熔融还原炼铁二甲醚生产与发电相结合的联产 方法及装置 【技术领域】
本发明属于冶金、化工和能源领域，特别涉及熔融还原炼铁、二甲醚生产和利用余热发电。
背景技术
熔融还原是先进的炼铁工艺技术，它不仅能解决当今钢铁工业所面临的焦炭日益匮乏和环境污染的两大难题，而且还因省略了炼焦和烧结工序，大大缩短工艺流程，提高生产率，降低基建投资和生产成本，增加了生产的灵活性(ZL99122119.2、ZL99122120.6、ZL99122121.4和ZL00238120.6)。熔融还原炼铁工艺生产铁水的同时，还副产大量高热值的煤气。如何利用这些煤气及有关的余热，达到综合联产的目的，一直是人们探求的课题。奥钢联在利用熔融还原过程煤气生产海绵铁的同时，也曾提出利用熔融还原炼铁的过程煤气合成化工原料的设想；日本曾提出利用熔融还原炼铁的过程煤气进行清洁发电的技术思想，但上述两者都未能提出具体方案及实施。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种高效、环保和节能的以熔融还原炼铁为基础的熔融还原炼铁、二甲醚生产与发电相结合地联产方法及装置。
针对上述目的，本发明熔融还原炼铁、二甲醚生产与发电相结合的联产方法是以熔融还原炼铁为基础，以熔融还原的过程煤气为主要原料，再加上相关的催化剂和惰性溶剂，在二甲醚合成装置中生产二甲醚，并利用熔融还原炼铁过程中产生的煤气经热交换器换热产生的水蒸汽以及二甲醚生产过程中产生的余热进入蒸汽包产生蒸汽进行发电。现就本技术方案，作详细说明，
(1)熔融还原炼铁以铁矿石、铁矿粉及其球团、块煤和煤粉为主要原料，以工业纯氧或低纯度氧气、石灰石、萤石等为辅助原料，采用预还原和终还原二步法熔融还原炼铁技术生产铁水，同时，在生产铁水的过程中，还副产大量高热值的煤气，其煤气量可达1300～2300Nm3/吨铁水，煤气热值可达6000～8500KJ/Nm3。
(2)以熔融还原炼铁过程中产生的高热值煤气为主要原料，通入装有
催化剂和惰性溶剂的二甲醚合成装置的浆态床反应器内，在催化剂的
作用下进行二甲醚合成反应，合成产物经吸收、脱碳和精馏后，获
得高浓度的二甲醚。
在上述二甲醚合成的原料中催化剂和惰性溶剂的配比(重量％)为：
催化剂为5～45％，惰性溶剂为55～95％。
煤气的主要组成为：CO30～75％、H27～8％、CO23～32％；
煤气空速为1500～10000h-1；
原料中的熔融还原炼铁过程中产生的热煤气需经热交换、除尘、精脱硫和加压处理后，再作为原料进入二甲醚合成装置中。其煤气压力为2.0～8.0MPa。
原料中的催化剂采用铜基甲醇合成催化剂和甲醇脱水催化剂，两者的重量比为0.5～4。
铜基甲醇合成催化剂为C301、C302、C306或C207中任一种。
甲醇脱水催化剂为分子筛ZSM-5或gama-Al2O3中任一种。
原料中的惰性溶剂为烷烃类溶剂中的液体石蜡、矿物油、角沙烷、含18～35碳链的醇或醚、氯代烷烃、芳烃及其衍生物中任一种。
二甲醚合成过程的工艺参数为：
工作温度为200～320℃；
工作压力为2.0～8.0MPa；
所述的二甲醚合成过程为水煤气变换、甲醇合成以及甲醇脱水三个反应耦合过程，即在浆态床反应器中同时进行三个反应，即：
合成反应后得到的产物包含二甲醚(CH3OCH3)、甲醇(CH3OH)、水(H2O)、未反应完的H2、CO、CO2以及它们夹带的部分催化剂和惰性溶剂，这些物质从二甲醚合成装置的浆态床反应器顶部进入初分离器进行分离，将惰性溶剂和催化剂与气态产物分离，气态产物进入吸收塔，二甲醚、甲醇、水和部分CO2吸收后成为液相进入脱碳塔脱除CO2，剩下产物进入二甲醚精馏塔进行精馏。未吸收的气体物质返回压缩机与原料气汇合。
所述吸收塔的吸收参数为：
气体入口温度：-10～40℃
液体入口温度：10～60℃
塔内压力：1.0～3.0Mpa，
脱碳塔的脱碳参数
液体入口温度：150～210℃
塔釜出口温度：180～220℃
塔内压力：1.0～2.0MPa，
随后进入二甲醚精馏塔进行精馏，其二甲醚精馏参数
液体入口温度：180～200℃
塔釜出口温度：180～220℃
塔内压力：0.6～1.5MPa。
经精馏后，可获得高浓度的二甲醚。
在精馏过程中，处于塔底的馏出物为甲醇和水，它们中的部分作为原料返回浆态床反应器和作为吸收剂返回吸收塔，其余精馏回收甲醇。
(3)熔融还原炼铁过程煤气经热交换器换热产生的水蒸汽和二甲醚合成过程中产生的水蒸汽分别进入发电装置的蒸汽包，以此蒸汽为动力，带动汽轮机或其它发电装置进行发电。用于发电的蒸汽参数为：
蒸汽压力为1～7Mpa
蒸汽温度为130～300℃。
本发明所述的熔融还原炼铁、二甲醚生产与发电相结合的联产装置由熔融还原炼铁装置、合成气净化装置、二甲醚合成装置、产品分离装置和发电装置组成。
现通过附图对本发明熔融还原炼铁、二甲醚生产与发电相结合的联产装置作详细说明。
【附图说明】
附图1为本发明熔融还原炼铁、二甲醚生产与发电相结合的联产装置的结构示意图。
由图1看出，本发明熔融还原炼铁、二甲醚生产与发电相结合的联产装置由各虚线框内的熔融还原炼铁装置S1、合成气净化装置S2、二甲醚合成装置S3、产品分离装置S4和发电装置S5组成。
现将各装置及其它们的联接关系分述如下：
①熔融还原炼铁装置S1由预还原炉04、终还原炉11、料仓01和02、除尘器06和15、下料管10及其相关管路05、07、08、09、14、16组成，在终还原炉11中，有氧化输送管路03、出铁水口13和出渣口12。
预还原炉04通过下料管10与终还原炉11相连，预还原炉04通过管路05与除尘器06相连，终还原炉11通过管路14与除尘器15相连，除尘器15通过管路16与预还原炉相连，除尘器06还通过管路07与终还原炉11相连。整个熔融还原炼铁装置S1通过管路08与合成气净化装置S2相连。
②合成气净化装置S2由热交换器17、合成气净化塔19、压缩机21和相关管路18、20、22、23组成；热交换器17通过管路08、09与熔融还原炼铁装置S1的除尘器06相连，并通过管路18与合成气净化塔19相连，合成气净化塔19通过管路20与压缩机21相连，热交换器17通过管路23与发电装置S5的蒸汽包45相连。
③二甲醚合成装置S3由热交换器24、浆态床反应器26、初分离器28及相关管路25、27、29、31、32、43组成，热交换器24通过管路22与合成气净化装置S2中的压缩机21相连，并通过管路25与浆态床反应器26相连，浆态床反应器26通过管路27、29与初分离器28相连，初分离器28通过管路31又与热交换器24相连，浆态床反应器26通过管路47与发电装置S5的蒸汽包45相连，浆态床反应器26顶部的30为催化剂和惰性溶剂的加入口；
④产品分离装置S4由吸收塔33、脱碳塔37、二甲醚精馏塔39、二甲醚贮罐42以及相应的管路34、35、36、41、49组成；吸收塔33通过管路36、43与二甲醚合成装置S3中的浆态床反应器26相连，并通过管路35与脱碳塔37相连，吸收塔33还通过管路32与二甲醚合成装置S3中的热交换器24相连，并通过管路34与合成气净化装置S2的压缩机21相连，脱碳塔37通过管路49与二甲醚精馏塔39相连，脱碳塔37的顶部有不凝气出口38，二甲醚精馏塔39的塔顶通过管路41与二甲醚精贮罐42相连，塔底有出口40，同时通过管路43与浆态床反应器26。
⑤发电装置S5由蒸汽包45、发电机48及管路46组成，蒸汽包45还分别通过管路23和47与合成气净化装置S2的热交换器17和二甲醚合成装置S3的浆态床反应器26相连；
在整个熔融还原炼铁、二甲醚生产和发电相结合的联产装置中，熔融还原炼铁装置S1通过管路08与合成气净化装置S2相连，合成气净化装置S2分别通过管路22和23与二甲醚合成装置S3和发电装置S5相连，二甲醚合成装置S3分别通过管路32和47与产品分离装置S4和发电装置S5相连。
根据本发明所述的方法及装置，熔融还原炼铁、二甲醚生产与发电相结合的联产过程如下：
首先采用本发明所述的熔融还原炼铁装置S1，以常规的二步法生产铁水，在生产铁水的同时，预还原炉04中所产生的大量煤气经除尘器06除尘后，进入合成气净化装置S2中的热交换器17换热降温，随后再进入合成气净化塔19进一步除尘和脱硫。除尘、脱硫后经压缩机21压缩，进入二甲醚合成装置S3中的热交换器24，经热交换后，具有一定压力的煤气(合成气)进入浆态床反应器26，此时催化剂和惰性溶剂也从入口30中加入浆态床反应器26中，三者在浆态床26反应器内进行反应，反应后得到的产物包括二甲醚、甲醇、水、未反应完的H2、CO、CO2以及夹带出的催化剂和惰性溶剂，这些产物从浆态床反应器26顶部经管路27进入初分离器28，将惰性溶剂和催化剂与气态产物分离，并经管路29再返回浆态床反应器26中，气态产物经管路31再进入热交换器24换热，经管路32进入吸收塔33中，经吸收塔33吸收后，混合产物中的H2、CO、CO2仍为气相，并经管路34返回压缩机21中，与新鲜煤气(合成气)混合循环使用或直接作为余热回收利用；而二甲醚、甲醇、水和少量CO2为液相，经管路35进入脱碳塔37中，经脱碳后，CO2由塔顶38分离出，脱碳塔38底部馏出物经管路35进入二甲醚精馏塔37中精馏，精馏后高浓度的二甲醚产品从塔顶出口41引出，经冷却后送往二甲醚贮存槽42贮存；精馏塔39底部馏出物为甲醇和水，部分经出口40经管路43、36送往浆态床反应器26和吸收塔33，其余经管路44进入甲醇精馏塔回收甲醇。
另外，在熔融还原炼铁装置S1的炼铁过程中产生的煤气经热交换器17换热时产生的水蒸汽，经管路23进入发电装置S5中的蒸汽包45中，二甲醚合成过程产生的余热也通过管路47进入蒸汽包，转换水蒸汽，两股水蒸汽合流进入汽轮发电机48中进行发电。
为此，达到了熔融还原炼铁、二甲醚生产和发电的联产目的。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
①本发明所述的熔融还原过程中产生的煤气，为富CO的合成气，其中CO含量为30～75％，H2含量为7～8％，可以采用二甲醚精馏后的塔底馏出物(主要为甲醇和水)经管路43重新进入浆态床反应器26中，调节氢碳比，提高二甲醚的生产率和CO转化率。
②在浆态床反应器26中，CO/H2宽，CO含量达30～75％，CO2浓度范围大(3～32％)，故二甲醚合成工艺操作弹性大，工作方便。
③由于二甲醚合成过程，采用一次通过工艺时，CO转化达85％，采用低循环工艺时，CO转化率达70％，明显高于传统甲醇合成工艺中CO转化率(通常低于10％)。
④本发明以联产过程(综合流程)中能源和资源的最佳转化效果为目标，利用煤中碳的初级转化完成含铁原料中铁的还原过程，再利用副产煤气进一步转化合成二甲醚过程，达到系统优化的目的(消耗最少，废弃物排放最少等)，既为传统的熔融还原炼铁工艺所产生的大量尾气找到了合理的利用途径，也解决了合成二甲醚过程所需的主要原料问题。两个工艺的组合达到优势互补的效果，降低了产品的生产成本，同时，对所生产的产品比例(铁水、二甲醚)提供了调整空间，并且两个工艺过程的余热用来发电，真正达到综合利用的目的。
⑤投资少，能有效提高能源利用率，大大降低产品能耗和成本，且有利于环保。
实施例
采用本发明所述的熔融还原炼铁、二甲醚生产与发电相结合的联产方法及装置，进行了三批试验。
首先将矿石、熔剂、煤等原料以及氧气按一定比例分别从料仓01和02、氧气输送管03进入熔融还原装置进行炼铁，铁水由铁水出口13排出。同时产生大量煤气。煤气成分、煤气发生量和铁产量如表1所示。所产煤气通过除尘器06、15除尘，经热交换器17换热和合成气净化塔19再除尘和脱硫后，经压缩机21压缩，使其有一定压力从二甲醚合成装置S3中的浆态床反应器26底部进入，催化剂和惰性溶剂预先从入口30中加入，惰性溶剂、催化剂的组份及其重量比如表2所示。在浆态床反应器26内，煤气在催化剂和惰性溶剂的作用下进行二甲醚合成，其合成过程的工艺参数如表3所列。合成后的产物经脱碳塔33脱碳和二甲醚精馏塔39精馏，精馏后则获得高浓度二甲醚。其脱碳和精馏参数列入表4中。所得3批二甲醚的指标如表5所示。
在上述过程中，由熔融还原炼铁产生的煤气经热交换器换热产生的水蒸汽和二甲醚合成过程中产生的余热进入蒸汽包转换的水蒸汽，通过汽轮机进行发电，其蒸汽压力和蒸汽温度列入表6中。
表1 实施例煤气成分、煤气发生量和产铁量批号产铁量 t/h 煤气成分％vol 煤气发生量 Nm3/t·铁水 CO CO2 N2 H2 1 3 62～75 8～14 2～5 7～14 1900 2 3.5 40～48 23～32 2～5 10～18 1340 3 3.3 52～59 19～25 2～5 8～15 1670
表2 实施例二甲醚合成过程中催化剂和惰性溶剂配比(重量) 批号 催化剂 惰性溶剂铜基甲醇合成催化剂 甲醇脱水催化剂 1 C301 20 ZSM-5 10 液体石蜡 570 2 C302 50 gama-Al2O3 50 矿物油 400 3 C207 20 ZSM-5 5 角沙烷 220
表3 实施例二甲醚在合成装置中的合成工艺参数 批号 工作温度/℃ 工作压力/MPa 合成气空速/h-1 1 220 3 2500 2 270 5 6000 3 270 8 9000
表4 实施例合成产物的吸收、脱碳和二甲醚精馏参数 批号 脱碳参数 脱碳参数 二甲醚精馏参数入口温度 ℃ 出口 温度 ℃压力MPa入口温度 ℃出口温度 ℃ 压力 MPa 入口 温度 ℃ 出口 温度 ℃压力MPa 1 15 45 2.0 170 210 2.0 130 160 0.6 2 32 16 1.3 180 200 1.5 150 170 0.8 3 2 32 1.6 160 190 1.2 170 190 1.2
表5 实施例所得二甲醚产品的指示 批号 二甲醚指标 1二甲醚含量≥99.5％ 2二甲醚含量≥99.98％ 3二甲醚含量≥95％
表6 实施例蒸汽包的蒸汽压力和蒸汽温度 批 号 蒸汽压力 MPa 蒸汽温度 ℃ 1 4.0 220 2 5.5 175 3 3.2 205