一种生产海绵铁和高纯度CO气体的工艺 【技术领域】
本发明属于冶金技术领域，特别是钢铁厂利用还原气生产海绵铁的工程领域，公开了一种生产海绵铁和高纯度CO气体的工艺。
背景技术
在国内外节能减排的大环境下，在高炉中利用焦炭、烧结矿或球团矿生产铁水，进而送转炉炼钢的长流程炼钢工艺的缺陷十分明显，例如焦煤资源的短缺、焦化和烧结的占地及成本、三废的大量排放等等。利用海绵铁和废钢炼钢的短流程工艺可省去焦化、烧结方面的投资，废弃物排放较少，经济和环境效益十分明显。短流程炼钢中海绵铁的获得是关键，除了炼钢外，高质量的海绵铁可直接应用于粉末冶金等领域。
国内外利用还原气生产海绵铁的方法主要有两类：天然气裂解生产海绵铁和煤气化生产海绵铁两种：
天然气裂解生产海绵铁是利用天然气在重整炉中催化裂解，产生以氢气、一氧化碳为主的还原气，经还原气工艺处理后进入竖炉生产海绵铁，此类工艺较为成熟，但对天然气需求大，且没有处理竖炉出炉顶气脱碳后的富CO2气体。
中国煤炭资源丰富，价格低廉，故采用煤气化产生的还原气生产海绵铁成本较低，具有较为广泛的应用前景。目前国内外利用煤气化产生的还原气生产海绵铁的工艺主要分三类：1)奥钢联(VAI)公司的COREX专利体系中，指明了可以利用产生铁水的熔融气化炉的出炉煤气作为还原气生产海绵铁。因牵涉到COREX专利，此类工艺的成本均十分昂贵，且该系列专利没有处理脱碳分离后的富CO2气体。2)宝钢公司和山东鲁化公司提出的利用水煤浆和氧反应生成的还原气进行处理加工，最后得到富氢(H2∶CO＝0.73～8.5)还原气进入竖炉的工艺。该工艺对还原气成分要求严格，煤气利用率不高，废弃物排放没有解决，且没有处理脱碳分离后的富CO2气体，不符合节能减排的思路。3)中冶赛迪工程技术股份有限公司针对粉煤气化生产海绵铁进行了深入的研究，提出了利用高压粉煤气化技术来生产CO+H2＞90％的还原气，并且利用部分CO2(最大30％)作为气力输送的输送介质返流至气化炉的新工艺，其余的CO2以液态形式储存备用。该工艺对还原气成分要求高(CO+H2＞90％)，只针对成本昂贵的高压粉煤气化技术，投资较高；另外，该工艺提出的将大部分CO2(＞70％)以液态形式储存，液态CO2所需压力极高，对加压设备和储存容器要求较高，且目前高纯度CO2在工业上用处不大。
综上所述，目前国内外利用还原气生产海绵铁的工艺，对于CO2排放的处理都存在相当程度的缺陷。
【发明内容】
针对国内外利用还原气生产海绵铁工艺所存在的CO2排放处理的问题，从节能减排的思路出发，提出了一种利用还原气生产海绵铁和高纯度CO气体的工艺。本发明包括还原气制备系统；还原气工艺系统；还原气加热系统；竖炉；回流气工艺系统；二氧化碳分离系统；二氧化碳转换系统和富CO气体提纯系统；通过输送管道和输送装置将上述系统连接在一起，生产金属化率≥92％的海绵铁，同时又得到高纯度CO气体。
本发明通过流程优化计算，完善和完整竖炉出炉气的循环回流，以降低生产单位质量海绵铁所需消耗的还原气制备量，节约成本；将竖炉的炉顶气进行脱CO2处理，得到的富CO2气体进入二氧化碳转换系统与C、O2重新反应生成粗CO气体，提纯后可得到高纯度CO气体。
本发明提出了利用还原气生产海绵铁和高纯度CO气体的工艺流程，该工艺包括8个子工艺系统：1)还原气制备系统；2)还原气工艺系统；3)还原气加热系统；4)竖炉；5)回流气工艺系统；6)二氧化碳分离系统；7)二氧化碳转换系统；8)富CO气体提纯系统，通过输送管道和输送装置将上述8个工艺系统连接在一起，达到利用还原气生产海绵铁和高纯度CO气体的目的。
本发明所涉及到的煤气成分百分比，除特别说明外，均为干煤气成分百分比。
工艺的流程如下：
1)通过还原气制备系统，制备出富CO+H2的还原气，还原气制备方法可以是天然气或重油催化裂解得到的富CO+H2还原气；可以是高碳载体与O2+H2O或O2+H2O+CO2或O2+CO2在高压气流床或高温流化床得到的富CO+H2还原气；也可以是高碳载体与O2、固态Fe在熔融气化炉中生成铁水的同时产生的富CO+H2还原气。
2)还原气制备系统出口的富CO+H2还原气经还原气工艺系统处理，包括还原气的净化除尘、热量交换、压力变换后，得到满足竖炉进口压力要求的还原气。
3)还原气制备系统的富CO+H2还原气经还原气工艺系统处理后，与经过二氧化碳分离系统脱碳后的竖炉炉顶气回流气混合，得到CO+H2≥85％(湿煤气百分比)的还原气进入还原气加热系统。
4)CO+H2≥85％(湿煤气百分比)地还原气通过还原气加热系统加热到竖炉所需的温度(850℃左右)后，进入竖炉与铁矿石反应生成金属化率≥92％的海绵铁。
5)竖炉反应后的炉顶气CO+H2在60％左右，炉顶气进行回流循环利用，经回流气工艺系统处理，包括回流气的净化除尘、热量交换、压力变换后，得到温度～40℃、且压力满足经过二氧化碳分离系统后压力略大于还原气压力的回流气，通过二氧化碳分离系统脱碳后回流入竖炉；其余部分作为炉顶气输出，此部分输出还原气热值较高，可达到6000～7000KJ/m3。
6)回流气进入二氧化碳分离系统后，得到CO+H2＝～92％的回流气，以及CO2＝～90％的解析气。CO+H2＝～92％的回流气与还原气混合后加热回流至竖炉重复利用；CO2＝～90％的解析气与高碳载体(如煤粉)、富氧气体一起进入二氧化碳转换系统中发生还原反应，生成富CO气体，进一步提纯后可得高纯度CO气体。
从上述分析可知，利用本发明的工艺，最大程度的利用了竖炉的炉顶气，没有CO2的排放，在生产海绵铁的同时副产高纯度的CO气体，整个工艺从技术上来说是十分优化的。
本发明的工艺是利用还原气来生产金属化率≥92％的海绵铁，同时又得到高纯度CO气体，从上述技术方案可知，本工艺具有如下的有益效果：
1)充分的利用竖炉的炉顶气，将竖炉炉顶气脱碳后的高还原度气体参与循环回流，大大减少了单位产量海绵铁所需消耗的还原气制备量(～50％)，从而大大减少还原气制备系统以及还原气工艺系统的投资和能耗，具有高度节能的特点。
2)利用所述的竖炉炉顶气参与循环回流，可以降低还原气制备的还原度要求，从而大大节省还原气制备系统的投资，对整个工艺的工业化具有十分重大的价值。
3)竖炉的炉顶气，除用于竖炉回流外，多余的部分作为炉顶气输出，此部分输出炉顶气热值较高，可达到6000～7000KJ/m3，可用于球团厂制球团、燃气轮机联合循环发电(CCPP)等等，用处十分广泛。
4)竖炉的炉顶气经脱碳后产生的富CO2解析气，与高碳载体、富氧气体一起进入二氧化碳转换系统中发生还原反应，生成富CO气体，进一步提纯后可得高纯度CO气体。此工艺解决了CO2的排放，且生成的高纯度CO气体在钢铁、化工等领域具有较为重要的应用价值。
图面说明
本发明的工艺流程图
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步描述，但本发明不仅局限于此。
本工艺包括8个子工艺系统：1)还原气制备系统；2)还原气工艺系统；3)还原气加热系统；4)竖炉；5)回流气工艺系统；6)二氧化碳分离系统；7)二氧化碳转换系统；8)富CO气体提纯系统。通过输送管道和输送装置将上述8个工艺系统连接在一起，达到利用还原气生产海绵铁和高纯度CO气体的目的。本发明所涉及到的煤气成分百分比，除特别说明外，均为湿煤气成分百分比。
1)还原气制备系统：非炼焦煤经过磨煤机研磨后，与纯氧、水或水蒸汽在高温高压气流床气化炉内发生反应等方法，制备出富CO+H2的还原气①。
2)还原气工艺系统：还原气制备系统的出口经过热量交换装置-废热锅炉将温度变换到净化除尘装置所需的温度，除尘将还原气的含尘量降为≤5mg/Nm3，净化将还原气中的有害杂质降低到要求范围以下，H2S净化到＜20mg/Nm3；净化除尘后的还原气通过压力变换装置将还原气工艺系统出口的还原气压力变换至比竖炉入口要求压力略高的还原气②。
3)还原气加热系统：还原气②与经过二氧化碳分离系统脱碳的竖炉炉顶回流气⑧混合，得到CO+H2≥85％(湿煤气百分比)的还原气③，进入还原气加热系统；CO+H2≥85％(湿煤气百分比)的还原气③通过还原气加热系统加热到竖炉所需的温度(850℃左右)④。
4)竖炉：850℃左右的还原气④进入竖炉与铁矿石(块矿和球团矿)反应生成金属化率≥92％的海绵铁和回流气⑤，竖炉反应后的炉顶气CO+H2在60％左右。
5)回流气工艺系统：包括除尘装置、压力变换装置和热量交换装置，竖炉的炉顶气首先经过还原气热量交换装置-管壳式换热器，降温到还原气除尘装置所需的温度，除尘装置采用粗除尘加干式布袋除尘器的方式进行，除尘后的回流气含尘量≤5mg/m3；除尘后的回流气经过压力变换装置和热量交换装置进行压力变换和热量交换，一部分回流气压力满足经过二氧化碳分离系统后压力略大于②点和温度满足二氧化碳分离系统入口温度要求的还原气⑦，一部分回流气满足外围用户要求的还原气⑥，此部分输出炉顶气热值较高，可达到6000～7000KJ/m3；
除尘及压力热量变换后，一部分用于炉顶气输出，其余部分通过二氧化碳分离系统分离，可以是炉顶气输出为零，全部竖炉炉顶气经回流气工艺系统和二氧化碳分离系统后得到脱碳气与富CO2解析气，再进入后续流程。
6)二氧化碳分离系统：回流气⑦进入二氧化碳分离系统(如PSA或VPSA分离装置)后，得到CO+H2＝～92％的回流气⑧以及CO2＝～90％的解析气⑨，CO+H2＝～92％的回流气⑧与还原气②混合，得到CO+H2≥85％(湿煤气百分比)的还原气③。
7)二氧化碳转换系统：所述的CO2＝～90％的解析气⑨一部分与高碳载体、富氧气体一起进入所述的二氧化碳转换系统中发生还原反应，生成富CO气体⑩；剩下的部分富CO2解析气⑨作为输出产物。
8) 富CO气体提纯系统：进一步提纯后可得高纯度CO气体，提纯可采用真空变压吸附等方式进行，纯度根据后续工艺要求决定。
经过还原气工艺系统处理后，与竖炉炉顶气经回流气工艺系统和二氧化碳分离系统后的高还原度回流气混合，并经过相应的加热处理，得到满足竖炉反应所需的温度的还原气中，混合和加热处理的方式有如下两类：a)还原气制备系统制备的还原气，经过还原气工艺系统处理后，全部还原气与竖炉炉顶气经回流气工艺系统和二氧化碳分离系统后的高还原度回流气混合，并加热至竖炉反应所需的温度范围；或b)还原气制备系统制备的还原气，经过还原气工艺系统处理后，与部分经回流气工艺系统和二氧化碳分离系统后的高还原度回流气混合，混合后的温度需满足竖炉反应所需的温度，剩余的经回流气工艺系统和二氧化碳分离系统后的高还原度回流气单独加热至竖炉反应所需的温度，然后一起进入竖炉。
本发明的工艺是利用还原气来生产金属化率≥92％的海绵铁，同时又得到高纯度CO气体。此工艺解决了CO2的排放，且生成的高纯度CO气体，在钢铁、化工等领域具有较为重要的应用价值。