn)品。。

進(jìn)一步地，步驟三中進(jìn)入豎爐的冷卻氣入口的混合氣占通入豎爐的還原氣的體積比為5-15％。

進(jìn)一步地，步驟一中煤層氣是甲烷和空氣的混合氣體，其中甲烷占混合氣體的體積百分?jǐn)?shù)的30％-80％。

進(jìn)一步地，步驟四中的還原氣的成分是(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)的摩爾比不小于0.9。

進(jìn)一步地，重整爐中使用的催化劑為鎳或鎳基合金催化劑。

進(jìn)一步地，步驟五中經(jīng)加熱爐加熱后還原氣的溫度為900℃以上。

進(jìn)一步地，煤層氣與爐頂氣混合體積比為0.15-0.45:1。

根據(jù)本發(fā)明，提供一種實(shí)現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)，包括：

煤層氣脫氧裝置，該煤層氣脫氧裝置用于進(jìn)行煤層氣的脫氧，煤層氣脫氧裝置具有第一進(jìn)口和第一出口，第一進(jìn)口用于輸入煤層氣；

混合器，該混合器具有第二煤層氣進(jìn)口、第二爐頂氣進(jìn)口和第二出口，混合器的第二煤層氣進(jìn)口與煤層氣脫氧裝置的第一出口連通；

豎爐，該豎爐具有爐頂氣出口、球團(tuán)進(jìn)口、產(chǎn)品出口、還原氣進(jìn)口和冷卻氣入口；豎爐的爐頂氣出口與混合器的第二爐頂氣進(jìn)口連通；

水洗塔，該水洗塔具有第三進(jìn)口和第三出口，水洗塔的第三進(jìn)口與混合器的第二出口連通；

氣液分離器，該氣液分離器具有第四進(jìn)口和第四出口，氣液分離器的第四進(jìn)口與水洗塔的第三出口連通，第四出口接有三向分流閥，三向分流閥包含第一分流口、第二分流口和第三分流口；

變壓吸附裝置，該變壓吸附裝置具有第五進(jìn)口和第五出口，變壓吸附裝置的第五進(jìn)口與第一分流口連通；

重整爐，該重整爐具有第六進(jìn)口和第六出口，重整爐的第六進(jìn)口與變壓吸附裝置的第五出口連通；以及

加熱爐，該加熱爐具有第七進(jìn)口、第七出口和燃料氣入口，加熱爐的第七進(jìn)口與重整爐的第六出口連通，燃料氣入口與第二分流口連通；

加熱爐的第七出口與豎爐的還原氣入口相連；

第三分流口與豎爐的冷卻氣入口相連。

進(jìn)一步地，煤層氣脫氧裝置采用雙塔變壓吸附裝置，其中雙塔變壓吸附裝置的吸附劑采用炭分子篩吸附劑或者炭分子篩與活性碳混合吸附劑。

更進(jìn)一步地，炭分子篩與活性碳混合吸附劑的炭分子篩與活性碳的質(zhì)量比為1:1-2:1。

進(jìn)一步地，雙塔變壓吸附裝置的操作條件是室溫下，單塔吸附時(shí)間為60-150s，置換時(shí)間為30-60s，煤層氣吸附壓力為0.2-0.4mpa。

進(jìn)一步地，雙塔變壓吸附裝置的工作過程是一個(gè)變壓吸附過程包括吸附、置換、均壓、脫附等步驟；雙吸附塔異步操作，塔1吸附、置換操作時(shí)塔2進(jìn)行脫吸，然后均壓并且再進(jìn)行反向操作。

進(jìn)一步地，變壓吸附裝置為除氮裝置。

進(jìn)一步地，變壓吸附裝置的吸附劑為沸石分子篩、炭分子篩和活性碳的一種。

本發(fā)明的煤層氣和爐頂氣的混合原理在于：

脫氧后煤層氣與爐頂氣的混合比例需要考慮煤層氣中ch4含量與爐頂氣中co2含量而定，一般的煤層氣與爐頂氣混合體積比為：0.45:1～0.15:1。目的是為了盡量使煤層氣中的ch4在重整爐中充分反應(yīng)生成還原性co與h2；

具體發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為：ch4+co2＝2co+2h2。

本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明采用煤層氣作為豎爐反應(yīng)的氣體原料，豎爐系統(tǒng)生產(chǎn)過程中對(duì)氮?dú)庥幸欢ǖ慕邮苣芰?，在煤層氣處理過程中只要脫氧就可以直接進(jìn)入還原氣制備系統(tǒng)，減小了煤層氣的處理難度，工藝易于實(shí)現(xiàn)。

2.本發(fā)明利用脫氧處理后煤層氣含有氮?dú)獾某煞痔攸c(diǎn)與爐頂氣混合后，將水洗降溫后的少部分混合氣直接通入豎爐下部作為冷卻氣使用，一方面水洗后的煤層氣與爐頂氣混合后其中甲烷比例為10％～20％，還存在大量的co、h2、n2、與co2，上述氣體少部分直接通入豎爐底部冷卻段可以直接作為冷卻氣使用，同時(shí)由于其成分含有甲烷的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)冷卻的同時(shí)對(duì)海綿鐵起到增碳作用，不需要專門配制增碳冷卻氣。另一方面本發(fā)明不采用冷卻氣回收系統(tǒng)而使冷卻氣直接進(jìn)入還原段，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備、能耗的最優(yōu)化。

3.本發(fā)明將水洗降溫后的大部分混合氣通過脫氮裝置去除掉氮?dú)夂?，重整、加熱作為還原氣來使用，這樣豎爐還原段使用的是低氮還原氣，使豎爐本身可以容納冷卻氣上升到還原段后所含氮?dú)鈳淼挠绊?，從而保證豎爐的直接還原過程，另外控制入爐還原氣溫度較高，以保證可以重整掉冷卻氣帶入的少部分甲烷，去除甲烷含量過高對(duì)還原反應(yīng)所帶來的影響。

附圖說明

圖1是按照本發(fā)明的實(shí)施例的由豎爐直接煉鐵的系統(tǒng)的示意圖；

圖2是按照本發(fā)明的實(shí)施例的由豎爐直接煉鐵的工藝流程圖。

附圖標(biāo)記

1豎爐、2混合器、3水洗塔、4氣液分離器、5變壓吸附裝置、6重整爐、7加熱爐、8煤層氣脫氧裝置。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明使用的系統(tǒng)包括豎爐1、混合器2、水洗塔3、氣液分離器4、變壓吸附裝置5、重整爐6、加熱爐7和煤層氣脫氧裝置8。

煤層氣脫氧裝置8用于進(jìn)行煤層氣的脫氧，煤層氣脫氧裝置8具有第一進(jìn)口和第一出口，第一進(jìn)口用于輸入煤層氣；混合器2具有第二煤層氣進(jìn)口、第二爐頂氣進(jìn)口和第二出口，混合器2的第二煤層氣進(jìn)口與煤層氣脫氧裝置8的第一出口連通；豎爐1具有爐頂氣出口、球團(tuán)進(jìn)口、產(chǎn)品出口、還原氣進(jìn)口和冷卻氣入口；豎爐1的爐頂氣出口與混合器2的第二爐頂氣進(jìn)口連通；水洗塔3具有第三進(jìn)口和第三出口，水洗塔3的第三進(jìn)口與混合器2的第二出口連通；氣液分離器4具有第四進(jìn)口和第四出口，氣液分離器4的第四進(jìn)口與水洗塔3的第三出口連通，第四出口接有三向分流閥，三向分流閥包含第一分流口、第二分流口和第三分流口；變壓吸附裝置5具有第五進(jìn)口和第五出口，變壓吸附裝置5的第五進(jìn)口與第一分流口連通，用于通入混合氣；重整爐6具有第六進(jìn)口和第六出口，重整爐6的第六進(jìn)口與變壓吸附裝置5的第五出口連通；加熱爐7具有第七進(jìn)口、第七出口和燃料氣入口，加熱爐7的第七進(jìn)口與重整爐6的第六出口連通，燃料氣入口與第二分流口連通，分流的混合氣進(jìn)入所述加熱爐7的燃料氣入口作為燃料氣使用；加熱爐7的第七出口與豎爐1的還原氣入口相連；第三分流口與豎爐1的冷卻氣入口相連，分流的混合氣進(jìn)入所述豎爐1的冷卻氣入口作為冷卻氣使用。

變壓吸附裝置5為除氮裝置。變壓吸附裝置5的吸附劑為沸石分子篩、炭分子篩和活性碳的一種。

煤層氣脫氧裝置8采用雙塔變壓吸附裝置，主要設(shè)備有兩個(gè)吸附塔、真空泵、緩沖罐，吸附劑采用炭分子篩或炭分子篩與活性碳的混合吸附劑，雙塔變壓吸附條件為吸附溫度為室溫，單塔吸附時(shí)間為60-150s，置換時(shí)間為30-60s，煤層氣吸附壓力為0.2-0.4mpa。吸附劑為混合吸附劑時(shí)，炭分子篩與活性碳的質(zhì)量比為1:1-2:1,處理后的煤層氣可以根據(jù)豎爐爐頂氣壓力調(diào)節(jié)一致后直接與爐頂氣混合；一個(gè)變壓吸附過程包括吸附、置換、均壓、脫附等步驟，兩吸附塔異步操作，塔1吸附、轉(zhuǎn)換操作時(shí)塔2進(jìn)行脫吸，然后均壓并且再次進(jìn)行兩塔反向操作。

實(shí)施例1

如圖1和2所示，本實(shí)施例使用的如上所述的系統(tǒng)進(jìn)行還原鐵，并且使用開采的煤層氣，其中甲烷體積分?jǐn)?shù)為45％。爐頂氣為h2、co、n2與co2的混合氣體，溫度為400℃，循環(huán)與煤層氣混合使用；

步驟100中，將煤層氣在煤層氣脫氧裝置8中進(jìn)行脫氧處理，吸附劑是炭分子篩，反應(yīng)條件為：吸附溫度為室溫20℃，單塔吸附時(shí)間150s,置換時(shí)間60s,吸附壓力0.25mpa,處理后的煤層氣輸出壓力與豎爐爐頂氣壓力相同為150kpa,變壓吸附后去除掉煤層氣中95％以上的氧氣。然后將脫氧之后的煤層氣送入混合器中。在步驟200中，脫氧后的煤層氣1200nm³/h與爐頂氣2800nm³/h在混合器2中進(jìn)行充分混合后，在步驟300中將混合氣通入水洗塔3進(jìn)行降溫除塵處理，然后通過氣液分離器4后，將體積比8％的混合氣分流從豎爐1底部冷卻氣入口通入豎爐冷卻段(步驟401)；將剩余的混合氣中75％在變壓吸附裝置5中脫氮(在步驟402中)，17％進(jìn)入加熱爐7作為燃料氣供加熱爐7燃燒。在步驟500中，脫氮后的混合氣加入含鎳基催化劑重整爐6進(jìn)行重整調(diào)質(zhì)，得到含h2/co的體積比為1.5并且(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)為0.92的還原氣。

在步驟600中，將調(diào)質(zhì)后的還原氣在加熱爐7中加熱到900℃，從豎爐1中下部還原氣入口通入豎爐本體中，還原氣在豎爐1中將鐵礦制的氧化球團(tuán)還原成為海綿鐵產(chǎn)品。海綿鐵產(chǎn)品進(jìn)入豎爐的冷卻段，使用從氣液分離器4分流出的300nm³/h混合氣進(jìn)行冷卻(步驟403)，之后上述300nm³/h混合氣還可以上升至豎爐的還原段作為還原氣參與到下一輪氧化球團(tuán)的還原(步驟404)。

實(shí)施例2

如圖1和2所示，本實(shí)施例使用的如上所述的系統(tǒng)進(jìn)行還原鐵，并且使用開采的煤層氣，其中甲烷體積分?jǐn)?shù)為30％。頂氣為h2、co、n2與co2的混合氣體，溫度為400℃，循環(huán)與煤層氣混合使用；

步驟100中，將煤層氣在煤層氣脫氧裝置8中進(jìn)行脫氧處理，吸附劑是炭分子篩與活性碳的質(zhì)量比為2:1的混合吸附劑，反應(yīng)條件為：吸附溫度為室溫25℃，單塔吸附時(shí)間100s，置換時(shí)間50s,吸附壓力0.4mpa，處理后的煤層氣輸出壓力與豎爐爐頂氣壓力相同為200kpa,變壓吸附后去除掉煤層氣中95％以上的氧氣。然后將脫氧之后的煤層氣送入混合器中。在步驟200中，脫氧后的煤層氣1200nm³/h與爐頂氣2700nm³/h在混合器2中進(jìn)行充分混合后，在步驟300中將混合氣通入水洗塔3進(jìn)行降溫除塵處理，然后通過氣液分離器4后，將體積比5％的混合氣分流從豎爐1底部冷卻氣入口通入豎爐冷卻段(步驟401)；將剩余的混合氣中60％在變壓吸附裝置5中脫氮(在步驟402中)，35％進(jìn)入加熱爐7作為燃料氣供加熱爐7燃燒。在步驟500中，脫氮后的混合氣加入含鎳基催化劑重整爐6進(jìn)行重整調(diào)質(zhì)，得到含h2/co為1.8并且(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)為0.90的還原氣。

在步驟600中，將調(diào)質(zhì)后的還原氣在加熱爐7中加熱到950℃，從豎爐1中下部還原氣入口通入豎爐本體中，還原氣在豎爐1中將鐵礦制的氧化球團(tuán)還原成為海綿鐵產(chǎn)品。海綿鐵產(chǎn)品進(jìn)入豎爐的冷卻段，使用從氣液分離器4分流出的450nm³/h混合氣進(jìn)行冷卻(步驟403)，之后上述450nm³/h混合氣還可以上升至豎爐的還原段作為還原氣參與到下一輪氧化球團(tuán)的還原(步驟404)。

實(shí)施例3

如圖1和2所示，本實(shí)施例使用的如上所述的系統(tǒng)進(jìn)行還原鐵，并且使用開采的煤層氣，其中甲烷體積分?jǐn)?shù)為80％。爐頂氣為h2、co、n2與co2的混合氣體，溫度為400℃，循環(huán)與煤層氣混合使用；

步驟100中，將煤層氣在煤層氣脫氧裝置8中進(jìn)行脫氧處理，吸附劑是炭分子篩與活性碳的質(zhì)量比為1:1的混合吸附劑，反應(yīng)條件為：吸附溫度為室溫20℃，單塔吸附時(shí)間60s,置換時(shí)間30s,吸附壓力0.2mpa,處理后的煤層氣輸出壓力與豎爐爐頂氣壓力相同為150kpa,變壓吸附后去除掉煤層氣中95％以上的氧氣。然后將脫氧之后的煤層氣送入混合器中。在步驟200中，脫氧后的煤層氣600nm³/h與爐頂氣3000nm³/h在混合器2中進(jìn)行充分混合后，在步驟300中將混合氣通入水洗塔3進(jìn)行降溫除塵處理，然后通過氣液分離器4后，將體積比15％的混合氣分流從豎爐1底部冷卻氣入口通入豎爐冷卻段(步驟401)；將剩余的混合氣中70％在變壓吸附裝置5中脫氮(在步驟402中)，15％進(jìn)入加熱爐7作為燃料氣供加熱爐7燃燒。在步驟500中，脫氮后的混合氣加入含鎳基合金催化劑重整爐6進(jìn)行重整調(diào)質(zhì)，得到含h2/co為1.2并且(h2+co)/(h2+co+h2o+co2)為0.92的還原氣。

在步驟600中，將調(diào)質(zhì)后的還原氣在加熱爐7中加熱到900℃，從豎爐1中下部還原氣入口通入豎爐本體中；還原氣在豎爐1中將鐵礦制的氧化球團(tuán)還原成為海綿鐵產(chǎn)品。海綿鐵產(chǎn)品進(jìn)入豎爐的冷卻段，使用從氣液分離器4分流出的300nm³/h混合氣進(jìn)行冷卻(步驟403)，之后上述300nm³/h混合氣還可以上升至豎爐的還原段作為還原氣參與到下一輪氧化球團(tuán)的還原(步驟404)。

本實(shí)例1-3使用的鐵礦制的氧化球團(tuán)可以是由精鐵礦或者釩鈦鐵礦等含鐵礦物原料制成。

本發(fā)明提出利用煤層氣資源作為氣體原料進(jìn)行豎爐直接還原生產(chǎn)海綿鐵，煤層氣通過變壓吸附裝置脫除氧氣去除氣源爆炸的隱患，然后按一定比例與豎爐爐頂氣混合，除塵降溫脫氮后在重整爐內(nèi)進(jìn)行重整反應(yīng)并加熱通入豎爐作為還原氣原料進(jìn)行海綿鐵生產(chǎn)，既利用了大量存在的煤層氣資源又避免了其存在的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)水洗塔除塵降溫后的含氮?dú)怏w分流一部分從豎爐下部通往冷卻段，在豎爐內(nèi)對(duì)反應(yīng)后原料進(jìn)行冷卻降溫，然后到達(dá)豎爐中部繼續(xù)與還原氣一起參與豎爐還原段反應(yīng)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍；如果不脫離本發(fā)明的精神和范圍，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍當(dāng)中。