本發明涉及冶金技術領域，具體涉及一種天然氣水蒸汽重整后還原紅土鎳礦球團的系統和方法。

背景技術：

直接還原鐵又稱海綿鐵，是一種重要的可代替廢鋼且優于廢鋼的煉鋼原料，可稀釋廢鋼中的雜質元素成分，為電爐煉鋼提供必不可少的純凈鐵原料。鋼鐵企業發展直接還原鐵技術，能更好地適應時代對企業向緊湊化、高效化、潔凈化方向發展的要求。

2014年，全世界直接還原鐵產量為7455萬噸。其中，由氣基豎爐法生產的約占80％。典型的工藝包括MIDREX工藝和HYLⅢ(Energiron)工藝。

MIDREX法以天然氣為原料氣，用爐頂氣作為轉化劑，經重整反應得到高品質還原氣。爐頂氣經降溫除塵后，其中60～70％經壓縮后與天然氣按照化學反應當量混合，經預熱器預熱，然后通過裝有鎳催化劑的重整爐。在重整爐內，天然氣與爐頂氣中的CO₂和H₂O發生重整反應，得到850～900℃的還原氣，然后將該還原氣送入豎爐中。含鐵的氧化球團或塊礦在豎爐內經還原氣還原得到直接還原鐵。直接還原鐵經豎爐底部的冷卻段冷卻后排出豎爐。冷卻段的冷卻氣從豎爐排出，然后經水洗塔水洗和壓縮機提壓后，送回豎爐循環使用。但是，該方法中，重整爐造價昂貴，維護成本較高。并且，氣體中的硫會導致重整爐內的重整催化劑中毒。因此，該工藝中需要嚴格控制礦石和煤氣中的硫含量。

HYLⅢ工藝以天然氣和部分爐頂氣為原料，通過原料天然氣、轉化劑水蒸氣在重整爐中的催化重整反應制取還原氣。由重整爐制取的還原氣，通過熱量回收裝置、水洗冷卻裝置處理，然后與部分經水洗冷卻、脫硫脫碳的爐頂氣混合。得到的混合氣經加熱爐加熱至900～950℃，然后通入豎爐中，還原氧化球團或塊礦。但是，該工藝中，操作壓力較高，對反應器的要求較高。并且，由轉化爐制取的高溫還原氣，需經冷卻除水以降低氧化度，然后再加熱升溫。因此，工藝上不太合理，耗能較高。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種天然氣水蒸汽重整后還原紅土鎳礦球團的系統和方法，可以利用紅土鎳礦還原產生的金屬鎳作為重整反應的催化劑，有效利用甲烷，還原氣中氫氣含量較高，降低反應能耗。

本發明提供了一種天然氣水蒸汽重整后還原紅土鎳礦球團的系統，包括豎爐、提氫裝置、預熱裝置、加熱裝置。

所述豎爐具有紅土鎳礦球團入口、升溫混合氣入口、爐頂氣出口、海綿鐵出口。

所述提氫裝置具有爐頂氣入口、氫氣出口、富一氧化碳氣體出口。所述爐頂氣入口與所述豎爐的爐頂氣出口連接。

所述預熱裝置具有進氣口、混合氣出口。所述進氣口與所述提氫裝置的氫氣出口連接，用于向所述預熱裝置中通入天然氣、氫氣、水蒸汽。

所述加熱裝置具有混合氣入口、升溫混合氣出口。所述混合氣入口與所述預熱裝置的混合氣出口連接。所述升溫混合氣出口與所述豎爐的升溫混合氣入口連接。

進一步的，所述加熱裝置還具有富一氧化碳氣體入口、煙氣出口。所述富一氧化碳氣體入口與所述提氫裝置的富一氧化碳氣體出口連接。

所述預熱裝置還具有煙氣入口。所述煙氣入口與所述加熱裝置的煙氣出口連接。

進一步的，上述系統還包括依次連接的降溫除塵裝置、壓縮裝置、脫碳裝置。所述降溫除塵裝置具有爐頂氣入口，所述爐頂氣入口與所述豎爐的爐頂氣出口連接。所述脫碳裝置具有爐頂氣出口，所述爐頂氣出口與所述提氫裝置的爐頂氣入口連接。

本發明還提出了一種利用上述系統由天然氣水蒸汽重整后還原紅土鎳礦球團的方法，包括步驟：

將豎爐排出的爐頂氣送入所述提氫裝置中，分別得到氫氣和富一氧化碳氣體。

所述氫氣與天然氣混合后送入所述預熱裝置中預熱，并與經預熱的水蒸氣混合，得到混合氣。

將所述混合氣送入所述加熱裝置中加熱，得到升溫混合氣。

將所述升溫混合氣送入所述豎爐中，還原所述豎爐中的紅土鎳礦球團，得到海綿鐵。

進一步的，將所述富一氧化碳氣體送入所述加熱裝置中作為燃料氣。

進一步的，所述燃料氣燃燒產生的煙氣送入所述預熱裝置中作為預熱氣。

上述由天然氣水蒸汽重整后還原紅土鎳礦球團的方法中，所述爐頂氣中CO和H₂的體積占所述爐頂氣總體積的百分數為65％～75％。

進一步的，所述CO的體積占所述富一氧化碳氣體體積的占比≥70％。

上述由天然氣水蒸汽重整后還原紅土鎳礦球團的方法中，所述水蒸氣的體積與所述天然氣的體積比為0.9～1.2:1。

上述由天然氣水蒸汽重整后還原紅土鎳礦球團的方法中，所述升溫混合氣的溫度為900～1000℃。

本發明的系統和方法中，直接在豎爐中進行甲烷水蒸汽的重整，不單獨使用甲烷重整轉化爐，減少了轉化爐的費用和鎳基催化劑的消耗。而且，避免了爐頂氣中含有的硫對催化劑的危害。因此，本發明可選用含硫氧化球團，拓寬了鐵礦石選擇的范圍。

本發明中的提氫裝置，可對爐頂氣中沒有反應的CO和H₂進行分離。其中，將分離得到的富一氧化碳氣體作為加熱裝置的燃料氣。并且，氫氣與天然氣混合重整后，可提高還原氣中氫氣的含量，促進氧化球團的還原，提高制備的海綿鐵的金屬化率。

本發明使用加熱裝置產生的高溫煙氣作為預熱裝置的預熱氣，有效利用了高溫煙氣的熱能。經預熱的低壓水蒸汽與天然氣、氫氣混合，可為后序還原紅土鎳礦球團過程提供氧化劑。本發明采用蒸汽加濕的方式提供氧化劑，可降低重整反應所需的熱量，并增加還原氣中的氫氣含量。

附圖說明

圖1為本發明實施例中天然氣水蒸汽重整后還原紅土鎳礦球團的系統示意圖。

圖2為本發明利用圖1所示的系統由天然氣水蒸汽重整后還原紅土鎳礦球團的方法流程示意圖。

附圖中的附圖標記如下：

1、豎爐；2、降溫除塵裝置；3、壓縮裝置；4、脫碳裝置；5、提氫裝置；6、預熱裝置；7、加熱裝置。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發明的方案以及其各個方面的優點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發明的限制。

由圖1，本發明提供的天然氣水蒸汽重整后還原紅土鎳礦球團的系統包括：豎爐1、提氫裝置5、預熱裝置6、加熱裝置7。

豎爐1具有紅土鎳礦球團入口、升溫混合氣入口、爐頂氣出口、海綿鐵出口。

提氫裝置5具有爐頂氣入口、氫氣出口、富一氧化碳氣體出口。爐頂氣入口與豎爐1的爐頂氣出口連接。

預熱裝置6具有進氣口、煙氣入口、混合氣出口。進氣口與提氫裝置5的氫氣出口連接。預熱裝置6的進氣口用于向預熱裝置6中通入天然氣、氫氣、水蒸汽，并進行預熱。

加熱裝置7具有混合氣入口、富一氧化碳氣體入口、升溫混合氣出口、煙氣出口。該混合氣入口與預熱裝置6的混合氣出口連接。升溫混合氣出口與豎爐1的升溫混合氣入口連接。富一氧化碳氣體入口與提氫裝置5的富一氧化碳氣體出口連接。煙氣出口與預熱裝置6的煙氣入口連接。

在本發明的不同實施例中，該系統還包括依次連接的降溫除塵裝置2、壓縮裝置3、脫碳裝置4。其中，降溫除塵裝置2具有爐頂氣入口，該爐頂氣入口與豎爐1的爐頂氣出口連接。脫碳裝置4具有爐頂氣出口，該爐頂氣出口與提氫裝置5的爐頂氣入口連接。本系統中依次連接的降溫除塵裝置2、壓縮裝置3、脫碳裝置4，用于對豎爐1排出的爐頂氣依次進行降溫除塵、、壓縮、脫碳處理。該三種裝置適用于不同的生產需求，或針對不同性質的爐頂氣。

本發明還提出了一種利用圖1所示的系統，由天然氣水蒸汽重整后還原紅土鎳礦球團的方法。圖2為該方法的流程示意圖，包括如下步驟：

(1)將豎爐1排出的爐頂氣送入提氫裝置5中，分別得到氫氣和富一氧化碳氣體。本發明的爐頂氣中，CO和H₂的體積占爐頂氣總體積的百分數為65％～75％。其中，富一氧化碳氣體的體積占爐頂氣體積的占比≥70％。并且，富一氧化碳氣體中，CO氣體占富一氧化碳氣體總體積的占比≥70％。

在本發明的不同實施例中，在將爐頂氣送入提氫裝置前，還可包括步驟：首先將爐頂氣依次送入降溫除塵裝置2、壓縮裝置3、脫碳裝置4中，進行降溫除塵、壓縮、脫碳處理，以得到滿足提氫裝置5進料要求的爐頂氣。

(2)上述步驟得到的氫氣與天然氣混合后，經由預熱裝置6的進氣口送入，水蒸汽也經由進氣口送入預熱裝置6中，得到混合氣。其中，天然氣中的主要成分為甲烷。該混合氣中，水蒸氣的體積與天然氣的體積比為0.9～1.2:1。然后，將混合氣送入加熱裝置7中加熱，得到升溫混合氣。

本發明中，經預熱的混合氣的溫度為200～300℃。混合氣經加熱后，得到的升溫混合氣的溫度為900～1000℃。

(3)將升溫混合氣送入豎爐1中。紅土鎳礦球團經由豎爐1上設置的紅土鎳礦球團入口送入。本發明的紅土鎳礦球團中，鎳的質量含量為0.8～1.5％。豎爐的操作壓力為0.1～0.2MPa。

在豎爐1中，紅土鎳礦球團被還原后，得到金屬鐵和金屬鎳，可作為升溫混合氣中甲烷和水蒸汽重整反應的催化劑。甲烷和水蒸汽重整后，生成CO和H₂。CO和H₂作為還原氣，在豎爐1中上升的過程中，進一步與紅土鎳礦球團接觸反應，將紅土鎳礦球團還原，制備海綿鐵，并得到所述爐頂氣。

本發明中，將提氫裝置5中得到的富一氧化碳氣體送入加熱裝置7中，作為燃料氣。并且，將加熱裝置7中燃料氣燃燒產生的煙氣，送入預熱裝置6中作為預熱氣，實現了熱量的回收利用。

實施例1

天然氣與提氫裝置排出的氫氣混合后送入預熱器中，天然氣與氫氣的溫度由40℃升至200℃，并與經預熱的水蒸汽混合，得到混合氣。混合氣在加熱爐中加熱至950℃，得到升溫混合氣。升溫混合氣送入豎爐中，重整得到還原氣，還原含鎳量為0.9％(質量含量)的紅土鎳礦球團，得到海綿鐵和爐頂氣。其中，海綿鐵的金屬化率為96％。

爐頂氣經降溫除塵、壓縮、脫碳后，送入提氫裝置中。海綿鐵經冷卻后，由豎爐底部排出，冷卻氣排出豎爐后，經水洗、壓縮后重新送回豎爐中循環冷卻使用。

實施例2

天然氣與提氫裝置排出的氫氣混合后送入預熱器中，天然氣與氫氣的溫度由40℃升至200℃，并與經預熱的水蒸汽混合，得到混合氣。混合氣在加熱爐中加熱至1000℃，得到升溫混合氣。升溫混合氣送入豎爐中，重整得到還原氣，還原含鎳量為1.2％(質量含量)的紅土鎳礦球團，得到海綿鐵和爐頂氣。其中，海綿鐵的金屬化率為96％。

爐頂氣經降溫除塵、壓縮、脫碳后，送入提氫裝置中。海綿鐵不經冷卻，直接進行工業應用。

實施例3

天然氣與提氫裝置排出的氫氣混合后送入預熱器中，天然氣與氫氣的溫度由60℃升至300℃，并與經預熱的水蒸汽混合，得到混合氣。混合氣在加熱爐中加熱至900℃，得到升溫混合氣。升溫混合氣送入豎爐中，重整得到還原氣，還原含鎳量為1.1％(質量含量)的紅土鎳礦球團，得到海綿鐵和爐頂氣。其中，海綿鐵的金屬化率為96％。

爐頂氣經降溫除塵、壓縮、脫碳后，送入提氫裝置中。海綿鐵經冷卻后，由豎爐底部排出，冷卻氣排出豎爐后，經水洗、壓縮后重新送回豎爐中循環冷卻使用。

最后應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。